استپر موتور چیست و چه وظیفه ای در خودرو دارد؟

استپر موتور یا موتور پله ای یک دستگاه کنترل الکتریکی است که ورودی خود را از ECU خودرو دریافت می‌کند و وظیفه‌ی کنترل دور آرام و همچنین برخی شرایط کارکردی موتور را بر عهده دارد.

در خودروهای مجهز به موتورهای احتراق داخلی، مهم‌ترین اصل، ایجاد احتراق کامل و بی‌نقص است. این احتراق که از ترکیب دقیق و متناسب هوا و سوخت حاصل می‌شود، باید در شرایط مختلف کارکردی و در دورهای موتور پایین و بالا ادامه داشته باشد. توقف احتراق به هر دلیلی منجر به خاموش شدن موتور و سپس خودرو می‌شود. بنابراین عوامل مهم احتراق باید همواره و در هر شرایط تأمین شده و موانع احتمالی موجود در مسیر احتراق برداشته شوند.

فرایند احتراق در خودروهای کاربراتوری و انژکتوری با برخی اجزای ثابت و تعدادی اجزای اختصاصی پیش می‌رود. به عنوان مثال، ساسات یکی از اجزای خودروهای کاربراتوری است که در این فرایند نقش دارد و استپر موتور، حسگر دریچه گاز، حسگر دمای آب و حسگر اکسیژن و حسگر دور موتور جایگزین‌های ساسات در خودروهای انژکتوری هستند.

استپر موتور چیست؟

استپر موتور یا موتور پله‌ای که با نام محرک کنترل هوای دور آرام یا شیر کنترل هوای دور آرام (Idle air control actuator/valve) نیز شناخته می‌شود، وسیله‌ای است که معمولاً در خودروهای انژکتوری برای کنترل سرعت چرخش موتور در دورهای پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. در خودروهای کاربراتوری از دستگاه مشابهی به نام محرک کنترل سرعت دور آرام استفاده می‌شود.

موتور پله‌ای نوعی از موتور جریان مستقیم (DC) است که به صورت گسسته حرکت می‌کند. درون موتور پله‌ای چند سیم‌پیچ وجود دارد که در گروه‌هایی به نام فاز قرار داده شده‌اند. با عبور جریان برق از هر یک از این فازها، موتور با سرعت یک گام در واحد زمانی به چرخش در می‌آید.

با کنترل گام‌های استپ موتور توسط مولد پالس (مانند پی‌ال‌سی یا کنترلر CNC یا میکروکنترلر کنترلر استپ موتور) و ارسال آن به درایور استپ موتور، می‌توان کنترل سرعت و موقعیت بسیار دقیقی به دست آورد. به همین دلیل استپر موتورها گزینه‌هایی مناسب برای استفاده در پروژه‌هایی هستند که نیاز به کنترل حرکت دقیق دارند. استپ موتورها در اندازه‌ها و انواع مختلف با مشخصات الکتریکی متفاوت برای کارهای صنعتی مختلفی وجود دارند که بر حسب نیاز می‌توان یکی از آن‌ها را انتخاب کرد.

استپر موتور یک دستگاه کنترل الکتریکی است که ورودی خود را از واحد کنترل موتور (ECU) خودرو دریافت می‌کند. این دستگاه روی دریچه گاز به گونه‌ای تعبیه شده است که می‌تواند مسیری میان‌بر برای حرکت هوا در دور آرام ایجاد کند و در حقیقت دریچه دوتکه گاز را دور می‌زند. استپر از سروو موتور محرک خطی تشکیل شده است که پیستونی را کنترل می‌کند و جریان هوا را در بدنه دریچه گاز تغییر می‌دهد.

موقعیت سروو موتور و در نتیجه مقدار بای‌پس هوا به صورت دیجیتالی توسط ECU موتور کنترل می‌شود. عملکرد استپر اجازه می‌دهد تا سرعت دور آرام موتور ثابت بماند. سروو خطی معمولاً ترکیبی از یک موتور DC، پیچ سربی و رمزگذار نوری دیجیتال است.

