انواع موتور DC — راهنمای جامع

انواع موتور DC را می‌توان به ۴ گروه اصلی موتور جاروبک‌دار، براشلس، سروو موتور و موتور پله‌ای تقسیم کرد. موتورهای DC یا موتورهای جریان مستقیم، اداوت الکترومکانیکی هستند که از اثر متقابل میدان‌های مغناطیسی و رساناها استفاده می‌کنند و انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی چرخشی تبدیل می‌کنند. انواع مختلف موتورهای DC از نظر ساختمان و کاربرد با یکدیگر متفاوت هستند. در این مطلب قصد داریم به بررسی انواع مختلف موتورهای DC بپردازیم.

موتورهای الکتریکی DC، از چرخش زاویه‌ای پیوسته بهره می‌برند و می‌توانند پمپ‌ها، فن‌ها، کمپرسورها و چرخ‌ها را به حرکت در آورند. همانند موتورهای DC گردان متداول، موتورهای خطی نیز موجود هستند که این موتورها می‌توانند حرکت خطی پیوسته را تولید کنند. در حالت کلی می‌توان گفت دو طبقه‌بندی اساسی برای انواع موتورها وجود دارد: موتورهای AC و موتورهای DC.

موتورهای AC، معمولا در کاربردهای صنعتی تک فاز یا چند فاز توان بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن‌ها به سرعت و گشتاور چرخشی ثابتی برای کنترل بارهای بزرگ مانند فن‌ها و پمپ‌ها نیاز است. در ادامه قصد داریم به بررسی فقط نوع دیگر از این موتورها، یعنی موتورهای DC بپردازیم که در بسیاری از مدارات الکترونیکی، کنترل موقعیت، میکروپروسسور، PIC و رباتیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 انواع موتور DC

موتور DC یا موتور جریان مستقیم (Direct Current Motor) را می‌توان متداول‌ترین محرک (Actuator) برای تولید یک حرکت پیوسته دانست که حرکت خطی یا چرخشی آن به سادگی کنترل می‌شود و به همین دلیل برای استفاده در کاربردهای کنترل سرعت، کنترل نوع سروو (Servo) و موقعیت انتخابی بسیار ایده‌آل محسوب می‌شود.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی 1 در فرادرس

کلیک کنید

یک موتور DC از دو قسمت تشکیل شده است، قسمت اول که استاتور (Stator) نام دارد و بخش ثابت موتور DC در نظر گرفته می‌شود و قسمت دوم که روتور (Rotor) نام دارد و قسمت گردان موتور است. در تصویر زیر نمایی از یک موتور DC کوچک عادی نشان داده شده است.

در نتیجه می‌توان گفت انواع موتور DC به سه گروه زیر تقسیم می‌شوند:

• موتور دارای جاروبک (Brushed Motor): این نوع از موتورها، با استفاده از عبور جریان الکتریکی از کموتاتور (Commutator) و جاروبک‌های کربنی، میدان مغناطیسی را در روتور سیم‌پیچی شده تولید می‌کنند و به همین دلیل به آن‌ها موتورهای جاروبک‌دار یا دارای جاروبک گفته می‌شود. میدان مغناطیسی استاتور را می‌توان یا با استفاده از مغناطیس‌های دائم (Permanent Magnets) و یا با استفاده از سیم‌پیچی میدان استاتور تولید کرد. معمولا موتورهای DC جاروبک‌دار ارزان قیمت و کوچک هستند و کنترل آن‌ها بسیار آسان است.
• موتور بدون جاروبک یا براشلس (Brushless Motor): این نوع از موتورها، با بهره‌گیری از مغناطیس دائم‌های متصل به روتور، یک میدان مغناطیسی در روتور به وجود می‌آورند و در واقع عمل کموتاسیون در آن‌ها به صورت الکتریکی انجام می‌شود. موتورهای بدون جاروبک یا براشلس معمولا دارای اندازه کوچک‌تری هستند، اما نسبت به موتورهای جاروبک‌دار قیمت بالاتری دارند؛ زیرا در استاتور آن‌ها از سنسورهای اثر هال برای تولید میدان دوار استاتور استفاده شده است. در عوض، این موتورها مشخصه گشتاور-سرعت بهتر، راندمان بالاتر و نیز طول عمر بیشتری نسبت به موتورهای جاروبک‌دار معادل خود دارند.
• موتور سروو (Servo Motor): این نوع از موتورها را می‌توان نوعی از موتورهای DC جاروبک‌دار دانست که در آن‌ها از فرمی از کنترل فیدبک موقعیت، متصل به شفت روتور، بهره گرفته شده است. این اتصالات توسط کنترل‌کننده نوع PWM یا مدولاسیون پهنای پالس کنترل می‌شوند و عمدتا در سیستم‌های کنترل موقعیت و مدل‌های کنترل رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

موتورهای DC عادی، دارای مشخصه خطی سرعت چرخش با گشتاور چرخشی هستند. سرعت چرخش توسط ولتاژ DC اعمال شده به موتور و گشتاور چرخشی توسط جریان سیم‌پیچ‌های موتور تعیین می‌شوند. سرعت چرخش موتورهای DC از چند دور بر دقیقه (Revolutions per Minute) تا چند هزار دور بر دقیقه در تغییر است و همین امر آن‌ها را برای کاربردهای الکترونیکی، مکاترونیکی، اتوماسیون و رباتیک مناسب می‌سازد. از طریق اتصال این موتورها به چرخ‌دنده‌ها (Gearboxes) می‌توان سرعت گردش آن‌ها را کاهش داد، در حالی که هم زمان گشتاور خروجی موتور در سرعت‌های بالا، افزایش می‌یابد.

