محرك السائر ودليل الاختيار ومبادئ التشغيل

تُستخدم محركات السائر على نطاق واسع في معدات التشغيل الآلي، والروبوتات، وآلات CNC، والأجهزة الطبية، والطابعات، وأنظمة الفحص، وتطبيقات تحديد المواقع الدقيقة. على عكس المحركات التقليدية، يقوم المحرك المتدرج بتحويل إشارات النبض الكهربائية إلى حركة زاوية يمكن التحكم فيها، مما يسمح للمهندسين بالتحكم في الموقع والسرعة والاتجاه باستخدام نظام تحكم بسيط نسبيًا.

ومع ذلك، فإن اختيار محرك متدرج وتشغيله بشكل صحيح يتطلب فهم أوضاع التحكم فيه، وأنواع المحركات، وتكنولوجيا القيادة، وخصائص التسارع، والخطوة الدقيقة، ومتطلبات الحمل.

يشرح هذا الدليل أساسيات التحكم في محرك السائر، واختيار محرك السائر، وتشغيل الحلقة المفتوحة والمغلقة، والخطوات الدقيقة، والتسخين، والتسارع والتباطؤ، ومحركات السائر ثنائية القطب مقابل محركات السائر أحادية القطب.

الاختلافات بين التحكم في النبض والاتجاه في محرك السائر والتحكم في النبض المزدوج

1. وضع التحكم في النبض والاتجاه

التحكم في النبض والاتجاه، المعروف أيضًا باسم وضع النبض الفردي ، يعني أن إدخال STEP يستقبل إشارات النبض بشكل مستمر، بينما يستخدم إدخال DIR مستوى منطقي مرتفع أو منخفض للتحكم في اتجاه المحرك.

يُعرف هذا الوضع أيضًا باسم وضع اتجاه الساعة أو التحكم في النبض والاتجاه.

2. وضع التحكم المزدوج النبض

التحكم المزدوج النبض يعني أن كلا من مدخلات النبض ومدخلات الاتجاه تستخدم إشارات النبض. يتم استخدام أحد المدخلات للنبضات الأمامية، بينما يستخدم الآخر للنبضات العكسية.

في وضع النبض المزدوج:

·  النبضات المرسلة إلى مدخل STEP تجعل المحرك يدور للأمام.

·  النبضات المرسلة إلى مدخل DIR تجعل المحرك يدور في الاتجاه المعاكس.

في هذا التكوين، يصبح إدخال الاتجاه هو إدخال النبض العكسي.

الاحتياطات اللازمة لاستخدام السائر المحركات

1. استخدم محركات السائر في التطبيقات منخفضة السرعة

تُستخدم محركات السائر بشكل عام في التطبيقات منخفضة السرعة. يجب ألا تتجاوز سرعة الدوران 1000 دورة في الدقيقة. بالنسبة لمحرك بزاوية خطوة تبلغ 0.9 درجة، فإن 6666 PPS يتوافق مع حوالي 1000 دورة في الدقيقة.

يوصى بتشغيل المحرك في حدود 1000 إلى 3000 نقطة في الثانية تقريبًا لمحرك بزاوية خطوة تبلغ 0.9 درجة.

يمكن استخدام آلية التخفيض للسماح للمحرك بالعمل ضمن هذا النطاق. في ظل هذه الظروف، يمكن للمحرك تحقيق كفاءة أعلى وضوضاء أقل.

2. تجنب استخدام عملية التشغيل كاملة الخطوات عندما يكون ذلك ممكنًا

لا يُنصح عمومًا بتشغيل المحركات الخطوية في وضع الخطوة الكاملة لأن التشغيل الكامل الخطوة ينتج عنه اهتزازات عالية نسبيًا.

3. حدد جهد المحرك الصحيح

لأسباب تاريخية، يجب تشغيل المحركات ذات الجهد الاسمي 12 فولت فقط بـ 12 فولت.

بالنسبة لمحركات السائر الأخرى، فإن قيمة الجهد الموضحة على المحرك ليست بالضرورة هي الجهد المطلوب لإمداد المحرك.

يمكن اختيار جهد إمداد السائق وفقًا لمتطلبات السائق.

الأمثلة الموصى بها:

·  57BYJ: 24-36 فولت تيار مستمر

·  86BYJ: 50 فولت تيار مستمر

·  110BYJ: فوق 80 فولت تيار مستمر

يمكن أيضًا تشغيل محرك 12 فولت بمصدر محرك مختلف في ظل الظروف المناسبة، ولكن يجب أخذ ارتفاع درجة الحرارة الناتج في الاعتبار.

4. حدد حجم إطار أكبر للأحمال ذات القصور الذاتي العالي

عندما يكون للحمل لحظة قصور ذاتي كبيرة، يجب اختيار محرك متدرج ذو حجم إطار أكبر.