اساساً هیچ تفاوتی در کارایی بین تکنیک دور زدن دریچه دوتکه گاز و استفاده مستقیم از ورودی دریچه گاز وجود ندارد. استپر موتور به ECU اجازه می‌دهد تا بدون توجه به تغییرات بار موتور، حداقل دور را حفظ کند، که گاهی اوقات به عنوان ویژگی ضد استال (خاموش شدن موتور ناشی از بار زیاد) از آن یاد می‌شود. بنابراین راننده به راحتی می‌تواند با رها کردن کلاچ (گیربکس دستی) یا ترمز (گیربکس اتوماتیک) بدون فشار دادن همزمان پدال گاز، خودرو را از حالت سکون حرکت دهد.

 

اجزای تشکیل دهنده استپر موتور

استپر موتور نیز همانند هر قطعه‌ی دیگر در خودرو، از اجزای مختلفی تشکیل شده است که هماهنگی تک‌تک اعضا در کنار هم، باعث عملکرد بی‌نقص این قطعه می‌شود. استپر موتور به عنوان یک قطعه‌ی الکتریکی-مکانیکی، دستورات ارسالی از ECU را اجرا می‌کند. ECU اطلاعات دریافتی از حسگرهای مختلف مانند حسگر فشار مطلق منیفولد و دمای آب را تجزیه و تحلیل کرده و سپس با توجه به شرایط، دستورات لازم را به منظور تنظیم دریچه گاز و میزان هوای ورودی به منیفولد را به استپر ارسال می‌کند.

استپر در عین کوچک بودن، اجزای مختلفی دارد که به کمک آن‌ها وظیفه‌ی خود را انجام می‌دهد. اجزای تشکیل‌دهنده این قطعه عبارتند از:

بوش جدا کننده
فنر نگهدارنده
شفت
کلاهک
موتور الکتریکی

کلاهک یا همان بخش شمع‌مانند استپر قادر به رفت و برگشت ۸ میلیمتری است. فنر جداکننده پشت این بخش قرار می‌گیرد. در زمان‌هایی که ECU دستوری به استپر ارسال نمی‌کند این فنر کاملا باز است و کلاهک را نیز باز نگه می‌دارد. باز یا بسته بودن فنر نیز به‌وسیله موتور الکتریکی که دستورهای ارسالی از ECU را پایش کرده و به عملکردی مکانیکی تبدیل می‌کند، تنظیم می‌شود. به این ترتیب که در زمان دریافت سیگنال، فنر را کشیده و کلاهک را کوتاه می‌کند. اما زمانی که سیگنالی دریافت نمی‌کند، انرژی ذخیره‌ شده در فنر آزاد شده و کلاهک را رها می‌کند.

شفت کلاهک نیز میله‌ای است که کلاهک و فنر روی آن سوار می‌شوند. موتور الکتریکی استپر حالت دندانه‌ای دارد. به همین دلیل به آن موتور پله‌ای نیز گفته می‌شود. این حالت به تنظیم پله‌ای یا درجه‌بندی شده‌ی دریچه گاز با توجه به سیگنال‌های ارسالی ECU توسط آن کمک می‌کند.

نکته‌ی مهم دیگر این است که معمولا در خودروهای مجهز به گیربکس اتوماتیک، وظایف استپر به یک موتور الکتریکی با نام موتور تنظیم دریچه‌ گاز سپرده می‌شود. همچنین استپر تنها در خودروهایی که دریچه گاز آن‌ها مکانیکی یا سیمی است، کاربرد دارد.

موتور الکتریکی شامل استاتور، روتور و قاب‌های سر و انتها می‌شود.

استاتور : در قسمت استاتور تعدادی سیم‌پیچ با هم گروه‌بندی شده‌اند. مثلا در استپ موتور دو فاز، دو گروه سیم‌پیچ می‌بینید که از داخل با هم اتصال دارند و نهایتا چهار سیم از آن‌ها بیرو ن آمده که دو به دو به هر کدام به گروه سیم‌پیچ‌ها متصل‌اند. در استپ موتور سه فاز ۶ سیم خروجی خواهید داشت و در استپ موتور ۵ فاز ۱۰ سیم خروجی وجود دارد. البته این نکته باید گفته شود که در موتورهای پله‌ای گاهی این ده یا ۶ سیم از داخل با یکدیگر سری یا موازی می‌شوند و بیرون می‌آیند.

