سیم پیچی فاز I از طریق جریان كلید I تغذیه می شود، یا به اصطلاح فنی فاز I تحریك می شود؛ شار مغناطیسی ناشی از تحریك كه در فاصله هوایی واقع می شود با پیكانهایی نشان داده شده است. در وضعیت (1)، دو قطب برجسته استاتور فاز I كه تحریك شده اند با دو دندانه از چهار دندانه روتور هم ردیف هستند. این حالت از نظر دینامیكی یك حالت تعادل است. هنگامیكه كلید II برای تحریك فاز II علاوه بر فاز I بسته می شود، شار مغناطیسی در قطبهای استاتور فاز II به حالت نشان داده شده در وضعیت (2) بوجود می آید، و گشتاوری در جهت عكس ساعتگرد بعلت “كشش”[1] در خطوط خمیده میدان مغناطیسی بوجود می آید. از اینرو روتور سرانجام به وضعیت (3) خواهد رسید.

از اینرو روتور با یك زاویه ثابت می چرخد، كه “زاویه پله”[2] خوانده می شود، كه در این مورد 15 درجه با انجام هر عمل سوئیچینگ است. اكنون اگر كلید I برای تخلیه انرژی فاز I باز شود، روتور 15 درجه دیگر برای رسیدن به وضعیت (4) حركت خواهد كرد.

پس موقعیت زاویه ای روتور را می توان برحسب واحدهای زاویه پله از طریق فرآیند سوئیچینگ كنترل كرد. اگر سوئیچینگ به ترتیب انجام شود، روتور با حركتی پله‌ای خواهد چرخید؛ سرعت متوسط را هم می توان از طریق فرآیند سوئیچینگ كنترل كرد.

امروزه، ادوات حالت جامد[3] بعنوان سوئیچ های الكترونیكی در درایو یك موتور پله‌ای بكار می روند، و سیگنال های سوئیچینگ توسط ICهای دیجیتال یا ریزپردازنده تولید می شوند (شكل 2-1). همانطور كه در بالا ذكر شد، موتور پله‌ای یك موتور الكتریكی است كه ورودی الكتریكی دیجیتال را به یك حركت مكانیكی تبدیل می‌كند. در مقایسه با دیگر ادواتی كه می توانند اعمال مشابه یا یكسانی را انجام دهند، سیستم كنترلی كه از یك موتور پله‌ای بهره می برد دارای چندین مزیت مشخص بترتیب زیر است:

1. معمولاً به هیچ فیدبكی برای كنترل موقعیت[4] یا كنترل سرعت نیاز نمی باشد.

2. خطای موقعیت جمع ناپذیر[5] است.

3. موتورهای پله‌ای با تجهیزات دیجیتال مدرن سازگار هستند.

به این دلیل، انواع و كلاس های مختلف موتورهای پله‌ای در لوازم جانبی كامپیوتر، دستگاههای خودكار، و سیستم های مشابه بكار رفته اند.

2-3- تاریخچه ابتدایی موتورهای پله‌ای

در شماره ای از ^[1]JIEE چاپ سال 1927 مقاله ای با عنوان “كاربرد الكتریسیته در ناوهای جنگی” وجود داشت، و بخشی از این مقاله یك موتور پله‌ای رلوكتانس متغییر سه فاز از نوع فوق را تشریح می كرد كه برای كنترل از راه دور نشانگر جهت تفنگها و لوله های اژدرافكن[6] در ناوهای جنگی انگلیسی بكار رفته بود. همانطور كه در شكل 3-1 نشان داده شده، یك كلیدگردان مكانیكی برای سوئیچینگ جریان تحریك بكار رفته بود. یك دور چرخش هندل شش پالس پله‌ای تولید می كند كه باعث 90 درجه حركت روتور می شود. حركت روتور در پله های 15 درجه بمنظور رسیدن به دقت موقعیتی[7] لازم كاهش می یابد.

در این مقاله اشاره شده بود كه در طراحی این موتور پله‌ای ظاهراً ساده فاكتورهای بسیاری می بایست مورد توجه قرار گیرند و احتیاطهای بسیاری بمنظور عملكرد مطلوب و مطمئن لحاظ شوند. این ماشین نیاز به نسبت بالای گشتاور به اینرسی اجزاء متحرك بمنظور اجتناب از دست دادن پله دارد، و ثابت زمانی، نسبت اندوكتانس مدار به مقاومت، بایستی كوچك باشد تا به سرعت عملكرد بالایی دست یافت. این مسائل هنوز هم در موتورهای مدرن وجود دارند.

براساس مقاله‌ای^[2] در IEEE Transactions on Automatic Control، موتورهای پله‌ای بعدها در نیروی دریایی ایالات متحده با هدفی مشابه بكار گرفته شدند. با اینكه كاربردهای عملی موتورهای پله‌ای مدرن در دهه 1920 واقع شد، اشكال اولیه موتورهای رلوكتانس متغییر به واقع از قبل وجود داشتند. در مقاله ای نوشته ^[3]Byrne آمده است: “موتورهای رلوكتانس از نوع پله ای، كه اكنون بعنوان ادوات تعیین موقعیت[8] بكار می روند، مثل “ماشین های بخار الكترومغناطیسی”، موتورهای الكتریكی نیمه قرن نوزدهم بودند”. ما در اینجا به دو نوع اختراع قابل ذكر در سالهای 1919 و 1920 در انگلستان می پردازیم.