5. استخدم زيادة التردد التدريجي للأحمال عالية السرعة أو ذات القصور الذاتي العالي

عند التشغيل بسرعة عالية نسبيًا أو قيادة حمولة ذات قصور ذاتي مرتفع، يجب ألا يبدأ المحرك بشكل عام بسرعة التشغيل مباشرة.

بدلا من ذلك، يجب أن يزيد تردد النبض تدريجيا.

هذا يمكن أن:

·  تقليل احتمالية فقدان الخطوات

·  تقليل الضوضاء

·  تحسين دقة التوقف وتحديد المواقع

6. طرق تحسين دقة تحديد المواقع

بالنسبة للتطبيقات عالية الدقة، يمكن تحسين الدقة من خلال:

·  التخفيض الميكانيكي

·  زيادة سرعة المحرك

·  استخدام برنامج تشغيل ذو دقة microstepping أعلى

·  استخدام محرك خماسي الطور

تتميز المحركات خماسية الطور بتكلفة نظام إجمالية أعلى نسبيًا، وينتجها عدد أقل من الشركات المصنعة. إن القول بأن المحركات خماسية الطور قد تم التخلص منها غير صحيح.

7. تجنب مناطق الرنين

لا ينبغي أن تعمل محركات السائر داخل مناطق الرنين.

إذا كان التشغيل داخل منطقة الرنين أمرًا لا مفر منه، فيمكن معالجة المشكلة عن طريق:

·  تغيير الجهد

·  ضبط التيار

·  إضافة التخميد

8. عملية منخفضة السرعة أقل من 600 نقطة في الثانية

للتشغيل أقل من 600 PPS مع محرك بزاوية خطوة 0.9 درجة، يجب استخدام تيار أقل ومحاثة أعلى وجهد أقل للقيادة.

9. حدد المحرك قبل تحديد برنامج التشغيل

مبدأ الاختيار الموصى به هو:

حدد المحرك أولاً، ثم حدد السائق.

ما هو الفرق بين التحكم في المحركات السائر ذات الحلقة المفتوحة والمغلقة؟

يمكن للتحكم في الحلقة المفتوحة  التحكم في حركة المحرك، لكنه لا يوفر تغذية راجعة حول النتيجة.

يمكن للتحكم في الحلقة المغلقة  تحليل نتيجة حركة المحرك وتقديم تعليقات للتعديل.

تصنيف المحركات السائر

بناءً على تصميمها الهيكلي، يمكن تقسيم المحركات السائرة إلى عدة أنواع، منها:

·  المحركات السائر ذات الممانعة المتغيرة (VR).

·  محركات السائر ذات المغناطيس الدائم (PM).

·  المحركات السائر الهجينة (HS)

·  المحركات الخطوية أحادية الطور

·  المحركات السائر المستوية

من بين محركات السائر المستخدمة في الصين، تم استخدام محركات السائر ذات الممانعة المتغيرة تاريخيًا على نطاق واسع.

يرتبط أداء تشغيل محرك السائر ارتباطًا وثيقًا بطريقة التحكم فيه.

بناءً على طريقة التحكم، يمكن تقسيم أنظمة التحكم في المحركات السائر بشكل عام إلى:

1. أنظمة التحكم ذات الحلقة المفتوحة

2. أنظمة التحكم ذات الحلقة المغلقة

3. أنظمة التحكم شبه المغلقة

في التطبيقات العملية، يتم تصنيف أنظمة التحكم شبه المغلقة عمومًا على أنها إما أنظمة مفتوحة الحلقة أو مغلقة الحلقة.

محرك السائر ذو التردد المتغير

يحتوي محرك السائر ذو الممانعة المتغيرة على ملفات على الجزء الثابت ودوار مصنوع من مادة مغناطيسية ناعمة.

خصائصه تشمل:

·  بنية بسيطة

·  منخفضة التكلفة

·  زاوية خطوة صغيرة يمكن أن تصل إلى 1.2 درجة

·  ضعف الأداء الديناميكي

·  كفاءة منخفضة

·  توليد حرارة عالية

·  الموثوقية التي قد يكون من الصعب ضمانها

محرك السائر ذو المغناطيس الدائم

الجزء الدوار لمحرك السائر ذو المغناطيس الدائم مصنوع من مادة مغناطيسية دائمة.

عدد أقطاب الجزء المتحرك هو نفس عدد أقطاب الجزء الثابت.

خصائصه تشمل:

·  أداء ديناميكي جيد

·  ارتفاع عزم الدوران الناتج

·  انخفاض دقة تحديد المواقع

·  زاوية خطوة كبيرة نسبياً

زاوية الخطوة النموذجية هي 7.5 درجة أو 15 درجة.

محرك السائر الهجين

تجمع محركات السائر الهجينة بين مزايا الممانعة المتغيرة ومحركات السائر ذات المغناطيس الدائم.

