محرك متدرج

يوجد نوعان أساسيان من ترتيبات اللف للملفات الكهرومغناطيسية في محرك الخطوة ثنائي الطور: ثنائي القطب وأحادي القطب.

محركات أحادية القطب

يحتوي المحرك الخطوي أحادي القطب على ملف واحد بنقطة توصيل مركزية لكل طور. يتم تشغيل كل قسم من الملفات لكل اتجاه من اتجاهات المجال المغناطيسي. ولأنه في هذا الترتيب، يمكن عكس قطب مغناطيسي دون عكس قطبية السلك المشترك، فإن دائرة التبديل يمكن أن تكون ببساطة ترانزستور تبديل واحد لكل نصف ملف. عادةً، بالنسبة لطور معين، يتم توصيل نقطة التوصيل المركزية لكل ملف بشكل مشترك: ثلاثة أطراف لكل طور وستة أطراف لمحرك ثنائي الطور نموذجي. غالبًا ما يتم توصيل هذه الأطراف المشتركة للطورين داخليًا، لذا يحتوي المحرك على خمسة أطراف فقط.

يمكن استخدام متحكم دقيق أو متحكم محرك خطوي لتفعيل ترانزستورات القيادة بالترتيب الصحيح، وهذه السهولة في التشغيل تجعل المحركات أحادية القطب شائعة بين الهواة؛ فهي على الأرجح أرخص طريقة للحصول على حركات زاوية دقيقة. بالنسبة للمُجرِّب، يمكن تحديد اللفات عن طريق ملامسة أسلاك الأطراف في محركات المغناطيس الدائم. إذا كانت أطراف الملف متصلة، يصبح تدوير العمود أكثر صعوبة. إحدى طرق التمييز بين نقطة التوصيل المركزية (السلك المشترك) وسلك طرف الملف هي قياس المقاومة. تكون المقاومة بين السلك المشترك وسلك طرف الملف دائمًا نصف المقاومة بين أسلاك طرفي الملف. هذا لأن طول الملف بين الطرفين ضعف طوله بين المركز (السلك المشترك) والنصف فقط من المركز إلى الطرف. طريقة سريعة لتحديد ما إذا كان المحرك الخطوي يعمل هي توصيل كل زوجين من الأسلاك ببعضهما ومحاولة تدوير العمود. عندما تشعر بمقاومة أعلى من المعتاد، فهذا يشير إلى أن دائرة الملف المعني مغلقة وأن الطور يعمل.

المحركات ثنائية القطب

تحتوي المحركات ثنائية القطب على زوج من توصيلات الملفات الفردية لكل طور. يجب عكس اتجاه التيار في الملف لعكس قطب مغناطيسي، لذا يجب أن تكون دائرة القيادة أكثر تعقيدًا، وعادةً ما تستخدم جسر H (مع ذلك، تتوفر العديد من رقائق القيادة الجاهزة لتسهيل هذه العملية). يوجد سلكان لكل طور، ولا يوجد سلك مشترك.

نمط القيادة النموذجي لمحرك خطوي ثنائي القطب ذي ملفين هو: A+ B+ A− B−. أي يتم تشغيل الملف A بتيار موجب، ثم يتم إزالة التيار من الملف A؛ ثم يتم تشغيل الملف B بتيار موجب، ثم يتم إزالة التيار من الملف B؛ ثم يتم تشغيل الملف A بتيار سالب (مع عكس القطبية عن طريق تبديل الأسلاك، على سبيل المثال باستخدام جسر H)، ثم يتم إزالة التيار من الملف A؛ ثم يتم تشغيل الملف B بتيار سالب (مع عكس القطبية مرة أخرى كما في الملف A)؛ تكتمل الدورة وتبدأ من جديد.

لوحظت تأثيرات الاحتكاك الساكن باستخدام جسر H مع بعض تصميمات القيادة. ^{[ 6 ]}

سيؤدي تذبذب إشارة المحرك المتدرج بتردد أعلى مما يستطيع المحرك الاستجابة له إلى تقليل تأثير "الاحتكاك الساكن".

