بفضل خفة وزنها وقلة عزمها وكفاءتها العالية، أصبحت محركات التيار المستمر بدون قلب خيارًا شائعًا في مجموعة واسعة من الصناعات. يتطلب التحكم في سرعة محرك التيار المستمر بدون قلب نظام تحكم مصمم بعناية لتحسين الأداء وضمان التشغيل السلس.
في هذه المقالة، سنناقش الطرق المستخدمة للتحكم في سرعة محرك التيار المستمر بدون قلب، وتوفير بيانات حول تقنيات التحكم الشائعة للمساعدة في فهم الطريقة المناسبة للتطبيقات المختلفة.
المبادئ الأساسية للتحكم في سرعة محرك التيار المستمر
من المهم فهم كيفية ارتباط سرعة المحرك والجهد والتيار والحمل من أجل تشغيل محرك تيار مستمر بدون قلب بكفاءة. عادة ما تكون سرعة محرك التيار المستمر متناسبة مع الجهد المطبق:
العناصر التالية تؤثر على إدارة السرعة:
- جهد التغذية (فولت): زيادة الجهد يؤدي إلى زيادة سرعة المحرك في حين يؤدي تقليل الجهد إلى خفض السرعة.
- عزم الحمل (T): الأحمال الثقيلة ستؤدي إلى إبطاء المحرك، بينما تسمح الأحمال الخفيفة للمحرك بالعمل بشكل أسرع.
- المقاومة (R): تؤثر المقاومة في الدائرة، سواء كانت داخلية أو خارجية، على تدفق التيار، وبالتالي تؤثر على سرعة المحرك.
- القوة الدافعة الكهربائية العكسية (E): عندما يدور المحرك، فإنه يولد قوة دافعة كهربائية عكسية (EMF)، والتي تعارض جهد الدخل، مما يقلل من السرعة الإجمالية.
فهم التحكم في سرعة محرك التيار المستمر بدون قلب
الفكرة الأساسية وراء تشغيل محرك التيار المستمر بدون قلب هي تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. سرعة المحرك تتناسب عكسيا مع الحمل وترتبط مباشرة بالجهد المطبق. لذلك، للتحكم في سرعة المحرك، نحتاج إلى ضبط الجهد المزود أو إدارة تدفق التيار داخل النظام.
فيما يلي العوامل الأساسية التي تؤثر على سرعة محركات التيار المستمر بدون قلب:
- جهد التغذية (فولت): زيادة الجهد يؤدي إلى زيادة سرعة المحرك في حين يؤدي تقليل الجهد إلى خفض السرعة.
- عزم الحمل (T): الأحمال الثقيلة ستؤدي إلى إبطاء المحرك، بينما تسمح الأحمال الخفيفة للمحرك بالعمل بشكل أسرع.
- المقاومة (R): تؤثر المقاومة في الدائرة، سواء كانت داخلية أو خارجية، على تدفق التيار، وبالتالي تؤثر على سرعة المحرك.
- القوة الدافعة الكهربائية العكسية (E): عندما يدور المحرك، فإنه يولد قوة دافعة كهربائية عكسية (EMF)، والتي تعارض جهد الدخل، مما يقلل من السرعة الإجمالية.
المعادلة التي تحكم سرعة محرك التيار المستمر بدون قلب هي:
أين:
- n = سرعة المحرك (دورة في الدقيقة)
- V = الجهد المطبق (فولت)
- E = القوة الدافعة الكهربائية العكسية (فولت)
- k = ثابت المحرك
- T = عزم الحمل (نيوتن متر)
- C = ثابت عزم الدوران (نيوتن متر/أمبير)
من خلال التحكم بهذه المعلمات، يمكننا التحكم في سرعة المحرك بشكل فعال.
طرق التحكم في السرعة للمحركات ذات التيار المستمر بدون قلب
هناك عدة طرق للتحكم في سرعة محرك التيار المستمر بدون قلب، ولكل منها مزاياها وقيودها الخاصة. دعنا نراجع أكثر التقنيات شيوعًا.
التحكم في الجهد (التحكم الخطي)
في التحكم في الجهد، يتم ضبط سرعة المحرك عن طريق تغيير جهد الإمداد. هذه طريقة بسيطة للتحكم في السرعة، لكنها تفتقر إلى الدقة وأقل كفاءة في التطبيقات عالية الطاقة.
|
|
أين:
- V هو جهد التغذية
- القوة الدافعة الكهربائية الخلفية هي الجهد الذي يولده المحرك أثناء دورانه،
- R هي مقاومة المحرك.
بيانات طريقة التحكم بالجهد:
| الجهد (V) | السرعة (RPM) | الكفاءة (%) |
| 6 | 1,500 | 85 |
| 9 | 2,300 | 88 |
| 12 | 3,000 | 90 |
| 15 | 3,750 | 92 |
| 18 | 4,500 | 93 |
كما هو موضح في الجدول أعلاه، فإن زيادة الجهد تؤدي إلى زيادة متناسبة في سرعة المحرك، ولكن هناك حد لكفاءة هذه الطريقة عندما يصل المحرك إلى أقصى سرعته المقدرة.
b. تعديل عرض النبضة (PWM)
يعد تعديل عرض النبضة (PWM) طريقة أكثر كفاءة ودقة للتحكم في السرعة للمحركات ذات التيار المستمر بدون قلب. فبدلاً من توصيل جهد ثابت، يعمل تعديل عرض النبضة على تشغيل المحرك وإيقافه بسرعة مع ضبط طول وقت التشغيل (دورة العمل). تعمل هذه الإشارة المعدلة على تنظيم الجهد المتوسط للمحرك بكفاءة، وبالتالي سرعته.