يحتوي الجزء الثابت على ملفات متعددة الطور، بينما يستخدم الجزء المتحرك مادة مغناطيسية دائمة. يحتوي كل من العضو الدوار والعضو الثابت على أسنان صغيرة متعددة لتحسين دقة تحديد موضع الخطوة.

خصائصه تشمل:

·  ارتفاع عزم الدوران الناتج

·  أداء ديناميكي جيد

·  زاوية خطوة صغيرة

·  هيكل أكثر تعقيدا

·  تكلفة أعلى نسبيا

بناءً على تكوين ملف الجزء الثابت، يمكن تقسيم محركات السائر الهجينة إلى:

·  مرحلتين

·  ثلاث مراحل

·  خمس مراحل

تُستخدم محركات السائر الهجين ثنائية الطور على نطاق واسع بسبب نسبة التكلفة إلى الأداء. عند دمجها مع برنامج تشغيل microstepping، فإنها توفر أداءً عامًا جيدًا.

يحتوي محرك السائر الهجين النموذجي ثنائي الطور على زاوية خطوة أساسية تبلغ 1.8 درجة لكل خطوة.

مع القيادة بنصف خطوة، يتم تقليل زاوية الخطوة إلى 0.9 درجة.

باستخدام محرك الخطوات الدقيقة، يمكن نظريًا تقسيم زاوية الخطوة إلى ما يصل إلى 256 خطوة دقيقة:

1.8° ÷ 256 ≈ 0.007° لكل ميكروخطوة

بسبب الاحتكاك، دقة التصنيع، وعوامل أخرى، دقة التحكم الفعلية أقل قليلاً.

يمكن استخدام نفس محرك السائر مع برامج التشغيل التي توفر مستويات مختلفة من الخطوات الدقيقة لتغيير دقة تحديد المواقع وخصائص التشغيل.

كيفية اختيار محرك السائر والسائق

العوامل الثلاثة الرئيسية لاختيار محرك السائر هي:

·  زاوية الخطوة

·  عقد عزم الدوران

·  حاضِر

بمجرد تحديد هذه العوامل الثلاثة، يمكن اختيار نموذج المحرك السائر المناسب.

1. اختيار زاوية الخطوة

تعتمد زاوية خطوة المحرك المطلوبة على دقة تحديد الموضع التي يتطلبها الحمل.

يجب تحويل الحد الأدنى المطلوب من دقة الحمل إلى الحركة الزاوية المقابلة عند عمود المحرك.

يجب أن تكون زاوية خطوة المحرك مساوية أو أصغر من هذه القيمة الزاوية.

تشمل زوايا الخطوات الشائعة المتوفرة في السوق ما يلي:

·  0.36 درجة / 0.72 درجة للمحركات خماسية الطور

·  0.9 درجة / 1.8 درجة للمحركات ثنائية وأربعة الطور

·  1.5°/3° للمحركات ثلاثية الطور

2. اختيار عزم الدوران القابضة

من الصعب نسبيًا تحديد عزم الدوران الديناميكي بشكل مباشر، لذلك غالبًا ما يتم استخدام عزم الدوران كنقطة بداية لاختيار المحرك.

يجب اختيار عزم الدوران وفقًا لحمل المحرك.

ويمكن تقسيم الحمل إلى:

·  الحمل بالقصور الذاتي

·  حمل الاحتكاك

من الناحية العملية، لا توجد عادةً أحمال قصورية بحتة أو أحمال احتكاكية بحتة.

عند البدء مباشرة، عادة من سرعة منخفضة، يجب مراعاة كلا النوعين من الأحمال.

أثناء التسارع والبدء، يكون الحمل بالقصور الذاتي مهمًا بشكل خاص.

أثناء التشغيل بسرعة ثابتة، يصبح حمل الاحتكاك هو الاعتبار الأساسي.

في ظل الظروف العامة، يجب أن يكون عزم الدوران حوالي 2-3 أضعاف حمل الاحتكاك.

بمجرد تحديد عزم الدوران المطلوب، يمكن تحديد حجم إطار المحرك وطوله.

3. اختيار التيار

يمكن أن يكون لمحركين لهما نفس عزم الدوران خصائص تشغيل مختلفة لأن معلماتهما الحالية مختلفة.

يجب اختيار تيار المحرك المناسب من خلال الرجوع إلى المحرك المنحنى المميز لسرعة عزم دوران .

كيف تختلف محركات السائر ثنائية القطب وأحادية القطب؟

يعد أحادي القطب وثنائي القطب  من أكثر تكوينات محرك السائر استخدامًا.

محرك السائر أحادي القطب

تستخدم دائرة القيادة أحادية القطب أربعة ترانزستورات لقيادة مرحلتي المحرك السائر.