روتور : روتور معمولا بسته به این‌که گشتاور موتور پله‌ای و طول موتور پله‌ای چقدر است، تعداد طبقات کمتر یا بیشتری دارد. مثلا در موتور پله‌ای ۴ طبقه اگر بخواهید طول بیشتری داشته باشد، می‌توان آن را تا ۸ طبقه زیاد کرد که در نتیجه گشتاور استپ موتور بیشتر می‌شود یا می‌تواند طول آن به ۲ طبقه کاهش پیدا کند که در آن صورت نیز گشتاور استپ موتور نصف خواهد شد.

قاب استپ موتور : در تمامی موتورهای پله‌ای بر خلاف باقی موتورها که بوش و بلبرینگ وجود دارد، در دو طرف فقط بلبرینگ می‌بینید. علت عمر بالای استپر موتور هم همین موضوع است؛ یعنی اثری از ذغال نمی‌بینید که بخواهد تمام شود یا بوشی وجود ندارد که بوش بخواهد جا بیندازد و خراب شود و عملکرد موتور پله‌ای با مشکل مواجه شود.

 

نحوه عملکرد استپر موتور

همان‌طور که گفته شد، این قطعه روی دریچه گاز نصب و توسط کامپیوتر خودرو یا همان ECU کنترل می‌شود. استپر با حرکت رو به جلو و عقب، مقدار ورودی هوا را کنترل می‌کند که این حرکت، به‌ وسیله‌ی ۴ ترانزیستور کنترل می‌شود.

ECU با دریافت دمای موتور و سایر شرایط خودرو، فرمان لازم را به ترانزیستورها ارسال می‌کند و در نتیجه، دریچه‌ی استپر باز و بسته می‌شود. در واقع، با افزایش دمای موتور، دریچه‌ی آن باز می‌شود و پس از آن‌که دمای موتور کاهش یافت و به‌ حد نرمال رسید، مجددا دریچه بسته می‌‌شود. هم‌چنین اگر پدال گاز فشرده نباشد، به‌ علت نیاز موتور به هوا، دریچه باز می‌شود تا هوای موردنیاز موتور تامین شود.

 

وظایف استپر موتور

همان‌طور که در ابتدای مقاله به آن اشاره شد، مهم‌ترین وظیفه‌ی این قطعه، روشن‌ نگه‌ داشتن خودرو در دورهای آرام است؛ اما استپر، وظایف دیگری نیز بر عهده دارد که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

از جمله وظایف استپر موتور خودرو می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

استپر در زمان سرد بودن موتور، نقش ساسات را ایفا می‌کند؛ یعنی هنگامی ‌که موتور سرد است، با تنظیم سوزن، خودرو با اولین استارت روشن می‌شود.
این قطعه، دور موتور را در زمان گرفتن بار اضافی تنظیم می‌کند؛ به‌عنوان مثال، هنگامی‌ که در هوای گرم کولر خودرو را روشن می‌کنید، عملا در حال تحمیل بار اضافی به موتور هستید؛ در این زمان، باید دور موتور افزایش یابد تا پاسخ‌گوی بار اضافی باشد که این امر، بر عهده‌ی موتور پله‌ای است.

یکی دیگر از وظایف استپر، تنظیم سوخت و هوا در دور پایین است. منظور از دورهای پایین در خودرو، معمولا بین ۹۰۰ تا ۱،۱۰۰ دوربردقیقه است. زمانی‌که خودرو در حال پارک است و موتور خودرو به‌ صورت درجا و نرمال کار می‌کند، تنظیم سوخت و هوای ورودی توسط استپر انجام می‌شود.
در زمان تعویض دنده‌ها، این قطعه سرعت خودرو را تنظیم می‌کند. وقتی که راننده هنگام تعویض دنده پای خود را از روی پدال گاز برمی‌دارد، استپر با جلوگیری از بسته‌ شدن سریع مسیر هوا، سرعت را تنظیم می‌کند. شایان ذکر است که این موضوع در مواقعی نیز که راننده پای خود را به‌ صورت ناگهانی از روی پدال ترمز بردارد، رخ می‌دهد.