نظرًا للاستخدام الأمثل للملفات، فإن محركات الخطوة ثنائية القطب أقوى من المحركات أحادية القطب ذات الوزن نفسه. ويعود ذلك إلى المساحة التي تشغلها الملفات. فالمحرك أحادي القطب يحتوي على ضعف كمية الأسلاك في المساحة نفسها، ولكن يُستخدم نصفها فقط في أي لحظة، وبالتالي تبلغ كفاءته 50% (أو ما يقارب 70% من عزم الدوران المتاح). ورغم أن تشغيل محرك الخطوة ثنائي القطب أكثر تعقيدًا، إلا أن وفرة رقائق التحكم تجعل ذلك أسهل بكثير.

المحرك الخطوي ذو الثمانية أسلاك يشبه المحرك الخطوي أحادي القطب، لكن أسلاكه غير متصلة بنقطة مشتركة داخل المحرك. يمكن توصيل هذا النوع من المحركات بعدة طرق:

• أحادي القطب.
• ثنائي القطب مع ملفات متسلسلة. هذا يعطي حثًا أعلى ولكن تيارًا أقل لكل ملف.
• ثنائي القطب ذو ملفات متوازية. يتطلب هذا تيارًا أعلى ولكنه قد يؤدي أداءً أفضل نظرًا لانخفاض حث الملف.
• محرك ثنائي القطب بملف واحد لكل طور. ستعمل هذه الطريقة على تشغيل المحرك بنصف عدد الملفات المتاحة فقط، مما يقلل من عزم الدوران المتاح عند السرعات المنخفضة ولكنه يتطلب تيارًا أقل.

تتميز المحركات الخطوية متعددة الأطوار بمستويات اهتزاز أقل بكثير. ^{[ 7 ]} ورغم أنها أغلى ثمناً، إلا أنها تتمتع بكثافة طاقة أعلى ، ومع إلكترونيات القيادة المناسبة، غالباً ما تكون أكثر ملاءمة للتطبيق .

تُعرف دوائر القيادة L/R أيضًا باسم دوائر القيادة ذات الجهد الثابت ، حيث يُطبَّق جهد ثابت موجب أو سالب على كل ملف لتحديد مواضع الخطوات. مع ذلك، فإن تيار الملف، وليس الجهد، هو الذي يُطبِّق عزم الدوران على عمود محرك الخطوة. يرتبط التيار I في كل ملف بالجهد المُطبَّق V من خلال مُحاثة الملف L ومقاومته R. تُحدِّد المقاومة R الحد الأقصى للتيار وفقًا لقانون أوم I=V/R. تُحدِّد المُحاثة L الحد الأقصى لمعدل تغير التيار في الملف وفقًا لصيغة المُحاثة dI /dt = V/L. يكون التيار الناتج عن نبضة الجهد تيارًا متزايدًا بسرعة كدالة للمُحاثة. يصل هذا التيار إلى قيمة V/R ويبقى ثابتًا لبقية النبضة. بالتالي، عند التحكم بواسطة دائرة قيادة ذات جهد ثابت، تكون السرعة القصوى لمحرك الخطوة محدودة بمُحاثة المحرك، لأنه عند سرعة معينة، سيتغير الجهد U أسرع من قدرة التيار I على مواكبته. ببساطة، معدل تغير التيار هو L/R (على سبيل المثال،  ملف حثه 10 ملي هنري ومقاومته 2 أوم سيستغرق 5  ملي ثانية للوصول إلى حوالي ثلثي عزم الدوران الأقصى، أو حوالي 24  ملي ثانية للوصول إلى 99% من عزم الدوران الأقصى). للحصول على عزم دوران عالٍ عند السرعات العالية، يتطلب الأمر جهد تشغيل كبير مع مقاومة منخفضة وحث منخفض.

باستخدام محرك يمين/يسار، يُمكن التحكم بمحرك مقاوم منخفض الجهد باستخدام محرك ذي جهد أعلى ببساطة عن طريق إضافة مقاومة خارجية على التوالي مع كل ملف. يؤدي ذلك إلى هدر الطاقة في المقاومات وتوليد حرارة. لذا، يُعتبر هذا الخيار منخفض الأداء، على الرغم من بساطته وانخفاض تكلفته.

تتغلب محركات التيار المستمر الحديثة على بعض هذه القيود من خلال تقريب شكل موجة جهد جيبية لأطوار المحرك. يتم ضبط سعة موجة الجهد لتزداد مع معدل الخطوة. إذا تم ضبطها بشكل صحيح، فإن هذا يعوض تأثيرات الحث والقوة الدافعة الكهربائية العكسية ، مما يسمح بأداء جيد مقارنةً بمحركات التيار المستمر، ولكن على حساب جهد التصميم (إجراءات الضبط) التي تكون أبسط بالنسبة لمحركات التيار المستمر.

