پروژه‌ی نمایش دورموتور در LabVIEW، موتور پله‌ای نوعی ماشین الکتریکی است که محور آن به صورت گسسته حرکت دورانی دارد. این موتورها را می‌توان جزو گروه سیستم‌های محرکه بدون جاروبک به حساب آورد. این موتورها پالسهای الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کنند.
موتورهای پله‌ای به طور روزافزون در سیستم‌های تثبیت یا تنظیم موقعیت حلقه باز به کار گرفته می‌شوند کابرد‌های بیشماری را می‌توان برای موتورهای پله‌ای برشمرد. از جمله کاربردهای این موتورها دردستگاه‌هایی از قبیل پرینترها , دستگاهای فتوکپی , اسکنرها و… وسایلی ازاین دست همه دارای یک یا چند موتور پله‌ای هستند. موتورهای پله‌ای در صنعت و ربات‌های صنعتی نیز کابرد فراوانی دارد برای مثال: ماشینهای تراش CNC، بازوی ربات‌های صنعتی، کارت خوان‌ها، فلاپی درایورها و دیسکت درایورها، پلاترها، غلتک‌ها تنها بخش کوچکی از کاربرد این موتورها می‌باشدکه در تمامی این موارد از موتورهای پله‌ای برای کنترل موقعیت استفاده می‌شود. امروزه به وفور از این موتورها در صنایع خودرو سازی و هوانوردی استفاده می‌شود برای مثال می‌توان به دریچه ی سوخت اشاره کرد که در اتومبیل‌های امروزی توسط یک موتور پله‌ای کنترل می‌شود.
این موتورها به شکل وسیعی در کاربردهای کنترلی استفاده می‌شوند نمونه‌های از کابرد آنها در تاسیسات ساختمانی از جمله در فروشگاه‌ها بیمارستان‌ها و درب پارکینگ‌ها و درب اتوبوس‌ها و تغییر و تنظیم محل موقعیت لنز‌های دیجیتال و چرخش آنتن‌ها به مقدار مشخص و تغییر محل سر مغناطیس دیسک موارد بسیاری در اتوماسیون می‌باشد پس به طور کلی در هر جا که نیاز به کنترل مکانیکی دقیق داریم می‌توان از موتور پله‌ای برای این منظور استفاده کرد.
وضعیت‌های پایدار در موتورهای پله‌ای دارای فواصل مساوی از هم است و حرکت موتورها از هر وضعیت پایدار به وضعیت پایدار بعدی یک پله نامیده می‌شود.
عدم نیاز به فیدبک از مزیت‌های موتورها پله‌ای به حساب میاد. در این موتورها فرمان لازم برای چرخش موتور به مقدار معین ودر جهت معین و با سرعت معین داده می‌شود. و موتور پس ازاجرای فرمان متوقف می‌شود. اما در موتور‌هایی از قبیل سروموتورها برای تثبیت موقعیت به فیدبک نیاز دارند .بدین معنی که اگرقرار باشد یک سیستم کنترل وضعیت یک محور را در زاویه خاص نگاه دارد استفاده از یک حس کننده‌ی موقعیت نیز اجتناب ناپذیراست. در چنین سیستمی یک “حس کننده‌ی موقعیت محور” موقعیت زاویه‌ی محور را به طور مداوم حس می‌کند و به تابع زاویه‌ی محور تبدیل می‌کند. این ولتاژ بایک ولتاژ که متناظر با موقعیت مورد نظر محور است مقایسه می‌گردد و درصورت مغایرت باآن ” ولتاژ خطا ” حاصل می‌شود. ولتاژ فوق پس از تقویت به طور مناسب به سیم پیچی کنترل یک سروموتور که با محور مورد کنترل به طور مکانیکی کوپله شده است اعمال می‌شود. و محور را در جهت اصلاح وضعیتش می‌چرخاند. بنابراین در این حالت لازم است وضعیت خروجی سیستم به طریقی در اختیار باشد تا به محض رسیدن سیستم به وضعیت مطلوب فرمان توقف سروموتور داده شود و این مستلزم فیدبک از خروجی به ورودی است. اما برخلاف موتورهای سنتی موتورهای پله‌ای تعداد معینی وضعیت پایدار در هر دور چرخش خود دارند و به تبعیت از فرمان‌های داده شده قادرند پس از چرخش به مقدار مورد نظر در هر یک از آنها توقف کنند و بار متصل به خود را در آن موقعیت نگه دارند. از مزایای دیگر موتورهای پله‌ای افزایشی نبودن خطا در آنها و نیز سازگاری آنها با اکثردستگاه های دیجیتالی پیشرفته است.
