المحركات الخطوية - stepper motor

المحركات الخطوية - stepper motor



نحن نعلم بأن المحركات المستخدمة في اغلب الاجهزة الكهربائية مثل
اجهزة التسجيل TAPE مثلا كانت محركاتها تعمل باتجاه واحد وسرعة محددة مسبقا حسب مواصفات الصانع لهذا المحرك
بالاضافة الى انها كانت تتغذى من خلال خطين فقط ( السالب والموجب ) طبعا كان هذا قديما مع انها لا زالت تستخدم في بعض الاجهزة الصينية الرخيصة ؟
الا ان مع التقدم والتطور التكنولوجي لم تعد تلك المحركات تفي بالمهمة
المطلوبة منها وخاصة عندما تريد القيام بصنع جهاز معين يتطلب فيه
من المحرك القيام بأكثر من عمل / حركة في أن واحد كأن نقول ان
يعمل يمينا او يسارا او ان يدور لنقطة معينة ومن ثم العودة الى اول نقطة من جديد ومن ثم الدوران الى نقطة ثالثة وهكذا لقد باتت المحركات الخطوية تنفذ كل هذه المهام وبدقة متناهية تكاد لا تتعدى اجزاء الميليمتر احيانا واجهزة الطابعات والسيدي روم والدي في دي تؤكد ذلك لذلك كان لا بد من القيام بصنع هذه المحركات .
طبعا انا لا اريد الدخول الى تاريخ المحركات وانواعها لانه موضوع متعدد ومتشعب ولكن اريد تسليط الضوء على جانب من احد جوانبها المهمة والتي سنعتمد عليها في بناء اجهزتنا وداراتنا اللاحقة والتي تشمل الكثير من المجالات ...
كما انني ومن خلال بحثي في الكثير من المواقع العربية المتخصصة بالمجال الكهربائي والالكتروني لاحظت ان الكثير من الشباب والطلاب مهتمين بعالم السيارات والطائرات والمروحيات التي يتم التحكم بها عن بعد بالاضافة الى الروبوتات والتي ساتحدث عنها بالتفصيل في مواضيعي القادمة لكي يتكون عند المهتمين بهذه المجالات الفكرة التامة والكاملة عن مبدأ عمل كل من المحركات بالدرجة الاولى كون كل السيارات والروبوتات تعتمد عليها في عملها بالشكل المناسب ومن ثم الدارات الالكترونيةالخاصة بها ونتعرف معا على المبرمجات وملحقاتها بالاضافة الى بحثنا الموسع في كل موضوع منها ؟
دعونا ندخل الى الى عالمها معا ونبدأ بأسمها اولا
لماذا سميت stepper :
ان كلمة stepp بالانجليزية تعني ( خطوة ) ولكن ماذا لو اردنا ان نكتب ( خطوات ) بالعربية سنرى بأنه اصبح لدينا ( صفة الجمع ) وصفة الجمع هذه هي التي كانت السبب في اضافة الحرفين الاخيرين الى كلمة stepp اي خطوة الى stepper اي خطوات او خطوية وهذا يعني تتالي وتتابع الخطوات المنفذة من قبل هذا المحرك دون النظر الى الاتجاه الذي يسلكه
تتكون المحركات الخطوية كباقي المحركات من قسمين رئيسيين ( الملف ) و ( القلب الدوار )
ملاحظة صغيرة قبل ان نكمل قصة حياة ال stepper
اولا اريد ان اقول بأنني من الداعمين لتبسيط الامور قدر الامكان حتى يستوعبها الكبير والصغير
ثانيا اريد ان اقول لكل من يقرأ هذه الكلمات او يهتم لعالم المحركات والروبوتات ( لاتخف ) ولكن كن حذرا وبهدوء حاول ان تكون هادء قدر الامكان بالاضافة الى التركيز ( لا تتعجل الامور ابدا ) عندما تحاول عمل دارة معينة او تركيب محرك والتحكم فيه قد تنظر الى مخطط الدارة وتركيبها وانت متوتر قليلا لذلك ستكون نتيجة النظرة الاولى سلبية ومعقدة وتحتار من اين ستحصل على القطع وكيف ستقوم بتطبيقها ومن اين تحصل على المحرك المناسب لعملك هذا او الاطارات ( العجلات ) التي بات الكثير يشتكي من عدم توفرها والخ ...
نعود الى موضوعنا الاساس ؟
نحن نعلم ان الدائرة هي 360 درجة وتصنع المحركات الخطوية على اساس دورانها دورة كاملة اي 360 درجة سواء كانت هذه الدورة لمرة واحدة او لعشر مرات او الف وبالاتجاهين حسب تغذية المحرك ومن هذا المنطلق يأتي عمل المحرك الخطوي اي انه صمم على اساس ان
يدور دورة كاملة او يتوقف في ربع الدورة او نصفها او ثلاث ارباعها او يكمل 360 درجة هذا اذا اعتبرنا ان المحرك مصمم لتنفيذ اربع خطوات كل خطوة منها 45 درجة ولكن ماذا لو كان المحرك مصمم لتنفيذ اكثر من اربع خطوات كأن نقول 8 او 16 ... لقد تقسيم الملف الخاص بالمحركات الخطوية لتدور ( 7.5 ) درجة في كل خطوة وهذا يأخذنا الى المعادلة التالية ( 360 ÷ 7.5 ) = 48 خطوة بالتمام والكمال ( والكمال لله الواحد الاحد طبعا )
انما قد يتبادر الى فكرنا السؤال التالي ... كيف يمكن التحكم بهذا المحرك
الذي يتألف من 48 لفة / خطوة وهل هذا يعني ان لكل ملف من ال 48 خطان كهربائيان لتشغيلهما على حدة واذا كان كذلك هذا يعني ان المحرك يجب ان يتكون من ( 96 خط ) وهذا غير معقول طبعا وبالرجوع الى المحرك نرى انه يتكون من 4 او 5 او 6 خطوط لتغذيته اذا كيف تم ذلك
كلنا يعلم بأنه لو احضرنا قطة حديد او مسمار مثلا ولفينا عليها


