محرك خطوي

رسم متحرك لمحرك خطوي بسيط قيد التشغيل، حيث يتم جذب أقرب أسنان من الدوار الحديدي على شكل تروس. عند تحديد موضع الأسنان مع المغناطيس الكهربائي 1، سيكون هناك انحراف طفيف عن المغناطيس الكهربائي الأيمن (2).
الحالة 2: إيقاف تشغيل المغناطيس الكهربائي العلوي (1)، وتشغيل المغناطيس الكهربائي الأيمن (2)، حيث تُجذب الأسنان لتحديد موضعها مع المغناطيس الكهربائي الأيمن (2). ونتيجة لذلك، يحدث دوران بزاوية 3.6 درجة في هذا المثال.
الحالة 3: يُنشَّط المغناطيس الكهربائي السفلي (3)، ويحدث دوران آخر بزاوية 3.6 درجة.
الحالة 4: يُنشَّط المغناطيس الكهربائي الأيسر (4)، مما يؤدي إلى دوران الدوار مرة أخرى بزاوية 3.6 درجة. عندما يتم تنشيط المغناطيس الكهربائي العلوي (1) مرة أخرى، سيكون الدوار قد دار بمقدار موضع الأسنان الواحد؛ نظراً لأن هناك 25 سناً، فسيستغرق 100 خطوة لإجراء دوران كامل في هذا المثال.

المحرك الخطوي إنگليزية: Stepper motorcode: en is deprecated ، المعروف أيضاً باسم محرك الخطوة، هو محرك كهربائي عديم المسفرات يقسم الدوران الكامل إلى عدد من الخطوات المتساوية. يمكن التحكم في موضع المحرك للتحرك والتوقف عند أحد هذه الخطوات دون الحاجة إلى أي مستشعر موضع للتغذية الراجعة (تحكم ذاتي)، طالما تم تحديد حجم المحرك بشكل صحيح بالنسبة للتطبيق من حيث عزم الدوران والسرعة.

تعتبر محركات الممانعات المتبدلة محركات خطوية كبيرة جداً تتميز بعدد أقطاب مخفض وعادة ما تكون ذات تحكم ذاتي بالحلقة المغلقة.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 الآلية

محرك خطوي

محرك خطوي هجين ثنائي القطب.

تدور المحركات الكهربائية ذات المسفرات عند تطبيق جهد كهربائي على أطرافه بشكل مستمر. يتميز المحرك الخطوي بخاصية تحويل قطار من نبضات الإدخال (عادة ما تكون موجات مربعة) إلى زيادة دقيقة في موضع دوران المحور. تدوّر كل نبضة المحور بزاوية ثابتة.

تحتوي المحركات الخطوية عملياً على العديد من المغناطيسات الكهربائية المسننة المرتبة كطرف ثابت حول الجزء الدوار المركزي، وهو قطعة من الحديد على شكل عجلة. تتم تنشيط المغناطيسات الكهربائية بواسطة دائرة تحكم خارجية أو متحكم دقيق. لتدوير عمود المحرك، يتم تفعيل مغناطيس كهربائي واحد بالطاقة، مما يجذب بشكل مغناطيسي أسنان المسنن. عند تحديد أسنان المسنن إلى المغناطيس الكهربائي الأول، تكون مبتعدة قليلاً عن المغناطيس الكهربائي التالي. وهذا يعني أنه عند تشغيل المغناطيس الكهربائي التالي وإيقاف تشغيل المغناطيس الأول، يدور المسنن بشكل طفيف للانحياز إلى المغناطيس الكهربائي التالي. ويتم تكرار هذه العملية. وتسمى كل دورة جزئية "خطوة"، حيث تشكل عدد صحيح من الخطوات دورة كاملة. وبهذه الطريقة، يمكن تدوير المحرك بزاوية دقيقة.

ينقسم الترتيب الدائري للمغناطيسات إلى مجموعات تسمى كل منها مرحلة (Phase)، وتوجد عدد متساوٍ من المغناطيسات الكهربائية في كل مجموعة. يختار المصمم عدد المجموعات المطلوبة في المحرك الخطوي. تتداخل المغناطيسات الكهربائية في كل مجموعة مع المغناطيسات الكهربائية في المجموعات الأخرى لتشكيل نمط موحد للترتيب. على سبيل المثال، إذا كان لدى المحرك الخطوي مجموعتان تم تحديدهما باسم A و B، و10 مغناطيسات كهربائية بشكل عام، فسيكون نمط التجميع ABABABABAB.

يتم تشغيل الملفات الكهرومغناطيسية داخل نفس المجموعة معاً. وبسبب ذلك، فإن المحركات الخطوية التي تحتوي على عدد أكبر من المراحل عادة ما تحتوي على مزيد من الأسلاك (أو الأقطاب) للتحكم في المحرك.