موتور DC دارای جاروبک

موتورهای DC دارای جاروبک متداول، اساسا از دو بخش تشکیل می‌شوند. یک بخش که بدنه ثابت موتور است و استاتور نام دارد و قسمت داخلی موتور که روتور یا آرمیچر نام دارد و همیشه در گردش است. قسمت روتور نهایتا باعث ایجاد حرکت شفت موتور می‌شود.

سیم‌پیچی‌های استاتور در موتور، یک مدار الکترومغناطیسی محسوب می‌شوند. این مدار از سیم‌پیچ‌های الکتریکی تشکیل شده است که با آرایش دایره‌ای به هم متصل شده‌اند. سیم‌پیچ‌های الکتریکی به صورت متوالی قطب شمال و سپس قطب جنوب مغناطیسی را ایجاد می‌کنند. به این ترتیب، یک سیستم میدان مغناطیسی ثابت برای گردش به وجود می‌آید که این موضوع دقیقا برعکس موتورهای AC است که در آن‌ها، میدان استاتور با استفاده از فرکانس اعمالی، به صورت پیوسته در چرخش است. جریانی که از این سیم‌پیچی‌های میدان می‌گذرد با نام جریان میدان موتور (Motor Field Current) شناخته می‌شود.

سیم‌پیچ‌های الکتریکی که میدان استاتور را به وجود می‌آورند، می‌توانند به صورت سری، موازی و یا ترکیبی از هر دو به آرمیچر موتور متصل شوند. اگر سیم‌پیچ‌ها با آرایش ترکیب سری و موازی به آرمیچر متصل شوند، به آن کمپوند (Compound) می‌گویند. در یک موتور DC با سیم‌پیچی سری، سیم‌پیچی‌های میدان استاتور به صورت سری به آرمیچیر موتور متصل شده است. نمایی از یک موتور DC با سیم‌پیچ میدان سری را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

به طریق مشابه، یک موتور DC با سیم‌پیچ میدان موازی، موتوری است که در آن سیم‌پیچ‌های میدان به صورت موازی به آرمیچر موتور متصل شده باشند. نمایی از یک موتور DC با سیم پیچ میدان موازی در تصویر زیر نمایش داده شده است.

روتور یا آرمیچر در یک ماشین DC از رساناهای حامل جریان تشکیل شده است که یک طرف آن‌ها به قطعه‌ی مسی متصل است که به لحاظ الکتریکی ایزوله است. این قطعه، کموتاتور (Commutator) نام دارد و باعث می‌شود یک اتصال الکتریکی بین جاروبک‌های کربنی و منبع تغذیه خارجی موتور برقرار شود و موتور به چرخش درآید. به همین دلیل است که به این موتورها، موتورهای جاروبک‌دار گفته می‌شود.

میدان الکترومغناطیسی به وجود آمده توسط روتور تلاش می‌کند تا خود را با میدان ثابت استاتور هماهنگ کند و موتور را در جهت محور خود بچرخاند، اما به دلیل تاخیر کموتاسیون، این هماهنگی انجام نمی‌گیرد و همین تاخیر است که مبنای چرخش روتور را فراهم می‌آورد. سرعت چرخش موتور به شدت میدان مغناطیسی روتور و نیز مقدار ولتاژ اعمالی به موتور بستگی دارد، به صورتی که هر چه این دو مقدار بالاتر باشند، سرعت چرخش بالاتر خواهد بود. در تصویر زیر نمایی از دو نوع موتور دارای جاروبک DC را می‌توان مشاهده کرد. یکی از این موتورها، دارای دو قطب است و میدان مغناطیسی استاتور توسط مغناطیس دائم‌های آن به وجود می‌آید. اما موتور دوم دارای استاتور چهار قطب است و میدان مغناطیسی آن توسط سیم‌پیچ‌های میدان استاتور ایجاد می‌شود.

موتورهای DC مغناطیس دائم جاروبک‌دار یا PMDC، معمولا از موتورهای همتای خود، یعنی موتور DC جاروبک‌دار استاتور سیم‌پیچی شده کوچک‌تر و ارزان‌تر هستند؛ زیرا این موتورها سیم‌پیچی میدان ندارند. در موتورهای مغناطیس دائم، سیم‌پیچ‌های میدان، با مغناطیس‌هایی از جنس آهن و کبالت که دارای میدان مغناطیسی بسیار بزرگی هستند، جایگزین می‌شوند.

استفاده از مغناطیس‌های دائم، به دلیل میدان مغناطیسی همیشگی و معمولا قوی‌تر، به موتور DC مشخصه گشتاور سرعت خطی‌تری را نسبت به موتور DC استاتور سیم‌پیچی شده می‌دهد و به همین دلیل، این موتورها برای کاربردهای رباتیکی و سروو بسیار مناسب‌تر هستند.