سلك معزول ومررنا به تيار كهربائي ستكون النتيجة هي الحصول على مغناطيس غير دائم وان بقيت الشحنة
مخزنه به لمده معينة من الزمن الا انها ستتلاشى شيئا فشيئا الى ان تنتهي وفي مثالنا التالي اتينا بقطع حديد مكونه
من اربع ملفات بزاوية 90 درجة لكل منهما وقلب دوار يتكون من مغناطيس دائم يدور حول نقطة مركزه الشكل
( 1 - 1 )



سنتابع معا باقي الخطوات وذلك بفارق 45 درجة لكل مرحلة
الى ان نكمل ال 360 درجة من خلال الاشكال التالية ونرى
معا اننا عندما طبقنا تيار كهربائي على الملف 1 من المحرك
سيتجه المغناطيس الى الاعلى باتجاه الملف رقم 1 ( المرحلة 1 )



الان وفي المرحلة الثانية نقطع التيار عن الملف 1 ونقوم بتطبيقه على
الملف 2 ونرى كيف اتجه المغناطيس بزاوية 90 درجة
اي انه انتقل خطوة واحدة من الاربع خطوات ( المرحلة 2 )



ايضا نقطع التيار عن المرحلة الثانية ونقوم بتطبيقه على المرحلة
الثالثة ونرى كيف اتجه المغناطيس ايضا بزاوية 90 درجة وانتقل
خطوة باتجاه الاسفل وهذا يعني انه انتقل خطوة ثانية ( المرحلة 3 )



ثم نقطع التيار عن الملف رقم 3 ونقوم بتطبيقه على الملف رقم 4 ونرى
كيف سيتجه المغناطيس الى الخطوة الثالثة ايضا بزاوية 90 درجة
( المرحلة 4 )
واخيرا لو عدنا وطبقنا التيار على الملف رقم 1 طبعا سيتجه المغناطيس الى الاعلى لتكتمل دورتنا بالمحرك بزاوية 45 درجة ويكون المجموع 360 درجة اي دورة كاملة ؟
الان وبعد ان انهينا مراحلنا الاربع ذات ال 90 درجة والتي تسمى بالخطوات البسيطة سننتقل معا الى اعطاء المحرك زاوية دوران اخرى وتسمى ب الخطوة المزدوجة ؟
وفي هذه الحالة يتم ايصال التيار فيها الى ملفين في نفس الوقت بدلا من ملف واحد كما في السابق لسببان الاول هو ازدياد قوة الملف الجاذب للمغناطيس لتصبح ضعفين
والثاني ازدياد عزم الدوران للمحرك وتمكينه من بذل طاقة اكبر للحصول على مردود جيد كما في الشكل ( 1 - 2 )
وهنا نلاحظ بأنه بعدما طبقنا التيار على الملفين 1 و 2 معا انحرف المغناطيس



45 درجة بدلا من 90 واتخذ منتصف الملفين كنقطة توقف رئيسية
والامر بالنسبة للخطوات هنا وان كانت تنتقل 90 درجة في كل مرحلة الا انها تشبه المراحل الاربع السابقة مع اختلاف زاوية الدوران



وكما نلاحظ هنا في الشكل ( 2 - 2 ) بانه بعدما طبقنا التيار على الملفين 2 و 3 معا دار المحرك 90 درجة وتوقف عند النقطة او الزاوية 135 درجة



وفي المرحلة الثالثة قمنا بتطبيق التيار على الملفين 3 و 4 ليدور محركنا ربع دورة ومقدارها 90 درجة ويتوقف عند زاوية الدرجة 225



وهنا وفي المرحلة الاخيرة عدنا وطبقنا التيار على الملف 1 و 4 ايضا ليدور المحرك 90 درجة ويتخذ الزاوية 315 درجة
مقرا له بفارق 45 درجة عن انهاء الدورة الكاملة 360 درجة وذلك بسبب استخدامنا له بطريقة الدوران المزدوج
هذه طريقتان لعمل المحرك الا انه توجد طريقة ثالثة واخيرة