 

انواع استپ موتور، مشخصات فنی و مقایسه آن‌ها

به طور کلی سه نوع استپر موتور وجود دارد که شامل استپ موتور ۲ فاز، استپ موتور ۳ فاز و استپ موتور ۵ فاز می‌شود. این موتورهای پله‌ای در سرعت و دقت کارکرد و همچنین مشخصات اقتصادی تفاوت‌هایی با هم دارند که در زیر آن‌ها را بیشتر توضیح خواهیم داد.

سرعت کارکرد استپ موتور

در میان موتورهای پله‌ای، تعداد فاز با سرعت کارکرد رابطه‌ی مستقیم دارد و هر چه تعداد فاز بیشتر شود، سرعت نیز افزایش می‌یابد. به  عبارت دیگر استپ موتور ۵ فاز دارای بیشترین سرعت در میان انواع موتورهای پله‌ای است و استپر موتور ۲ فاز از کمترین سرعت بهره می‌برد.

دقت کارکرد استپ موتور

دقت کارکرد استپر موتورها نیز با تعداد فازها رابطه‌ی مستقیم دارد و در این میان استپ موتور ۵ فاز دارای بیشترین دقت است و استپ موتورهای ۳ فاز و ۲ فاز به ترتیب در رتبه‌های بعدی قرار می‌گیرند.

صرفه اقتصادی استپ موتورها

هر چه تعداد فاز بیشتر باشد، هزینه‌ی نهایی تولید استپر موتور نیز بالاتر می‌رود و به همین دلیل، استپ موتور ۲ فاز دارای بیشترین صرفه اقتصادی در میان موتورهای پله‌ای است و استپ موتور ۳ فاز و ۵ فاز دارای هزینه‌های اقتصادی بیشتری هستند. البته باید به این نکته توجه کرد که دقت و سرعت مورد نیاز برای هر کاری با کار دیگر تفاوت دارد و به همین علت می‌توان هر کدام از استپ موتورها را مطابق با نیازهای سازنده به کار گرفت.

موجودی بازار

از نظر موجودی بازار نیز استپ موتورهای ۲ فاز بیشترین فراوانی را دارند و پس از آن استپ موتور ۵ فاز و سپس نوع ۳ فاز قرار می‌گیرند.

با توجه به موارد بالا و نیازهای خودروسازان، استپر موتور مورد استفاده در خودروها معمولا از نوع ۲ فاز است.

مقایسه انواع استپر موتور از لحاظ کاربرد

استپ موتورهای ۳ فاز بیشتر در حرکت‌های با رفت و برگشت زیاد و سریع به کار می‌روند. استپ موتورهای ۵ فاز در حرکت‌های با سرعت و دقت بالا به کار گرفته می‌شوند؛ تا جایی که یک استپ موتور ۵ فاز با درایور میکرواستپ می‌تواند دقتی تقریبا معادل یک سرو موتور ۱۷ بیتی داشته باشد. استپ موتورهای ۵ فاز با درایور معمولی (Full/Half) لرزش بسیار کمی دارند و جز در موارد با دقت زیاد، نیازی به درایور میکرو استپ ندارند.

استپ موتورهای دو فاز با درایور معمولی (Full/Half) لرزش زیادی دارند و باید برای حذف لرزش آن‌ها از روش‌های مکانیکی بهره برد. به طور کلی، اگر در پروژه‌های خود از سرو موتور (+گیربکس) استفاده می‌کنید ولی به سرعت بالایی نیاز ندارید (کمتر از ۵۰۰ دوربردقیقه) و گشتاور مورد نیازتان نیز کمتر از ۳۰ نیوتن‌متر است، می‌توانید جهت کاهش هزینه‌های خود به موتور پله‌ای فکر کنید.