 الأنواع

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من المحركات الخطوية:

1. محرك خطوي ذو مغنطة دائمة
2. محرك خطوي ذو ممانعة متغيرة
3. محرك خطوي متزامن هجين

تستخدم المحرك الخطوي ذات المغنطة الدائمة المغنطة الدائمة في الدوار وتعمل على جذب أو التنافر بين مغناطيس الدوار والمغناطيس الكهربائي للجزء الثابت.

تحرك النبضات الدوار بخطوات متقطعة، عكس عقارب الساعة أو باتجاه عقارب الساعة. إذا ترك المحرك مشغلاً في الخطوة النهائية، فسيبقى هناك تثبيت قوي في ذلك الموضع. لهذا التثبيت معدل خطوات متوقع وحدود عزم محددة؛ يحدث الانزلاق إذا تم تجاوز الحد. إذا تم إزالة التيار الكهربائي، فإن تثبيتاً أقل لا يزال قائم، مما يحافظ على وضع المحور ضد العزم الخطوي أو التأثيرات الأخرى على عزم الدوران. يمكن استئناف الخطوات مع الحفاظ على تزامن موثوق به مع الإلكترونيات التحكم.

تعمل محركات الممانعة المتغيرة (VR) بدوار حديدي بسيط على الأساس الذي يفيد بأن الحد الأدنى للقصور يحدث مع الحد الأدنى للفجوة، وبالتالي يتم جذب نقاط الدوران في الدوار نحو أقطاب المغناطيس الثابت في الثابت. بينما تعد المحركات الهجينة المتزامنة هي مزيج من أنواع المغناطيس الدائم والاستجابة المتغيرة لتحقيق أقصى قدرة في حجم صغير.

لدى محركات الممانعة المتغيرة قوة على نقاط التثبيت ولكن ليس لديها نقاط تثبيت بدون قوة.

 المحركات الخطوات بطورين

هناك ترتيبان أساسيان للملفات الكهرومغناطيسية في المحرك الخطوي ذو الطورين: ثنائي القطب وأحادي القطب.

 محركات أحادية القطب

ملفات المحرك الخطوي أحادي القطب

يتميز المحرك الخطوي ذو القطب الواحد بوجود لفة واحدة مع فراغ مركزي لكل طور. يتم تشغيل كل جزء من الملفات اللفائفية لكل اتجاه للحقل المغناطيسي. نظراً لأنه يمكن عكس القطب المغناطيسي في هذا الترتيب بدون تغيير قطبية السلك المشترك، يمكن أن يكون دائرة المبادل ببساطة مفتاحاً واحداً لكل نصف لفة. وعادة ما يتم جعل التاب المشترك بين منتصفي اللفات الملائمة: ثلاثة أسلاك لكل مرحلة وستة أسلاك للمحرك الخطوي ذو المرحلتين النموذجي. وغالباً ما يتم الانضمام الداخلي بين هذين الفراغين للطور، بحيث يكون للمحرك خمسة أسلاك فقط.

يمكن استخدام متحكم دقيق أو للمحرك الخطوي لتنشيط ترانزيستورات النابضة في الترتيب الصحيح، ويجعل سهولة التشغيل هذه المحركات غير الثنائية القطب شائعة بين الهواة؛ إذ إنها ربما هي الطريقة الأرخص للحصول على حركات زاوية دقيقة. بالنسبة للمختبِر، يمكن تحديد اللفات بلمس أسلاك الطرف معاً في محركات العُمل المغناطيسي الدائم. إذا تم توصيل أطراف لفة، يصعب دوران العمود. طريقة للتمييز بين السلك المركزي (السلك المشترك) وسلك نهاية اللفة هي عن طريق قياس المقاومة. المقاومة بين السلك المشترك وسلك نهاية اللفة تساوي دائماً نصف المقاومة بين أسلاك نهاية اللفة. هذا لأن هناك ضعف طول اللفة بين النهايات ونصف فقط بين الوسط (السلك المشترك) والنهاية. طريقة سريعة لتحديد ما إذا كان محرك الخطوة يعمل هي توصيل كل زوجين من الأزواج معاً ومحاولة تدوير العمود. عندما يتم الشعور بمقاومة أعلى من المعتاد، فإن ذلك يشير إلى أن الدائرة إلى اللفة المحددة مغلقة وأن الطور يعمل.

غالباً ما يتم تزويد المحركات الخطوية مثل هذا بآلية تخفيض السرعة لزيادة عزم الدوران الناتج. وكان المحرك الموضح هنا مستخدماً في ماسح ضوئي مسطح (Flatbed Scanner).

المحرك 28BYJ-48 مع مشغل ULN2003A هو أحد أشهر المحركات الخطوية بين الهواة.