تُعرف دوائر محركات التقطيع باسم محركات التيار المتحكم به، لأنها تولد تيارًا متحكمًا به في كل ملف بدلاً من تطبيق جهد ثابت. تُستخدم دوائر محركات التقطيع غالبًا مع المحركات ثنائية القطب ذات الملفين، حيث يتم تشغيل الملفين بشكل مستقل لتوفير عزم دوران محدد للمحرك باتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. يُطبق على كل ملف جهد "تغذية" على شكل موجة مربعة، على سبيل المثال 8  كيلوهرتز. تعمل محاثة الملف على تنعيم التيار الذي يصل إلى مستوى معين وفقًا لدورة تشغيل الموجة المربعة . في أغلب الأحيان، يتم تزويد وحدة التحكم بجهود تغذية ثنائية القطب (+ و-) بالنسبة إلى خط عودة الملف. لذا، ينتج عن دورة تشغيل بنسبة 50% تيار صفري، بينما ينتج عن دورة تشغيل بنسبة 0% تيار V/R كامل في اتجاه واحد، وينتج عن دورة تشغيل بنسبة 100% تيار كامل في الاتجاه المعاكس. تراقب وحدة التحكم مستوى هذا التيار عن طريق قياس الجهد عبر مقاومة استشعار صغيرة موصولة على التوالي مع الملف. يتطلب ذلك إلكترونيات إضافية لاستشعار تيارات الملفات والتحكم في عملية التبديل، ولكنه يسمح بتشغيل المحركات الخطوية بعزم دوران أعلى وسرعات أعلى من محركات L/R. كما يسمح لوحدة التحكم بإخراج مستويات تيار محددة مسبقًا بدلًا من مستويات ثابتة. وتتوفر إلكترونيات متكاملة لهذا الغرض على نطاق واسع.

في طريقة القيادة هذه، يتم تنشيط طور واحد فقط في كل مرة. ولها نفس عدد الخطوات الموجودة في محرك الخطوة الكاملة، ولكن عزم دوران المحرك سيكون أقل بكثير من عزم الدوران المقنن. ونادرًا ما تُستخدم. الشكل المتحرك الموضح أعلاه هو لمحرك الموجة. في الرسوم المتحركة، يحتوي الدوار على 25 سنًا، ويستغرق 4 خطوات للدوران بمقدار سن واحد. لذلك سيكون هناك25 × 4 = 100 خطوة لكل دورة كاملة، وستكون كل خطوة 360 ⁄ 100 =3.6 درجة مئوية .

هذه هي الطريقة المعتادة لتشغيل المحرك بنظام الخطوة الكاملة. يعمل طوران باستمرار، مما يضمن للمحرك أقصى عزم دوران مُصنّف له. بمجرد إيقاف أحد الطورين، يتم تشغيل الآخر. يُعتبر كل من نظام الموجة ونظام الخطوة الكاملة أحادي الطور متطابقين، حيث يتشاركان نفس عدد الخطوات، لكنهما يختلفان في عزم الدوران.

عند استخدام تقنية نصف الخطوة، يتناوب المحرك بين تشغيل طورين وتشغيل طور واحد فقط، مما يزيد من دقة الزاوية. كما ينخفض ​​عزم دوران المحرك (حوالي 70%) عند وضع الخطوة الكاملة (حيث يكون طور واحد فقط قيد التشغيل). ويمكن التخفيف من هذا الانخفاض بزيادة التيار في الملف النشط للتعويض. وتكمن ميزة تقنية نصف الخطوة في عدم الحاجة إلى تغيير إلكترونيات المحرك لدعمها. في الشكل المتحرك الموضح أعلاه، إذا قمنا بتغييرها إلى تقنية نصف الخطوة، فسيتطلب الأمر 8 خطوات للدوران بمقدار سن واحد. وبالتالي، سيكون هناك 25 × 8 = 200 خطوة لكل دورة كاملة، وستكون كل خطوة 360/200 = 1.8 درجة. أي أن زاوية كل خطوة تساوي نصف زاوية الخطوة الكاملة.