1- ساختار دندانه ای برای به حداقل رساندن زاویه پله. امتیاز اختراعی در انگلستان در سال 1919 توسط یك مهندس عمران در آبردین، اسكاتلند، بنام C.L.Wakler بخاطر اختراع نوعی ساختار موتور پله‌ای اخذ شد كه قادر بود با زاویه‌های پله كوچك حركت كند. هر یك از قطبهای برجسته دارای یك گروه دندانه كوچك است. دندانه های روتور در گام یكسان با دندانه‌های كوچك استاتور می‌باشند، هنگامیكه فاز I تحریك می شود و شار مغناطیسی در طول مسیری كه با منحنی خط چین روی شكل نشان داده شده واقع می شود، گروههای دندانه ها در این فاز با برخی دندانه های استاتور همانطور كه در شكل (b) 4-1 نشان داده شده هم ردیف می‌شوند. در این آرایش، دندانه های روتور و استاتور در فازهایII و III بایستی به اندازه 3/1 گام دندانه در جهات متقابل ناهمردیف[9] شوند. هنگامیكه جریان تحریك از فاز I به فاز IIسوئیچ می شود، روتور در جهت ساعتگرد به اندازه یك زاویه پله كه در این مورد °75/3 = 3/ (32/360) می باشد خواهد چرخید. بهرحال اگر جریان تحریك به فاز III سوئیچ شود، چرخش در جهت عكس ساعتگرد با همان زاویه كوچك خواهد بود. Walker در مشخصات اختراع ثبت شده طرحی را برای ساخت نوعی از موتور پله‌ای كه امروزه به نام نوع رلوكتانس متغییر چند پشته‌ای خوانده می شود به همراه طرح‌هایی برای ساخت یك موتور خطی ارائه كرد. بهرحال در دهه 1950 بود كه موتورهای پله‌ای مدرن كه از اساس این اختراع بهره می بردند بصورت تجاری عرضه شدند.

2- تولید گشتاوری بزرگ از یك ساختار ساندویچی. C.B.Chicken و J.M.Thain در نیوكاسل در تین[10] به سال 1920، امتیاز اختراعی را در آمریكا^[5] بخاطر اختراع یك موتور پله‌ای كه می توانست گشتاور بزرگی به ازای واحد حجم روتور تولید نماید به ثبت رساندند. كه ویژگی قابل ذكر آن فولاد نرم روتور است كه پی در پی از بین دو هسته الكترومغناطیس متقابل می كند. این ساختار كه در آن دندانه های روتور بوسیله دندانه های استاتور احاطه شده‌اند تنها ساختار شناخته شده ایست كه می تواند بزرگترین گشتاور را از واحد حجم روتور تولید كند.اما در دهه 1970 بود كه یك موتور پله‌ای با بهره گیری از این قاعده بعنوان یك موتور پله‌ای قدرت در ماشین‌های كنترل عددی (NC) ساخت شركت ژاپنی Fanuc Ltd بكار گرفته شد.

3-3- فعالیتهای دانشگاهی

در اواخر دهه 1950 تحقیقات بسیاری روی موتورهای پله‌ای در دانشگاهها و آزمایشگاههای شورهای پیشرفته صنعتی آغاز شد. نتایج تحقیقات در مجلات و ژورنالهای فنی منتشر شدند. دردهه 1970، دو گردهمایی بین‌المللی برگزار شد كه متخصصین گروههای صنعتی و دانشگاهی از سراسر جهان برای تبادل گزارشات گردهم آمدند و بحث هایی را انجام دادند. یكی از آنها “سمپوزیوم سیستمها و ادوات كنترل حركت پیشرفته” بود كه سالانه تا سال 1972 با ریاست پرفسورB.C.kuo از دانشگاه Illinois در Urbana-Champaign برگزار شد، و گردهمایی دیگر “كنفرانس بین‌المللی ادوات و موتورهای پله‌ای” با ریاست پرفسور P.J.Lawrenson از دانشگاه Leeds انگلستان كه تا كنون سه بار (در سالهای 1974، 1976، 1979) برگزار شده است. موتور پله‌ای همچنین به عنوان موضوعی در “كنفرانس بین‌المللی ماشینهای الكتریكی كوچك” كه توسط انستیتوی مهندسین برق در لندن به سال 1976 برگزار شد، انتخاب گردید.

4- طرح كلی موتورهای پله‌ای مدرن

در فصل پیش پیشرفت های تاریخی موتورهای پله‌ای را در رابطه با تكنولوژی كنترل عددی دنبال كردیم. در این فصل، نگاهی كلی به انواع گوناگون موتورهای پله‌ای كه در حال حاضر بكار می روند خواهد شد، و ساختار و اصول اساسی آنها بدون استفاده از روابط ریاضی بررسی خواهند شد. اصطلاحات فنی كه در رابطه با موتورهای پله‌ای بكار می روند تعریف و معانی آنها بررسی خواهد شد.