 محركات ثنائية القطب

محرك خطوي ثنائي القطب المستخدم في محرك الأقراص الضوئية لتحريك مجموعة الليزر.

تحتوي المحركات الخطوية ثنائية القطب على زوج من وصلات لف واحدة لكل طور. يجب عكس التيار في اللفة لعكس القطب المغناطيسي، لذلك يجب أن تكون دائرة المحرك أكثر تعقيداً، وعادةً ما تكون بترتيب جسر-إتش (ومع ذلك، هناك العديد من رقائق مشغلات جاهزة المتاحة لجعل هذا الأمر بسيطاً). هناك سلكين لكل طور، ولا يوجد أي سلك مشترك.

نمط القيادة النموذجي لمحركات الخطوة ثنائية القطب المكونة من لفتين هو: A+ B+ A- B-. أي يتم تشغيل اللفة A بتيار موجب، ثم يتم فصل التيار من اللفة A؛ ثم يتم تشغيل اللفة B بتيار موجب، ثم يتم فصل التيار من اللفة B؛ ثم يتم تشغيل اللفة A بتيار سالب (عن طريق تبديل الأسلاك على سبيل المثال مع جسر إتش)، ثم يتم فصل التيار من اللفة A؛ ثم يتم تشغيل اللفة B بتيار سالب (مع عكس القطبية بنفس طريقة اللفة A)؛ ويتم إكمال الدورة والعودة إلى البداية من جديد.

لقد لوحظت تأثيرات الاحتكاك الثابت عند استخدام جسر-إتش مع بعض توبولوجيات القيادة.

يمكن خفض تأثير "الاحتكاك الثابت" عن طريق اهتزاز إشارة المحرك بتردد أعلى مما يمكن للمحرك التجاوب معه.

محرك خطوي ثنائي القطب مع آلية تخفيض السرعة المستخدمة في ماسح ضوئي مسطح.

نظراً لاستخدام اللفات بشكل أفضل، فإنها أكثر قوة من المحرك ثنائي الاتجاه المغناطيسي لنفس الوزن. يرجع ذلك إلى المساحة الفعلية التي تشغلها اللفات. يحتوي المحرك ثنائي الاتجاه المغناطيسي على مقدارين من الأسلاك في نفس المساحة، لكن يتم استخدام نصفها فقط في أي وقت، وبالتالي يكون كفاءته 50٪ (أو حوالي 70٪ من العزم الناتج المتاح). على الرغم من أن المحرك الخطوي ثنائي القطب أكثر تعقيداً في القيادة، إلا أن وفرة رقائق التشغيل تعني أن هذا أسهل بكثير في تحقيقه.

يشبه المحرك الخطوي ذو الـ 8 أسلاك المحرك الخطوي ثنائي الاتجاه المغناطيسي فيما يتعلق بالتصميم، ولكن الأسلاك غير متصلة مع بعضها البعض داخل المحرك. يمكن توصيل هذا النوع من المحرك بعدة تكوينات:

• أحادي القطب.
• المحرك الخطوي ثنائي الاتجاه ذو اللف التسلسلي، وهو ما يؤدي إلى زيادة التعامل مع التحريض (الحث) ولكن تيار أقل في كل لفة.
• المحرك الخطوي ثنائي الاتجاه ذو اللف المتوازي، وهو ما يتطلب تياراً أعلى ولكن يمكن أن يؤدي إلى أداء أفضل حيث يتم تقليل التعامل مع التحريض في اللفات.
• المحرك الخطوي ثنائي الاتجاه أحادي اللفة لكل طور، وهذه الطريقة ستعمل على تشغيل المحرك بنصف اللفات المتاحة، مما يقلل من عزم الدوران المتاح عند السرعات المنخفضة ولكن يتطلب تياراً أقل.

 محركات خطوية ذات عدد أطوار أعلى

تميل المحركات الخطوية ذات عدد أطوار أعلى إلى وجود مستويات أقل من الاهتزاز. على الرغم من أنها أغلى ثمناً، إلا أنها تمتلك كثافة طاقة أعلى وبالإلكترونيات المناسبة للقيادة، فهي غالباً ما تكون مناسبة بشكل أفضل للتطبيق..

 دوائر التحكم

يعتمد أداء المحرك الخطوي بشكل كبير على دائرة التحكم. يمكن تمديد منحنيات عزم الدوران إلى سرعات أكبر إذا كان من الممكن عكس أقطاب الجزء الثابت بشكل أسرع، حيث يكون العامل المحدد عبارة عن مجموعة من محاثة اللف. للتغلب على الحث وتبديل اللفات بسرعة، يجب زيادة جهد التشغيل. ومن هنا يتبع الضرورة الحاجة إلى تقييد التيار الذي قد يسببه هذا الجهد العالي.

