تُعد المحركات الخطوية مكونًا أساسيًا في تطبيقات التحكم الدقيق، حيث توفر حركة دقيقة وتحديدًا دقيقًا من خلال الخطوات في حركات تدريجية. ومن بين الأنواع المختلفة للمحركات الخطوية، يبرز المحرك الخطوي ذو المغناطيس الدائم (PM) والمحرك الخطوي ذو الممانعة المتغيرة (VR) بسبب هياكلهما الفريدة ومبادئ التشغيل.
أنواع المحركات المتدرجة
تحول المحركات المتدرجة النبضات الكهربائية إلى دوران ميكانيكي، مما يسمح بالتحكم الدقيق في الحركة دون الحاجة إلى أنظمة ردود الفعل. فيما يلي الأنواع الرئيسية للمحركات المتدرجة:
- محركات السائر ذات المغناطيس الدائم (PM): تستخدم هذه المحركات مغناطيسات دائمة في الدوار لإنتاج خطوات منفصلة.
- محركات السائر ذات الممانعة المتغيرة (VR): تعمل هذه المحركات باستخدام الممانعة المغناطيسية بدلاً من المغناطيسات الدائمة في الدوار.
- محركات السائر الهجينة: مزيج من تصميمات PM وVR، مما يوفر دقة محسنة. ومع ذلك، من منظور وحدة التحكم، فإن المحركات الهجينة تشبه محركات السائر ذات الممانعة المتغيرة.
الاختلافات الرئيسية بين PMSM وVRSM
| الجانب | محرك الخطوة المغناطيسي الدائم (PMSM) | محرك الخطوة بتغير الممانعة (VRSM) |
| تكوين الدوار | مغناطيس دائم | نواة من الحديد اللين |
| مبدأ التشغيل | تفاعل مغناطيسي بين مجال الجزء الثابت وأقطاب الدوار | يحاذي الدوار نفسه لتقليل الممانعة المغناطيسية |
| عزم التثبيت | مرتفع بسبب المجال المغناطيسي الدائم | أقل، يعتمد على الجذب المغناطيسي |
| دقة الخطوات | عالية، توفر تشغيلًا أكثر سلاسة ودقة أعلى | أقل، بسبب الاعتماد على محاذاة الممانعة المغناطيسية |
| عزم التوقف | موجود (يبقى المحرك في موقعه بدون تيار) | غير موجود (الدوار حر في الدوران عند عدم تنشيطه) |
| التكلفة | أعلى بسبب استخدام المغناطيسات الدائمة | أقل، تصميم أبسط بدون مغناطيس دائم |
| التطبيقات | يستخدم في التطبيقات التي تتطلب دقة وعزمًا مرتفعين | مناسب للتطبيقات التي تحتاج إلى تحكم بسيط في الحركة بتكلفة أقل |
| نسبة العزم إلى القصور الذاتي | مرتفعة بشكل عام، مما يجعله فعالًا للتسارع والتباطؤ السريع | أقل، وبالتالي أقل ملاءمة للتطبيقات عالية السرعة |
الاختلافات البنيوية
إن فهم بنية هذه المحركات يوفر نظرة ثاقبة على سلوكياتها التشغيلية.
محرك متدرج ذو مغناطيس دائم
تتفاعل المغناطيسات الدائمة المدمجة في دوار محركات السائر ذات الدائرة الدقيقة مع المجال الكهرومغناطيسي للجزء الثابت. يمنح هذا التصميم الجزء الدوار تأثير “التوقف”، مما يعني أنه يميل إلى البقاء في مواضع ثابتة حتى عندما لا يكون مزودًا بالطاقة. تبدو حركة الجزء الدوار مسننة أو محززة عند تدويره يدويًا، بسبب الجاذبية المغناطيسية بين الجزء الدوار وأقطاب الجزء الثابت.
تكوين اللف:
- عادةً ما يكون به ملفان منفصلان، إما بوصلة مركزية أو بدونها.