اگرچه موتورهای DC جاروبک‌دار، دارای راندمان بالا و ارزان قیمت هستند، اما مشکلی که این نوع از موتورها دارند این است که تحت شرایط بار سنگین، بین دو سطح کموتاتور و جاروبک‌های کربنی، جرقه (Spark) به وجود می‌آید. این جرقه‌ها منجر به تولید حرارت داخلی، عمر کوتاه موتور و نویز‌های الکتریکی می‌شوند. ایجاد جرقه می‌تواند منجر به آسیب دیدن ادوات و کلیدهای نیمه‌رسانا مانند ترانزیستورهای MOSFET شود. برای غلبه بر این مشکل، موتورهای DC بدون جاروبک یا براشلس توسعه یافتند.

موتورهای DC براشلس

موتورهای براشلس یا بدون جاروبک یا BLDC، بسیار شبیه به موتورهای DC مغناطیس دائم هستند، اما برای جلوگیری از ایجاد جرقه‌ در کموتاسیون، از هیچ جاروبکی در این نوع موتورها استفاده نشده است. بنابراین، گرمای بسیار کمی در موتور ایجاد می‌شود و عمر موتور افزایش می‌یابد. در موتورهای براشلس نیاز به کموتاسیون مکانیکی حذف شده است و در عوض موتور به یک مدار پیچیده‌تر به عنوان درایور احتیاج دارد. در این موتور، میدان مغناطیسی روتور، یک مغناطیس دائم است که همیشه با میدان استاتور سنکرون بوده و همین امر منجر به کنترل دقیق‌تر سرعت و گشتاور موتور می‌شود.

بنابراین می‌توان گفت ساختار یک موتور براشلس بسیار شبیه به یک موتور AC است و می‌توان آن را یک موتور سنکرون محسوب کرد. اما عیب اصلی موتورهای براشلس این است که نسبت به همتای جاروبک‌دار خود قیمت بالاتری دارند. همچنین کنترل موتورهای براشلس نسبت به موتورهای جاروبک‌دار بسیار پیچیده‌تر است. در شکل زیر نمایی از یک موتور DC براشلس دیده می‌شود.

برای کنترل موتورهای براشلس، به ابزارهای جدیدی برای تشخیص موقعیت زاویه‌ای روتور و یا قطب‌های مغناطیسی احتیاج داریم تا سیگنال‌های فیدبک مورد نیاز برای کنترل ادوات کلیدزنی نیمه رسانا تولید شوند. متداول‌ترین سنسور موقعیت، سنسور اثر هال (Hall Effect Sensor) نام دارد، البته برخی از موتورها از سنسورهای نوری نیز استفاده می‌کنند.

با استفاده از سنسورهای اثر هال، پلاریته الکترومغناطیس‌ها از طریق مدار درایو (کنترل) موتور تغییر داده می‌شود. بنابراین می‌توان موتور را به سادگی با یک سیگنال کلاک دیجیتال سنکرون کرد و یک کنترل سرعت بسیار دقیق را برای موتور فراهم کرد. موتورهای بدون جاروبک را می‌توان به نحوی ایجاد کرد که یا یک روتور مغناطیس دائم خارجی و یک استاتور الکترومغناطیسی داخلی داشته باشند و یا یک روتور مغناطیس دائم داخلی و یک استاتور الکترومغناطیس خارجی در آن‌ها وجود داشته باشد.

موتورهای براشلس نسبت به موتورهای جاروبک‌دار دارای راندمان بالاتر، قابلیت اعتماد بیشتر، نویز الکتریکی پایین و کنترل سرعت بهتر هستند. البته یکی از مهم‌ترین مزیت‌های این موتورها این است که کموتاسیون مکانیکی در آن‌ها حذف شده است و به همین دلیل جرقه در این موتورها اتفاق نمی‌افتد و طول عمر آن‌ها بالاتر می‌رود. اما همان طور که اشاره کردیم، قیمت این موتورها بالاتر و کنترل آن‌ها نیز پیچیده‌تر است.

موتورهای سروو

موتورهای DC نوع سروو در کاربردهای حلقه بسته مورد استفاده قرر می‌گیرند. در این کاربردها، موقعیت شفت خروجی موتور به مدار کنترل موتور بازگردانده می‌شود. ادوات متداول برای فیدبک موقعیت، مانند ریزولورها (Resolvers)، انکودرها و پتانسیومترها در مدل‌های کنترل رادیویی مانند هواپیما و قایق‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

یک سروو موتور معمولا دارای چرخ دنده‌های داخلی برای کاهش سرعت است و به همین دلیل می‌تواند گشتاور بالایی را مستقیما منتقل کند. شفت خارجی یک سروو موتور، به دلیل اتصال چرخ دنده و ادوات فیدبک موقعیت، بر خلاف شفت موتور DC عادی، به صورت آزاد چرخش نمی‌کند. بلوک دیاگرام یک موتور DC سروو در تصویر زیر نشان داده شده است.