هناك قيد إضافي، يمكن مقارنته غالباً بتأثيرات الحث، وهو المجال الكهرومغناطيسي العكسي للمحرك. عندما يدور دوار المحرك، يتولد جهد جيبي متناسب مع السرعة (معدل الخطوة). يتم طرح جهد التيار المتناوب هذا من شكل موجة الجهد المتاح لإحداث تغيير في التيار.

 دوائر المتحكم L/R

يُشار إلى المتحكم L/R باسم مشغلات الجهد الثابت لأنه يتم تطبيق جهد ثابت موجب أو سالب على كل لفة لضبط مواضع الخطوة. ومع ذلك، فإن التيار المار في اللفة هو الذي يولد العزم على محور المحرك الخطوي، وليس الجهد. كما يرتبط التيار I الذي يمر في كل لفة بالجهد المطبق V عليها بفعل الملف L والمقاومة R للفة. تحدد المقاومة R الحد الأقصى للتيار وفقاً لقانون أوم I=V/R. تحدد المحاثة L الحد الأقصى لمعدل تغير التيار في الملف وفقاً لصيغة المستحث dI/dt = V/L. يكون التيار الناتج لنبضة الجهد هو تيار يزيد بسرعة كدالة للتحريض، حيث يصل هذا التيار إلى القيمة V/R ويبقى ثابتاً لبقية فترة النبضة. وبالتالي، عندما يتم التحكم فيه بواسطة محرك جهد ثابت، فإن السرعة القصوى للمحرك الخطوي تكون محدودة بسبب تحريضه لأنه عند بعض السرعة، سيتغير الجهد U بشكل أسرع من التيار الذي يمكنني مواكبة ذلك. بعبارات بسيطة، فإن معدل تغير التيار هو L/R (على سبيل المثال، سوف يستغرق محاثة 10 mH مع مقاومة 2 أوم 5 مللي ثانية للوصول إلى حوالي 2/3 من الحد الأقصى لعزم الدوران أو حوالي 24 مللي ثانية للوصول إلى 99٪ من أقصى عزم دوران). للحصول على عزم دوران عالي بسرعات عالية يتطلب جهد محرك كبير مع مقاومة منخفضة ومحاثة منخفضة.

من خلال استخدام نظام تشغيل L/R، يُمكن التحكم في محرك مقاوم منخفض الجهد باستخدام نظام تشغيل أعلى الجهد فقط بإضافة مقاوم خارجي في سلسلة مع كل لفة. ومع ذلك، سيؤدي ذلك إلى إهدار الطاقة في المقاومات وتوليد الحرارة. ولذلك، يُعتبر هذا الخيار ذو كفاءة منخفضة، على الرغم من كونه بسيطاً ورخيصاً.

تتغلب مشغلات الجهد الحديثة التي تعمل بالجهد على بعض هذه القيود عن طريق تقريب موجة جهد جيبية لمراحل المحرك. يتم ضبط قيمة ذبذبة الجهد لزيادتها مع معدل الخطوة. إذا تم ضبطها بشكل صحيح، فهذا يعوض تأثيرات الحث والقوة المحركة الكهربائية العكسية، مما يتيح أداءاً جيداً بالمقارنة مع مشغلات التيار، ولكن على حساب جهود التصميم (إجراءات الضبط) التي تكون أكثر بساطة بالنسبة لمشغلات التيار.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 دوائر متحكم المقطع المتناوب

تُشير دوائر تشغيل محركات المقطع المتناوب إلى الأدوار التي تحكم التيار المولد في كل لفة بدلاً من تطبيق جهد ثابت. وغالباً ما تستخدم دوائر تشغيل محركات المقطع المتناوب مع المحركات الثنائية القطبية ذات اللفتين، حيث يتم تشغيل اللفتين بشكل مستقل لتوفير عزم دوران محدد في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. يتم تطبيق جهد "المزود" على كل لفة على شكل جهد موجة مربعة؛ على سبيل المثال، يتم تطبيق جهد بتردد 8 كيلو هرتز على اللفة. تعمل اللفة الحثية على تنعيم التيار الذي يصل إلى مستوى يتوافق مع نسبة واجب الموجة المربعة. وغالباً ما يتم تزويد التيارات الثنائية القطبية (+ و -) بالجهد المستمر الموجب والسالب على التوالي، بالنسبة إلى عودة اللفة. بالتالي، تنتج دورة العمل 50% تياراً صفرياً. و0% تياراً كاملاً بمقدار V/R في اتجاه واحد. وتنتج الدورة 100% تيارًا كاملًا في الاتجاه المعاكس. يتم مراقبة هذا المستوى من التيار من خلال المتحكم باستخدام قياس الجهد عبر مقاومة الكشف الصغيرة الموجودة على التسلسل مع اللفة. وهذا يتطلب إلكترونيات إضافية لكشف تيار اللفة والتحكم في العمليات القطبية، لكنه يسمح بتشغيل المحركات الخطوية بعزم دوران أعلى في سرعات أعلى من الأدوار التي تحكم التيار والمقاومة (L/R)، ويسمح أيضاً للمتحكم بإخراج مستويات تيار محدد بدلاً من تيار ثابت. والإلكترونيات المتكاملة لهذا الغرض متوفرة على نطاق واسع.