تحدد دورة العمل الجهد المتوسط المقدم، ويتم حسابه على النحو التالي:
أين:
- Vavg = متوسط الجهد
- Vin = جهد الدخل
- D = دورة العمل (%)
على سبيل المثال، إذا كان جهد الإدخال 12 فولت ودورة العمل 50%، فإن متوسط الجهد المزود للمحرك هو 6 فولت.
|
|
بيانات طريقة التحكم PWM:
| دورة العمل (%) | الجهد المتوسط (V) | سرعة(RPM) |
| 20 | 2.4 | 1,000 |
| 40 | 4.8 | 2,000 |
| 60 | 7.2 | 3,000 |
| 80 | 9.6 | 4,000 |
| 100 | 12 | 5,000 |
كما يوضح الجدول، فإن زيادة دورة العمل تؤدي إلى زيادة متوسط الجهد، مما يزيد من سرعة المحرك بشكل متناسب.
c. التحكم الحالي
يعد التحكم في تدفق التيار طريقة أخرى لضبط سرعة محرك التيار المستمر بدون قلب. في هذه الطريقة، يتم التحكم في التيار المزود للمحرك، مما يؤثر بشكل مباشر على عزم الدوران والسرعة. تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في الصناعات التي تحتاج إلى إدارة عزم الدوران والتحكم في السرعة، مثل الروبوتات والمعدات الطبية.
|
|
بيانات طريقة التحكم الحالية:
| الحالي (أ) | السرعة (دورة في الدقيقة) | عزم الدوران (نيوتن متر) |
| 0.5 | 1,000 | 0.1 |
| 1.0 | 2,000 | 0.2 |
| 1.5 | 3,000 | 0.3 |
| 2.0 | 4,000 | 0.4 |
| 2.5 | 5,000 | 0.5 |
3. أنظمة ردود الفعل للسرعة
في التطبيقات الأكثر تقدمًا، غالبًا ما يتم إقران محركات التيار المستمر بدون قلب بأنظمة التغذية الراجعة لتحقيق التحكم في السرعة في حلقة مغلقة. الطريقة الشائعة هي استخدام مشفر يراقب سرعة المحرك في الوقت الفعلي ويضبط معلمات الإدخال للحفاظ على السرعة المطلوبة.
a. التحكم في الحلقة المغلقة باستخدام أجهزة الترميز
- المشفر: هو عبارة عن مستشعر يرصد موضع أو سرعة المحرك. وهو يوفر تغذية راجعة إلى وحدة تحكم تعمل على ضبط جهد الدخل أو التيار للحفاظ على تشغيل المحرك بالسرعة المطلوبة.
حلقة التغذية الراجعة لها أهمية بالغة في الحفاظ على اتساق السرعة، وخاصة في ظل الأحمال المتغيرة أو ظروف جهد الدخل.
b. التحكم النسبي التكاملي المشتق (PID)
في نظام الحلقة المغلقة، يتم استخدام وحدة تحكم PID بشكل عام لتحسين أداء سرعة المحرك. من خلال إجراء تعديلات في الوقت الفعلي، تعمل وحدة التحكم PID على تغيير سرعة المحرك استجابة للانحرافات بين نقطة الضبط المستهدفة والسرعة الفعلية (الخطأ).
- متناسب (P): يصحح الخطأ الحالي
- تكاملي (I): يعالج الأخطاء السابقة من خلال جمعها على مدار الوقت
- مشتق (D): يتنبأ بالأخطاء المستقبلية بناءً على معدل التغيير
بيانات التحكم PID للمحرك DC بدون قلب:
| الزمن (ثانية) | السرعة المحددة (RPM) | السرعة الفعلية (RPM) | الخطأ (RPM) |
| 0 | 3,000 | 2,800 | 200 |
| 1 | 3,000 | 2,900 | 100 |
| 2 | 3,000 | 3,000 | 0 |
| 3 | 3,000 | 3,000 | 0 |
كما هو موضح في الجدول، يعمل متحكم PID على تقليل الخطأ تدريجيًا، مما يؤدي إلى الوصول إلى السرعة المطلوبة في غضون ثانيتين.
نظرة عامة مقارنة لطرق التحكم في السرعة
| طريقة التحكم | التعقيد | الكفاءة | التكلفة | التطبيقات |
| التحكم في الجهد | منخفض | متوسطة | منخفضة | التطبيقات البسيطة، الأجهزة منخفضة الدقة |
| التحكم عبر PWM | متوسط | عالية | متوسطة | الروبوتات، الطائرات بدون طيار، السيارات، الأجهزة الدقيقة |
| التحكم في التيار | عالي | منخفضة | عالية | التطبيقات الحساسة لعزم الدوران، الروبوتات |
| PID مع المشفر | عالي جدًا | عالية جدًا | عالية | الأجهزة عالية الدقة، المعدات الطبية |
خاتمة
يتطلب التحكم في سرعة محرك التيار المستمر بدون قلب اختيار الطريقة الصحيحة بناءً على التطبيق ومتطلبات الطاقة ودقة التحكم. بالنسبة للتطبيقات حيث يكون التحكم الدقيق في السرعة والاستجابة أمرًا بالغ الأهمية، تقدم Gian Transimission الحل الأكثر موثوقية.