سروو موتور از یک موتور DC به همراه ادوات فیدبک موقعیت و تجهیزاتی برای تصحیح خطا تشکیل شده است. سرعت یا موقعیت، متناسب با سیگنال ورودی موقعیت یا سیگنال مرجع اعمال شده به وسیله، کنترل می‌شوند. تقویت‌کننده آشکارساز خطا (Error Detection Amplifier) بر سیگنال ورودی نظارت می‌کند و آن را با سیگنال فیدبک از شفت موتور مقایسه می‌کند و تصمیم می‌گیرد که آیا شفت خروجی موتور در موقعیت اشتباهی قرار گرفته است یا خیر. اگر موقعیت شفت موتور، منجر به تولید سیگنال خطا شود، کنترل‌کننده سیگنال مناسب را برای تصحیح خطا ایجاد می‌کند و متناسب با مقدار خطا، سرعت موتور را یا افزایش می‌دهد و یا آن را کم می‌کند. چنین پاسخی به سیگنال فیدبک وقعیت در موتور سروو را سیستم حلقه بسته (Closed Loop System) می‌نامند.

علاوه بر کاربردهای صنعتی و بزرگ، سروو موتورها در کاربردهای رباتیک و مدل‌های کنترل از راه دور کوچک نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. موتورهای سروو به این دلیل در بازه گسترده‌ای از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند که قادر هستند ۱۸۰ درجه در هر دو جهت چرخش کنند و در نتیجه برای کنترل دقیق موقعیت انتخاب بسیار ایده‌آلی محسوب می‌شوند. با این حال، موتورهای سروو نوع RC نمی‌توانند مانند موتورهای DC عادی به صورت پیوسته در سرعت‌های بالا بچرخند و برای این منظور باید اصلاحات خاصی روی آن‌ها انجام گیرد. در شکل زیر نمایی از یک موتور RC دیده می شود.

یک موتور سروو از ادوات مختلفی در یک پکیج تشکیل شده است که عبارتند از: موتور، چرخ دنده، ادوات فیدبک و تجهیزات تصحیح خطا برای کنترل موقعیت، سرعت و جهت چرخش. این موتورها به صورت گسترده در مدل‌های کوچک و رباتیک مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ زیرا به سادگی توسط سه سیم تغذیه، زمین و سیگنال کنترلی قابل کنترل شدن هستند.

کنترل و سوئیچینگ موتورهای DC

موتورهای DC کوچک را می‌توان با استفاده از کلیدهای مختلف، رله‌ها، ترانزیستورها و مدارات MOSFET و با بهره‌گیری از ساده‌ترین روش‌های کنترل که با نام کنترل خطی شناخته می‌شوند، خاموش و روشن و کنترل کرد. این نوع از مدارات از ترانزیستور دو قطبی (Bipolar) به عنوان کلید برای کنترل موتور از یک منبع تغذیه استفاده می‌کنند. البته در مواقعی که به نرخ جریان بالاتری نیاز باشد، می‌توان از زوج ترانزیستوری دارلینگتون بهره برد.

فیلم آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی 1 در فرادرس

کلیک کنید

از طریق تغییر مقدار جریان گذرا از بیس (Base) ترانزیستور، می‌توان سرعت موتور را کنترل کرد. به عنوان مثال، اگر ترانزیستور بصورت نیم موج روشن شود، آن‌گاه فقط نیمی از منبع ولتاژ به موتور اعمال می‌شود. اما اگر ترانزیستور به صورت کامل روشن شود یا به عبارت دیگر در ناحیه اشباع قرار گیرد (Saturated)، آن‌گاه تمام ولتاژ تغذیه به موتور می‌رسد و در نتیجه موتور با سرعت بالاتری می‌چرخد. بنابراین برای این کنترل خطی موتور، توان به صورت مداوم و پیوسته به موتور می‌رسد. نمایی از مدار کنترل سرعت موتور در تصویر زیر نشان داده شده است.

مدار کلیدزنی ساده بالا، نشان دهنده مدار کنترل سرعت یک جهته (Uni-directional) موتور DC است. چون سرعت چرخش موتور DC متناسب با مقدار ولتاژ دریافت شده در دو سر ترمینال موتور است، در نتیجه می‌توان مقدار این ولتاژ را با استفاده از ترانزیستور تنظیم کرد و در نهایت سرعت موتور را به این طریق کنترل کرد.

دو ترانزیستور در این مدار بر اساس آرایش دارلینگتون به یکدیگر متصل شده‌اند تا جریان آرمیچر موتور را کنترل کنند. یک پتانسیومتر ۵ کیلو اهم برای کنترل مقدار بیس ترانزیستور اول یعنی TR1 مورد استفاده قرار گرفته است که این مقدار به صورت متقابل می‌تواند ترانزیستور اصلی کلیدزنی TR2 را کنترل کند. ترانزیستور TR2 مقدار ولتاژ موتور DC را از صفر تا ولتاژ تغذیه ($$V_{CC}$$) تغییر می‌دهد. در مثال بالا، مقدار ولتاژ می‌تواند از ۰ تا ۱۲ ولت متغیر باشد.

دیودهای هرزگرد (Flywheel Diodes) در طول ترانزیستور کلیدزنی TR2 و ترمینال‌های موتور متصل شده‌اند تا از موتور در برابر نیروی ضدمحرکه القایی تولید شده در حین چرخش، محافظت کنند. پتانسیومتر قابل تنظیم را می‌توان با یک سیگنال اعمالی صفر و یک منطقی پیوسته جایگزین کرد. این سیگنال به صورت مستقیم به ورودی مدار اعمال می‌شود و موتور را از پورت میکروکنترلر یا PIC به صورت متوالی خاموش (Cut-off) و روشن (Saturation) می‌کند.

