المحرك المؤازر هو ترتيب محرك أقدم لتحديد المواقع بدقة ويواجه الآن بعض المنافسة من المحرك السائر.
قدم الجزء الأول من هذه المقالة مفهوم المحركات المؤازرة جنبًا إلى جنب مع مكبرات الصوت المؤازرة وأجهزة التحكم المؤازرة. ويواصل هذا الجزء هذا الاستكشاف.
س: ما هو تاريخ المحركات المؤازرة؟
A: كانت هناك أنظمة مؤازرة ميكانيكية بحتة ذات حلقة مغلقة قبل وجود الأنظمة الكهربائية والإلكترونية. على سبيل المثال، يعد الحاكم الذي يعمل بقوة الطرد المركزي/الجاذبية والذي تم ابتكاره بالاشتراك مع المحرك البخاري لجيمس واتس في منتصف القرن التاسع عشر مثالًا معروفًا (الشكل 1). تم استخدام منظم التنظيم الذاتي هذا لضبط سرعة المحرك والحفاظ عليها ضمن نطاق ضيق عن طريق زيادة تدفق البخار عند انخفاض السرعة والعكس صحيح.
كانت أنظمة المؤازرة الكهربائية التي تستخدم العناصر المغناطيسية قيد الاستخدام بحلول عشرينيات القرن العشرين. تم استخدام تطبيق واحد لمحركات السائر باستخدام محركات من النوع VR (التردد المتغير) من قبل البحرية البريطانية للتحكم في تحديد المواقع بالإضافة إلى التحكم عن بعد.
س: لماذا يسمى محرك سيرفو؟
A: الأصول غير واضحة، ولكن يبدو أن مصطلح "محرك مؤازر" باللغة الإنجليزية يأتي من الفرنسية أجهزة السيارات تم استخدامه في أواخر القرن التاسع عشر. مع الجزء "المؤازر" يرتبط بـ "الخدمة" (أو خادم). استخدم JL Farcot هذا المصطلح أجهزة السيارات في عام 1868 واستخدمته في إشارة إلى محرك السفينة؛ في كتابه المحرك المؤازر أو المحرك المؤازر، نشر عام 1873. استخدمه asservi، بمعنى "خاضع" أو "مستعبد" كمرادف. وقد ترجمها المتحدثون باللغة الإنجليزية على أنها "محرك تابع".
إشارات التحكم والتنفيذ
س: متى بدأ عصر الماكينات الإلكترونية وكيف تم إنجازه؟
A: كانت الأنظمة الإلكترونية الأولى كلها تناظرية بالطبع. تم توجيه إشارة التغذية المرتدة إلى مكبر الصوت الذي قارنها بإشارة نقطة الضبط وقام بتضخيم الفرق. ثم تم استخدام فرق الجهد هذا لقيادة محرك سيرفو. لقد تطلب الأمر الكثير من الإلكترونيات والأنابيب المفرغة، بالإضافة إلى المساحة والوزن والطاقة للقيام بذلك، لكنه نجح.
س: كيف أثرت الإلكترونيات الرقمية "الحديثة" على تصميم نظام محرك السيرفو؟
A: في حين أن مبدأ الحلقة المغلقة الأساسي لم يتغير، فقد تغيرت الإشارات والخيارات بشكل كبير. أولاً، في حين أن إشارة التغذية المرتدة تبدأ عادة كإشارة تناظرية، فإنها سرعان ما تتحول إلى رقمية. ومن ثم تتم مقارنتها رقميًا بقيمة نقطة الضبط، ويتم استخدام فرق الخطأ لتشغيل محرك سيرفو ولكنه لا يفعل ذلك بشكل مباشر. بدلاً من ذلك، يتم تحويل إشارة الفرق، في العديد من التصميمات، إلى إشارة معدلة بعرض النبضة (PWM) والتي تذهب إلى مضخم الطاقة الذي بدوره يتحكم في المحرك.
وفي حالات أخرى، لا يتم استخدام PWM. وبدلاً من ذلك، تم تطوير إشارة ذات تردد متغير للتحكم في محرك التيار المتردد. يعتمد نوع إشارة التحكم على نوع المحرك، لكن الحلقة رقمية في المقام الأول.
