قسمت متحرک موتور (روتور)

[Behzad AZ]

قسمت متحرک موتور (روتور)

در مقاله قبلی به صورت مقدمه وار به نوضیح موتورهای AC پرداختیم حال به قسمت های داخلی آن که شامل روتور و استاتور است به طور مفصل تر می پردازیم
روتور از چندین قطعه مجزای باریك فولادی كه در بین آنها میله هایی از مس یا آلومنیوم تعبیه شده ساخته شده است.


در رایج ترین نوع روتور (روتور قفس سنجابی) این میله ها در انتهای خود به صورت الكتریكی و مكانیكی بوسیله حلقه هایی به هم متصل شده اند. تقریبا 90 درصد از موتورهای القایی دارای روتور قفس سنجابی می باشند و این به خاطر آن است كه این نوع روتور ساختی مستحكم و ساده دارد. این روتور از هسته ای چند تكه استوانه ای با محوری كه شكافهای موازی برای جادادن رساناها درون آن دارد تشكیل شده است.هر شكاف یك میله مسی یا آلومنیومی یا آلیاژی را شامل می شود.در این میله ها به طور دائمی بوسیله حلقه های انتهایی آنها همچنان كه در شكل دو مشاهده می شود مدار كوتاه برقرار است.چون این نوع مونتاژ درست شبیه قفس سنجاب است , این نام برای آن انتخاب شده است.میله ای روتور دقیقا با محور موازی نیستند.
در عوض به دو دلیل مهم قدری اریب نصب می شوند.
دلیل اول آنكه موتور با كاهش صوت مغناطیسی بدون صدا كاركرده و برای آنكه از هارمونیكها در شكافها كاسته شود.
دلیل دوم آن است كه گرایش روتور به هنگ كردن كمتر شود.دندانه های روتور به خاطر جذب مغناطیسی مستقیم (محض)


تلاش می كنند كه در مقابل دندانه های استاتور باقی بمانند.این اتفاق هنگامی می افتد كه تعداد دندانه های روتور و استاتور برابر باشند.
روتور بوسیله مهار هایی در دو انتها روی محور نصب شده است یك انتهای محور در حالت طبیعی برای انتقال نیرو بلندتر از طرف دیگر در نظر گرفته می شود. ممكن است بعضی موتورها محوری فرعی در طرف دیگر (غیر گردنده - غیر منتقل كننده نیرو) برای اتصال دستگاههای حسگر حالت (وضعیت) و سرعت داشته باشند. بین استاتور و روتور شكافی هوایی موجود است. بعلت القا انرژی از استاتور به روتور منتقل می شود. صرف نظر از روتور استفاده شده قواعد كلی برای دوران یكی است ا

[Behzad AZ]

مقدمه ای بر استپر موتورها

نوعی از موتورها استپر موتورها هستند که بسیار در ساخت رباتها استفاده می شوند.


معمولا در ربات ها زمانی که دقت حرکت از اهمیت بیشتری برخوردار است از استپرموتور ها استفاده می شود آنها توسط سیم پیچهای (Coil) درون خود در یك ترتیب و نظم خاص ، انرژی مكانیكی تولید می كنند ، یك موتور 48 مرحله یا خیلی كمتر را به طور دقیقی انجام می دهد تا یك چرخش كامل داشته باشد. اگر شما از دو موتور بر ای گرداندن چرخهای رباتتان استفاده می كنید می توانید با تنظیم مراحل موتور و نحوه گردش آن یعنی جلو یا عقب و اینكه چند درجه بچرخد كنترل مناسبی داشته باشید.
برای این منظور L293D همان درایور موتورها بسیار مناسب است این چیپ شامل دو پل ارتباطی (H-bridges) برای در ایو كردن موتورهای DC است .حال ممكن است این سوال برای شما به وجود آید که درایو كردن موتورهای DC آسان است چه لزومی دارد كه از استپر موتورها استفاده كنیم بله موتورهای DC ققط یك سیم پیچ (Coil) دارند وتوسط یك L293D می توان دو تا از آن موتورها را درایو كرد در حالی كه استپر مو تورها حداقل دو سیم پیچ (Coil) دارند كه به ترتیب عقب و جلو درایو می شوند بنابراین یك L293D می تواند فقط یك استپر موتور دو قطبی دو فاز را درایو كند ولی دقت در استپر موتور بسیار بالاتر است
استپر موتوری كه دو قطبی دو فاز (bi-polar , two –phase) است و با 5 ولت كار می كند و 800 میلی آمپر جریان می كشد را در نظر بگیرید این موتور نوع 7.5 درجه استپر و 48 استپ در هر چرخش كامل است در مورد جریان آن باید گفت كه جریان بالایی است و انتظار می رود كه چیپ گرم شود تنها راه خنك كردن آن استفاده از Heat Sink در بالای چیپ است.اگر گرمای تولید شده در چیپ خیلی زیاد بود از fan كوچكی هم روی head sink می توان استفاده کرد در ادامه به بررسی این استپر خواهیم پرداخت