يحتوي هيكل المحرك على ملفين مع صنابير مركزية، وعادةً ما يحتوي المحرك على ستة أسلاك متصلة خارجيًا.

يشار أحيانًا إلى هذا النوع من المحركات بمحرك رباعي الطور. ومع ذلك، يمكن أن تكون هذه المصطلحات مربكة وليست دقيقة من الناحية الفنية.

الوصف الأكثر دقة هو محرك متدرج ثنائي الطور بستة أسلاك.

على الرغم من أن محرك السائر ذو ستة أسلاك يُشار إليه عادةً باسم محرك السائر أحادي القطب، إلا أنه يمكن استخدامه فعليًا مع دائرة قيادة أحادية القطب أو ثنائية القطب.

محرك السائر ثنائي القطب

تستخدم دائرة القيادة ثنائية القطب ثمانية ترانزستورات لقيادة المرحلتين.

يمكن لدائرة القيادة ثنائية القطب أن تقود محركات متدرج ذات أربعة أسلاك وستة أسلاك.

لا يمكن استخدام المحرك ذو الأربعة أسلاك إلا مع دائرة قيادة ثنائية القطب.

ومع ذلك، يمكن للمحرك رباعي الأسلاك أن يقلل بشكل كبير من تكلفة التطبيقات ذات الإنتاج الضخم.

عدد الترانزستورات في دائرة قيادة محرك متدرج ثنائي القطب هو ضعف عدد الترانزستورات في دائرة قيادة أحادية القطب.

من بينها، عادة ما يتم تشغيل الترانزستورات الأربعة السفلية مباشرة بواسطة وحدة التحكم الدقيقة، بينما تتطلب الترانزستورات العلوية دارات تشغيل عالية الجانب باهظة الثمن نسبيًا.

تحتاج الترانزستورات الموجودة في دائرة القيادة ثنائية القطب فقط إلى تحمل جهد المحرك، لذلك على عكس دائرة القيادة أحادية القطب، لا يلزم استخدام دائرة المشبك.

مبدأ تشغيل محرك السائر

الدوار في محرك السائر النموذجي هو مغناطيس دائم.

عندما يتدفق التيار عبر ملفات الجزء الثابت، فإن ملفات الجزء الثابت تولد مجالًا مغناطيسيًا متجهًا.

يتسبب هذا المجال المغناطيسي في دوران الجزء المتحرك بزاوية معينة، مما يجعل زوجًا واحدًا من الأقطاب المغناطيسية للجزء المتحرك في محاذاة مع اتجاه المجال المغناطيسي للجزء الثابت.

عندما يدور المجال المغناطيسي المتجه للجزء الثابت خلال زاوية معينة، يتبعه الجزء المتحرك ويدور خلال الزاوية المقابلة.

تؤدي كل نبضة كهربائية إلى دوران المحرك بزاوية محددة والتقدم بخطوة واحدة.

تتناسب الإزاحة الزاوية للمحرك مع عدد نبضات الدخل، بينما تتناسب سرعة الدوران مع تردد النبضة.

يؤدي تغيير تسلسل تنشيط اللفات إلى عكس اتجاه المحرك.

ولذلك، يمكن التحكم في دوران المحرك السائر عن طريق التحكم في:

·  عدد النبضات

·  تردد النبض

·  التسلسل التنشيطي لكل مرحلة حركية

لماذا تولد محركات السائر الحرارة؟

تحتوي معظم المحركات على قلوب حديدية وملفات متعرجة.

اللفات لها مقاومة كهربائية. عندما يتدفق التيار عبر اللفات، تتبدد الطاقة.

يتناسب مقدار فقدان الطاقة مع المقاومة ومربع التيار.

ويشار إلى هذا عادة باسم فقدان النحاس.

إذا لم يكن التيار تيارًا مستمرًا قياسيًا أو تيارًا جيبيًا، فمن الممكن أن تحدث خسائر توافقية أيضًا.

يتأثر قلب الحديد أيضًا بتأثيرات التباطؤ والتيار الدوامي عند تعرضه لمجال مغناطيسي متناوب.

وترتبط هذه الخسائر بعوامل مثل:

·  مادة

·  حاضِر

·  تكرار

·  الجهد االكهربى

ويشار إلى هذه الخسائر بخسائر الحديد.

يظهر فقدان النحاس وفقدان الحديد على شكل حرارة ويؤثران على كفاءة المحرك.

تعطي محركات السائر عمومًا الأولوية لدقة تحديد المواقع وإخراج عزم الدوران. غالبًا ما يكون تيار التشغيل مرتفعًا نسبيًا، وقد يحتوي شكل الموجة الحالي على مكونات توافقية كبيرة.

يتغير تردد التيار المتردد أيضًا مع سرعة المحرك.

