في العديد من أنظمة الأتمتة المعاصرة، والروبوتات، ومعدات التحكم الرقمي بالكمبيوتر، وتطبيقات الدقة، تعد محركات السيرفو أجزاءً بالغة الأهمية. يمكن التحكم في الموضع والسرعة وعزم الدوران بدقة شديدة بسبب تصميمها وتصنيعها. يعد فهم العمليات الداخلية لمحرك السيرفو أمرًا أساسيًا لاختيار المحرك المناسب لتطبيقات معينة، وفي هذه المقالة، سنلقي نظرة متعمقة على بناء محرك السيرفو ومكوناته ووظائفه.
ما هو محرك السيرفو؟
يوفر جهاز كهروميكانيكي يُعرف باسم محرك السيرفو تحكمًا دقيقًا في عزم الدوران والسرعة والموضع الزاوي. يتم استخدامه بشكل متكرر في الروبوتات، وآلات التحكم الرقمي بالكمبيوتر، وأنظمة الأتمتة، والتطبيقات التي تحتاج إلى التحكم في الحركة عالية الأداء. على عكس المحركات القياسية، يتم دمج محركات السيرفو عادةً مع نظام ردود الفعل (مثل المشفر) لمراقبة الأداء وتعديله باستمرار، مما يضمن تصرف المحرك وفقًا لأوامر التحكم.
المكونات الرئيسية لمحركات السيرفو
إن بناء محرك السيرفو معقد نسبيًا، حيث يتضمن العديد من المكونات الأساسية التي تعمل معًا لتحقيق التحكم الدقيق. هذه المكونات هي:
- الجزء الثابت
- الدوار
- نظام التغذية الراجعة (المشفر أو المحلل)
- المتحكم
- مزود الطاقة
لنستكشف كل مكون بالتفصيل:
الجزء الثابت
يعتبر الجزء الثابت لمحرك السيرفو مكونه الثابت. وهو يتكون من صفائح فولاذية مغلفة ملفوفة بملفات نحاسية، متصلة بمصدر الطاقة المتردد أو المستمر. عندما تتدفق الكهرباء عبر هذه اللفات، يتم إنتاج مجال مغناطيسي يتفاعل مع الدوار لإنتاج الحركة.
- الوظيفة: في حالة محرك السيرفو المتردد، يتم إنشاء هذا المجال المغناطيسي بواسطة التيار المتناوب، بينما في محرك السيرفو المستمر، يتم توليد المجال المغناطيسي بواسطة التيار المباشر المزود لملفات المحرك.
- البناء: يتكون الجزء الثابت عادة من صفائح رقيقة من الفولاذ الكهربائي (صفائح) تعمل على تقليل فقدان الطاقة بسبب التيارات الدوامية. ويمكن استخدام لفائف النحاس أو الألومنيوم لتعظيم التوصيل الكهربائي.
الدوار
يتكون الدوار من مغناطيسات دائمة (في حالة محركات السيرفو ذات المغناطيس الدائم) أو مغناطيس كهربائي (في حالة محركات السيرفو ذات النوع الحثي). يتم نقل الناتج الميكانيكي إلى الحمل عبر العمود الذي يتم تثبيت الدوار عليه.
- الوظيفة: تتمثل مهمة الدوار في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية عن طريق الدوران داخل المجال المغناطيسي للجزء الثابت. يتم التحكم في حركة الدوار بدقة من خلال أنظمة التغذية الراجعة ووحدات التحكم لضمان الأداء الدقيق.
- البناء: في محركات التيار المستمر بدون فرشاة (BLDC)، يكون الدوار مزودًا أيضًا بمغناطيسات دائمة، ولكن في تكوين مختلف قليلاً. بالنسبة لمحركات الحث بالتيار المتردد، قد يتكون الدوار من نوى حديدية مغلفة.
نظام التغذية الراجعة (المشفر أو المحلل)
يعد نظام التغذية الراجعة أحد الأجزاء الأساسية لمحرك السيرفو. يتكون من مشفر أو محلل يتتبع باستمرار موضع المحرك وسرعته واتجاه دورانه في بعض الأحيان. يتلقى المتحكم هذه الملاحظات ويستخدمها لتعديل سلوك المحرك على الفور.