- يمكن تحديده باستخدام مقياس أوم، حيث سيظهر ملفان منفصلان بدون وصلة رجوع مشتركة.
الدقة الزاوية:
- يمكن لمحركات السائر PM تحقيق دقة خطوة أدق، غالبًا ما تتراوح من 1.8 درجة لكل خطوة وحتى 0.72 درجة لكل خطوة، اعتمادًا على الطراز والتكوين.
محرك خطوي ذو ممانعة متغيرة
ومع ذلك، فإن دوار محركات السائر ذات الانعكاس المغناطيسي لا يحتوي على مغناطيسات دائمة. وبدلاً من ذلك، يتكون الدوار من حديد ناعم أو مادة مغناطيسية حديدية تتوافق مع أقطاب الجزء الثابت عند تنشيطها، مما يقلل من التردد المغناطيسي ويخلق حركة دورانية. وبدون الطاقة، تدور محركات السائر ذات الانعكاس المغناطيسي بشكل أكثر حرية، مع مقاومة طفيفة فقط بسبب المغناطيسية المتبقية في الدوار.
تكوين اللف:
- غالبًا ما تحتوي محركات VR على ثلاث أو أربع لفات، مع مسار عودة مشترك. ويمكن التأكد من ذلك باستخدام مقياس أوم، حيث سيُظهر عدة لفات تشترك في مسار عودة واحد.
الدقة الزاوية:
- تتميز محركات السائر ذات الطور الافتراضي عمومًا بزوايا خطوة أكثر خشونة مقارنة بمحركات السائر ذات الطور الجزئي. وتكون زاوية الخطوة النموذجية لمحركات السائر ذات الطور الافتراضي أعلى، مثل 15 أو 30 درجة لكل خطوة، مما يحد من دقتها للتطبيقات التي تتطلب تحكمًا أدق.
تحديد محركات السائر PM وVR
إذا كانت العلامة الموجودة على محرك السائر مفقودة، فيمكن التمييز بين محركات السائر PM وVR من خلال الملاحظات والاختبارات البسيطة:
لاختبار الدوار يدويًا، قم بتدويره بأصابعك.
- محرك السائر PM: يشعر الدوار بأنه مسنن أو محزز بسبب الجاذبية المغناطيسية للمغناطيس الدائم.
- محرك السائر VR: يدور الدوار بحرية أكبر، مع الحد الأدنى من المقاومة.
اختبار الأوممتر: افحص تكوين اللف باستخدام الأوممتر.
- محرك السائر PM: يحتوي عادةً على ملفين مستقلين.
- محرك السائر VR: عادة ما يحتوي على ثلاث أو أربع لفات مع عودة مشتركة.
التشغيل وعزم الدوران
يقوم كل من محركي الخطوة PM وVR بقفل الدوار في مكانه بزاوية ثابتة عند تنشيط ملف واحد على الأقل. يعد عزم التثبيت هذا أمرًا بالغ الأهمية للتطبيقات التي يجب أن يحافظ فيها المحرك على موضعه أثناء ثباته.
- محركات السائر PM: توفر عزم دوران أكبر نتيجة لاتصال المغناطيس الدائم للدوار والثابت. يسمح عزم الدوران هذا للمحرك بمقاومة القوى الخارجية حتى نقطة معينة قبل تجاوز عزم الدوران.
- محركات السائر ذات الطور الافتراضي: تتمتع بعزم تثبيت أقل مقارنة بمحركات السائر ذات الطور الجزئي نظرًا لعدم وجود مغناطيسات دائمة في الدوار. ويحدث تأثير التثبيت فقط من خلال محاذاة أقطاب الجزء الثابت النشطة مع أسنان الدوار.