لذلك، عادةً ما تتعرض المحركات السائرة لتوليد حرارة ملحوظة، والتي يمكن أن تكون أكثر أهمية من تلك الموجودة في بعض محركات التيار المتردد التقليدية.

التحكم في تسريع وتباطؤ محرك السائر

نظرًا لاستخدام محركات السائر على نطاق واسع، فقد تم إجراء أبحاث كبيرة للتحكم فيها.

أثناء البدء أو التسارع، إذا تغير تردد نبضة السائر بسرعة كبيرة، فقد يفشل الدوار في متابعة الإشارة الكهربائية المتغيرة بسبب القصور الذاتي.

يمكن أن يؤدي هذا إلى:

·  كشك

·  الخطوات المفقودة

أثناء التوقف أو التباطؤ، يمكن أن يؤدي نفس النوع من التأثير إلى التجاوز.

لمنع التوقف، وفقدان الخطوات، والتجاوز، ولزيادة تردد التشغيل، يحتاج محرك السائر إلى التحكم المناسب في التسارع والتباطؤ.

تعتمد سرعة دوران المحرك السائر على:

·  تردد النبض

·  عدد أسنان الدوار

·  عدد مراحل أو خطوات القيادة

تتناسب السرعة الزاوية مع تردد النبضة وتظل متزامنة مع النبضات.

لذلك، عندما يتم تثبيت عدد أسنان الدوار وتسلسل التشغيل، يمكن الحصول على سرعة المحرك المطلوبة عن طريق التحكم في تردد النبض.

يبدأ محرك السائر من خلال عزم الدوران المتزامن. لمنع فقدان الخطوات، لا يمكن أن يكون تردد البدء مرتفعًا جدًا.

مع زيادة قوة المحرك، يزداد أيضًا قطر العضو الدوار والقصور الذاتي. لذلك، يمكن أن يختلف تردد البداية والحد الأقصى لتردد التشغيل بشكل كبير، وأحيانًا بترتيب من حيث الحجم.

خصائص تردد بدء تشغيل محرك السائر

إن خصائص تردد البدء للمحرك السائر تعني أن المحرك لا يمكن أن يبدأ بشكل طبيعي مباشرة عند تردد التشغيل الخاص به.

وبدلا من ذلك، فإنه يحتاج إلى عملية بدء تزيد فيها السرعة تدريجيا من سرعة منخفضة إلى سرعة التشغيل المطلوبة.

وبالمثل، أثناء التوقف، لا ينبغي أن ينخفض ​​تردد التشغيل على الفور إلى الصفر. يجب أن يتباطأ المحرك تدريجياً من السرعة العالية إلى الصفر.

يتناقص عزم الدوران الناتج للمحرك السائر مع زيادة تردد النبض.

كلما زاد تردد البدء، انخفض عزم الدوران وضعف قدرة المحرك على دفع الحمل.

قد يؤدي البدء بتردد عالٍ للغاية إلى فقدان الخطوات.

أثناء التوقف، قد يؤدي التباطؤ المفرط إلى التجاوز.

لتمكين المحرك من الوصول إلى السرعة المطلوبة بسرعة دون فقدان الخطوات أو تجاوز السرعة، فإن المفتاح هو التأكد من أن عزم الدوران المطلوب أثناء التسارع يظل ضمن عزم الدوران المتاح من محرك السائر عند كل تردد تشغيل.

لذلك، يتكون تشغيل المحرك السائر بشكل عام من ثلاث مراحل:

1. تسريع

2. عملية ثابتة السرعة

3. تباطؤ

يجب أن تكون فترات التسارع والتباطؤ قصيرة قدر الإمكان، في حين يجب أن تكون فترة السرعة الثابتة أطول ما يمكن.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب استجابة سريعة، يجب تقليل إجمالي وقت السفر من نقطة البداية إلى الموضع النهائي.

وهذا يتطلب:

·  وقت تسارع قصير

·  وقت تباطؤ قصير

·  سرعة تشغيل ثابتة عالية

التحكم في الخطوات الدقيقة لمحرك السائر

بسبب قيود التصنيع، يتم تحديد زاوية الخطوة الأساسية للمحرك المتدرج من خلال عوامل مثل عدد أسنان الدوار وتسلسل التشغيل.

عدد أسنان الدوار وتسلسلات التشغيل محدود، لذا فإن زاوية الخطوة الأساسية للمحرك السائر تكون كبيرة وثابتة نسبيًا بشكل عام.

وينتج عن ذلك:

·  دقة أقل

·  مرونة محدودة

·  الاهتزاز عند الترددات المنخفضة

·  ضجيج أعلى من بعض أنواع المحركات المصغرة الأخرى

هذه الخصائص يمكن أن تسبب التعب أو تلف المعدات الميكانيكية.