 موجات تيار الطور

توضح وضعيات تشغيل المحرك الخطوي غير القطبي الرباعي الأطوار تيار الملفات المستخدمة فيها.

المحرك الخطوي هو محرك متناوب متزامن متعدد الأطوار (انظر النظرية أدناه)، ويتم تشغيله بشكل مثالي بواسطة التيار الجيبي. شكل الموجة ذو الخطوة الكاملة هو تقريب إجمالي للجيبية، وهو السبب في تعرض المحرك للكثير من الاهتزازات. تم تطوير تقنيات محرك مختلفة لتقريب شكل موجة محرك جيبي بشكل أفضل: وهي نصف الخطوة والخطوة الدقيقة.

 محرك الموجة (طور واحد قيد التشغيل)

في هذا النمط من طريقة التشغيل، يتم تشغيل مرحلة واحدة فقط في كل مرة. لديه نفس عدد الخطوات الخاص بطريقة التشغيل بالخطوة الكاملة، ولكن سيكون لدى المحرك عزم دوران أقل بكثير من القيمة المقدرة. وهي نادراً ما تستخدم. في الرسم المتحرك، يحتوي الدوار على 25 سناً ويستغرق 4 خطوات لتدويره بمقدار سن واحد. لذلك سيكون هناك 25 × 4 = 100 خطوة لكل دورة كاملة وسيكون كل خطوة بزاوية ³⁶⁰⁄₁₀₀ = 3.6°.

 محرك كامل الخطوة (تشغيل طورين)

هذه هي الطريقة العادية لتشغيل المحرك بخطوات كاملة. تُشغّل مرحلتان دائماً حتى يوفر المحرك أقصى عزم دوران تصنيفي له. وبمجرد إيقاف تشغيل مرحلة واحدة، يتم تشغيل مرحلة أخرى. تُعد المحركات ذات الإيقاع الموجي والخطوة الكاملة لمرحلة واحدة هما واحدة ونفس عدد الخطوات، ولكن هناك فرق في العزم.

 نصف خطوة

عند النصف خطوة، يتناوب التحكم بين طورين بوضع التشغيل وطور واحد بوضع التشغيل. وهذا يزيد من دقة الزاوية. كما أن المحرك لديه عزم أقل (حوالي 70٪) في وضع الخطوة الكاملة (حيث يكون مرحلة واحدة فقط تعمل). يمكن تخفيف هذا بزيادة التيار في الملف النشط للتعويض عن ذلك. ميزة النصف خطوة هي أن الإلكترونيات الدافعة لا تحتاج إلى تغيير لدعمها. في الرسم المتحرك الموضح أعلاه، إذا قمنا بتغييره إلى النصف خطوة، فسيستغرق 8 خطوات للتدوير بمقدار موضع سن واحد. لذلك سيكون هناك 25 × 8 = 200 خطوة لكل دورة كاملة وستكون كل خطوة 360/200 = 1.8 درجة. زاويته في كل خطوة هي نصف الخطوة الكاملة.

 الخطوة الدقيقة

ما يشار إليه عادةً بالخطوات الدقيقة الصغيرة هو عادةً الخطوات الجيبية الدقيقة (Sine-cosine microstepping) حيث يقترب تيار اللفة من موجة مترددة جيبية. الطريقة الشائعة لتحقيق التيار الجيبي هي باستخدام دوائر تحكم بتقطيع متناوب (Chopper-drive circuits). الخطوات الدقيقة الجيبية هو الشكل الأكثر شيوعاً، ولكن يمكن استخدام أشكال موجية أخرى. بغض النظر عن نوع الموجة المستخدمة، مع نقصان الخطوات الدقيقة، يصبح تشغيل المحرك أكثر سلاسة، مما يقلل بشكل كبير من الاهتزازات في أي جزء يمكن أن يكون المحرك متصلاً به، بالإضافة إلى المحرك نفسه. سيتم تحديد الدقة بواسطة الاحتكاك الميكانيكي والفجوة وغيرها من مصادر الخطأ بين المحرك وجهاز التشغيل. يمكن استخدام مخفضات السرعة لزيادة دقة الموضع.

تقليل حجم الخطوة هو ميزة مهمة لمحركات الخطوة وهي سبب أساسي لاستخدامها في التحديد الموضعي.