الدقة الزاوية والخطوات الدقيقة
يمكن أن تختلف محركات السائر بشكل كبير في دقة خطواتها. يعتمد الاختيار بين محرك السائر PM ومحرك السائر VR غالبًا على الدقة المطلوبة:
- محركات السائر PM: توفر عادةً دقة خطوات أدق، مثل 1.8 أو 0.72 درجة لكل خطوة. باستخدام وحدات التحكم المتقدمة، يمكن تشغيل محركات السائر PM في وضع نصف الخطوة أو وضع الخطوات الصغيرة، مما يسمح بخطوات أصغر وحركة أكثر سلاسة.
- محركات السائر VR: تقدم عمومًا زوايا خطوة أكثر خشونة، مثل 15 أو 30 درجة لكل خطوة، مما يحد من استخدامها في التطبيقات عالية الدقة.
التطبيقات والملاءمة
يعتمد الاختيار بين محركات السائر PM وVR على احتياجات التطبيق المحددة:
محركات خطوية ذات مغناطيس دائم
المزايا:
- دقة عالية مع خطوات أكثر دقة.
- وهي مناسبة للتطبيقات التي تحتاج إلى دقة موضعية عالية بسبب عزم الإمساك الأكبر الذي تتمتع به.
القيود:
- أكثر تعقيدًا وربما أكثر تكلفة من محركات الواقع الافتراضي.Use Cases:
- الطابعات، والروبوتات، والأجهزة الدقيقة حيث تكون الحركة السلسة والمحكومة ضرورية.
محركات السائر ذات الممانعة المتغيرة
المزايا:
- بناء أبسط، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى انخفاض التكاليف.
- تكوينات لف أقل تعقيدًا مقارنة بالتصاميم الهجينة.
القيود:
- إنها أقل ملاءمة للتطبيقات عالية الدقة بسبب دقة الخطوة الأكثر خشونة وعزم الإمساك الأضعف.
- يمكن أن يكون الدوران الحر بدون طاقة عيبًا في التطبيقات التي تتطلب تثبيتًا ثابتًا.
معالجة التحديات وتحسين الأداء
بالنسبة لكلا النوعين من المحركات، فإن ضمان الأداء الأمثل قد يتضمن إجراء تعديلات وتحسينات:
تحسين أداء المحرك المتدرج
- محركات السائر PM: تستخدم محركات السائر الصغيرة لتحقيق تشغيل أكثر سلاسة وأحجام خطوات أصغر. وهذا يقلل من احتمالية حدوث الرنين عند السرعات المنخفضة ويتيح التحكم بشكل أكثر دقة في الحركة.
- محركات السائر VR: يتم إقرانها مع وحدات تحكم متطابقة يمكنها تحسين توزيع عزم الدوران للحصول على تشغيل أكثر سلاسة.
متطلبات التعامل مع الأحمال وعزم الدوران
- محركات PM: تأكد من أن عزم دوران المحرك كافٍ للحمل الذي يحتاج إلى تحريكه. قد تستفيد التطبيقات عالية الأحمال من المحركات ذات تصنيفات عزم الدوران الأعلى أو آليات خفض التروس.
- محركات الواقع الافتراضي: اختر محركات السائر الواقعية للتطبيقات ذات متطلبات عزم الدوران المنخفضة، حيث أن تصميمها الأبسط قد يكون أكثر فعالية من حيث التكلفة.
خاتمة
في حين تعمل محركات السائر ذات المغناطيس الدائم ومحركات السائر ذات التردد المتغير كحلول فعالة للتحكم في الحركة، فإن خصائصها المختلفة تجعلها مناسبة لأنواع مختلفة من التطبيقات. يسلط مصنعو محركات السائر الضوء على أن محركات السائر ذات المغناطيس الدائم توفر دقة أعلى وعزم دوران أفضل ودقة خطوة أدق، مما يجعلها الخيار الأمثل للمهام الدقيقة. على العكس من ذلك، فإن محركات السائر ذات التردد المتغير أسهل في الاستخدام وأقل تكلفة، مما يجعلها مناسبة للاستخدامات حيث لا يكون عزم الدوران والدقة العالية ضروريين.