ما يُعرف عادةً بالخطوات الدقيقة هو في الغالب خطوات دقيقة جيبية-جيب تمامية، حيث يقترب تيار الملف من شكل موجة تيار متردد جيبية. والطريقة الشائعة لتحقيق تيار جيبي-جيب تمامي هي استخدام دوائر محرك التقطيع. تُعد الخطوات الدقيقة الجيبية-الجيبية الشكل الأكثر شيوعًا، ولكن يمكن استخدام أشكال موجية أخرى. ^{[ 8 ]} وبغض النظر عن شكل الموجة المستخدمة، كلما صغرت الخطوات الدقيقة، أصبح تشغيل المحرك أكثر سلاسة، مما يقلل بشكل كبير من الرنين في أي أجزاء قد يكون المحرك متصلًا بها، وكذلك في المحرك نفسه. ستكون الدقة محدودة بسبب الاحتكاك الميكانيكي ، والارتداد ، ومصادر الخطأ الأخرى بين المحرك والجهاز النهائي. يمكن استخدام مخفضات التروس لزيادة دقة تحديد الموضع.

يُعد تقليل حجم الخطوة ميزة مهمة في محركات الخطوة وسببًا أساسيًا لاستخدامها في تحديد المواقع.

مثال: تُصنّف العديد من محركات الخطوة الهجينة الحديثة بحيث تكون مسافة كل خطوة كاملة (مثلاً 1.8 درجة لكل خطوة كاملة أو 200 خطوة كاملة لكل دورة) ضمن نطاق 3% أو 5% من مسافة كل خطوة كاملة أخرى، طالما يتم تشغيل المحرك ضمن نطاقات التشغيل المحددة. يُظهر العديد من المصنّعين أن محركاتهم قادرة على الحفاظ بسهولة على تساوي مسافة الخطوة بنسبة 3% أو 5% عند تقليل حجم الخطوة من خطوة كاملة إلى عُشر خطوة. بعد ذلك، مع ازدياد عدد مُقسّمات الخطوات الجزئية، تتدهور دقة تكرار حجم الخطوة. عند تقليل حجم الخطوة بشكل كبير، من الممكن إصدار العديد من أوامر الخطوات الجزئية قبل حدوث أي حركة على الإطلاق، وبالتالي قد تكون الحركة "قفزة" إلى موضع جديد. ^{[ 9 ]} تستخدم بعض دوائر التحكم المتكاملة لمحركات الخطوة تيارًا متزايدًا لتقليل هذه الخطوات المفقودة، خاصةً عندما تكون نبضات ذروة التيار في طور واحد قصيرة جدًا.

هذا هو مقياس عزم الدوران الناتج عن محرك الخطوة عند تشغيله دون تسارع. عند السرعات المنخفضة، يستطيع محرك الخطوة مزامنة نفسه مع تردد الخطوة المُطبق، ويجب أن يتغلب عزم الدوران هذا على الاحتكاك والقصور الذاتي. من المهم التأكد من أن الحمل على المحرك ناتج عن الاحتكاك وليس عن القصور الذاتي، لأن الاحتكاك يقلل من أي تذبذبات غير مرغوب فيها.

يُحدد منحنى بدء التشغيل منطقة تُسمى منطقة بدء/إيقاف التشغيل. في هذه المنطقة، يمكن بدء/إيقاف تشغيل المحرك بشكل فوري مع تطبيق حمل ودون فقدان التزامن.

يُقاس عزم دوران سحب المحرك الخطوي بتسريع المحرك إلى السرعة المطلوبة، ثم زيادة حمل عزم الدوران تدريجيًا حتى يتوقف المحرك أو يفقد خطوات. يُجرى هذا القياس عبر نطاق واسع من السرعات، وتُستخدم النتائج لرسم منحنى الأداء الديناميكي للمحرك الخطوي. وكما هو موضح أدناه، يتأثر هذا المنحنى بجهد التشغيل وتيار التشغيل وتقنيات تبديل التيار. قد يُضيف المصمم عامل أمان بين عزم الدوران المُقنن وعزم الدوران المُقدّر عند الحمل الكامل المطلوب للتطبيق.

تتميز المحركات الكهربائية المتزامنة التي تستخدم مغناطيسًا دائمًا بعزم دوران رنيني لتثبيت الموضع (يُسمى عزم التثبيت أو التسنن ، ويُدرج أحيانًا في المواصفات) عند عدم تشغيلها كهربائيًا. أما النوى المغناطيسية المصنوعة من الحديد المطاوع فلا تُظهر هذا السلوك.

