خلاصه ۳ خطی
فهرست مطالب9 بخش
- انواع موتورهای رایج در رباتیک
- قدم اول: دور لازم را از سرعت و قطر چرخ حساب کنید
- قدم دوم: گشتاور لازم را حساب کنید
- مثال عددی
- قدم سوم: گیربکس و نسبت تبدیل
- موتورهای رایج ایکانو برای ربات
- قدم چهارم: ولتاژ، جریان و درایور
- اشتباهات رایج
- سؤالات متداول
- دور موتور ربات را چطور حساب کنیم؟
- گشتاور لازم برای موتور ربات چقدر است؟
- گیربکس چه تأثیری روی موتور دارد؟
- موتور گیربکس زرد ۳۰ دور بهتر است یا ۲۷۰ دور؟
- برای راهاندازی موتور DC با آردوینو چه درایوری لازم است؟
- جمع‌بندی
- برای انتخاب موتور ربات، دو عدد لازم است: دور خروجی (از سرعت دلخواه و قطر چرخ: n = 60v ÷ πD) و گشتاور (از وزن، شیب و شتاب: τ = F × r).
- گیربکس دور را به نسبت تبدیل کم و گشتاور را تقریباً به همان نسبت (منهای تلفات) زیاد می‌کند: τ خروجی = τ موتور × i × η. برای ربات‌های آموزشی، موتور گیربکس زرد (TT) ۶ ولتی با ۳۰ یا ۲۷۰ دور رایج‌ترین انتخاب است.
- درایور را بر اساس جریان موتور انتخاب کنید (L293D طبق دیتاشیت TI تا ۶۰۰ میلیآمپر پیوسته در هر کانال) و منبع موتور را از منبع میکروکنترلر جدا نگه دارید.
موتور و گیربکس تعیین می‌کنند ربات شما با چه سرعتی حرکت کند، چه وزنی را جابه‌جا کند و از چه شیبی بالا برود. انتخاب اشتباه، رباتی می‌سازد که یا در شیب می‌ایستد یا آن‌قدر تند است که کنترل نمی‌شود. در این راهنمای ایکانو انواع موتورهای رایج را معرفی می‌کنیم، گشتاور و دور لازم را با یک مثال عددی حساب می‌کنیم و نقش گیربکس و درایور را توضیح می‌دهیم. فرمول‌ها فیزیک پایه‌اند و مشخصات محصولات از صفحهی همان محصول آمده است.
انواع موتورهای رایج در رباتیک
| نوع موتور | ویژگی اصلی | کاربرد رایج | نیاز کنترلی |
|---|---|---|---|
| موتور DC ساده (آرمیچر) | دور بالا و گشتاور کم؛ سرعت با ولتاژ یا PWM کنترل می‌شود | فن، پمپ، ملخ، ابزار کوچک | درایور H-Bridge یا ترانزیستور |
| موتور گیربکس DC | موتور DC همراه با گیربکس کاهنده؛ دور کمتر و گشتاور بیشتر | چرخ ربات، ماشین آموزشی، مکانیزم‌های بالابر | درایور H-Bridge |
| سروو موتور | موتور، گیربکس، سنسور موقعیت و مدار کنترل در یک بسته؛ زاویه‌ی دقیق | بازوی ربات، فرمان، مکانیزم‌های زاویه‌ای | سیگنال PWM مخصوص سروو |
| استپر موتور | حرکت گام‌به‌گام؛ موقعیت بدون سنسور کنترل می‌شود | پرینتر سه‌بعدی، CNC، حرکت‌های دقیق | درایور استپر |
| موتور گیربکس AC | مستقیم با برق ۲۲۰ ولت، دور خیلی کم | ویترین گردان، سیخ کباب، میز نمایش | کلید یا رله؛ کار با برق شهر |
همه‌ی مدل‌ها در دسته‌ی موتور، موتور گیربکس و موتور DC ایکانو هستند.
قدم اول: دور لازم را از سرعت و قطر چرخ حساب کنید
هر دور چرخ، ربات را به اندازه‌ی محیط چرخ (π × D) جلو می‌برد. پس:
v = π × D × n ÷ 60 و در نتیجه n = 60 × v ÷ (π × D)
که در آن v سرعت (متر بر ثانیه)، D قطر چرخ (متر) و n دور (دور در دقیقه یا RPM) است. مثلاً برای سرعت ۰٫۵ متر بر ثانیه با چرخ ۷۰ میلیمتری: n = 60 × 0.5 ÷ (3.14 × 0.07) ≈ ۱۳۶ دور در دقیقه.
