تُعد محركات السيرفو والمحركات المتدرجة من أكثر أنواع المحركات استخدامًا في الصناعات مثل الروبوتات والأتمتة وآلات التحكم الرقمي بالكمبيوتر. ورغم أن كليهما يعملان كمشغلات، فإن الاختيار بينهما يعتمد على عوامل أداء مختلفة مثل عزم الدوران والسرعة والتحكم في النظام والمزيد.

محركات المؤازرة

إن التحكم الدقيق في التسارع والسرعة والموضع الزاوي أو الخطي هو سمة من سمات محركات السيرفو. وهي أنظمة ذات حلقة مغلقة تتطلب التغذية الراجعة لمراقبة الأداء وضبط موضع المحرك وفقًا لذلك. ونظرًا لدقتها العالية وقدرتها على الاستجابة، تُستخدم محركات السيرفو بشكل متكرر في الأتمتة الصناعية والروبوتات وآلات التحكم الرقمي بالكمبيوتر.

الايجابيات:

  • دقة عالية وضبط بفضل التحكم في الحلقة المغلقة.
  • قادرة على التشغيل بسرعة عالية مع عزم دوران ثابت.
  • يمكن تشغيلها تحت أحمال ثقيلة دون فقدان الخطوات.
  • موفرة للطاقة حيث تسحب التيار فقط حسب الحاجة.

سلبيات:

  • أكثر تكلفة بسبب المكونات المضافة مثل أجهزة الترميز ووحدات التحكم.
  • إعداد أكثر تعقيدًا يتطلب الضبط والمعايرة.
  • يتطلب مستوى أعلى من الصيانة.

محركات السائر

على النقيض من ذلك، يتم تصنيع المحركات ذات السائر للتحرك في خطوات مميزة. وهي عبارة عن أنظمة ذات حلقة مفتوحة، مما يعني أنها تعمل دون الحاجة إلى ردود فعل للتحكم في موضعها. وفي التطبيقات مثل الطابعات ثلاثية الأبعاد، والآلات النسيجية، وغيرها من عمليات الأتمتة حيث تكون القدرة على التكرار وتحديد الموضع الدقيق أمرًا ضروريًا، يتم استخدام المحركات ذات السائر بشكل متكرر.

الايجابيات:

  • حل بسيط ومنخفض التكلفة للتطبيقات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا.
  • عزم دوران عالي دون الحاجة إلى تيار مستمر.
  • لا حاجة إلى ردود فعل، مما يجعله نظام تحكم مباشر.
  • مثالي للتطبيقات منخفضة السرعة وعزم الدوران العالي.

سلبيات:

  • نطاق سرعة محدود مع انخفاض سريع في عزم الدوران عند السرعات العالية.
  • يمكن أن يفقد الخطوات تحت الحمل دون أي وسيلة لتصحيح الأخطاء.
  • أقل كفاءة في استخدام الطاقة لأنه يسحب التيار باستمرار حتى عند الإمساك به.

مقارنة مبادئ العمل

مبدأ عمل محرك السيرفو

Servo Motor Working Principle

يستخدم محرك السيرفو حلقة تغذية مرتدة (مثل جهاز الترميز) لمراقبة موضعه الفعلي باستمرار وضبطه بناءً على الموضع المطلوب الذي يرسله جهاز التحكم. تضمن حلقة التغذية المرتدة دقة عالية. يمكن تعديل سرعة المحرك وعزم دورانه باستمرار، مما يسمح بالتشغيل السلس.

  • نظام تغذية مرتدة مغلق الحلقة: يراقب ويضبط باستمرار.
  • إشارة التحكم: يغير دورة عمل إشارة تعديل عرض النبضة (PWM).
  • نوع المحرك: عادةً ما يكون إما محرك تيار مستمر بدون فرشاة أو محرك تيار متردد.
  • المشفر: يستخدم لتغذية مرتدة للموضع.

مبدأ عمل المحرك المتدرج

Stepper Motor Working Principle

تعمل محركات السائر عن طريق تقسيم دورة كاملة إلى عدة مراحل، وعادة ما تكون بين 200 و400 خطوة لكل دورة. ولكل خطوة زاوية دوران مقابلة. وعلى عكس محركات السيرفو، لا تحتاج محركات السائر إلى تغذية مرتدة للموضع لأنها تقسم الحركة بطبيعتها إلى خطوات مميزة.

  • نظام التحكم في الحلقة المفتوحة: لا توجد آلية تغذية مرتدة، ولكن التحكم الدقيق في الخطوات يضمن الدقة.
  • زاوية الخطوة: الدوران لكل نبضة، عادة 1.8 درجة للمحركات ذات 200 خطوة.
  • إشارة التحكم: تحدد النبضات المرسلة إلى محرك المحرك عدد الخطوات.

استهلاك التيار والطاقة

تختلف المتطلبات الحالية للمحركات المؤازرة والمحركات المتدرجة بشكل كبير بسبب مبادئ عملها وتطبيقاتها.