- الوظيفة: الوظيفة الأساسية لنظام التغذية الراجعة هي ضمان التحكم الدقيق من خلال توفير معلومات حول الأداء الفعلي للمحرك. إذا انحرف المحرك عن الموضع أو السرعة المطلوبة، يستخدم المتحكم هذه الملاحظات لإجراء التعديلات، وإعادة المحرك إلى نقطة الضبط المطلوبة.
أنواع أنظمة التغذية الراجعة:
- المشفرات: هي أجهزة بصرية أو مغناطيسية تقيس موضع الدوار وسرعته. قد تكون مطلقة، مما يعطي قيمة موضع ثابتة، أو تدريجية، مما يعطي زيادات في الموضع النسبي.
المحللات: هي أجهزة كهروميكانيكية تستخدم في التطبيقات عالية الدقة لتوفير ملاحظات مستمرة حول موضع الدوار.
المتحكم
المتحكم هو عقل نظام محرك السيرفو. وهو مسؤول عن معالجة إشارات التحكم، والتي يتم تلقيها عادةً من جهاز كمبيوتر أو وحدة تحكم في الحركة أو PLC، ثم إرسال الأوامر إلى المحرك. للحصول على الناتج المطلوب، يقوم المتحكم بتعديل دورة العمل وقوة الإدخال.
- الوظيفة: بعد تفسير ردود الفعل من المشفر أو المحلل، يقارن المتحكم ذلك بنقطة الضبط المقصودة. باستخدام هذه المعلومات، يرسل الأوامر إلى المحرك، لضبط الجهد أو التيار للتحكم في السرعة والموضع وعزم الدوران.
- التركيب: يتكون المتحكم عادةً من معالج دقيق أو معالج إشارة رقمي (DSP) يمكنه التعامل مع خوارزميات التحكم المعقدة (مثل التحكم PID) لضمان الأداء العالي.
مزود الطاقة
في محركات السيرفو ذات التيار المتردد، يكون هذا عادةً مصدر طاقة تيار متردد، بينما في محركات السيرفو ذات التيار المستمر، يتم استخدام مصدر طاقة تيار مستمر. يجب أن يكون مصدر الطاقة قادرًا على توصيل طاقة عالية مع أدنى حد من تقلبات الجهد أو التيار، حيث تتطلب محركات السيرفو مستويات عالية من الدقة والموثوقية.
- الوظيفة: تم تصميم مصدر الطاقة لتزويد المحرك ووحدة التحكم بالجهد والتيار اللازمين، مما يضمن التشغيل الثابت والاستخدام الاقتصادي للطاقة.
مبدأ عمل محركات السيرفو
يمكن استخدام الإجراءات التالية لفهم كيفية عمل محرك السيرفو:
- إشارة الإدخال: تتلقى وحدة التحكم إشارة إدخال، تمثل عادةً الموضع أو السرعة أو عزم الدوران المطلوب.
- مراقبة التغذية الراجعة: يراقب نظام التغذية الراجعة (المشفر أو المحلل) باستمرار الموضع الفعلي للدوار.
- حساب الخطأ: لتحديد الموضع أو السرعة المطلوبة، تقارن وحدة التحكم إشارة الإدخال بالموضع الفعلي للمشفر أو المحلل (التغذية الراجعة).
- التصحيح: يقوم المتحكم بتعديل الطاقة الموردة إلى لفائف الجزء الثابت لتصحيح موضع الدوار إذا كان هناك تناقض بين الموقع المقصود والواقعي.
- المراقبة المستمرة: يقوم المتحكم بضبط المحرك باستمرار للحفاظ على الدقة، مما يضمن وصول المحرك إلى نقطة الضبط المطلوبة والاحتفاظ بها.