علاوه بر مدار کنترل ساده بالا، مدار مشابهی را نیز می‌توان برای کنترل سرعت چرخش موتور مورد استفاده قرار داد. از طریق خاموش و روشن کردن متوالی موتور با فرکانس به اندازه کافی بالا، می‌توان سرعت موتور را از سرعت سکون (0rpm) تا سرعت کامل (Full Speed) تغییر داد. این کار از طریق تغییر نسبت زمان روشن بودن سیگنال ($$t_{ON}$$) به زمان خاموش بودن آن ($$t_{OFF}$$) انجام می‌گیرد. در حالت کلی به این تکنیک برای کنترل موتور، مدولاسیون پهنای پالس (Pulse Width Modulation) می‌گویند.

کنترل سرعت پهنای باند

همان طور که قبلا بیان کردیم، سرعت چرخش موتور DC به صورت مستقیم با میانگین مقدار ولتاژ اعمالی به ترمینال‌های موتور رابطه دارد. هر چقدر میزان ولتاژ اعمالی بیشتر باشد، سرعت چرخش موتور نیز بالاتر خواهد بود. با تغییر نسبت زمان روشن بودن به زمان خاموش بودن سیگنال کنترلی (که به آن چرخه وظیفه یا Duty Cycle سیگنال می‌گویند.)، مقدار متوسط ولتاژ موتور و در نتیجه سرعت چرخش آن را می‌توان تغییر داد. نمایی از یک سیگنال کنترل PWM و دوره تناوب آن در تصویر زیر نشان داده شده است.

برای درایو موتورهای یک جهته ساده، نسبت وظیفه $$\beta$$ به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$\beta = \frac {a} {a + b}$$

مقدار متوسط ولتاژ DC اعمال شده به موتور برابر است با:

$$V_ {mean} = \beta \times V_{supply}$$

نکته مهمی که وجود دارد این است که ولتاژ موثر در کنترل سرعت موتور DC، مقدار متوسط ولتاژ یا $$V_ {mean}$$ است که در بالا آن را به دست آوردیم. بنابراین با تغییر پهنای پالس، ولتاژ موتور و بنابراین توان اعمالی به موتور را می‌توان کنترل کرد که به آن کنترل PWM می‌گویند.

روش دیگر برای کنترل سرعت چرخش موتور، تغییر فرکانس و در نتیجه تغییر دوره تناوب ولتاژ کنترلی آن است، به نحوی که زمان چرخه وظیفه یا خاموش و روشن بودن آن، ثابت نگه داشته شود. این نوع روش کنترل، مدولاسیون فرکانس پالس (Pulse Frequency Modulation) یا PFM نام دارد.

از طریق مدولاسیون فرکانس پالس، می‌توان ولتاژ موتور را با اعمال پالس‌های با فرکانس متغیر کنترل کرد. به عنوان مثال، در فرکانس‌های پایین یا پالس‌های با تعداد کم، میانگین ولتاژ اعمالی به موتور نیز پایین خواهد بود. در فرکانس‌های بالا یا پالس‌های با تعداد بالا، میانگین ولتاژ اعمالی به ترمینال موتور نیز بالاتر خواهد بود و در نتیجه موتور با سرعت بالاتری به چرخش ادامه می‌دهد.

بنابراین، می‌توان از ترانزیستور برای کنترل توان اعمالی به یک موتور استفاده کرد. برای این کار می‌توان از ترانزیستور در مود عملکرد خطی استفاده کرد و مثلا ولتاژ موتور را تغییر داد یا از مدولاسیون پهنای پالس استفاده کرد و عرض پالس‌ها را کنترل کرد و یا از مدولاسیون فرکانس پالس استفاده کرد و فرکانس پالس‌ها را تغییر داد.

تغییر جهت چرخش در موتور DC

اگرچه کنترل سرعت موتور DC با استفاده از یک ترانزیستور مزایای فراوانی دارد، اما در این روش یک عیب بزرگ نیز وجود دارد. جهت چرخش در یک موتور DC که با این روش کنترل می‌شود همیشه یکسان است و به عبارت دیگر، یک مدار یک جهته (Uni-directional) محسوب می‌شود. در بسیاری از کاربردها، لازم است تا موتور در هر دو جهت ساعتگرد و پادساعتگرد بچرخد.

فیلم آموزش موتورهای الکتریکی مدرن و کاربردها در فرادرس

کلیک کنید

برای کنترل جهت یک موتور DC، پلاریته منبع DC اعمال شده به اتصالات موتور باید معکوس شود تا شفت موتور در جهت مخالف بچرخد. یک راه بسیار متداول و ساده برای کنترل جهت چرخش موتور DC، استفاده از آرایش‌های کلیدزنی متفاوت برای این موتورها است. در شکل زیر نمایی از دو مدار برای کنترل جهت چرخش موتور DC دیده می‌شود.