[Behzad AZ]

انواع موتورها
انواع موتور و درایورهای آن ها
يكي از مهمترين اجزای يك ربات بخش مکانیکی و سيستم توليد كننده نیروی محرکه آن مي باشد.

از موتور براي تبديل انرژي الكتريكي به انرژي مكانيكي استفاده مي‌شود.

بسته به كاركرد ربات ، توان مصرفي ، دقت لازم و پارامترهايي از اين قبيل نوع موتور ربات انتخاب مي شود. بي شك يكي از مشخصه هاي اصلي موفقيت يك ربات انتخاب صحيح موتور محرك ربات مي باشد. در يك دسته بندي كلي سه نوع موتور الكتريكي وجود دارد:

· موتور AC
· موتور DC
· موتور پله‌اي (Stepper motor)
در اين گفتار تنها به بررسي اجمالي خصوصيات اين سه نوع موتور و مقايسه آنها اشاره خواهد شد:


موتور AC
· معمولاً در مدارهايي با مصرف انرژي زياد و دستگاههاي الكتريكي خانگي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
· اين موتورها با جريان متناوب برق كار مي‌كنند لذا به آنها موتور AC گفته مي‌شود. يخچال ، جاروبرقي و آبميوه ‌گيري موتور AC‌ دارند.
· مكانيسم كنترلي موتورهايAC تقريباً پيچيده است.
· براي كنترل ميزان چرخش موتور از وسيله‌اي به نام شیفت انكودر استفاده مي‌شود.

موتور DC
· توان مكانيكي آنها عموماً كمتر از موتورهاي AC است.
· موتورهاي DC ساختار ساده‌اي دارند.
· بسياري از اسباب بازيهاي برقي با موتور DC كار مي‌كنند.
· آرميچر بارزترين نوع موتور DC است.
· اغلب براي استفاده از موتورDC به مدار راه‌انداز نياز داريم.
· براي چرخش يكنواخت موتور DC فقط كافيست تغذيه موتور با يك ولتاژ DC صاف (رگوله( مثل باطري تأمين شود.
· ايراد موتور DC عدم امكان كنترل دقيق سرعت و چرخش موتور است. براي امتحان اين موضوع كافيست تغذيه يك آرميچر در حال چرخش را قطع كنيد و مشاهده كنيد كه مدتي طول مي كشد تا آرميچر بطور كامل از حركت باز ايستد.
· قيمت پايين، تنوع قدرت و سرعت، از جمله مزاياي استفاده از موتورهاي DC مي‌باشد.


موتور پله‌اي (Stepper motor)
· استپ موتور نوعي موتور مثل موتورهای DC است که حرکت دورانی تولید می کند. با این تفاوت که استپ موتورها دارای حرکت دقیق و حساب شده تری هستند.
· این موتورها به صورت درجه ای دوران می کنند و با درجه های مختلف در بازار موجود هستند.
· موتورهای پله ای موجود در بازار معمولا در دو نوع ۵ یا ۶ سیم يافت مي شود.
· موتور ديسك سخت يك نمونه موتور پله‌اي است.
· كاربرد اصلي اين موتورها در كنترل موقعيت است.
· اين موتورها ساختار كنترلي ساده‌اي دارند. لذا در ساخت ربات كاربرد زيادي دارند. بطوريكه به تعداد پالسهايي كه به يكي از پايه‌هاي راه ‌انداز آن ارسال مي‌شود موتور به چپ يا راست مي‌چرخد.
· توان خروجي اين موتورها كمتر از دو نوع قبلي است.
· استفاده از موتور پله‌اي مشکلاتي از جمله وزن زیاد، قیمت بالا و قدرت بسیار کم را بدنبال دارد.