وتسمى ب ( نصف خطوة ) وهي تعتمد في مبدأ عملها على الجمع ما بين الطريقة الاولى والثانية وهذا
يعني بأنه اذا ما كان المحرك مصمم للقيام بأربع خطوات فيمكننا استخدامه وكأنه محرك ( 8 خطوات )
وهذا جدول الحقيقة يبين لنا عدد الخطوات ال 48 وكل درجة بدأ من الدرجة الاولى والتي ينطلق منها المحرك وهي 7.5 كما سبق وذكرنا وصولا الى الدورة الكاملة وهي 360 درجة ...
يجب ان نعلم بأنه يوجد نوعان للمحركات
الاول يكون ثنائي القطبية ( PIPOLAR ) وعدد اسلاكه اربعه وتركيبته الداخلية سهله جدا يعني وكأنك تتعامل مع ملفان فقط
والثاني يكون أحادي القطبية ( UNIPOLAR ) وعدد اسلاكه ( خمسة او ستة ) اسلاك وتركيبته الداخلية معقدة بعض الشيئ ولكن يمكنك ان تفهمه بسهولة وطريقة قيادته ابسط بكثير من المحركات ثنائية القطبية ومن ميزاته الخاصة هو ان التيار يجري في الملفات بأتجاه واحد



ويمكنك معرفة التركيبة الخاصة بهذه المحركات بثلاث طرق
1 - من خلال مقياس الفولت ميتر وذلك على فرض ان المقاومة بين كل ملف ونقطة المشترك هي ( 50 اوم ) فنبدأ بقياس الاسلاك الواحد تلو الاخر حتى يظهر معنا خط المشترك ومن ثم باقي ملفات المحرك كل واحد على حدى ...
2 - من خلال تطبيق تيار كهربائي من احد وحدات التغذية التي لا تزيد عن قدرة المحرك ( اقصد ان تطبق تيار كهربائي مساوي لقدرة المحرك او اقل منه ) وذلك بوصل احد الاسلاك الى الموجب لوحدة التغذية وتمرير باقي الاسلاك الواحد تلو الاخر على خط السالب من وحدة التغذية وتجربهم حتى تحصل على كل الملفات
3 - من خلال الداتا شيت للشركة المنجه لذلك المحرك ان توفرت ...
اما بالنسبة لموضوع السرعة وعدد الدورات بالدقيقة للمحرك يتوقف على امرين مهمين الاول هو الصانع ( يعني مواصفات المحرك وعدد دوراته بالدقيقة ) التي حددها مصنع المحرك والثاني هو الدارة الالكترونية وبالتحديد المتحكم الذي سيقود هذا المحرك وهذا هام لان المصنع عندما يضع مواصفات محرك ما ب 12 فولت وعدد دوراته 600 بالدقيقة ويمكن ان يعمل بتيار ثابت ما بين 10.8 فولت و 13.2 فولت واستهلاك التيار لكل ملف 259 ميلي امبير ومقاومة كل ملف 50 اوم بنظام 7.5 درجة او خطوة هذا يعني كل مواصفات المحرك وهو محرر من اي تحميل اي انه يلعب لوحدة ؟
لذلك فيما لو اردنا ان نحسب قدرة محركنا هذا وتوافقه مع المتحكمة التي سنستخدمها لتشغيله نقول ... 600 ÷ 48 = 12.5 دورة بالثانية وهذا يعني ان اقصى توقيت لتطبيق الخطوة هو 600 ÷ 1000 = 0,6 ميلي ثانية وهذا يعني بأنه لا يمكننها تشغيل هذا المحرك على متحكمة تعطي مليون امر بالثانية اذا يجب ان نختار المتحكمة المناسبة لكل محرك حسب مواصفاته ؟

كلمات اخيرة
ان البحث في مجال المحركات الخطوية لا ينتهي كونه متعددة
المواصفات ومجالات الاستخدام من جهة ومتطلبات هذا الشخص او ذاك حول نوع المحرك المطلوب لعمله والدارة الالكترونية التي


ستقود المحرك حسب نوع الجهاز الذي يريد تصميه الا انني اردت ان
اقدم فكرة عامة عن طريقة عمل هذا المحرك الذي بات الشغل الشاغل للكثيرين منا وهذه الدارة المرفقة والتي لا تعتمد في مبدأ قيادتها للمحرك على الميكروكونترولر كما تعودنا او الحاسب انما هي دارة منطقية تعتمد على الشريحة المعروفة 4017 بالاضافه الى ثلاث شرائح 2030 TDA وكما نعلم ان ال TDA هي دارة تكبير صوت الا ان استخدامها هنا بشكل جسري تعطي مردود جيد جدا لتطبيقها وتجربة المحركات عليها من خلال التحكم المنطقي بها واخيرا لا يمكنني الا ان اقول بأن الخبرة ولو كانت بسيطة بعض الشيئ والتجربة او بالاحرى التجارب تلعب دورا مهما في انتاج اي مشروع قد يفشل في البداية لمرة او اكثر ولكن النتيجة ستكون مرضية في اغلب الاحوال ,,, وشكرا
م - مازن علي حاجي