مثال: يتم تصنيف العديد من محركات الخطوة الهجينة الحديثة بحيث يكون سفر كل خطوة كاملة (مثال 1.8 درجة لكل خطوة كاملة أو 200 خطوة كاملة لكل دورة) ضمن 3٪ أو 5٪ من سفر كل خطوة كاملة أخرى، طالما أن المحرك يتم تشغيله ضمن نطاقات التشغيل المحددة له. يظهر العديد من المصنعين أن محركاتهم يمكنها بسهولة الحفاظ على تساوي حجم الخطوة بنسبة 3٪ أو 5٪ عندما يتم تقليل حجم الخطوة من الخطوة الكاملة إلى الخطوة بنسبة 1/10. ثم، مع زيادة عدد مقسمات المايكروستيب، يتدهور استدامة حجم الخطوة. في حالة تقليل حجم الخطوة بشكل كبير، يمكن إصدار العديد من أوامر الخطوات الدقيقة قبل حدوث أي حركة، ومن ثم يمكن أن تكون الحركة "قفزة" إلى موضع جديد. تستخدم بعض أشباه الموصلات المتحكمة في المحركات الخطوية تياراً متزايداً لتقليل عدم الدقة في الخطوات، خاصةً عندما تكون نبضات التيار القصوى في إحدى الأطوار قصيرة للغاية إذا لم يتم ذلك.

 نظرياً

يمكن اعتبار المحرك الخطوي على أنه محرك متناوب تزامني تيار يتم زيادة عدد الأقطاب فيه (على كل من الدوار والساكن)، مع الاهتمام بعدم وجود مقام مشترك. بالإضافة إلى ذلك، يضاعف المواد المغناطيسية الناعمة ذات الأسنان العديدة على الدوار والساكن بشكل رخيص عدد الأقطاب (محرك ممانعة). للمحرك الخطوي الحديثة ذات تصميم هجين، مغناطيس دائم ونواة حديد لين.

لتحقيق العزم الكامل المقدر، يجب أن تصل ملفات المحرك الخطوي إلى تيارها المقدر الكامل خلال كل خطوة. تميل الملفات التحريضية والتيار العكسي المولد من قبل الدوار المتحرك إلى مقاومة التغييرات في تيار الدفع، بحيث كلما زادت سرعة المحرك، قضى أقل وقت عند التيار الكامل - وبالتالي تقليل العزم المحرك. ومع زيادة السرعات، لن يصل التيار إلى القيمة المقدرة، وفي نهاية المطاف سيتوقف المحرك عن تقديم العزم.

 عزم الجذب

وهو مقياس العزم الذي ينتجه المحرك الخطوي عند تشغيله بدون حالة تسارع. في السرعات المنخفضة يمكن للمحرك الخطوي مزامنة نفسه مع تردد الخطوة المطبق، ويجب أن يتغلب عزم الجذب على الاحتكاك والقصور الذاتي. من المهم التأكد من أن الحمل على المحرك هو احتكاكي بدلاً من أن يكون عطالياً حيث يقلل الاحتكاك من أي اهتزازات غير مرغوبة.

يعرف منحنى عزم الجذب منطقة تسمى منطقة التشغيل/الإيقاف. يمكن تشغيل/إيقاف المحرك في هذه المنطقة فوراً مع وجود حمل ودون فقدان المزامنة.

 عزم السحب

يتم قياس عزم السحب اللازم لسحب المحرك الخطوي عن طريق تسريع المحرك إلى السرعة المطلوبة ثم زيادة تحميل العزم حتى يتوقف المحرك أو يفقد الخطوات. يتم أخذ هذا القياس عبر مجموعة واسعة من السرعات ويتم استخدام النتائج لإنشاء منحنى أداء المحرك الخطوي الديناميكي. كما هو مذكور أدناه، يتأثر هذا المنحنى بجهد التشغيل وتيار التشغيل وتقنيات تبديل التيار. يمكن للمصمم أن يضمن عامل أمان بين العزم المقدر والعزم الكامل المطلوب للتطبيق.

 العزم المثبت

تتميز المحركات الكهربائية المتزامنة باستخدام المغناطيسات الدائمة بعزم مثبت مرتد (المسمى بعزم الانحراف أو الثانوي) ويتم تضمينه في المواصفات في بعض الأحيان) عندما لا يتم تشغيلها كهربائياً. ولا يتمتع نوى الحديد اللين بالاستجابة لهذا السلوك.

 الاهتزاز والطنين

عندما يقوم المحرك بخطوة واحدة، فإنه يتجاوز نقطة التوقف النهائي ويتذبذب حول هذه النقطة ليستقر بوضع الراحة. ويتم تجربة هذا الرنين غير المرغوب فيه على شكل اهتزاز الدوار في المحرك، وهو أكثر وضوحاً في المحركات غير المحملة. يمكن أن يتعطل المحرك غير المحمل أو الذي تحميله أقل من اللازم، إذا كان الاهتزاز الذي يتعرض له كافياً لتسبب فقدان المزامنة.