نوع المحرك تيار التشغيل استهلاك الطاقة تنظيم التيار
محرك السيرفو متغير، يعتمد على الحمل أقل عند الخمول، أعلى تحت الحمل تنظيم تيار مغلق يعتمد على التغذية الراجعة
محرك الخطوة ثابت، بغض النظر عن الحمل استهلاك طاقة أعلى بسبب السحب المستمر للتيار نظام مفتوح بدون تغذية راجعة
  • محركات السيرفو: يتفاوت استهلاك التيار لمحرك السيرفو ويرتبط ارتباطًا مباشرًا بمتطلبات الحمل وعزم الدوران. فعندما لا يتحرك المحرك أو لا يحتفظ بموضعه، فإنه يستهلك طاقة أقل. ومع ذلك، في ظل الحمل الثقيل، يزداد التيار مع ضبط نظام التغذية الراجعة للطاقة للحفاظ على الأداء.
  • محركات السائر: تستهلك محركات السائر تيارًا ثابتًا بغض النظر عن الحمل. وتؤدي هذه الخاصية إلى استهلاك طاقة أعلى، حتى عندما لا يتحرك المحرك أو في ظل ظروف تحميل منخفضة.

مقارنة عزم الدوران والسرعة

يعد عزم الدوران والسرعة عاملين أساسيين في تحديد مدى ملاءمة المحرك لتطبيق معين.

نوع المحرك أقصى عزم دوران العزم عند السرعات العالية تموج العزم
محرك السيرفو عالٍ عالٍ منخفض
محرك الخطوة متوسط منخفض عند السرعات العالية عالٍ
  • محركات السيرفو: تشتهر محركات السيرفو بقدرتها على توفير عزم دوران مرتفع، حتى عند السرعات العالية، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الديناميكية التي تتطلب تغييرات سريعة في السرعة وعزم الدوران. كما أنها تتميز بتموج عزم دوران منخفض بسبب حلقة التغذية الراجعة المستمرة، مما يضمن حركة سلسة.
  • محركات السائر: عند السرعات المنخفضة، تنتج محركات السائر الكثير من عزم الدوران؛ ولكن مع زيادة السرعة، يقل عزم الدوران بشكل كبير. ويقتصر استخدامها في التطبيقات التي تتطلب سرعة عالية وعزم دوران على هذه الخاصية. كما تتعرض محركات السائر لتموج عزم الدوران، مما يؤدي إلى حركة أقل سلاسة مقارنة بمحركات السيرفو.

مقارنة الرسم البياني لعزم الدوران والسرعة

لتصور الفرق، دعونا نلقي نظرة على منحنيات عزم الدوران والسرعة النموذجية لكلا النوعين من المحركات.

  • محرك السيرفو: على مدى واسع من السرعات، يكون عزم الدوران ثابتًا نسبيًا.
  • محرك السائر: ينخفض ​​عزم الدوران بشكل كبير مع زيادة السرعة.

مقارنة التحكم في النظام

يعد التحكم في النظام أحد المجالات الأساسية التي تختلف فيها محركات السيرفو والمحركات المتدرجة. تستخدم محركات السيرفو عادةً أنظمة التحكم ذات الحلقة المغلقة، بينما تعتمد محركات السيرفو على أنظمة الحلقة المفتوحة.

نوع المحرك نظام التحكم الدقة التغذية الراجعة
محرك السيرفو مغلق الدائرة عالية جدًا مشفر (تغذية راجعة للموقع)
محرك الخطوة مفتوح الدائرة متوسطة بدون تغذية راجعة
  • محركات السيرفو: تستخدم أنظمة السيرفو تغذية مرتدة مغلقة الحلقة، عادةً من أجهزة الترميز، لمراقبة وتعديل الموضع والسرعة في الوقت الفعلي. وهذا يسمح بدقة عالية، وخاصة في التطبيقات الديناميكية والمعقدة حيث تكون التعديلات في الوقت الفعلي بالغة الأهمية. إذا تعرض المحرك لزيادة التحميل أو فقدان الموضع، فإن نظام التغذية المرتدة يكتشف ذلك ويقوم بالتصحيحات.
  • محركات السائر: تعمل محركات السائر على أنظمة التحكم ذات الحلقة المفتوحة، حيث يرسل المتحكم نبضات إلى المحرك لتحقيق الموضع المطلوب. لا يوجد أي تغذية مرتدة، مما يعني أن النظام ليس لديه طريقة لمعرفة ما إذا كان المحرك قد وصل إلى الموضع الصحيح أم لا. يمكن أن يؤدي هذا إلى خطوات مفقودة أو وضع غير دقيق في ظل ظروف معينة، مثل عندما يكون هناك حمل غير متوقع.