اصول كار موتور پله‌اي
· واژه پله به معنی چرخش به اندازه درجه تعریف شده موتور است.
مثلاً موتور پله‌اي با درجه ۱.۸ باید ۲۰۰ پله حركت كند تا ۳۶۰ درجه یا یک دور کامل بچرخ د: ۱.۸X۲۰۰ =۳۶۰
· یک استپ موتور با درجه ۱۵ فقط باید ۲۴ پله برای یک دور کامل انجام دهد : ۲۴X۱۵=۳۶۰
به اين ترتيب هرچه تعداد پلههاي يك موتور بيشتر باشد دقا چرخش آن افزايش مييابد.
· مكانيسم كنترلي موتور پله اي طوريست كه امکان کنترل سرعت به سادگي ميسر مي شود.




موتور پله كامل و نيم پله
· در حالت عادي ميزان چرخش موتور به تعداد پالسهاي اعمالي و گام موتور بستگي دارد. هر پالس يك پله موتور را مي‌چرخاند.
· با تحريك دو فاز مجاور در موتور مي‌توان موتور را به اندازه نيم پله حركت داد. به اين ترتيب تعداد پله‌هاي موتور دو برابر مي‌شود و در نتيجه دقت چرخش موتور هم دوبرابر مي گردد.

راه اندازي موتور پله‌اي
· تراشه L297 يك راه انداز مناسب براي موتور پله‌اي است.
· مدارهاي راه‌انداز متنوعي براي استفاده از موتورهاي پله‌اي وجود دارد. در اينجا از مدارمجتمع L297 و L298 براي راه‌اندازي موتور پله‌اي استفاده مي‌شود. كه طريقه بستن آن در شكل زير نشان داده شده است.
· جهت کنترل موتور به قابلیت هایی همچون حرکت به عقب و جلو، کنترل سرعت، کنترل جریان و توقف آنی موتور احتیاج داریم و این نیازها را درایور مورد نظر ما یعنی L298 براحتی تامین می نمايد. L298 یک آیسی پل-H دوتایی ( DUALH-Bridge) دارای ۱۵ پایه مي‌باشد که قادر است وظایفی چون چرخش موتور به عقب و جلو، کنترل سرعت، کنترل جریان و توقف آنی موتور را انجام دهد. كنترل موتور به اين شرح است كه پس از محاسبه ميزان چرخش موتور براي جابجايي مورد نظر با استفاده از ميكرو كنترلر به تعداد مورد نظر پالس به پايه راه انداز ارسال مي‌كنيم.
· يك پايه براي تعيين جهت چرخش (ساعتگرد و پاد ساعتگرد) مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
· پايه Enableمدار راه‌انداز را فعال و غير فعال مي‌نمايد.

[Behzad AZ]

سرو موتور
در کاربردهاي مـدرن ، واژه سرو يا مکانيــسم سرو به يک سيستم کنـترلي فيدبک که متغير کنترل شونده ، موقعيت يا مشتق موقعيت مکانيکي به عنوان سرعت و شتاب است، محدود مي شود.

يک سيستم کنترلي فيدبک ، سيـستم کنـترلي است که به نگهـداشتن يک رابطه مفروض بين يک کميت کنـترل شده و يک کميـت مرجع ، با مقايسه توابع آنها و اسـتفاده از اختلاف به عنوان وسيله کنترل منجر مي شود.