تتمتع المحركات الخطوية بتردد طبيعي للتشغيل. عندما يتطابق تردد التشغيل مع تردد المتحرك، يصبح الطنين أكثر وضوحاً، وقد يتم تفويت الخطوات ويزداد احتمال التعطل. يمكن حساب تردد الطنين للمحرك من الصيغة التالية:

$f={\frac {100}{2\pi }}{\sqrt {\frac {2pM_{h}}{J_{r}}}}$

M_h

العزم الذي يستطيع المحرك الخطوي الحفاظ عليه N·m

p

عدد أزواج الأقطاب

J_r

عطالة الدوار kg·m²

يعتمد حجم الطنين غير المرغوب فيه على القوة المحركة العكسية الناتجة عن سرعة الدوار. ويؤدي التيار الناتج إلى تخفيف الارتداد، هذا ما يفسر أهمية خصائص دائرة التحكم. ويمكن وصف طنين الدوار بالنسبة لمعامل التخميد.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 المواصفات التقنية والتقييمات

تقدم لوحات المعلومات (اللوحات الإسمية) للمحركات الخطوية عادةً فقط تيار اللف وأحياناً الجهد والمقاومة الكهربائية. ينتج الجهد المقدر تيار التحريض في النظام الكهربائي المستمر، وهذا غالباً ما يكون تصنيفاً لا معنى له، حيث أن جميع مشغلات المحركات الحديثة تحدد التيار الكهربائي وتتحكم به، كما أن الجهد المستخدم في تشغيل المحرك يفوق بكثير الجهد المقيم المعلن في اللوحة.

تشير ورقات البيانات من الشركة المصنعة غالباً إلى معامل التذبذب الذاتي (Inductance). والقوة المحركة العكسية (Back-EMF) مهمان بنفس القدر، ولكن نادراً ما يتم تسجيله (يمكن قياسه بسهولة باستخدام جهاز اوسيلوسكوب). يمكن أن تكون هذه الأرقام مفيدة لتصميم الإلكترونيات بشكل أكثر عمقاً، عند الانحراف عن الجهد القياسي المورد، أو تكييف إلكترونيات مشغلات الطرف الثالث، أو الحصول على رؤية عند اختيار بين نماذج المحركات ذات المواصفات المماثلة في الحجم والجهد والعزم.

سيتغير عزم المحرك الخطوي عند السرعات المنخفضة بشكل مباشر مع التيار. وتعتمد كيفية انخفاض العزم بسرعة عند السرعات الأعلى على تذبذب الملف ودوائر التحكم التي يتم توصيلها بها، وخاصةً جهد التحكم.

ينبغي تحديد حجم المحركات الخطوية وفقاً لمنحنى العزم المنشور، والذي يتم تحديده من قبل الشركة المصنعة عند جهد التحكم المحدد أو باستخدام دوائر التحكم الخاصة بها. تشير الانخفاضات في منحنى العزم إلى وجود اهتزازات محتملة، ويجب على المصممين فهم تأثيرها على التطبيق.

غالباً ما يشار إلى المحركات الخطوية التي تتكيف مع البيئات القاسية بتصنيف IP65.

 الرابطة الوطنية الأمريكية لمصنعي المحركات الخطوية

يقوم الاتحاد الوطني الأمريكي للصناعات الكهربائية (NEMA) بوضع معايير مختلفة للأبعاد والعلامات والجوانب الأخرى للمحركات الخطوية في المعيار NEMA (NEMA ICS 16-2001).تُصَنِّف NEMA المحركات الخطوية حسب حجم الواجهة، حيث يعد NEMA 17 محرك الخطوة بواجهة بقياس 1.7 by 1.7 inches (43 mm × 43 mm)والأبعاد المعطاة بالبوصة. كما يحدد المعيار المحركات ذات أبعاد الواجهة المعطاة بالوحدات المترية. وعادةً ما يشار إلى هذه المحركات بـ NEMA DD، حيث يتم ضرب قطر الواجهة بالبوصة بمقدار 10 (على سبيل المثال، يبلغ قطر NEMA 17 1.7 بوصة). هناك مواصفات إضافية لوصف المحركات الخطوية، ويمكن العثور على هذه التفاصيل في المعيار ICS 16-2001.

 التطبيقات

تعد المحركات الخطوية المتحكم بها بواسطة الحاسوب نوعاً من أنظمة تحديد المواقع والتحكم في الحركة. وعادة ما يتم التحكم فيها رقمياً كجزء من نظام مفتوح الحلقة للاستخدام في التطبيقات التي تتطلب الاحتفاظ بالمواقع أو تحديدها.