مقارنة عدد الأقطاب

يُعرَف عدد الأقطاب المغناطيسية في الجزء الثابت للمحرك الذي يعمل جنبًا إلى جنب مع الدوار لتوليد الحركة بعدد الأقطاب. يؤثر هذا العدد بشكل كبير على أداء كل من محركات السيرفو والمحرك المتدرج.

نوع المحرك عدد الأقطاب النموذجي التأثير على الأداء
محرك السيرفو منخفض (6-12 قطبًا) سرعة أعلى، دقة أقل
محرك الخطوة مرتفع (50-200 قطبًا) سرعة أقل، دقة أعلى
  • محركات السيرفو: عادةً ما يكون عدد أقطاب محركات السيرفو أقل (من 6 إلى 12 قطبًا)، مما يسمح لها بالعمل بسرعات أعلى كثيرًا. ومع ذلك، نظرًا لعدد الأقطاب الأقل، فقد تتطلب آليات تحكم أكثر تعقيدًا لتحقيق نفس الدقة مثل محركات السائر.
  • محركات السائر: تتميز محركات السائر بعدد أقطاب أعلى بشكل ملحوظ، يتراوح غالبًا من 50 إلى 200 قطب. يتيح هذا العدد المرتفع من الأقطاب التحكم بشكل أفضل في موضع المحرك (دقة عالية)، ولكنه يحد من السرعة القصوى التي يمكن للمحرك تحقيقها.

مقارنة التكاليف

نوع المحرك التكلفة الأولية تكلفة التشغيل (الطاقة، الصيانة) التكلفة على مدى العمر الافتراضي
محرك السيرفو 300 – 1100+ دولار منخفضة (كفاءة طاقة عالية، صيانة معتدلة) 500 – 2000+ دولار
محرك الخطوة 50 – 300 دولار متوسطة إلى عالية (استهلاك طاقة مستمر، صيانة منخفضة) 100 – 500 دولار
  • محركات السيرفو: تكاليف أولية وتكاليف صيانة أعلى، ولكنها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بمرور الوقت، مع أداء أفضل في التطبيقات عالية السرعة وعزم الدوران العالي. وفي ظل الظروف الصعبة، توفر عائدًا أفضل على الاستثمار على المدى الطويل.
  • محركات السائر: التكاليف الأولية والتشغيلية المنخفضة تجعلها مثالية للتطبيقات الحساسة للميزانية مع متطلبات أداء منخفضة إلى متوسطة. وهي ممتازة للتطبيقات ذات السرعة المنخفضة التي لا تتطلب دقة عالية أو التعامل مع الأحمال الديناميكية.

سمات التطبيق

يلعب التطبيق المحدد ومتطلبات عزم الدوران والسرعة والدقة دورًا رئيسيًا في الاختيار بين محرك المؤازرة ومحرك السائر.

سمات التطبيق للمحرك الخطوي مقابل المحرك المؤازر
متطلبات التقديم ستيبر سيرفو متطلبات التقديم جهاز المشي بجد متطلبات التقديم ستيبر سيرفو متطلبات التقديم جهاز المشي بجد متطلبات التقديم ستيبرسيرفو متطلبات التقديم جهاز المشي بجد
أعلى كثافة عزم الدوران √ تجارة الاحتجاز √ أعلى كثافة عزم الدوران √ تجارة الاحتجاز √ أعلى كثافة عزم الدوران √ تجارة الاحتجاز √
أكبر عزم دوران ونطاق سرعة √ أحمال القصور الذاتي تصل إلى 30:1(J_load :Jm) √ ممكن أكبر عزم دوران ونطاق سرعة √ أحمال القصور الذاتي تصل إلى 30:1(J_load :Jm) √ ممكن أكبر عزم دوران ونطاق سرعة √ أحمال القصور الذاتي تصل إلى 30:1(J_load :Jm) √ ممكن
حلقة مفتوحة (نموذجية) √ أحمال القصور الذاتي تصل إلى 200:1(J_load :Jm) ممكن DD+(R/L)* حلقة مفتوحة (نموذجية) √ أحمال القصور الذاتي تصل إلى 200:1(J_load :Jm) ممكن DD+(R/L)* حلقة مفتوحة (نموذجية) √ أحمال القصور الذاتي تصل إلى 200:1(J_load :Jm) ممكن DD+(R/L)*

خاتمة

تتمتع كل من محركات السائر ومحركات السيرفو بمزايا وعيوب. تحدد متطلبات التطبيق، مثل عزم الدوران والسرعة وتعقيد نظام التحكم، المحرك الذي يجب استخدامه.

تُفضَّل محركات السيرفو في البيئات عالية الدقة والسرعة والديناميكية نظرًا للتحكم في الحلقة المغلقة والأداء العالي عبر سرعات متفاوتة. من ناحية أخرى، تعد محركات السائر مناسبة للتطبيقات منخفضة التكلفة والمنخفضة إلى المتوسطة السرعة حيث يكفي التحكم في الحلقة المفتوحة.