سيستم کنـترلي فيدبک الکتريکي ، عموما براي کار به انرژي الکتـريکي تکيه مي کند . مشخصـات مهمي که معمولا براي چنين کنترلي مورد نياز است ، عبارتند از :



1- پاسخ سريع ،

2- دقت بالا ،

3- کنترل بدون مراقبت و

4- کارکرد از راه دور .



نياز هاي چنين کنترلي عبارتست از :



1- وسيله آشکار سازي خطا ،

2- تقويت کننده و

3- وسيله تصحيح خطا ،


هر عنـصر هدف ويژه اي در هماهنگ کردن کميت مرجع با کميت کنترل شده ايفا مي کند . وسيله آشکـــارسازي خـطا هنــگامي که کميـت تنظيم شده متفاوت از کميت مرجع است ، خطا را آشکار مي کند . سپـس يک سيگنـال خطا به تقويت کنـنده اي که قــدرت وسيله تصـحيح خطا را فراهم مي کند مي فرسـتد . با اين تـوان وسيـله تصـحيح خطا ، کمـيت کـنترل شـده را آنـچنـــان تغيير مي دهد که با ورودي مرجع هماهنگ گردد .



به موتورهـايي که به سرعـت به سيگنال خطا پاسخ مي دهنـد و سريعا به بار شتاب مي دهنـد سرو موتور گفته مي شود . نسبت گشتاور به اينرسي (T/J) يک جنبه بسيار مهم يک سرو مـوتور است ، زيرا موتور با اين فاکتور شتاب مي گيرد .

مشخصات اصلي که در هر سرو موتور ديده مي شود عبارتست از :



1- گشتاور خروجي موتور بايد متناسب با ولتاژ بکار گرفته شده آن باشد .

2- جهت گشتاور سرو موتور بايد به پلاريته لحظه اي ولتاژ کنترل بستگي داشته باشد .




سرو موتور به دو دسته کلي سرو موتورهاي و سرو موتورهاي تقسيم مي گردد .

سرو موتورهاي عموما به سرو موتورهاي ترجيح داده مي شوند ، بجز براي استفاده در سيستمهاي با قدرت خيلي بالا، سرو موتورهاي به دليل اينکه نسبت به سرو موتورهاي داراي بازده بيـشتري هستنـد ترجيـح داده مي شونــد . اگــر چه تلفـات تـوان نگــراني اصـلي در سرومکانيسمها نيستند ، يک موتور پربازده از تلفات بيش از اندازه توان جلوگيري مي کند .

سرو موتورهاي :


در بين سرو موتورهاي مختلف ، موتورهاي سـري ، موتورهاي سري چــاکدار ، موتور کنترل موازي ، و موتور موازي مغناطيس دائم ( تحريک ثابت ) قرار دارند . اين واحدها توان خروجي بالايي نسبت به اندازه آنها تحويل مي دهند و در مورد موتــور موازي با تحريک کنترل شده ، توان کنترلي کمي مورد نياز است .



موتور سري داراي گشتــاور راه اندازي بالايي است و جريان زيادي مي کشد و تنظيم سرعت کمي دارد . کارکرد معکوس مي تـواند با معکـوس کــردن پلاريتـه ولتاژ ميدان با سيم پيچ ميدان سري ( يعني يک سيم پيچ براي هرجهت چرخش ) به دست آيد . مــــورد اخيـــر بازده موتور را کاهش مي دهد .



موتور سري چاکدار مي تواند به عنوان يک موتور تحريک مستقل با ميدان کنترل شده به کار گرفته شود ، آرميچر بايد از يک منبع جريان ثابت تغذيه شود .


يک منحني گشتاور سرعت نوعي ، گشتاور ايستاي بالا و کاهش سريع گشتاور با افزايش سرعت را نشان مي دهد . اين امر ميرايي خوب و خطاي سرعت بالا را نتيجه مي دهد .

نوع موازي سروموتور از ساير موتورهاي موازي براي کارکرد عمــومي متفاوت نيست . اين موتور دو سيم پيچي مجزا - سيم پيچي ميدان که روي استاتور قرار داده شده و سيم پيچي آرميچر که روي روتور قرار داده شده - دارد .

