عند مناقشة المحركات المستخدمة في التطبيقات الميكانيكية والإلكترونية المختلفة، غالبًا ما يتم ذكر كل من المحركات المتدرجة والمحركات ذات التيار المستمر. في حين أن المحركات المتدرجة هي من الناحية الفنية نوع من محركات التيار المستمر، فإن تصميمها وتشغيلها وتطبيقها يختلف بشكل كبير عن محركات التيار المستمر التقليدية. يعد فهم هذه الاختلافات أمرًا ضروريًا للمهندسين والهواة والفنيين الذين يتطلعون إلى اختيار المحرك المناسب لمشاريعهم.
محرك السائر: نوع فرعي من محركات التيار المستمر
من الأهمية بمكان أن نؤكد أن المحركات ذات السائر هي مجموعة فرعية من محركات التيار المستمر قبل استكشاف الفروق بينها. تعمل كل من المحركات ذات السائر والمحركات ذات التيار المستمر التقليدية بالتيار المستمر (DC)، مما يعني أنها تعمل بالكهرباء التي تتدفق في اتجاه واحد. ومع ذلك، تختلف هياكلها وطرق تشغيلها، مما يؤدي إلى خصائص واستخدامات مميزة.
تم تصميم نوع معين من محركات التيار المستمر يسمى محرك السائر للتحرك في خطوات مميزة. وعلى عكس محركات التيار المستمر التقليدية التي تدور باستمرار، تتقدم محركات السائر بشكل تدريجي بزوايا دقيقة (خطوات) عند تطبيق نبضات كهربائية. تعد محركات السائر مثالية للتطبيقات التي تحتاج إلى حركة دقيقة بسبب حركتها المتدرجة، والتي تمكن من التحكم الدقيق في الموضع.
كيف تعمل محركات السائر ومحركات التيار المستمر؟
لفهم الاختلافات بين محركات السائر ومحركات التيار المستمر، من المهم فحص كيفية عمل كل نوع من أنواع المحركات.
تشغيل المحرك المتدرج
يتكون المحرك الخطوي من دوار (لب مغناطيسي أو حديدي مغناطيسي) محاط بملفات ثابتة متعددة مرتبة في مراحل. توفر هذه الملفات مجالات مغناطيسية تجذب أو تتنافر الدوار، مما يتسبب في تحركه بشكل تدريجي، اعتمادًا على الترتيب الذي يتم به تشغيلها. يتم تمثيل جزء من الدورة الكاملة بكل خطوة، والتي تتراوح عادةً من 1.8 درجة إلى 15 درجة. يمكن التحكم في تنشيط الملفات بشكل متسلسل بواسطة برنامج تشغيل المحرك الخطوي أو متحكم دقيق، مما يتيح للمحرك التحرك بدقة في خطوات محددة مسبقًا.
تتضمن الخصائص الرئيسية للمحركات المتدرجة ما يلي:
- الحركة المنفصلة: من الممكن التحكم الدقيق في الموضع والدوران لأن المحركات المتدرجة تتحرك على مراحل.
- عزم دوران عالي: عندما لا يدور المحرك المتدرج، فإنه يستطيع الحفاظ على موضعه بعزم دوران عالي.
- التحكم بالنبضات: تعمل المحركات المتدرجة عن طريق الحصول على نبضات تيار تحدد عدد الخطوات واتجاه الحركة.
تشغيل محرك التيار المستمر
من ناحية أخرى، تعمل محركات التيار المستمر التقليدية وفقًا لمبادئ أبسط. عادةً ما يحتوي محرك التيار المستمر على دوار (محرك) وثابت يخلقان مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا. عندما يتم تطبيق الجهد على الأطراف، يتدفق التيار عبر لفائف المحرك، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا يتفاعل مع المجال المغناطيسي للثابت. يخلق هذا التفاعل عزم الدوران، مما يتسبب في دوران الدوار باستمرار.
تتضمن الخصائص الرئيسية لمحركات التيار المستمر ما يلي:
- الدوران المستمر: تدور محركات التيار المستمر باستمرار عند تشغيلها، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب حركة سلسة ومستمرة.