مدار اول، از یک کلید دو پل دو زبانه (Double-Pole, Double-Throw) یا DPDT برای کنترل پلاریته اتصالات موتور استفاده می‌کند. با تغییر اتصالات، ولتاژ تغذیه دریافت شده در ترمینال‌های موتور معکوس می‌شود و در نتیجه موتور نیز در جهتی عکس جهت چرخش قبلی می‌چرخد. مدار دوم اندکی پیچیده‌تر است و از چهار کلید تک پل تک زبانه (Single-Pole, Single-Throw) یا SPST در آرایش پل H استفاده می‌کند.

کلیدهای مکانیکی به صورت جفتی، برای کلیدزنی پیکربندی شده‌اند و باید در یک ترکیب خاص عمل کنند تا موتور DC متوقف شود. به عنوان مثال، ترکیب کلیدهای A و D جهت چرخش رو به جلو (Forward) و ترکیب کلیدهای B و C چرخش عقبگرد (Reverse) را کنترل می‌کند. ترکیب کلیدهای A و B یا C و D ترمینال‌های موتور را اتصال کوتاه می‌کند و منجر به توقف سریع موتور می‌شود. اما نکته مهمی که وجود دارد این است که کنترل موتور با استفاده از این روش می‌تواند بسیار خطرناک باشد؛ زیرا ترکیب کلیدهای A و C یا B و D با یکدیگر، باعث اتصال کوتاه منبع تغذیه می شود.

اگرچه دو مدار بالا، برای تغییر جهت چرخش اغلب موتورهای DC کوچک مناسب است، اما در عمل استفاده از ترکیبات مختلف برای کلیدهای مکانیکی تنها با هدف تغییر جهت چرخش کلید ایده خوبی محسوب نمی‌شود. در عوض می‌توانیم کلیدهای دستی را برای تنظیم رله‌های الکترومکانیکی تغییر دهیم و فقط یک دکمه تکی برای تغییر جهت حرکت موتور داشته باشیم. همچنین می‌توان از یک کلید دو طرفه CMOS 4066B حالت جامد استفاده کرد.

اما یک راه بسیار خوب برای رسیدن به کنترل سرعت دو جهته، اتصال موتور به یک مدار نوع پل H ترانزیستوری است. در شکل زیر نمایی از یک پیکربندی پل H ترانزیستوری نشان داده شده است.

دلیل نام‌گذاری پل H ترانزیستوری نشان داده شده در بالا، این است که آرایش کلیدها (رله‌های الکترومغناطیسی یا ترانزیستورها) در این مدار شبیه به حرف H است و موتور در وسط این چهار کلید قرار می‌گیرد. ترانزیستور یا MOSFET پل H، معمولا یکی از متداول‌ترین مدارت کنترل سرعت دو جهته موتورهای DC محسوب می‌شود. در این مدار از جفت ترانزیستورهای مکمل NPN یا PNP در هر شاخه استفاده می‌شود و این ترانزیستورها به صورت دو تایی با یکدیگر کلیدزنی می‌شوند و موتور را کنترل می‌کنند.

ورودی کنترل A، موتور را در یک جهت، یعنی چرخش رو به جلو، راه‌اندازی می‌کند. اما ورودی کنترل B باعث چرخش موتور در جهت دیگر، یعنی چرخش عقبگرد موتور می‌شود. بنابراین با کلیدزنی یا خاموش و روشن کردن ترانزیستورها در موقعیت مورب یا قطری پل H، می‌توان جهت چرخش موتور را کنترل کرد.

به عنوان مثال، زمانی که ترانزیستور TR1 روشن و ترانزیستور TR2 خاموش باشند، نقطه A به منبع تغذیه یا $$V_{CC}$$ متصل می‌شود و اگر ترانزیستور TR3 خاموش و ترانزیستور TR4 روشن باشند، نقطه B به زمین یا ولتاژ صفر ولت متصل می‌شود. در این حالت موتور در جهتی می‌چرخد که متناظر با این باشد که نقطه A به ولتاژ مثبت و نقطه B به ولتاژ منفی متصل شده باشد. اگر حالت کلیدزنی برعکس شود، یعنی ترانزیستور TR1 خاموش، ترانزیستور TR2 روشن، ترانزیستور TR3 روشن و ترانزیستور TR4 خاموش باشد، آن‌گاه جریان در موتور در جهتی برعکس به گردش در می‌آید و در نتیجه موتور نیز در جهت معکوس می‌چرخد. بنابراین با اعمال سطوح منطقی متفاوت صفر و یک به ورودی‌های A و B، جهت گردش موتور مانند جدول زیر کنترل می‌شود.

این نکته بسیار اهمیت دارد که هیچ ترکیب دیگری از ورودی‌ها مجاز نیستند؛ زیرا ممکن است باعث اتصال کوتاه شدن منبع تغذیه شوند. به عنوان مثال، اگر هر دو ترانزیستور TR1 و TR2 در یک لحظه روشن باشند، فیوز در این مدار می‌سوزد.

همان طور که در کنترل سرعت یک جهته موتور DC بیان کردیم، سرعت چرخش موتور را نیز می‌توان با استفاده از مدولاسیون پهنای پالس یا PWM کنترل کرد. بنابراین، با استفاده از ترکیب کلیدزنی پل H با کنترل PWM، می‌توان هم جهت و هم سرعت چرخش موتور را با دقت بالایی کنترل کرد.