هر دو سيم پيچي به يک منبع تغذيه متصل شده اند . در يک موتور موازي معـمولي ، دو سيم پيچي به صورت موازي به تغذيه اصلي متصل شده اند . اما در يک کارکرد سرو ، سيم پيچي ها با منابع جداگانه اي تغذيه مي شوند ،





در مورد يك موتور با ميدان كنترل شده. ميتوان گفت ، ميدان با سيگنال تقويت شده خطا تحريک شده و سيم پيچي آرميچر از يک منبع جريان ثابت نيـرو مي گيرد . گشتاور تحويلي تا اشباع متنـاسب با جريان ميدان است .

، در سروموتورهاي کوچک بکار مي رود ، زيرا پاسخ ديناميکي آن از موتور با آرميچر کنترل شده آهسته تر است .

جهـت چرخـش موتـور اگر پلاريـته ميـدان معـکوس شود عکس مي شود.آرميچر موتور با سيگنال تقويت شده خطا وميدان از يک منبع جريان ثابت تغذيه مي شوند .


ميدان اين موتور عموما بالاتر از زانوي مشخصه اشباع کار ميکند ( جهت حفظ گشتاور با حساسيت کمتر نسبت به تغييرات جزيي در جريان ميدان ) . همـچنين چگـالي شـار ميـدان بالا ، حســاسيت گشتـاور موتـور را افزايـش مي دهد ، زيـــرا براي تغييـرات کوچـک در جـريان آرميچر، گشتاور با حاصلضرب جريان در شار متناسب است .


پاسخ ديناميکي درموتور نوع کنترل شده ميدان سريعتر است ، زيرا مـدار آرميچـر لزومـا يک مـدار مقاومتي است وثابـت زماني کوتاهـتري دارد . اگر پلاريـته سيگنـال خطا معـکوس گردد ، موتور در جهت معکوس مي چرخد .


موتور مغنـاطيس دائـم يک موتور تحريک ثابت موازي است که ميـــدان ، با يک مغناطيس دائم تغذيه مي شود . کارکرد شبيه به موتور با مـيدان ثابت و آرميچر کنترل شده است.



سروموتورهاي :


سروموتورهاي همانطـور که قبلا ذکر شد انتخاب مناسبي براي کاربـــردهاي با توان پايين هستند و به همين دليل است که موتورهاي هميشه به موتورهاي ترجيح داده ميشوند. مزاياي سروموتورهاي به سروموتورهاي شامل موارد زير است :

1- روتورهاي قفس سنجابي ساده هستند و در مقايسه با سيم پيچي آرميچر ماشينهاي از نظر ساختاري ، محکمتر هستند.

2- سروموتورهاي داراي جاروبک براي کموتاسيـون نيستنـد و نياز به تعمير ونگهداري دائم ندارند.

3- هيچ عايقي در اطراف هادي آرميچر آنچنان که در موتور وجود دارد نيست پـس آرميـچر مي تواند بسيار بهتر گرما را پخش کند.



4- بدليل اينکه آرميـچر، سيـم پيچي هاي عايـق دار پيچـيده اي ندارد ، قطر آن مي توانـد براي کاهش اينرسي روتور بسيار کاهش يابد . اين امر به جلوگيري از Over Shoot در مکـانيسم سـرو کمک مي کند .

يک سروموتور اصولا يک موتور دوفاز القايي است به جز در مورد جنبه‌هاي خـاص طراحي آن.


توان مکانيکي خروجي يک سروموتور از 2 وات تا چند صد وات تغيير مي کند . مــوتورهاي بزرگتر از اين توان بسيار کم بازده اند واگربامشـخصات گشتـاور سرعت مطلوب ساخته شده باشند براي استفاده در کاربردهاي سرو بسيار مشکل ساز خواهند شد . سرو موتورهاي دقيق در کامپيوترها ابزارهاي سرو و شماري ازکاربردها که به دقت بالايي نياز است بکار مي روند.