- التشغيل البسيط: من السهل التحكم فيها، وغالبًا ما تتطلب مصدر طاقة متغيرًا فقط أو وحدة تحكم في المحرك لتنظيم السرعة.
- السرعة العالية: يمكن لمحركات التيار المستمر الوصول إلى سرعات عالية، وهو ما قد يكون مفيدًا في تطبيقات مثل المراوح والمضخات وغيرها من الأنظمة الميكانيكية.
محركات السائر مقابل محركات التيار المستمر
على الرغم من أن كليهما يعمل بالتيار المستمر، فإن المحركات المتدرجة والمحركات ذات التيار المستمر تختلف بشكل كبير في البنية وآليات التحكم والتطبيقات. فيما يلي قائمة بالاختلافات الأساسية بين هذين النوعين من المحركات:
أ. الحركة والتمركز
محرك السائر: إن القدرة على التحرك بزيادات تدريجية دقيقة هي ما يميز محرك السائر. ولهذا السبب، فإن محركات السائر مثالية للأجهزة مثل الأذرع الآلية وآلات التحكم الرقمي بالكمبيوتر والطابعات ثلاثية الأبعاد التي تحتاج إلى تحديد المواقع بدقة. ونظرًا لأن عدد النبضات التي يتم إعطاؤها للمحرك يحدد مقدار الحركة التي يقوم بها، فإن محركات السائر لا تحتاج إلى أنظمة تغذية مرتدة للبقاء في مكانها.
محرك التيار المستمر: يوفر محرك التيار المستمر التقليدي دورانًا مستمرًا وهو أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب حركة سلسة وغير متقطعة، مثل الأحزمة الناقلة والمحركات الميكانيكية البسيطة. غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى آلية تغذية مرتدة خارجية، مثل مقياس الجهد أو المشفر، للتحكم في الموضع باستخدام محركات التيار المستمر من أجل تتبع وتعديل الموضع.
ب. التحكم في السرعة
محرك السائر: من خلال تغيير تردد النبضة المدخلة، يمكن لمحركات السائر تحقيق التحكم الدقيق في السرعة. ومع ذلك، تكون سرعتها القصوى أقل عمومًا من سرعة محركات التيار المستمر، وينخفض عزم الدوران مع زيادة السرعة. تعمل محركات السائر بشكل جيد في المواقف التي تتطلب كل من الحركة الدقيقة والتحكم في السرعة.
محرك التيار المستمر: تتميز محركات التيار المستمر بالعمل بسرعات عالية كما أنها سهلة التحكم نسبيًا لتنظيم السرعة. ويمكن استخدام تعديل عرض النبضة (PWM) أو تغيير جهد الدخل لضبط السرعة. تحافظ محركات التيار المستمر على عزم الدوران بشكل أفضل عند السرعات العالية مقارنة بمحركات السائر.
ج. عزم الدوران والقوة
محرك السائر: إحدى مزايا محركات السائر هي قدرتها على الحفاظ على عزم دوران مرتفع عند السرعات المنخفضة، مما يجعلها مثالية للاحتفاظ بموضع ثابت حتى بدون دوران مستمر. يعد عزم الدوران المرتفع هذا مفيدًا بشكل خاص في التطبيقات التي تحتاج إلى الحفاظ على موضع ثابت تحت الحمل.
محرك التيار المستمر: يمكن لمحركات التيار المستمر أن تقدم عزم دوران مرتفع بسرعات عالية، ولكن عزم الدوران ينخفض عمومًا مع تباطؤ المحرك. وفي حين يمكن تعديلها باستخدام أنظمة التروس لزيادة عزم الدوران، إلا أنها لا تتمتع بالقدرة الكامنة على الحفاظ على عزم الدوران عند الثبات دون تحكم إضافي.
د. التعقيد والتحكم
محرك السائر: نظام التحكم في محركات السائر أكثر تعقيدًا من محركات التيار المستمر. تتطلب محركات السائر وحدات تحكم أو برامج تشغيل متخصصة ترسل تسلسلات نبضية لتدوير المحرك في خطوات محددة. ومع ذلك، يصبح التحكم الأكثر دقة في الحركة والموقع ممكنًا بفضل هذا التعقيد.