س: كيف تدخل المتحكمات الدقيقة في الحلقة؟
A: تدعم وحدات التحكم الدقيقة استخدام خوارزميات متطورة لاستخدامها لتحسين التوازن بين عوامل الأداء مثل التسارع والسرعة والسلاسة وعزم الدوران وقوة التحمل والحد الأدنى من التجاوز وغيرها من الخصائص. تبدأ هذه الخوارزميات عادةً بإستراتيجية PID التي يتم ضبطها بعد ذلك وفقًا لخصائص التطبيق والمحرك؛ وقد تحتوي أيضًا على بعض الميزات المضافة لتلبية المتطلبات الفريدة لسيناريو التحديد الدقيق.
س: لماذا نستخدم محرك سيرفو بدلاً من محرك السائر؟
A: ولكل منها مزيج من السمات، ويعتمد الاختيار الصحيح على التطبيق. ضع في اعتبارك أن السائر يستخدم بشكل عام في نظام الحلقة المفتوحة، في حين أن المؤازرة هي نظام حلقة مغلقة (الشكل 2).
يعد منظور المستوى الأعلى للسمات النسبية لكل نهج توضيحيًا (الشكل 3).
س: هل هناك طريقة أخرى للنظر إلى المحركات المؤازرة مقارنة بمحركات السائر؟
A: يمكنك إلقاء نظرة على إيجابياتهم وسلبياتهم في الشكل 4. ومن المهم ملاحظة أن هناك العديد من الاستثناءات لهذه الإرشادات العامة.
هناك اختلافات في السرعة وعزم الدوران (الثابت والديناميكي)، والدقة والدقة، وسرعة الاستجابة، وآليات التحكم والتغذية المرتدة. فيما يتعلق بالتطبيقات الأكثر ملائمة، تعد المحركات المؤازرة بشكل عام أكثر ملاءمة للروبوتات والأدوات الآلية وخطوط التصنيع والصناعات العسكرية/الفضاء. تعتبر أدوات الخطوة أفضل للطابعات (الورقية والثلاثية الأبعاد)، والمحركات الخطية، والأجهزة الطبية، ومواضع الكاميرا PZT (التحريك، والتكبير/التصغير، والإمالة)، ولكن، مرة أخرى، هناك العديد من الاستثناءات.
أجهزة التحكم المؤازرة
س: ما هي الدوائر اللازمة لبناء جهاز تحكم مؤازر؟
A: تعتمد الإجابة على الدقة المطلوبة ونوع المحرك وحجمه. يمكن إنشاء وحدة تحكم محرك سيرفو PWM أساسية ولكن صالحة للخدمة ومحدودة الوظيفة للمحركات الصغيرة جدًا باستخدام مؤقت 555 الكلاسيكي الموجود في كل مكان IC، ولكن مع وحدة تحكم دقيقة منفصلة (الشكل 5) يجب أن توفر الاتجاه العام.
يتم تقديم نهج أكثر تطورًا من خلال Trinamic TMC4671 (تم شراء Trinamic بواسطة Maxim Integrated، والتي أصبحت بدورها جزءًا من Analog Devices) (الشكل 6). هذا IC عبارة عن وحدة تحكم مؤازرة متكاملة تمامًا، توفر تحكمًا ميدانيًا (FOC) لمحركات BLDC/PMSM ومحركات السائر ثنائية الطور، بالإضافة إلى محركات التيار المستمر وملفات الصوت.
إنه يوفر التحكم في عزم الدوران، والتحكم الموجه ميدانيًا (FOC)، والتحكم في السرعة، والتحكم في الموضع ويدمج محولًا تناظريًا/رقميًا، بالإضافة إلى واجهة تشفير ومحرك PWM سريع يعمل من 25 كيلو هرتز إلى 100 كيلو هرتز.
س: كيف تبدو وحدة التحكم المؤازرة التجارية؟
A: في النظام الحديث النموذجي، تكون وحدة التحكم المؤازرة عبارة عن دائرة تحكم ذكية قائمة على المعالج توفر العديد من الوظائف المطلوبة إلى جانب الإدخال/الإخراج التناظري والرقمي حسب الحاجة. بالنسبة للأنظمة الأصغر حجمًا، قد تكون أجهزة مضخم الطاقة الخاصة بالمحرك موجودة في مكان مشترك على نفس لوحة الدائرة أو لوحة صغيرة مجاورة.