کاربردهاي سروموتور:

در ادامه به نمونه هايي از كاربرد سرو موتور در صنعت اشاره مي شود:

تغذيه دستگاه پرس :

در اين کاربرد ، ورقـه هاي فلز به داخل دستگاه پرس تغذيه مي شوند که در آنجا به وسيله يک تيغه چاقو به طول بريده مي شونـد . ورقـه هاي فلزي ممکن است داراي يک آرم يا ديگر تبليغات باشند که بايد علائم با نقاط برش هماهنگ شوند . در اين کاربــرد سرعت و موقعيت ورقه فلز بايد با نقاط برش صحيـح همزمان شود . سنـسور فيدبک مي توانـد يک باشد که با يک سنسور فتوالکتـريک براي تشخيص موقعـيت فلز کوپل شود . يک تابلو اپراتوري نصب شده ، آنچنــان که اپراتور مي تواند سيــستم را براي حفاظت از برخورد تيغه ها جلو يا عقب ببرد يا عمل بارگذاري نورد جديد را انجام دهد . تابلو اپراتوري همچـنين مي تواند براي احضـار پارامتـرهاي درايو مطابق با نوع فلز ، استفاده شود . همچنين سيستم مي تواند با يک کنترل کننده قابل برنامه ريزي يا ديگر انــواع کنترل کننده کامل شود و تابلو اپراتوري مي تواند براي انتخاب نقاط صحيح برش براي هر نوع فـلز استفاده شود .



پر کردن بطري در خط :

در اين کاربرد چنـد پر کنـنده با بطريها به صورتي که آنها در طي يک خط پيوسته حرکت کنند ، در يک خط قرار گرفته است . هر کـدام از پرکنـنده ها بايد با يک بطري هماهنگ شوند و بطري را در حال حرکت آن تعقيب کنند . محصول هنبامي که نازل با بطري حرکت مي کند ، توزيع مي شود .



در ايـن کــاربرد 10 نـازل روي يـک نـوار قـرار گـرفته اند که با يک مکانيسم توپ – پيچ حرکت مي کنـند . وقـتي موتـور شفـت را حـرکت مي دهد ، نـوار به صورت افقي در طول شفت شروع به حرکت مي کند . اين حرکت صاف خواهد بود آنچنانکه هر کدام از نازلها بتواند محصـول را در داخل بطزيها بدون سرريز پخش کند .

سيـستم درايو سرو از يک کنتـرل کنـنده موقـعيت با نرم افزار استفــاده مي کند که اجازه مي دهد موقعيت و سرعت همانطور که خط بـطريها را حـرکت مي دهد ، دنبال شود . Encoder اصـلي بطريها را هنگامي که در طي خط حرکت مي کنند ، تعقيب مي کند .

همچــنين براي اطمينان از اينـکه اگر يک بطري گم شده يا فاصله زيادي بين بطريها ظاهر شود ، هيچ محصولي از نازل پخش نشود يک آشکار ساز به سيستم متصل مي شود .

سيستم درايو سرو ، موقعيت بطريها را از Encoder اصلي با سيـگنال فـيدبک مـقايـسه کرده که موقعيت نوار پرکننده ها را نشان مي دهد . تقويت کننده سرو سرعت نوار را آنچنان که نازلها دقيقا با بطريها همسرعت شوند ، افزايش يا کاهش مي دهد .



کارگذاري برچسب :

کاربرد بعدي داراي کنترل سروموتوري سرعت يک مکانيسم تغذيه برچسب است که برچسبهاي از پيش چاپ شـده را از روي يک رول روي بســته هـايي که روي يک سيـستم حـمل کننده حرکت مي کنـند ، قـرار مي دهـد . سيگنالهاي فيدبک با يک Encoder که موقعيت حمل کننده را نشان مي دهد ، تاکوژنراتور که سرعت حمل کننده را نشان مي دهد ، و يك سنسور که علامت ثبت شده روي برچسب را نشان مي دهد به دست مي آيند . سيستم موقعيت سرو با يک ميکرو پروسـسور که سيگنـال خـطا را تنـظيم مي کند و تقويت کننده سرو که سيگنالهاي تـوان را براي سرو موتور تهيه مي کند کنترل مي شود