وبسبب هذه القيود، قد تكون المحركات السائر مناسبة للتطبيقات ذات المتطلبات المتواضعة نسبيًا. بالنسبة للتطبيقات الأكثر تطلبًا، يمكن تقديم التحكم في الحلقة المغلقة، ولكن هذا يزيد من تعقيد النظام.

يمكن لهذه القيود تقييد الاستخدام الفعال لمحركات السائر كمكونات تحديد موضع الحلقة المفتوحة.

يمكن لتقنية Microstepping Drive  التغلب على هذه القيود إلى حد ما.

تم تطوير تقنية الخطوات الدقيقة للمحرك السائر في منتصف القرن العشرين كتقنية قيادة قادرة على تحسين الأداء العام لمحركات السائر بشكل ملحوظ.

في العقود التالية، استمرت تقنية الخطوات الدقيقة في التطور وأصبحت ناضجة خلال التسعينيات.

بدأ البحث في تقنية microstepping في الصين في نفس الوقت تقريبًا الذي بدأ فيه البحث في الخارج.

بحلول منتصف التسعينيات، تطورت تقنية الخطوات الدقيقة بشكل ملحوظ.

تم تطبيقه بشكل رئيسي في:

·  المعدات الصناعية

·  الفضاء الجوي

·  الروبوتات

·  دقة القياس

وشملت التطبيقات المزواة الكهروضوئية لتتبع الأقمار الصناعية، والأدوات العسكرية، ومعدات الاتصالات، وأنظمة الرادار.

أدى الاستخدام الواسع النطاق لتقنية microstepping إلى تقليل اعتماد تصميم المحرك على زاوية الخطوة وتوفير مرونة أكبر لتصميم المنتج.

تستخدم تقنية microstepping الحديثة للمحرك السائر بشكل شائع:

·  المروحية التحكم في التيار المستمر

·  التحكم في تعديل عرض النبضة

·  التحكم في ناقل التيار ذو السعة الثابتة

تعمل هذه التقنيات على تحسين دقة تشغيل محرك السائر بشكل كبير وتمكين محركات السائر من التحرك نحو تطبيقات ذات سرعة أعلى ودقة أعلى في الأنظمة منخفضة ومتوسطة الطاقة.

تطوير التحكم الحالي في محرك السائر

في البداية، تم تنفيذ التحكم في تيار الطور لمحركات السائر باستخدام الأجهزة.

تم استخدام طريقتين شائعتين.

استخدمت الطريقة الأولى دوائر متعددة لتبديل الطاقة لتزويد التيار وتركيب التيار في اللفات.

أدت هذه الطريقة إلى تقليل خسائر ترانزستور الطاقة، ولكنها تطلبت العديد من الدوائر وبالتالي أدت إلى المزيد من المكونات وحجم نظام أكبر.

الطريقة الثانية قامت أولاً بتركيب إشارات النبض ثم استخدمت ترانزستورات الطاقة للتضخيم الخطي لإنتاج شكل موجة تيار متدرج.

وشملت مزاياها عدد أقل من المكونات.

ومع ذلك، كانت خسائر ترانزستور الطاقة عالية وكانت كفاءة النظام منخفضة.

إذا عملت الترانزستورات في منطقة غير خطية، فمن الممكن أن يحدث تشوه في شكل الموجة أيضًا.

وبسبب هذه القيود المتأصلة، نادراً ما يتم استخدام هاتين الطريقتين.

الخصائص الرئيسية للمحركات السائر

1. دقة تحديد المواقع

تبلغ الدقة النموذجية لمحرك السائر حوالي 3-5% من زاوية الخطوة ، ولا يتراكم هذا الخطأ من خطوة إلى أخرى.

2. الحد الأقصى المسموح به لدرجة حرارة السطح

تعتمد درجة الحرارة السطحية القصوى المسموح بها لمحرك السائر على المادة المغناطيسية للمحرك.

يمكن أن تؤدي درجة حرارة المحرك المفرطة في البداية إلى إزالة مغناطيسية المادة المغناطيسية، مما يؤدي إلى انخفاض عزم الدوران واحتمال فقدان الخطوات.

ولذلك، فإن الحد الأقصى المسموح به لدرجة حرارة سطح المحرك يعتمد على درجة حرارة إزالة المغناطيسية للمادة المغناطيسية.

بشكل عام، تكون درجة حرارة إزالة المغناطيسية للمواد المغناطيسية أعلى من 130 درجة مئوية، وبعض المواد يمكنها تحمل درجات حرارة أعلى من 200 درجة مئوية.

لذلك، يمكن أن تكون درجة حرارة سطح محرك السائر 80-90 درجة مئوية طبيعية.

3. يتناقص عزم الدوران مع زيادة السرعة

يتناقص عزم دوران المحرك السائر مع زيادة سرعة الدوران.

عندما يدور محرك السائر، فإن محاثة ملفات المحرك تولد المجال الكهرومغناطيسي الخلفي.