آی‌سی‌های آشکارساز شفت، مانند آی‌سی SN754410 یا آی‌سی L298N که دارای دو پل H است، هم اکنون به صورت تجاری در دسترس هستند. این آی‌سی‌ها دارای تمام ادوات منطقی لازم برای کنترل و نیز امنیت موتور هستند و به صورت اختصاصی به عنوان مدار کنترل سرعت دو جهته موتورهای DC طراحی و ساخته شده‌اند.

موتور DC پله‌ای

مانند موتورهای DC بالا، موتورهای پله‌ای نیز وجود دارند که محرک‌های الکترومکانیکی محسوب می‌شوند. این موتورها یک سیگنال ورودی دیجیتال پالسی را به حرکت مکانیکی (افزایشی) گسسته تبدیل می‌کنند و به صورت گسترده در کاربردهای کنترل صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. یک موتور پله‌ای در واقع نوعی از موتورهای براشلس سنکرون به حساب می‌آید که در آن از کموتاسیون مکانیکی و براش‌های کربنی استفاده نشده است. اما در این موتورها، یک روتور متشکل از تعداد زیادی دندانه‌های مغناطیس دائم و یک استاتور سیم‌پیچی شده وجود دارد.

همان طور که از نام این موتور مشخص است، موتور پله‌ای مانند موتورهای عادی، به صورت پیوسته دوران نمی‌کند، بلکه این موتور در پله‌های گسسته و افزایشی حرکت می‌کند که زاویه هر چرخش به تعداد قطب‌های استاتور و دندانه‌های روتور موتور پله‌ای بستگی دارد. در تصویر زیر نمایی از یک موتور پله‌ای دیده می‌شود.

به دلیل پله‌های گسسته در حرکت، موتور پله‌ای می‌تواند در هر لحظه کسر محدودی از چرخش، مثلا ۱٫۸، ۳٫۶ یا ۷٫۵ درجه را انجام دهد. بنابراین، اگر فرضا یک موتور پله‌ای، یک دوران کامل خود یعنی ۳۶۰ درجه را در ۱۰۰ پله انجام دهد. آن‌گاه، زاویه پله‌های موتور برابر با $$\frac {360 \; degree} {100 \; steps}$$ یا ۳٫۶ درجه در هر پله است. این مقدار را زاویه گام (Step Angle) در موتور پله‌ای می‌گویند.

در حالت کلی، سه نوع اساسی از موتورهای پله‌‌ای وجود دارد. موتورهای رلوکتانس متغیر (Variable Reluctance)، موتورهای مغناطیس دائم (Permanent Magnet) و موتورهای هیبرید (Hybrid) سه گروه مختلف از موتورهای پله‌ای هستند که نوع هیبرید ترکیبی از دو نوع دیگر است. یک موتور پله‌ای برای کاربردهایی که کنترل دقیق موقعیت و تکرارپذیری با سرعت بالا مورد نیاز هستند، بسیار مناسب است. به عبارت دیگر، در این موتورها راه‌اندازی، توقف، حرکت معکوس و کنترل سرعت با پاسخ سریع انجام می‌گیرد. ویژگی مهم دیگر در موتورهای پله‌ای این است که زمانی که به موقعیت مورد نظر برسد، می‌تواند بار را به صورت پایدار (Steady) نگه دارد.

معمولا موتورهای پله‌ای دارای یک روتور داخلی با تعداد زیادی دندانه‌های مغناطیس دائم هستند و تعدادی دندانه‌های الکترومغناطیسی نیز روی استاتور وجود دارند. الکترومغناطیس‌های روی استاتور به صورت متوالی و یک در میان، قطبی (Polarized) و غیر قطبی (Depolarized) شده‌اند و به همین دلیل است که موتور در هر لحظه یک پله دوران می‌کند. موتورهای پله‌ای مدرن چند قطبی-چند دندانه‌ای می‌توانند دقتی در حدود ۰٫۹ درجه در هر چرخش (۴۰۰ پالس در هر چرخش) داشته باشند و در سیستم‌های کنترل موقعیت بسیار دقیق مانند رباتیک، هد مغناطیسی در هارد دیسک درایوها و پرینترها مورد استفاده قرار می‌گیرند. متداول‌ترین موتورهای پله‌ای مورد استفاده، دارای ۲۰۰ پله در هر چرخش هستند. این موتورها، یک روتور با ۵۰ دندانه، یک استاتور ۴ فاز و زاویه گام ۱٫۸ درجه دارند.

ساختار و کنترل موتور پله‌ای

در تصویر زیر، شماتیکی از یک موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر نشان داده شده است.

موتور شکل بالا، از یک روتور مرکزی تشکیل شده است که توسط ۴ سیم‌پیچی میدان الکترومغناطیسی A و B و C و D محاصره شده است. تمام سیم‌پیچ‌ها با حروف یکسان، به یکدیگر متصل شده‌اند تا بتوانند باعث تحریک در موتور شوند. مثلا سیم‌پیچ A باعث می‌شود که روتور مغناطیسی شده، خود را در راستای سیم‌پیچ A تنظیم کند. با اعمال توان به صورت ترتیبی به هر مجموعه از سیم‌پیچ‌ها، می‌توان روتور را به صورت پله‌ای از یک موقعیت به موقعیت دیگر به چرخش در آورد و این چرخش در زاویه معینی انجام می‌شود که توسط ساختار موتور پله‌ای تعیین خواهد شد. از طریق تحریک سیم‌پیچ‌ها به ترتیب، می‌توان موتور را در یک حرکت پیوسته به چرخش در آورد.