موتورهای پله‌ای دارای تعدادی سیم پیچی مجزا از هم است که تغذیه‌ی آنها توسط میکروکنترلر کنترل می‌شود. فرمان ورودی به این موتور به شکل پالسهای الکتریکی است. هر پالس تولید شده توسط مدار کنترل موتور را به اندازه‌ی یک پله در جهت پیش‌بینی شده می چرخاند. در عمل می‌توان موتور را به عنوان یک “وسیله‌ی الکترو مکانیکی دیجیتال “در نظر گرفت که اطلاعات دیجیتال ورودی به شکل پالسهای الکتریکی را به پله‌های گسسته دوران محور تبدیل می‌کند. در کاربردهای کنترل موقعیت اگر تعداد پالسهای ورودی فرستاده شده به موتور معلوم باشد می‌توان موقعیت نهایی قطعه‌ی به حرکت درآمده را به دست آورد. لذا یک سیستم کنترل موقعیت دیجیتال که از یک موتور پله‌ای استفاده می‌کند در حالت عادی به ابزار حس کننده‌ی موقعیت روتور و حلقه فیدبک نیاز ندارد.
با کنترل سرعت اعمال پالس‌ها به موتور پله‌ای می‌توان به سرعت‌های کند مثلا یک پله در زمان نسبتا زیاد تا سرعت‌های بالا ی 4000 دور در دقیقه البته به صورت پله‌ای دست یافت. موتور پله‌ای بسته با این که پالس‌هایی که به سیم پیچی‌های آن اعمال می‌شود درجهت مثلثاتی یا در خلاف جهت آن می‌چرخد.
پس به طور خلاصه می‌توان گفت که اصلی ترین ویژگی موتورهای پله‌ای که آن را از سایر موتورها متمایز می‌کند این است که می‌توان محور اینگونه موتور ها را با اعمال پالس‌هایی مناسب الکترونیکی به صورت گسسته به حرکت درآورد ودر محل مورد نظر قرار دادو همان طور که گفته شد برای این گونه موتورها برای چرخیدن محورشان به اندازه‌ی دلخواه نیازی به گرفتن فیدبک از موقعیت محورنیست.
- مزایای موتور پله‌ای:
- موتورهای پله‌ای عموما نیاز به حلقه‌ی فید بک ندارند به همین دلیل مدار کنترل این موتورها ساده است.
- بامدار کنترلی ساده‌ای به مکان‌یابی دقیقی می‌توان دست یافت.
- به دلیل نداشتن جاروبک عمر طولانی دارند.
- دستیابی به سرعت‌های پایین
- معایب موتورهای پله‌ای:
- محور موتورهای سنتی به صورت پیوسته می‌چرخد در صورتی که موتورهای پله‌ای بطور گسسته می‌چرخد از این روی در مواردی که به سرعت پیوسته‌ای نیاز داشته باشیم بهتر است از موتور پله‌ای استفاده نکنیم .البته اگر پالسهای اعمالی به موتور پله‌ای به طور مداوم باشند موتور پله‌ای تقریبا پیوسته و باسرعت ثابت و متناسب با فرکانس پالس می‌چرخد.
- با موتورهای پله‌ای نمی‌توان به سرعت‌های بالا دست یافت.
- در صورت کنترل نادرست ممکن است موتور به حالت تشدید درآید. دراین حالت محور موتور به جای چرخش شروع به لرزیدن می‌کند.
- مقایسه موتور پله‌ای با موتورهای سنتی:
- موتور پله‌ای وسیله الکترومکانیکی دیجیتالی (گسسته) است در حالی که موتور سنتی یک وسیله‌ی الکترومکانیکی آنالوگ (پیوسته) است. و هرکدام کاربرد خاص خود را دارا می‌باشد. و به هیچ وجه موتور پله‌ای نمی‌تواند به جای موتورهای سنتی استفاده شود. و اگر استفاده شود کیفیت کنترلی مناسبی نخواهد داشت. ولی می‌توان از موتورهای سنتی به جای موتور پله‌ای استفاده کرد که خیلی به صرفه نخواهد بود کما اینکه سیستم کنترلی پیچیده تری نیز خواهد داشت.
- انواع موتور پله‌ای:
- موتورهای پله‌ای با روتور مغناطیس شونده : دقت نسبتا خوب دارند اما گشتاور کمتری نسبت به سایر موتور پله‌ای‌ها دارند .