كلما زاد التردد، كلما زاد EMF الخلفي.

تحت تأثير المجالات الكهرومغناطيسية الخلفية، يتناقص تيار الطور مع زيادة التردد أو سرعة المحرك.

ونتيجة لذلك، ينخفض ​​عزم دوران المحرك.

4. البدء بسرعة عالية يمكن أن يسبب توقفًا أو ضوضاء

يمكن أن يعمل محرك السائر بشكل طبيعي بسرعة منخفضة ولكنه قد يفشل في التشغيل عندما تتجاوز السرعة مستوى معينًا.

قد يصدر المحرك ضوضاء غير طبيعية أو يتوقف.

يحتوي محرك السائر على معلمة تقنية تسمى تردد البداية ، والتي تشير إلى الحد الأقصى لتردد النبض الذي يمكن أن يبدأ عنده المحرك بشكل طبيعي في ظل ظروف عدم التحميل.

إذا تجاوز تردد النبض هذه القيمة، فقد يفشل المحرك في بدء التشغيل بشكل صحيح وقد يتعرض لخطوات مفقودة أو توقف.

تحت الحمل، يجب أن يكون تردد البداية أقل.

إذا كان المحرك يحتاج إلى الوصول إلى سرعة دوران عالية، فيجب زيادة تردد النبض تدريجياً.

بمعنى آخر، يجب أن يبدأ المحرك بتردد منخفض نسبياً ثم يتسارع بمعدل معين حتى الوصول إلى التردد العالي المطلوب.

لعبت محركات السائر دورًا مهمًا في عصر التصنيع الرقمي بسبب هذه الخصائص.

مع تطور التقنيات الرقمية المختلفة والتحسينات في تكنولوجيا المحركات السائر، سيستمر استخدام المحركات السائر في المزيد من التطبيقات.

5. تتطلب المحركات السائر سائقًا

يجب استخدام محرك متدرج مع السائق حتى يعمل.

يجب أن تكون إشارة القيادة إشارة نبضية.

بدون نبضات، يظل محرك السائر ثابتًا.

عند تطبيق إشارة نبضية مناسبة، يدور المحرك بزاوية معينة، تعرف باسم زاوية الخطوة.

تتناسب سرعة دوران المحرك مع تردد النبض.

6. زاوية خطوة محرك متدرج ثلاثي الطور

محرك متدرج ثلاثي الطور له زاوية خطوة مقدارها 7.5°.

ثورة واحدة كاملة هي 360 درجة، لذلك هناك حاجة إلى 48 نبضة لإكمال دورة واحدة.

7. البدء والتوقف السريع

توفر محركات السائر خصائص بداية وتوقف جيدة.

8. التحكم في الاتجاه

يمكن تغيير اتجاه دوران المحرك بسهولة عن طريق تغيير تسلسل النبض.

لهذا السبب، تُستخدم المحركات السائرية على نطاق واسع كمكونات للتحكم في الحركة في:

·  الطابعات

·  المتآمرون

·  الروبوتات

·  معدات أخرى

مميزات وعيوب محركات السائر

المزايا

1. تتناسب زاوية دوران المحرك مع عدد نبضات الإدخال.

2. عندما يتم إيقاف المحرك ويتم تنشيط اللفات، يكون للمحرك أقصى عزم دوران.

3. نظرًا لأن دقة كل خطوة تبلغ حوالي 3-5% ولا يتراكم الخطأ من خطوة إلى أخرى، فإن المحركات السائر توفر دقة تحديد موضع جيدة وتكرار الحركة.

4. تتمتع محركات السائر باستجابة ممتازة عند التشغيل والإيقاف والعكس.

5. نظرًا لعدم وجود فرش، فإن الموثوقية عالية نسبيًا. يعتمد عمر المحرك بشكل أساسي على عمر التحمل.

6. يتم تحديد استجابة المحرك من خلال نبضات الإدخال الرقمية، مما يسمح بالتحكم في الحلقة المفتوحة. وهذا يجعل هيكل المحرك بسيطًا نسبيًا ويبقي تكاليف التحكم منخفضة.

7. يمكن للمحرك أن يدور بشكل متزامن بسرعات منخفضة للغاية حتى عندما يكون الحمل متصلاً مباشرة بعمود المحرك.

8. ونظرًا لأن السرعة تتناسب مع تردد النبضة، فإن المحركات السائر توفر نطاقًا واسعًا نسبيًا من السرعة.

العيوب

1. التحكم غير السليم يمكن أن يسبب الرنين.

2. من الصعب العمل بسرعات عالية جدًا.

3. من الصعب الحصول على عزم دوران عالي بسرعة عالية.

4. لا تتمتع المحركات الخطوية بمزايا من حيث الحجم والوزن في بعض التطبيقات، وقد يكون استخدام الطاقة منخفضًا نسبيًا.