بالنسبة للأنظمة الأكبر ذات المحركات ذات الطاقة الأعلى، يتم وضع وحدة التحكم ومكبر الصوت في هيكل مستقل، وغالبًا ما يتم تركيبه في حاوية قياسية مثل سكة DIN (الشكل 7). تتميز العديد من هذه الوحدات باتصالات الإدخال/الإخراج المتعددة للنظام والمحركات بالإضافة إلى إمكانية الاتصال، بما في ذلك Ethernet والحافلات الصناعية المختلفة.
وفي الختام
تلعب المحركات المؤازرة ومكبرات الصوت الخاصة بها دورًا مهمًا في أنظمة تحديد المواقع الحديثة التي تتراوح من وحدات سطح المكتب الصغيرة إلى الأنظمة الصناعية الكبيرة. إنها توفر أداءً فائقًا في ظل الظروف الصعبة وتوفر الثقة التي توفرها بنية ردود الفعل ذات الحلقة المغلقة. ومع ذلك، نظرًا لتعقيدها، يجب على المستخدمين توخي الحذر في اختيار النظام والمحرك لتحقيق أهداف التصميم المتعددة. تعمل المحركات وأجهزة التحكم المؤازرة الحديثة على تسهيل وتبسيط العملية برمتها إلى حد كبير مع توفير إمكانات أنظمة الحلقة المغلقة.
المحتوى المرتبط بـ EE World
ما هو التحكم التناسبي (PID) ولماذا يتم استخدامه؟ (الجزء الأول)
أساسيات ملفات تعريف التحكم في الحركة ، الجزء 1: السياق
أساسيات ملفات تعريف التحكم في الحركة ، الجزء 2: ملفات تعريف المنحدرات
أساسيات ملفات تعريف التحكم في الحركة ، الجزء 3: التطبيقات
التحكم الموجه نحو المجال الحركي، الجزء الأول: المبادئ
التحكم الموجه نحو المجال الحركي، الجزء 2: التنفيذ
أساسيات المحرك ومحركات التيار المستمر
قيادة محركات التيار المستمر ذات الفرشاة وبدون فرش
أساسيات محركات التيار المتردد وتطبيقاتها
الفرق بين المحركات المتزامنة وغير المتزامنة (الحثية).
كم عدد المحركات الكهربائية الموجودة في السيارة؟
ما تحتاج لمعرفته حول وحدات MCU للتحكم المؤازر
المراجع الخارجية
RealPars BV، "ما هو محرك سيرفو وكيف يعمل؟"
ISL Products International Ltd.، "أساسيات المحركات المؤازرة"
كولمورجان، "ما هو نظام الحلقة المغلقة؟"
جمعية تطوير الأتمتة، "المحركات المؤازرة مقابل المحركات السائر في التحكم في الحركة: كيفية اختيار المحرك المناسب لتطبيقك"
Wevolver، "Stepper vs Servo Motors: مقارنة شاملة لمشروعك التالي"
التحكم الآلي، "محرك سيرفو مقابل محرك متدرج: فهم الاختلافات"
تصميم الماكينة، "المقايضات بين المحركات السائرة والمؤازرة"
ElProCus، "أنواع مختلفة من المحركات المؤازرة: محرك سيرفو يعمل بالتيار المستمر ومحرك سيرفو يعمل بالتيار المتردد"
أدوات التحكم المتقدمة في الحركة، "هل هو محرك مؤازر أم مضخم مؤازر؟ وأسئلة أخرى تتعلق بالتحكم في الحركة"
أدوات التحكم المتقدمة في الحركة، "لماذا تختار محرك سيرفو مقابل محرك VFD؟"
أدوات التحكم المتقدمة في الحركة، "Stepper vs Servo"
ACS Industrial Services, Inc.، "كيفية معرفة الفرق بين وحدة التحكم المؤازرة ومحرك المؤازرة أو مكبر الصوت"
Robots.com، "القليل عن مكبرات الصوت المؤازرة"
كراج المهندس/ EE World Online، "التحكم في المحركات المؤازرة باستخدام مؤقت IC 555"
أجهزة تريناميك/تناظرية. "ورقة بيانات TMC4671"
جون هانافي، "الحاكم – السيطرة على قوة الآلات البخارية"
رادويل إنترناشونال، "تطور محرك السيرفو"
مجلة تطبيقات صناعة IEEE (المجلد: 2، العدد: 2، مارس-أبريل 1996)، "أصول المحرك المؤازر"
منتجات ريكسروث، "لماذا نسميها محركًا مؤازرًا؟"
الباحث الدلالي/IEEE، "أصول المحرك المؤازر"