في مجال الليزر والبصريات، يتم استخدام المحركات الخطوية بشكل متكرر في معدات التحديد الدقيق مثل المشغلات الخطية، والأطوار الخطية، والأطوار الدائرة، مقاييس الزوايا وحوامل المرايا. كما يتم استخدامها في آلات التعبئة وتحديد مواقع مراحل صمام التحكم في نظام التحكم في السوائل.

تُستخدم المحركات الخطوية تجارياً في محركات أقراص المرنة، وماسحات ضوئية مسطحة، وطابعات الكمبيوتر، ومؤشرات الرسم (الرااسمات))، وآلات القمار (السلوت)، وماسحات الصور، ومحركات أقراص الكمبيوتر المدمجة، والإضاءة الذكية، وعدسات الكاميرا، وآلات CNC، وطابعات ثلاثية الأبعاد.

 نظام المحرك الخطوي

يتألف نظام المحرك الخطوي من ثلاث عناصر أساسية، وغالباً ما يتم دمجها مع نوع ما من واجهة المستخدم (جهاز الكمبيوتر المضيف، PLC، أو محطة كومبيوتر):

مولد الإشارة

(أو المتحكم) هو معالج دقيق قادر على إنشاء نبضات الخطوة وإشارات الاتجاه للمشغل. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب المتحكم عادة أداء العديد من وظائف الأوامر المعقدة الأخرى.

المتحكمات

المحرك (أو المضخم) هو الجهاز الذي يقوم بتحويل إشارات الأوامر التي تصدرها وحدة التحكم (مولد الإشارة) إلى الطاقة اللازمة لتفعيل لفات المحرك. هناك العديد من أنواع المضخمات، بتصنيفات جهد وتيار مختلفة وتقنية بناء مختلفة. وليست جميع المضخمات مناسبة لتشغيل جميع المحركات، لذلك فإن عملية اختيار المضخم المناسب هي حاسمة عند تصميم نظام التحكم في الحركة.

المحركات الخطوية

المحرك الخطوي هو جهاز كهرومغناطيسي يحول النبضات الرقمية إلى دوران ميكانيكي للمحور.

 المزايا

• تحقيق التحكم بتكلفة منخفضة
• عزم عالٍ عند بدء التشغيل والسرعات المنخفضة
• صلابة
• بساطة البناء
• يمكن التشغيل في نظام تحكم مفتوح الحلقة
• صيانة منخفضة (موثوقية عالية)
• أقل احتمالًا للتعطل أو الانزلاق
• سيعمل في أي بيئة
• يمكن استخدامه في الروبوتات على نطاق واسع.
• موثوقية عالية
• زاوية دوران المحرك تتناسب مع نبضة الإدخال.
• العزم الكامل عند الوقوف الثابت (إذا تم تنشيط الملفات)
• تحديد المواقع بدقة وإعادة تكرار الحركة، حيث تتميز المحركات المثبتة بدقة 3-5٪ من الخطوة بالدقة وهذا الخطأ غير تراكمي من خطوة إلى الخطوة التالية.
• استجابة ممتازة للبدء/الإيقاف/العكس.
• موثوقية عالية حيث لا توجد مسفرات اتصال في المحرك. لذلك، يعتمد عمر المحرك ببساطة على عمر الحمل.
• توفر استجابة المحرك لنبضات الإدخال الرقمية تحكماً مفتوحاً في الحلقة، مما يجعل المحرك أكثر بساطة وأقل تكلفة في التحكم.
• يمكن تحقيق دوران متزامن بسرعة منخفضة جداً مع حمولة موصولة مباشرة بالمحور.
• يمكن تحقيق مجموعة واسعة من سرعات الدوران، حيث تتناسب السرعة مع تردد نبضات الإدخال.

 العيوب

• تأثير الطنين الذي غالباً ما يظهر عند السرعات المنخفضة ووعزم دوران متناقص مع زيادة السرعة.

 انظر أيضاً

• Brushed DC electric motor
• محرك كهربائي عديم المسفرات
• فلنجة
• Fractional horsepower motors
• محرك مؤازر
• ملف هندسي
• محركات متناوبة متزامنة ثلاثية الطور
• ULN2003A (محرك خطوي) دائرة المتحكم المتكاملة

 وصلات خارجية

• Controlling a stepper motor without microcontroller
• Zaber Microstepping Tutorial. Retrieved on 2007-11-15.
• Stepper System Overview. Retrieved on 2012-3-01.
• Control of Stepping Motors - A Tutorial – Douglas W. Jones, The University of Iowa
• Stepping 101
• NEMA motor, RepRapWiki
• Stepping Motor Drive Guide from Dover Motion
• IP65 Stepper Motors
• IP68 Stepper Motors
• Flame proof motor