| دور خروجی موتور | چرخ ۵۰ میلی‌متر | چرخ ۷۰ میلی‌متر | چرخ ۱۰۰ میلی‌متر |
|---|---|---|---|
| ۳۰ RPM | حدود ۰٫۰۸ متر بر ثانیه | حدود ۰٫۱۱ متر بر ثانیه | حدود ۰٫۱۶ متر بر ثانیه |
| ۲۷۰ RPM | حدود ۰٫۷۱ متر بر ثانیه | حدود ۰٫۹۹ متر بر ثانیه | حدود ۱٫۴۱ متر بر ثانیه |
این اعداد سرعت نظری بدون بار است. زیر بار، دور موتور کم می‌شود. یعنی موتور ۳۰ دور برای ربات کند و دقیق (مثلاً بالابر یا ربات قوی)، و موتور ۲۷۰ دور برای ربات مسیریاب و ماشین سریع مناسبتر است. چرخ‌ها در دسته‌ی چرخ ربات هستند. مثلاً چرخ ۵۰ میلیمتری، چرخ ۷۰ میلیمتری و چرخ ۱۰۰ میلیمتری با بوش فلزی. قبل از خرید، قطر سوراخ چرخ را با شفت موتور تطبیق دهید. راهنمای کامل انتخاب چرخ را در مقاله‌ی انتخاب چرخ ربات بخوانید.
قدم دوم: گشتاور لازم را حساب کنید
نیروی لازم برای حرکت ربات روی شیب و شتاب گرفتن تقریباً این است:
F = m × g × sin θ + m × a
و گشتاور کل روی چرخ‌ها: τ = F × r (r شعاع چرخ بر حسب متر). مقاومت غلتشی و اصطکاک هم به این اضافه می‌شود، پس همیشه حاشیه بگذارید.
مثال عددی
یک ربات فرضی با جرم ۱٫۵ کیلوگرم، شیب ۱۰ درجه، شتاب دلخواه ۰٫۵ متر بر مجذور ثانیه، چرخ ۷۰ میلیمتری (r = 0.035 متر) و دو چرخ محرک:
| مرحله | محاسبه | نتیجه |
|---|---|---|
| نیروی شیب | 1.5 × 9.81 × sin 10° = 1.5 × 9.81 × 0.174 | حدود ۲٫۵۶ نیوتن |
| نیروی شتاب | 1.5 × 0.5 | ۰٫۷۵ نیوتن |
| نیروی کل | 2.56 + 0.75 | حدود ۳٫۳۰ نیوتن |
| گشتاور کل | 3.30 × 0.035 | حدود ۰٫۱۱۶ نیوتن‌متر |
| گشتاور هر چرخ (۲ چرخ محرک) | 0.116 ÷ 2 | حدود ۰٫۰۵۸ نیوتن‌متر ≈ ۰٫۵۹ کیلوگرم‌نیرو سانتی‌متر |
پس هر موتور باید در دور کاری، حداقل حدود ۰٫۰۶ نیوتن‌متر گشتاور بدهد، و با حاشیه برای اصطکاک و زمین ناهموار، بیشتر. واحد kgf·cm که در خیلی از مشخصات موتورها می‌بینید: هر ۱ kgf·cm حدود ۰٫۰۹۸ نیوتن‌متر است.
اگر سازنده منحنی گشتاور و دور را نداده است، یک راه عملی آزمایش است. موتور را با ولتاژ نامی و بار واقعی امتحان کنید و جریان را با مولتی‌متر اندازه بگیرید. اگر جریان زیر بار به جریان قفل نزدیک است، موتور ضعیف است.
قدم سوم: گیربکس و نسبت تبدیل
موتور DC ساده دور زیاد و گشتاور کمی دارد. مثلاً طبق صفحهی محصول، موتور R385 دوازده ولتی حدود ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه می‌چرخد. این برای چرخ ربات خیلی زیاد است. گیربکس با نسبت تبدیل i، دور را i برابر کم و گشتاور را تقریباً i برابر زیاد می‌کند:
n خروجی = n موتور ÷ i و τ خروجی = τ موتور × i × η
η بازده گیربکس است و همیشه کمتر از ۱ است. عدد دقیقش را از سازنده بگیرید. اگر ندارید، در محاسبه محافظه‌کار باشید. توان مکانیکی هم از این رابطه به دست می‌آید: P = τ × ω که ω = 2π × n ÷ 60 (رادیان بر ثانیه) است. گیربکس توان را زیاد نمی‌کند، فقط دور را با گشتاور عوض می‌کند و کمی از توان را هم به گرما تبدیل می‌کند.