5. عندما يتجاوز الحمل قدرة المحرك، يمكن فقدان التزامن. قد يؤدي التشغيل عالي السرعة أيضًا إلى حدوث اهتزازات وضوضاء.

اختيار محرك السائر

يتم اختيار محركات السائر بشكل أساسي وفقًا لثلاثة معايير رئيسية:

·  زاوية الخطوة

·  عقد عزم الدوران

·  حاضِر

1. اختيار زاوية الخطوة

تعتمد زاوية خطوة المحرك على متطلبات دقة الحمل.

يجب تحويل الحد الأدنى من الدقة التي يتطلبها الحمل إلى الحركة الزاوية المقابلة عند عمود المحرك.

يجب أن تكون زاوية خطوة المحرك مساوية أو أصغر من هذا المتطلب الزاوي.

تشمل زوايا خطوة محرك السائر الشائعة ما يلي:

·  0.36 درجة / 0.72 درجة للمحركات خماسية الطور

·  0.9 درجة / 1.8 درجة للمحركات ثنائية وأربعة الطور

·  1.5°/3° للمحركات ثلاثية الطور

2. عقد اختيار عزم الدوران

من الصعب تحديد عزم الدوران الديناميكي للمحرك السائر بشكل مباشر، لذلك غالبًا ما يتم استخدام عزم الدوران أولاً عند اختيار المحرك.

يعتمد عزم الدوران المطلوب على حمل المحرك.

ويمكن تقسيم الحمل إلى:

·  الحمل بالقصور الذاتي

·  حمل الاحتكاك

عند البدء مباشرة، عادةً من سرعة منخفضة، يجب مراعاة كلا النوعين من الأحمال.

أثناء التسارع والبدء، يكون الحمل بالقصور الذاتي مهمًا بشكل خاص.

أثناء التشغيل بسرعة ثابتة، يكون حمل الاحتكاك هو الاعتبار الرئيسي.

في ظل الظروف العامة، يجب أن يكون عزم الدوران حوالي 2-3 أضعاف حمل الاحتكاك.

بمجرد اختيار عزم الدوران، يمكن تحديد حجم إطار المحرك وطول المحرك.

3. الاختيار الحالي

يمكن أن يكون للمحركات التي لها نفس عزم الدوران خصائص تشغيل مختلفة لأن معلماتها الحالية تختلف.

يجب تحديد تيار المحرك من خلال الرجوع إلى المنحنى المميز لسرعة عزم دوران المحرك.

الفرق بين المحركات السائر ثنائية القطب وأحادية القطب

أحادي القطب وثنائي القطب هما أكثر معماريات محرك السائر استخدامًا.

أحادي القطب

تستخدم دائرة القيادة أحادية القطب أربعة ترانزستورات لقيادة مرحلتي المحرك السائر.

يحتوي المحرك على ملفين موصولين بالمركز وعادةً ما يحتوي على ستة أسلاك خارجية.

يُطلق على هذا النوع من المحركات أحيانًا اسم محرك رباعي الطور، لكن هذا المصطلح يمكن أن يسبب ارتباكًا وهو غير صحيح من الناحية الفنية.

الوصف الأكثر دقة هو محرك متدرج ثنائي الطور بستة أسلاك.

على الرغم من أن محرك السائر ذو ستة أسلاك يسمى عادةً محرك السائر أحادي القطب، إلا أنه يمكن استخدامه فعليًا مع دائرة قيادة أحادية القطب أو ثنائية القطب.

ثنائي القطب

تستخدم دائرة القيادة ثنائية القطب ثمانية ترانزستورات لقيادة المرحلتين.

يمكن لدائرة القيادة ثنائية القطب أن تقود محركات متدرج ذات أربعة أسلاك وستة أسلاك.

لا يمكن تشغيل المحرك ذو الأربعة أسلاك إلا باستخدام دائرة قيادة ثنائية القطب.

ومع ذلك، يمكن للمحركات ذات الأسلاك الأربعة أن تقلل التكاليف بشكل كبير في تطبيقات الإنتاج الضخم.

عدد الترانزستورات المستخدمة في محرك السائر ثنائي القطب هو ضعف عدد الترانزستورات المستخدمة في محرك أحادي القطب.

عادةً ما يتم تشغيل الترانزستورات الأربعة السفلية مباشرةً بواسطة المتحكم الدقيق، بينما تتطلب الترانزستورات العلوية دارات تشغيل عالية الجانب باهظة الثمن نسبيًا.

تحتاج الترانزستورات الموجودة في دائرة القيادة ثنائية القطب فقط إلى تحمل جهد المحرك.

ولذلك، على عكس دائرة القيادة أحادية القطب، فإن دائرة القيادة ثنائية القطب لا تتطلب دائرة تثبيت.