موتور پله‌اي چيست و مشخصه هاي اساسي آن كدامند؟

شكل 1-1 مقطع عرضي ساختار يك موتور پله‌اي مدرن نمونه را نشان مي دهد؛ اين موتور به نام موتور رلوكتانس متغيير تك پشته اي  خوانده مي شود. ما ابتدا با استفاده از اين شكل نحوه عملكرد اين ماشين را مطالعه خواهيم كرد. هسته استاتور داراي شش قطب يا دندانه برجسته مي باشد، روتور هم داراي چهار قطب است، هر دو هسته روتور و استاتور از جنس فولاد نرم هستند. سه دسته سيم پيچي همانطور كه در شكل نشان داده شده، آرايش داده شده اند. هر دسته داراي دو كلاف است كه بصورت سري متصل شده اند. يك دسته از سيم پيچي ها فاز ناميده مي شود، و نتيجتاً اين ماشين يك موتور سه فاز است. جريان از يك منبع تغذيه DC از طريق كليدهاي I، II، III به سيم پيچي ها تامين مي شود. در وضعيت (1)، سيم پيچي فاز I از طريق جريان كليد I تغذيه مي شود، يا به اصطلاح فني فاز I تحريك مي شود؛ شار مغناطيسي ناشي از تحريك كه در فاصله هوايي واقع مي شود با پيكانهايي نشان داده شده است. در وضعيت (1)، دو قطب برجسته استاتور فاز I كه تحريك شده اند با دو دندانه از چهار دندانه روتور هم رديف هستند. اين حالت از نظر ديناميكي يك حالت تعادل است. هنگاميكه كليد II براي تحريك فاز II علاوه بر فاز I بسته مي شود، شار مغناطيسي در قطبهاي استاتور فاز II به حالت نشان داده شده در وضعيت (2) بوجود مي آيد، و گشتاوري در جهت عكس ساعتگرد بعلت “كشش”  در خطوط خميده ميدان مغناطيسي بوجود مي آيد. از اينرو روتور سرانجام به وضعيت (3) خواهد رسيد.
از اينرو روتور با يك زاويه ثابت مي چرخد، كه “زاويه پله”  خوانده مي شود، كه در اين مورد 15 درجه با انجام هر عمل سوئيچينگ است. اكنون اگر كليد I براي تخليه انرژي فاز I باز شود، روتور 15 درجه ديگر براي رسيدن به وضعيت (4) حركت خواهد كرد.
پس موقعيت زاويه اي روتور را مي توان برحسب واحدهاي زاويه پله از طريق فرآيند سوئيچينگ كنترل كرد. اگر سوئيچينگ به ترتيب انجام شود، روتور با حركتي پله‌اي خواهد چرخيد؛ سرعت متوسط را هم مي توان از طريق فرآيند سوئيچينگ كنترل كرد.
امروزه، ادوات حالت جامد  بعنوان سوئيچ هاي الكترونيكي در درايو يك موتور پله‌اي بكار مي روند، و سيگنال هاي سوئيچينگ توسط ICهاي ديجيتال يا ريزپردازنده توليد مي شوند (شكل 2-1). همانطور كه در بالا ذكر شد، موتور پله‌اي يك موتور الكتريكي است كه ورودي الكتريكي ديجيتال را به يك حركت مكانيكي تبديل مي‌كند. در مقايسه با ديگر ادواتي كه مي توانند اعمال مشابه يا يكساني را انجام دهند، سيستم كنترلي كه از يك موتور پله‌اي بهره مي برد داراي چندين مزيت مشخص بترتيب زير است:
1. معمولاً به هيچ فيدبكي براي كنترل موقعيت  يا كنترل سرعت نياز نمي باشد.
2. خطاي موقعيت جمع ناپذير  است.
3. موتورهاي پله‌اي با تجهيزات ديجيتال مدرن سازگار هستند.
به اين دليل، انواع و كلاس هاي مختلف موتورهاي پله‌اي در لوازم جانبي كامپيوتر، دستگاههاي خودكار، و سيستم هاي مشابه بكار رفته اند.