| نوع گیربکس | ویژگی | کاربرد |
|---|---|---|
| چرخ‌دنده‌ی ساده (Spur) | ساده و ارزان، کمی پرصدا | موتور گیربکس‌های زرد TT و گیربکس‌های پلاستیکی آموزشی |
| سیاره‌ای (Planetary) | فشرده و مناسب گشتاور بالا | موتورهای گیربکس فلزی و صنعتی |
| حلزونی (Worm) | نسبت تبدیل زیاد در یک مرحله؛ در بسیاری از طراحی‌ها با قطع برق خودبه‌خود نمی‌چرخد | بالابر، درب‌بازکن، مکانیزم‌هایی که باید سر جایشان بمانند |
اگر خودتان گیربکس می‌سازید، چرخ‌دنده‌ی سر موتور برای شفت ۲ میلی‌متر، پولی ۷ میلیمتری و پولی ۱۶ میلیمتری را در دسته‌ی چرخ‌دنده و پولی ببینید.
موتورهای رایج ایکانو برای ربات
| محصول | مشخصات طبق صفحهی محصول | مناسب برای |
|---|---|---|
| موتور گیربکس زرد تک شفت ۳۰ دور / دو شفت ۳۰ دور | ۶ ولت، ۳۰ RPM | ربات کند و قوی، بالابر کوچک |
| موتور گیربکس زرد دو شفت ۲۷۰ دور / تک شفت رایت / کانکتوردار | ۶ ولت، ۲۷۰ RPM | ربات مسیریاب، ماشین آموزشی |
| گیربکس پلاستیکی دو شفت ۱۰ دنده با موتور / ۹ دنده | ۶ تا ۹ ولت DC | کیت‌های کار و فناوری و ربات‌های آموزشی |
| موتور آرمیچر DC شش ولت / موتور DC سایز ۲۳×۳۰ | ۶ ولت و ۳ تا ۶ ولت، بدون گیربکس | فن، ملخ، ماکت؛ برای چرخ، گیربکس یا پولی لازم دارد |
| موتور گیربکس AC مدل 49KTYZ | ۲۲۰ ولت AC، ۱۵ تا ۱۸ RPM، گشتاور ۱٫۲ kgf·cm | ویترین گردان و مکانیزم آهسته با برق شهر |
اختلاف ۳۰ و ۲۷۰ دور در موتورهای زرد از نسبت تبدیل گیربکس است. با همان موتور، مدل ۳۰ دور گشتاور خیلی بیشتری روی چرخ میدهد. موتورهای گیربکس AC به برق ۲۲۰ ولت وصل می‌شوند و باید عایق‌کاری و فیوز داشته باشند.
قدم چهارم: ولتاژ، جریان و درایور
- ولتاژ: موتور را در ولتاژ نامی‌اش استفاده کنید. ولتاژ بیشتر دور و گرما را زیاد و عمر را کم می‌کند. ولتاژ کمتر گشتاور را کم می‌کند.
- جریان قفل (Stall): وقتی موتور گیر می‌کند یا راه می‌افتد، بیشترین جریان را می‌کشد. درایور و منبع باید این جریان را تحمل کنند.
- درایور L293D: طبق دیتاشیت TI، تراشه‌ی L293D در هر کانال ۶۰۰ میلیآمپر پیوسته و ۱٫۲ آمپر لحظه‌ای جریان میدهد و دیودهای محافظ داخلی دارد. شیلد L293D آردوینو طبق صفحهی محصول چهار موتور DC را با ۴٫۵ تا ۲۵ ولت کنترل می‌کند. برای NodeMCU، شیلد L293D مخصوص NodeMCU هست. اگر جریان موتور شما بیشتر است، درایور قویتری از دسته‌ی درایور موتور انتخاب کنید.
- کنترل یک‌جهته با ماسفت: اگر فقط روشن و خاموش یا کنترل سرعت در یک جهت لازم است، ماسفت IRFZ44N با یک دیود موازی موتور (مثل 1N5819) کافی است. دقت کنید آستانه‌ی گیت IRFZ44N طبق دیتاشیت Infineon بین ۲ تا ۴ ولت است و مقاومت روشن آن در ولتاژ گیت ۱۰ ولت اعلام شده است. پس با خروجی ۳٫۳ یا ۵ ولت میکروکنترلر ممکن است کامل روشن نشود و داغ کند. در این حالت درایور گیت یا ماسفت Logic-Level لازم است. جزئیات در مقاله‌ی ماسفت آمده است. برای انتخاب بین ماسفت و L293D، کنترل موتور DC با ماسفت و آردوینو را بخوانید.
