المحركات الخطوية
المحرك الخطوي Stepper motor عبارة عن محرك محوره مقسم إلى أجزاء من الدورة أو خطوات زاوية من أجل كل نبضة تيار مستمر ترسل إليه. تؤدي تغذية المحرك بقطار من النبضات إلى تحريكه مجموعة من الخطوات ، ويكون الموقع الزاوي لمحور المحرك متناسب طرداً مع عدد النبضات المقدمة له. يمكن تحديد موقع الحمل بدقة مناسبة بعد النبضات المدخلة. لذلك يعتبر المحرك الخطوي مناسباً لمعظم الأنظمة ذات الحلقة المفتوحة (بدون وجود تغذية عكسية).
يتألف المحرك الخطوي من جزء ثابت stator مكون من ملفات ، ودائر rotor من الحديد أو من مغناطيس دائم. يعتمد المحرك الخطوي على متحكم خارجي لتزويده بالنبضات اللازمة لحركته. تحدد النبضات القادمة من المتحكم الخارجي اتجاه ومطال التيار المار في ملفات المحرك، ويمكنها أن تدور المحرك باتجاه عقارب الساعة أو بعكسها وتشغله وتوقفه بسرعة ، ويمكنها أيضاً أن تجعله يقف بثبات في موقع معين. تعتمد سرعة المحرك على تردد النبضات ويمكن أن يصل تردد النبضات إلى المجال الصوتي بحيث يتحرك المحرك بشكل سريع جداً. يثبت المحرك في مكانه بين النبضات المتتالية و لاينجرف. وذلك بسبب قدرته الذاتية على المحافظة على موقعه وهذا ما يسمى بعزم التوقف. تولد المحركات الخطوية مقدارً ضئيلاً من الحرارة عن توقفها مما يجعلها مناسبة لكثير من التطبيقات الصغيرة حيث تكون الطاقة محدودة.
بنية المحركات الخطوية:
يوجد عدة أنواع للمحركات الخطوية وسنركز هنا فقط على المحرك الخطوي الهجين الأكثر استخداماً حالياً. يبين الشكل التالي مقطعاً في جسم محرك خطوي هجين ذو دائر متعدد الأسنان. يتكون الدائر من قسمين حيث تكون الأسنان في القسم الأول مزاحة عن الأسنان في القسم الثاني .
توجد أيضاً أسنان على القسم الثابت من المحرك وهي لا تظهر في هذا الشكل. يوجد على كل قطب في الجزء الثابت ملفين. وهذا يمكن من تقطيبه إما كمغناطيس جنوبي أو شمالي. يبين
الشكل التالي مقطعاً عرضياً يبين الأسنان في كل من الدائر والثابت ، كما يبين الملفات المزدوجة . تتألف ملفات المحركات الخطوية عادةً من 3 أو 4 أو 5 ملفات (أطوار Phases) ، وتكون الخطوة الزاوية لها 1.8 أو 3.6 أو حتى 0.9 و 0.72 درجة للخطوة . تستطيع بعض المتحكمات التوافقة مع هذا النوع من المحركات أن تقود المحرك بنمط نصف الخطوة أو نمط الخطوة الصغيرة microstep.
دارة القيادة:
تتم قيادة ملفات المحرك بواسطة أربع ترانزستورات استطاعية ويربط مع الترانزستورات ديودات لقصر التيارات العكسية الناتجة عن الملفات عند وصل وفصل التغذية.
تأخذ الترانزستورات إشارات التفعيل من المتحكم والذي يعطي الإشارات المناسبة حسب إشاراتي الدخل وهما إشارة الاتجاه وإشارة الحركة. عند ورود نبضة إلى مدخل الحركة يقوم المتحكم بتحريك المحرك خطوة واحدة حسب الاتجاه المحدد بمدخل الإتجاه.
إشارات الدخل معزولة بعوازل ضوئية من أجل حماية المتحكم من التيارات العابرة والضجيج. ويبين الشكل التالي جزء الإدخال من الدارة.
لتأمين التغذية المناسبة للمتحكم والمحرك نستخدم دارة تغذية مؤلفة من جسر توحيد لتحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر ومكثفات تنعيم ومنظم 5 فولت لتغذية المتحكم. الشكل التالي يبين دارة التغذية.
الشكل التالي يبين الدارة كاملة :
عناصر الدارة:
الترانزستورات Q1 حتى Q4 من أجل قيادة ملفات المحرك وتأمين التيار المناسب لها.
الديودات موصولة على التوازي مع الملفات من أجل قصر التيارات العكسية الناتجة عن الملفات لحظة الفصل.
العوازل الضوئية U2,U3 من أجل عزل إشارات الدخل عن المعالج وذلك لتقليل الضجيج.
المدخل الأول من أجل نبضات تحريك المحرك. والثاني من أجل اتجاه الدوران.
U1 هو المتحكم الصغري ، وظيفته إعطاء الإشارات المناسبة للترانزستورات من أجل تفعيل ملفات المحرك. وذلك حسب إشارات الدخل.
U6 منظم جهد 5 فولت لتأمين التغذية للمتحكم.
المحرك الخطوي