 

علائم خرابی استپر موتور

اگرچه استپر موتور قرار است تا پایان عمر خودرو دوام بیاورد، دلایل مختلفی ممکن است باعث خرابی یا عملکرد ناقص آن شود. رایج‌ترین حالت عیب، گیر کردن جزئی یا کامل پیستون (به دلیل کثیفی، گرد و غبار یا حتی روغن) است که آن را نمی‌توان به آرامی کنترل کرد. در نتیجه موتور نمی‌تواند دور آرام را حفظ کند و مکررا از کار می‌افتد و خاموش می‌شود.

گیر کردن پیستون استپر موتور ممکن است به سادگی با تمیز کردن آن رفع شود. با این حال، استپری که به دلیل نقص در سروو موتور خود کار نمی‌کند، نیاز به تعویض دارد. نشت هوا در محفظه‌ی استپر یا لوله‌ها نیز باعث افزایش دور موتور در دور آرام می‌شود.

اگر بخواهیم به علائم خرابی استپر موتور بپردازیم، باید ابتدا به وظایف آن نگاهی بیندازیم. مهم‌ترین وظیفه‌ی استپر، جلوگیری از خاموش شدن خودرو در دورهای پایین است؛ به‌ عبارتی، سرعت موتور در دورهای پایین توسط این قطعه تنظیم می‌شود؛ در نتیجه خرابی آن در دورهای پایین، قابل تشخیص است و اغلب هنگام درجا کارکردن موتور، دور موتور پایدار نیست و مدام تغییر می‌کند. تشخیص خرابی استپر موتور با علائم دیگری نیز همراه است که در ادامه به آن اشاره خواهیم کرد:

• افزایش دور موتور بلافاصله پس از روشن‌ کردن خودرو
• خاموش‌ شدن خودرو با رها کردن پدال گاز
• کاهش دور موتور در بارهای اضافی نظیر روشن‌ بودن کولر
• عدم پایداری دور موتور هنگام درجا کار کردن
• گاز خوردن بی‌دلیل خودرو پس از روشن‌ شدن خودرو
• افزایش دور موتور با افزایش دمای موتور

تمامی نشانه‌های خرابی استپر موتور، مرتبط با نحوه‌ی عملکرد خود استپر هستند؛ زیرا دریچه‌ی آن به‌ درستی باز و بسته نمی‌شود و در نتیجه، میزان هوای ورودی به موتور مختل شده و موارد فوق ظاهر خواهند شد.

 

سوالات متداول درباره استپر موتور

در ادامه به برخی از سوالات متداول که در این زمینه مطرح شده است، پاسخ خواهیم داد. اگر در رابطه با استپر موتور سوال دارید از قسمت نظرات با تیم پدال و سایر کاربران به اشتراک بگذارید.

علت کثیف شدن استپر موتور چیست؟

همان طور که می دانید استپر موتور بر روی دریچه منیفولد قرار گرفته و هوای مورد نیاز موتور در دور آرام را کنترل می کند. از این رو آلودگی هوا می تواند در دراز مدت، منجر به کثیف شدن استپر شود. در نتیجه پس از مدتی شاهد تجمع رسوبات کربن یا سوخت در این قطعه بوده و عملکرد آن دچار مشکل خواهد شد.

شایع‌ترین علامت خرابی استپر موتور چیست؟

اغلب هنگام درجا کار کردن موتور، دور موتور پایدار نبوده و مدام تغییر می‌کند.

آیا کثیف بودن استپر دلیلی برای خراب بودن آن است؟

بله برخی از علائم خرابی استپر موتور به دلیل کثیفی این قطعه رخ می‌دهد. تمیز کردن استپر موتور کار چندان پیچیده‌ای نبوده و شما به‌تنهایی و بدون مراجعه به مکانیکی نیز می‌توانید آن را تمیز کنید که در این مقاله به آن پرداختیم.