- استپر: برای موتورهای استپر، درایورهایی مثل A4988، LV8729 (طبق صفحهی محصول ۶ تا ۳۶ ولت و تا ۱٫۵ آمپر) و TB6600 (۴٫۵ آمپر) موجود است.
- تغذیه: موتورها نویز و افت ولتاژ لحظه‌ای ایجاد می‌کنند. منبع موتور را از منبع برد جدا کنید و زمین‌ها را به هم وصل کنید. روش انتخاب منبع در راهنمای انتخاب منبع تغذیه آمده است.
اشتباهات رایج
| اشتباه | نتیجه | راه درست |
|---|---|---|
| انتخاب موتور فقط بر اساس دور | ربات در شیب یا با بار می‌ایستد | گشتاور را هم حساب کنید و حاشیه بگذارید |
| نسبت تبدیل خیلی زیاد | ربات قوی ولی خیلی کند | دور لازم را از فرمول n = 60v ÷ πD حساب کنید |
| درایور ضعیف‌تر از جریان قفل | داغ شدن یا سوختن درایور | جریان قفل را بسنجید و درایور قوی‌تر انتخاب کنید |
| تغذیه‌ی موتور و میکروکنترلر از یک رگولاتور کوچک | ریست شدن برد هنگام راهاندازی موتور | منبع جدا و خازن کنار موتور و درایور |
| دو موتور غیرهمسان در دو طرف ربات | ربات کج حرکت می‌کند | دو موتور یکسان و کنترل سرعت جداگانه |
سؤالات متداول
دور موتور ربات را چطور حساب کنیم؟
از رابطهی n = 60 × v ÷ (π × D) استفاده کنید که v سرعت بر حسب متر بر ثانیه و D قطر چرخ بر حسب متر است. مثلاً برای ۰٫۵ متر بر ثانیه با چرخ ۷۰ میلیمتری، حدود ۱۳۶ دور در دقیقه لازم است.
گشتاور لازم برای موتور ربات چقدر است؟
نیروی لازم تقریباً F = m × g × sin θ + m × a است و گشتاور کل τ = F × r. برای رباتی ۱٫۵ کیلوگرمی روی شیب ۱۰ درجه با شتاب ۰٫۵ متر بر مجذور ثانیه و چرخ ۷۰ میلیمتری، هر یک از دو چرخ محرک حدود ۰٫۰۵۸ نیوتن‌متر گشتاور می‌خواهد. برای اصطکاک و زمین ناهموار حاشیه بگذارید.
گیربکس چه تأثیری روی موتور دارد؟
گیربکس با نسبت تبدیل i، دور را i برابر کم و گشتاور را تقریباً i برابر زیاد می‌کند، منهای تلفات گیربکس. توان مکانیکی را زیاد نمی‌کند و فقط دور را با گشتاور عوض می‌کند.
موتور گیربکس زرد ۳۰ دور بهتر است یا ۲۷۰ دور؟
بستگی به ربات دارد. طبق صفحهی محصول هر دو ۶ ولتیاند و تفاوتشان در نسبت تبدیل گیربکس است. مدل ۳۰ دور کند و قوی است و برای بالابر و ربات سنگین مناسب است. مدل ۲۷۰ دور برای ربات مسیریاب و ماشین سریع مناسبتر است.
برای راهاندازی موتور DC با آردوینو چه درایوری لازم است؟
پایهی آردوینو نمیتواند جریان موتور را مستقیم بدهد. برای کنترل جهت و سرعت، درایور H-Bridge مثل L293D مناسب است که طبق دیتاشیت TI در هر کانال ۶۰۰ میلیآمپر پیوسته جریان میدهد. برای موتورهای پرجریانتر، درایور قویتری انتخاب کنید و منبع موتور را از منبع برد جدا نگه دارید.
جمع‌بندی
اول سرعت دلخواه و قطر چرخ را به دور (RPM) تبدیل کنید. بعد با وزن، شیب و شتاب، گشتاور هر چرخ را حساب کنید و حاشیه بگذارید. سپس موتور گیربکسی انتخاب کنید که در آن دور این گشتاور را بدهد، و درایور و منبع را بر اساس جریان قفل موتور انتخاب کنید. برای ربات‌های آموزشی، موتورهای گیربکس زرد با شیلد L293D شروع خوبی است. بقیه‌ی قطعات مکانیکی در دسته‌ی رباتیک و قطعات مکانیک هستند. اگر با ماژول‌های رباتیک تازه آشنا شده‌اید، راهنمای ماژول‌های رباتیک را هم ببینید.
امکان تحویل حضوری در اصفهان هم وجود دارد.