درایو موتور پله‌ای، هم سرعت موتور و هم زاویه هر پله را از طریق ترتیب تحریک سیم‌پیچ‌های میدان کنترل می‌کند. به عنوان مثال، با تحریک سیم‌پیچ‌های میدان به صورت دنباله ADCB، موتور در جهت رو به جلو شروع به چرخش می‌کند و اگر دنباله تحریک به ABCD تغییر یابد، آن‌گاه موتور به صورت معکوس خواهد چرخید. در مثال ساده بالا، موتور پله‌ای دارای چهار سیم‌پیچ است و به همین دلیل یک موتور ۴ فاز به حساب می‌آید. در نتیجه، تعداد قطب‌های استاتور برابر با هشت (2*4) است که در بازه‌های ۴۵ درجه‌ای قرار گرفته‌اند. همچنین، تعداد دندانه‌ها روی روتور برابر با ۶ است که در بازه‌های ۶۰ درجه از یکدیگر هستند.

در حالت کلی می‌توان گفت، ۲۴ موقعیت محتمل یا گام (۶ دندانه * ۴ سیم‌پیچ) برای روتور وجود دارد تا بتواند یک دور چرخش خود را کامل کند. بنابراین زاویه گام در این موتور برابر با $$\frac {360 ^ \circ} {24} = 15^\circ$$ است. واضح است که تعداد دندانه‌های روتور بیشتر و یا تعداد سیم‌پیچ‌های استاتور بیشتر، به زاویه گام دقیق‌تر و کنترل بهتر منجر خواهد شد. با اتصال سیم‌پیچ‌های استاتور در آرایش‌های مختلف، می‌توان موتورهای با زاویه گام کامل (Full)، نصف (Half) و میکرو (Micro-Step) را ایجاد کرد. اما برای ایجاد زاویه گام میکرو، باید موتور پله‌ای با جریان سینوسی تغذیه شود که این امر باعث می‌شود هزینه ساخت موتور پله‌ای افزایش یابد.

همچنین این امکان وجود دارد که بتوان سرعت دوران یک موتور پله‌ای را از طریق تغییر تاخیر زمانی بین پالس‌های دیجیتال اعمالی به سیم‌پیچ‌ها (فرکانس) کنترل کرد. در یک دور چرخش کامل، هر چقدر تاخیر طولانی‌تر باشد، سرعت دوران کمتر خواهد بود. با اعمال پالس‌های با تعداد ثابت به موتور، شفت آن با یک زاویه مشخص شروع به چرخیدن می‌کند.

مزیت استفاده از پالس‌های تاخیر زمانی در این است که نیازی به استفاده از فیدبک اضافه نخواهد بود؛ زیرا با شمارش تعداد پالس‌های داده شده به موتور، موقعیت نهایی روتور به صورت دقیق قابل تعیین خواهد بود. این پاسخ به تعداد مشخص پالس‌های ورودی دیجیتال، به موتور پله‌ای اجازه می‌دهد تا در یک سیستم حلقه باز عمل کند که کنترل آن هم ساده‌تر و هم ارزان‌تر است.

به عنوان مثال، فرض کنید موتور پله‌ای بالا، دارای زاویه گام ۳٫۶ درجه در هر دور کامل باشد. برای چرخش موتور به اندازه ۲۱۶ درجه و سپس توقف، به $$\frac {216 ^ \circ} {3.6 (\circ/step)} = 80 pulse$$ پالس نیاز داریم که به سیم‌پیچ‌های استاتور اعمال شوند. آی‌سی‌های کنترل موتور پله‌ای متنوعی وجود دارند که می‌توانند سرعت چرخش، سرعت هر پله و جهت چرخش را کنترل کنند. SAA1027 یک نمونه از این آی‌سی ها است که شامل تمام شمارنده‌ها و مبدل‌های کدها به صورت داخلی است و می‌تواند ۴ خروجی پل کنترل‌شده به موتور را به صورت اتوماتیک در یک رشته صحیح درایو کند. در شکل زیر شماتیکی از آی‌سی SAA1027 به عنوان یک کنترلر موتور پله‌ای مشاهده می‌شود.

جهت چرخش را نیز می‌توان هم در مود تک گامی و هم در مود چرخش بدون گام (پیوسته) انتخاب کرد، به صورتی که در هر دو مود، موتور در جهت مورد نظر گردش کند. البته این امکان، بار اضافه‌ای را روی میکروکنترلر قرار می‌دهد. هنگامی که از یک کنترلر دیجیتال ۸ بیتی استفاده می‌شود، ۲۵۶ میکروگام در هر پله امکان پذیر است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• کنترل سرعت موتورهای DC — از صفر تا صد
• موتور القایی چگونه کار می‌کند؟ — به زبان ساده
• اصول عملکرد ژنراتور DC — به زبان ساده

^^