عندما يتحرك المحرك خطوة واحدة، فإنه يتجاوز نقطة التوقف النهائية ويتذبذب حولها حتى يتوقف. يُعرف هذا الرنين غير المرغوب فيه باهتزاز دوار المحرك، ويكون أكثر وضوحًا في المحركات غير المُحمّلة. قد يتوقف المحرك غير المُحمّل أو المُحمّل جزئيًا، وغالبًا ما يتوقف، إذا كان الاهتزاز كافيًا للتسبب في فقدان التزامن.

تتميز المحركات الخطوية بتردد تشغيل طبيعي . عندما يتطابق تردد الإثارة مع هذا الرنين، يصبح الرنين أكثر وضوحًا، وقد تُفقد بعض الخطوات، ويزداد احتمال توقف المحرك. يمكن حساب تردد رنين المحرك من الصيغة التالية:

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

أين${\displaystyle M_{h}}$عزم التثبيت بوحدة نيوتن متر (N·m)،${\displaystyle p}$يمثل عدد أزواج الأقطاب، و${\displaystyle J_{r}}$تمثل عزم القصور الذاتي للدوار بوحدة كجم·م². يعتمد مقدار الرنين غير المرغوب فيه على القوة الدافعة الكهربائية العكسية الناتجة عن سرعة الدوار. يعزز التيار الناتج التخميد، لذا فإن خصائص دائرة القيادة مهمة. يمكن وصف رنين الدوار بدلالة عامل التخميد .

تُوحّد الرابطة الوطنية الأمريكية لمصنعي المعدات الكهربائية (NEMA) أبعادًا وعلامات وجوانب أخرى مختلفة لمحركات الخطوة، وذلك في معيار NEMA ICS 16.[ ^{11 ]} تُصنّف محركات الخطوة NEMA حسب حجم لوحة التوصيل، حيث يُعدّ NEMA 17 محرك خطوة بلوحة توصيل أبعادها ^1.7 × 1.7 بوصة (43 × 43 مم) ، وتُعطى الأبعاد بالبوصة. كما يُدرج المعيار محركات بأبعاد لوحة توصيل مُعطاة بالوحدات المترية. ويُشار إلى هذه المحركات عادةً بالرمز NEMA DD، حيث يُمثّل DD قطر لوحة التوصيل بالبوصة مضروبًا في 10 (على سبيل المثال، يبلغ قطر NEMA 17 1.7 بوصة). توجد مواصفات إضافية لوصف محركات الخطوة، ويمكن الاطلاع على هذه التفاصيل في معيار ICS 16-2001.   

• تم تحقيق تكلفة منخفضة للتحكم
• عزم دوران عالٍ عند بدء التشغيل وسرعات منخفضة
• غلظة
• سهولة البناء
• يمكن تشغيله في نظام تحكم ذي حلقة مفتوحة
• صيانة منخفضة (موثوقية عالية)
• أقل عرضة للتوقف أو الانزلاق
• سأعمل في أي بيئة
• يمكن استخدامه في مجال الروبوتات على نطاق واسع.
• موثوقية عالية
• زاوية دوران المحرك تتناسب طرديًا مع نبضة الإدخال.
• يتمتع المحرك بعزم دوران كامل عند التوقف (إذا كانت الملفات مشحونة بالطاقة).
• تحديد المواقع بدقة وتكرار الحركة، حيث أن محركات الخطوة الجيدة تتمتع بدقة تتراوح بين 3-5% من الخطوة وهذا الخطأ غير تراكمي من خطوة إلى أخرى.
• استجابة ممتازة للتشغيل/الإيقاف/الرجوع للخلف.
• يتميز هذا المحرك بموثوقية عالية لعدم احتوائه على فرش تلامس. وبالتالي، فإن عمر المحرك يعتمد ببساطة على عمر المحمل.
• توفر استجابة المحرك لنبضات الإدخال الرقمية تحكمًا مفتوح الحلقة، مما يجعل التحكم في المحرك أبسط وأقل تكلفة.
• من الممكن تحقيق دوران متزامن منخفض السرعة للغاية مع حمل متصل مباشرة بالعمود.
• يمكن تحقيق نطاق واسع من سرعات الدوران، حيث أن السرعة تتناسب مع تردد نبضات الإدخال.

• غالباً ما تظهر ظاهرة الرنين عند السرعات المنخفضة، ويقل عزم الدوران مع زيادة السرعة. ^{[ 14 ]}