أنواع محركات السيرفو
يتم تصنيف محركات السيرفو إلى مجموعة متنوعة من الأنواع بناءً على تصميمها والاستخدام المقصود منها. تشمل الأنواع الأكثر شيوعًا ما يلي:
محركات السيرفو ذات التيار المتردد:
- تستخدم التيار المتردد (AC) للتشغيل.
- تنقسم إلى محركات تيار متردد متزامنة ومحركات تيار متردد ذات مغناطيس دائم (PM) والمزيد.
- تستخدمها الروبوتات وآلات التحكم الرقمي بالكمبيوتر والأتمتة الصناعية بشكل متكرر.
محركات السيرفو ذات التيار المستمر:
- تعمل بالتيار المستمر (DC) وتوفر حركة سلسة ودقيقة.
- تستخدم بشكل شائع في التطبيقات التي تتطلب عزم دوران وسرعة منخفضين إلى متوسطين.
محركات السيرفو ذات التيار المستمر بدون فرش (BLDC):
- نوع فرعي من محركات التيار المستمر بدون فرش لا تستخدم الفرش.
- كفاءة أعلى وصيانة أقل وعمر أطول.
- يتم استخدامه في التطبيقات التي تتطلب عمر تشغيلي طويل وعزم دوران مرتفع.
| الميزة | محرك سيرفو تيار متردد | محرك سيرفو تيار مستمر | محرك سيرفو تيار مستمر بدون فرشاة |
| مصدر الطاقة | تيار متردد | تيار مستمر | تيار مستمر |
| الكفاءة | عالية | معتدلة | عالية جدًا |
| التحكم في السرعة | دقيق باستخدام أنظمة التغذية المرتدة | سهل مع تغيير الفولتية | دقيق وسلس |
| العزم | معتدل إلى مرتفع | معتدل | مرتفع |
| المتانة | متين للغاية وقوي | يتطلب صيانة أكثر | متين للغاية ومنخفض الصيانة |
| التكلفة | مكلف إلى حد ما | اقتصادي | مكلف |
| التطبيقات | الأتمتة الصناعية، الروبوتات | الأجهزة الصغيرة، الألعاب، المهام منخفضة الطاقة | المركبات الكهربائية، الطائرات بدون طيار، المعدات الطبية |
مزايا محركات السيرفو
- التحكم الدقيق: تركز تصميمات محركات السيرفو على التطبيقات التي تتطلب الدقة والإتقان. تسمح أنظمة التغذية الراجعة بالتعديل المستمر، مما يضمن بقاء المحرك على المسار الصحيح.
- الكفاءة العالية: عادةً ما تكون محركات السيرفو أكثر كفاءة من المحركات العادية، حيث تضبط مدخلات الطاقة بناءً على الطلب، مما يتجنب استهلاك الطاقة غير الضروري.
- التحكم في عزم الدوران والسرعة العاليين: توفر تحكمًا فائقًا في عزم الدوران بسرعات مختلفة، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الأحمال المتغيرة.
- عمر افتراضي طويل: نظرًا لأن محركات السيرفو (خاصة الأنواع الخالية من الفرشاة) تحتوي على عدد أقل من الأجزاء المتحركة المعرضة للتآكل، فإنها غالبًا ما تدوم لفترة أطول من المحركات العادية.
يتطلب اختيار محرك السيرفو المناسب لتطبيق معين فهم بنية المحرك. تقوم شركة تصنيع محركات السيرفو بتصميم هذه الأجهزة المعقدة للغاية، والتي تعتمد على عدة مكونات تعمل معًا لتوفير التحكم الدقيق في الموضع والسرعة وعزم الدوران. ومن خلال فهم كيفية تفاعل هذه المكونات ــ مثل الجزء الثابت والدوار ونظام التغذية الراجعة ووحدة التحكم ومصدر الطاقة ــ يمكن للمهندسين والفنيين تقييم قدرات المحرك بشكل أفضل وتحسين استخدامه في مجموعة واسعة من الصناعات. وسوف تصبح محركات السيرفو ذات أهمية متزايدة في تحقيق الدقة والكفاءة مع استمرار التقدم في مجال الأتمتة والروبوتات.