محرك التيار المستمر: من الأسهل التحكم في محركات التيار المستمر، حيث تحتاج فقط إلى مصدر طاقة، وبشكل اختياري، مشغل محرك أو وحدة تحكم لضبط السرعة. يمكن إدارة التحكم في الاتجاه باستخدام دائرة جسر H بسيطة، مما يجعلها أسهل في التنفيذ للتطبيقات الأساسية.
هـ. الملاحظات والدقة
محرك السائر: تتمتع محركات السائر بميزة عدم الحاجة إلى أجهزة تغذية مرتدة لوضع الحلقة المفتوحة. يتم تحديد الموضع الدقيق من خلال عدد النبضات، مما يضمن مستوى عالٍ من الدقة. ومع ذلك، بدون نظام الحلقة المغلقة، هناك خطر تفويت الخطوات تحت الأحمال الثقيلة أو ظروف السرعة العالية.
محرك التيار المستمر: لتحديد المواقع بدقة، تتطلب محركات التيار المستمر عادةً نظام تغذية مرتدة، مثل جهاز ترميز، لتوفير معلومات حول موضع المحرك أو سرعته. يضمن هذا التحكم في الحلقة المغلقة دقة أعلى ويصحح أي انحرافات أثناء التشغيل.
وفيما يلي مخطط المقارنة التالي:
| الميزة | محرك الخطوة | المحرك الكهربائي المستمر (DC) |
| الحركة | يتحرك بخطوات دقيقة | دوران مستمر |
| التحكم | يتطلب مشغلًا معقدًا للتحكم في النبضات | تحكم بسيط بمصدر طاقة |
| تحديد الموقع | دقة عالية دون الحاجة إلى استرجاع البيانات | يحتاج إلى استرجاع البيانات لتحديد الموقع بدقة |
| العزم | عزم مرتفع عند السرعات المنخفضة | عزم مرتفع عند السرعات العالية |
| السرعة | سرعة قصوى منخفضة | سرعة قصوى أعلى |
| عزم التثبيت | يحافظ على موضعه عند التوقف | يتطلب طاقة للحفاظ على الموضع |
| التطبيق | المهام الدقيقة (مثل الطابعات ثلاثية الأبعاد، ماكينات CNC) | المهام عالية السرعة (مثل المراوح، المضخات) |
ملاءمة التطبيق
يعتمد استخدام محرك متدرج أو محرك تيار مستمر على المتطلبات المحددة للتطبيق:
تعمل محركات السائر بشكل أفضل في المواقف التي تتطلب التحكم الدقيق في الموضع والحركة. ومن الأمثلة الشائعة ما يلي:
- الطباعة ثلاثية الأبعاد: تضمن حركة دقيقة لرأس الطابعة.
- آلات CNC: توفر وضعًا دقيقًا للأدوات.
- الأذرع الآلية: تمكن من التحكم في الحركة لعمليات الالتقاط والوضع.
تعتبر محركات التيار المستمر مثالية للتطبيقات التي تتطلب دورانًا مستمرًا وسلسًا دون التركيز القوي على الدقة. تُستخدم عادةً في:
- المراوح والمنفاخات: توفر تدفقًا ثابتًا للهواء.
- المركبات الكهربائية: توفر دفعًا سلسًا وفعالًا.
- أحزمة النقل: تضمن حركة ثابتة لمناولة المواد.
في حين أن محركات السائر هي نوع فرعي من محركات التيار المستمر، فإن خصائصها الفريدة تميزها عن محركات التيار المستمر التقليدية. نظرًا لأنها قد تتحرك بزيادات مميزة، فإن مصنعي محركات السائر يصنعون هذه المحركات لأداء استثنائي في المواقف التي تتطلب التحكم الدقيق والوضع. من ناحية أخرى، فإن محركات التيار المستمر التقليدية أسهل في الاستخدام وأكثر ملاءمة لمهام الدوران المستمر عالية السرعة.