- موتورهای پله‌ای مغناطیس دائم : دقت پایینی دارند اما از آنجایی که روتور این موتورها آهنربای دائمی است شار مغناطیسی به وجود آمده در هنگام عبور از سیم پیچ افزایش می‌یابد. در نتیجه این گونه موتورها در مقایسه با موتورهای پله‌ای با روتور مغناطیس شونده‌ی مشابه قادر به تولید گشتاور بیشتری هستند. به عبارت دیگر قدرت بیشتری دارند.
- موتورهای پله‌ای هیبرید: این موتورها شبیه به موتورهای پله‌ای با روتور مغناطیس شونده هستند اما با دقت پله‌ای بهتر و نیز گشتاور و سرعت بیشتری دارا می‌باشند.
پس از آنجایی که AVR نمی‌تواند جریان لازم برای راه اندازی موتور پله‌ای را فراهم کند باید از راه اندازی مانند ULN2003 برای فرمان دادن به استاتور استفاده کنیم. توجه کنید که می‌توان از چند ترانزیستور بعنوان راه انداز استفاده کنیم. که در این صورت باید از دیود برای مراقبت از جریان القایی در هنگام قطع سیم پیچ بکار برد. اما داخل ULN2003 هفت زوج ترانزیستور BJT از نوع دارلینگتون وجود دارد که دارای دیود داخلی برای مقابله با EMF برگشتی می‌باشد. هر دارلینگتون توانایی جریان دهی تا 500mA را دارا می‌باشد.
مراحل راه‌ندازی و اتصال AVR به موتور پله‌ای:
- ابتدا با استفاده یک اهم متر مقاومت سیم‌ها را اندازه می‌گیریم. دلیل این کار این است که باید تعیین کنیم که کدام سیم مشترک (COM) به کدام سیم پیچ وصل است. همانطور که می‌دانید مقاومت بین زوج سیم‌های A – A’ و B – B’ محدود بوده که این مقاومت بستگی به نوع موتور دارد. (به عنوان مثال 200 اهم). اما مقاومت بین هر کدام از سیم پیچ های A ,B بینهایت است. هم چنین توجه دارید که مقاومت بین سرمشترک و هریک از فازهای A , B نصف مقاومت بین دو سر فاز است.
- سیم‌های مشترک را به تغذیه مثبت موتور وصل می‌کنیم.
- چهار سیم مربوط به سیم پیچ‌های استاتور رابا استفاده از ULN2003 به چهار بیت از پورتهای میکروکنترلر وصل می‌کنیم.
نحوه‌ی اتصال میکروکنترلر AVR به کامپیوتر:
AVR بلوکی به اسم USART دارد و کامپیوتر‌ها نیز مجهز به واحد مشابهی نام UART می‌باشند. که تفاوتشان در این است که UART برخلافUSART تنها قابلیت ارتباط به صورت غیر همزمان را دارد. بنابراین میکروکنترلر AVR از این طریق می‌تواند با کامپیوتر تبادل داده داشته باشند. کامپیوتر‌ها برای تبادل داده از طریق UART خود با دنیای خارج از استاندارد RS232 بهره می‌برند. RS232 یک استاندارد است که درآن مشخصات فیزیکی ارتباط مانند سطح ولتاژ نوع کانکتور رفتار اتصال کوتاه و غیره تعریف می‌شود.
یکی از ویژگی‌های RS232 که در ارتباط PC با میکروکنترلر اهمیت دارد سطح ولتاژ آن است. ولتاژ خط RS232 در حالت صفر و یک منطقی با TTL متفاوت است. در واقع سطح منطقی RS232 به صورت زیر است:
صفر منطقی : -3 تا -15 ولت تلقی می‌شود.
یک منطقی : +3 تا +15 ولت تلقی می‌شود.
و بین -3 تا +3 نامعین است.
از این روی وسیله‌ی گیرنده بایستی توانایی تحمل ولتاژ اعمال شده از -25 ولت تا +25 ولت را داشته باشد. بنابراین از آن جایی که میکروکنترلر توانایی کار با این سطح ولتاژ را ندارد برای ارتباط دهی پورت سریال PC با میکروکنترلر نیاز به یک مبدل ولتاژ است. در این پروژه از MAX 233 استفاده شده است .این IC شامل دو مبدل مجزا است.
منبع: میکرودیزاینرالکترونیک