2-3- تاريخچه ابتدايي موتورهاي پله‌اي
در شماره اي از [1]JIEE چاپ سال 1927 مقاله اي با عنوان “كاربرد الكتريسيته در ناوهاي جنگي” وجود داشت، و بخشي از اين مقاله يك موتور پله‌اي رلوكتانس متغيير سه فاز از نوع فوق را تشريح مي كرد كه براي كنترل از راه دور نشانگر جهت تفنگها و لوله هاي اژدرافكن  در ناوهاي جنگي انگليسي بكار رفته بود. همانطور كه در شكل 3-1 نشان داده شده، يك كليدگردان مكانيكي براي سوئيچينگ جريان تحريك بكار رفته بود. يك دور چرخش هندل شش پالس پله‌اي توليد مي كند كه باعث 90 درجه حركت روتور مي شود. حركت روتور در پله هاي 15 درجه بمنظور رسيدن به دقت موقعيتي  لازم كاهش مي يابد.
در اين مقاله اشاره شده بود كه در طراحي اين موتور پله‌اي ظاهراً ساده فاكتورهاي بسياري مي بايست مورد توجه قرار گيرند و احتياطهاي بسياري بمنظور عملكرد مطلوب و مطمئن لحاظ شوند. اين ماشين نياز به نسبت بالاي گشتاور به اينرسي اجزاء متحرك بمنظور اجتناب از دست دادن پله دارد، و ثابت زماني، نسبت اندوكتانس مدار به مقاومت، بايستي كوچك باشد تا به سرعت عملكرد بالايي دست يافت. اين مسائل هنوز هم در موتورهاي مدرن وجود دارند.
براساس مقاله‌اي[2] در IEEE Transactions on Automatic Control، موتورهاي پله‌اي بعدها در نيروي دريايي ايالات متحده با هدفي مشابه بكار گرفته شدند. با اينكه كاربردهاي عملي موتورهاي پله‌اي مدرن در دهه 1920 واقع شد، اشكال اوليه موتورهاي رلوكتانس متغيير به واقع از قبل وجود داشتند. در مقاله اي نوشته [3]Byrne آمده است: “موتورهاي رلوكتانس از نوع پله اي، كه اكنون بعنوان ادوات تعيين موقعيت  بكار مي روند، مثل “ماشين هاي بخار الكترومغناطيسي”، موتورهاي الكتريكي نيمه قرن نوزدهم بودند”. ما در اينجا به دو نوع اختراع قابل ذكر در سالهاي 1919 و 1920 در انگلستان مي پردازيم.
1- ساختار دندانه اي براي به حداقل رساندن زاويه پله. امتياز اختراعي در انگلستان در سال 1919 توسط يك مهندس عمران در آبردين، اسكاتلند، بنام C.L.Wakler بخاطر اختراع نوعي ساختار موتور پله‌اي اخذ شد كه قادر بود با زاويه‌هاي پله كوچك حركت كند. هر يك از قطبهاي برجسته داراي يك گروه دندانه كوچك است. دندانه هاي روتور در گام يكسان با دندانه‌هاي كوچك استاتور مي‌باشند، هنگاميكه فاز I تحريك مي شود و شار مغناطيسي در طول مسيري كه با منحني خط چين روي شكل نشان داده شده واقع مي شود، گروههاي دندانه ها در اين فاز با برخي دندانه هاي استاتور همانطور كه در شكل (b) 4-1 نشان داده شده هم رديف مي‌شوند. در اين آرايش، دندانه هاي روتور و استاتور در فازهاي II و III بايستي به اندازه 3/1 گام دندانه در جهات متقابل ناهمرديف  شوند. هنگاميكه جريان تحريك از فاز I به فاز II سوئيچ مي شود، روتور در جهت ساعتگرد به اندازه يك زاويه پله كه در اين مورد 75/3 = 3/ (32/360) مي باشد خواهد چرخيد. بهرحال اگر جريان تحريك به فاز III سوئيچ شود، چرخش در جهت عكس ساعتگرد با همان زاويه كوچك خواهد بود. Walker در مشخصات اختراع ثبت شده طرحي را براي ساخت نوعي از موتور پله‌اي كه امروزه به نام نوع رلوكتانس متغيير چند پشته‌اي خوانده مي شود به همراه طرح‌هايي براي ساخت يك موتور خطي ارائه كرد. بهرحال در دهه 1950 بود كه موتورهاي پله‌اي مدرن كه از اساس اين اختراع بهره مي بردند بصورت تجاري عرضه شدند.