تُعدّ أنظمة المحركات الخطوية ركيزة أساسية في صناعة التحكم بالحركة. سنتناول الفروقات بين نظام الحلقة المفتوحة ونظام الحلقة المغلقة، كما سنشرح أحدث التطورات التي تجعل أنظمة المحركات الخطوية أسرع وأكثر هدوءًا وكفاءة في استهلاك الطاقة من أي وقت مضى.

لقد قطعت أنظمة المحركات الخطوية شوطًا طويلًا منذ بداياتها مع محركات الجهد الكهربائي والخطوات الكاملة. ففي البداية، ظهرت محركات تعديل عرض النبضة (PWM) والخطوات الدقيقة، ثم معالجات الإشارات الرقمية (DSPs) وخوارزميات مقاومة الرنين. واليوم، تضمن تقنية المحركات الخطوية ذات الحلقة المغلقة استمرار المحركات الخطوية كركيزة أساسية في صناعة التحكم بالحركة لسنوات قادمة.

سواء كانت الحركة خطية أو دورانية، فإنّ أهمّ عاملين يُحدّدان أيّ نظام محرك وأنظمة قيادة هي الأنسب هما عزم الدوران والكفاءة. وينطبق هذا سواء كان التطبيق النهائي نظام تجميع آلي، أو آلة مناولة مواد، أو طابعة ثلاثية الأبعاد، أو جهاز تحديد المواقع الكارتيزي، أو مضخة تمعجية، أو أيًّا من التطبيقات الأخرى العديدة التي تُفضّل فيها المحركات الخطوية.

أحدث التطورات في أنظمة المحركات الخطوية هي استخدام أجهزة تغذية راجعة منخفضة التكلفة وعالية الدقة، بالإضافة إلى معالجات الإشارات الرقمية المتقدمة، لإغلاق حلقة التحكم في حركة المحرك. تُحسّن هذه الأنظمة أداء المحركات الخطوية ذات الحلقة المغلقة، لتتفوق على أنظمة الحلقة المفتوحة. وكما سنرى، يعتمد أحد هذه الأنظمة ذات الحلقة المغلقة على تصميم محرك متكامل يشمل جهاز تغذية راجعة، ولوحات تشغيل وتحكم، وإلكترونيات الطاقة والاتصالات والإدخال/الإخراج، بالإضافة إلى موصلات النظام على جانبي المحرك وخلفه.

أنظمة المحركات الخطوية ذات الحلقة المفتوحة مقابل أنظمة المحركات الخطوية ذات الحلقة المغلقة
لنبدأ أولاً باستكشاف كيفية مقارنة أنظمة المحركات الخطوية ذات الحلقة المغلقة عالية الأداء بأنظمة المحركات الخطوية التقليدية ذات الحلقة المفتوحة من حيث عزم الدوران والكفاءة.

تتفوق أنظمة المحركات الخطوية ذات الحلقة المغلقة على أنظمة الحلقة المفتوحة في الأداء، كما يتضح من نتائج الاختبارات المعملية التي تقارن بين تسارع النظامين (العزم)، وكفاءتهما (استهلاك الطاقة)، ​​ودقة تحديد الموضع، وتوليد الحرارة، ومستويات الضوضاء. ولنتأمل العلاقة بين العزم والتسارع. تُظهر منحنيات العزم-السرعة نطاقات العزم القصوى والمستمرة لنظام المحرك الخطوي ذي الحلقة المغلقة، إلى جانب نطاق العزم القابل للاستخدام لنظام المحرك الخطوي ذي الحلقة المفتوحة. في كثير من الأحيان، يُترجم العزم في الواقع العملي إلى تسارع، لذا فإن المحركات ذات العزم الأكبر قادرة على تسريع حمل معين بشكل أسرع.

لاختبار هذا الاختلاف في أداء عزم الدوران في المختبر، يتم تطبيق أحمال قصور ذاتي متطابقة على نظامي محرك خطوي، أحدهما ذو حلقة تحكم مفتوحة والآخر ذو حلقة تحكم مغلقة، بنفس الحجم. تُبرمج الأوامر النظامين لتنفيذ نفس أنماط الحركة، باستثناء زيادة معدل التسارع والسرعة القصوى تدريجيًا في كل نظام حتى يحدث خطأ في تحديد الموضع.

لنفترض أن النظام ذو الحلقة المفتوحة يحصل على معدل تسارع أقصى قدره 1000 دورة/ثانية²وتبلغ السرعة القصوى 10 دورات/ثانية (600 دورة/دقيقة). تتوافق هذه السرعة القصوى مع نهاية الجزء المسطح من منحنى عزم الدوران والسرعة. ويحصل النظام ذو الحلقة المغلقة (بفضل قدرته العالية على إنتاج عزم الدوران) على معدل تسارع أقصى يبلغ 2000 دورة/ثانية.²وبسرعة قصوى تبلغ 20 دورة في الثانية (1200 دورة في الدقيقة). وهذا ضعف أداء النظام ذي الحلقة المفتوحة، ويقلل زمن الحركة إلى النصف تقريبًا - من 110 مللي ثانية إلى 60 مللي ثانية.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب إنتاجية عالية (مثل الفهرسة، وتحديد موضع دليل الحافة، وأنظمة الالتقاط والوضع)، يوفر نظام الحلقة المغلقة ميزة أداء واضحة.

كفاءة الدائرة المفتوحة مقابل كفاءة الدائرة المغلقة

لقياس الكفاءة النسبية لنظام الحلقة المفتوحة مقابل نظام الحلقة المغلقة، نفترض أننا نكرر الاختبار نفسه باستخدام محركين متساويين في الحجم. هذه المرة، نشغل المحركين، أحدهما بنظام الحلقة المغلقة والآخر بنظام الحلقة المفتوحة، جنبًا إلى جنب مع نفس الأحمال القصور الذاتي، ولكن ببرمجة تحافظ على ثبات وتساوي خصائص الحركة، بحيث يؤدي كلا النظامين نفس القدر من العمل.

أثناء قيام المحركين بتكرار نفس نمط الحركة، يتم قياس سحب التيار من مصدر الطاقة المستمر الذي يغذي النظامين، ويتم حساب استهلاك الطاقة. كما هو موضح في الرسوم البيانية، يبلغ متوسط ​​استهلاك الطاقة لنظام المحرك الخطوي ذي الحلقة المفتوحة 43.8 واط، بينما يبلغ استهلاك الطاقة لنظام الحلقة المغلقة ثلث هذا المقدار فقط، أي 14.2 واط في المتوسط. يُظهر هذا الفرق الكبير في استهلاك الطاقة بوضوح كفاءة تشغيل نظام الحلقة المغلقة الأعلى. يمكن لأي مستخدم يرغب في زيادة كفاءة نظام المحرك الخطوي ذي الحلقة المفتوحة لديه الآن التفكير في ترقية بسيطة إلى نظام ذي حلقة مغلقة، وتوقع انخفاضًا ملحوظًا في استهلاك الطاقة.

كيفية معالجة مشكلة ارتفاع درجة حرارة المحرك

يُعدّ فحص سخونة المحرك امتدادًا طبيعيًا لاختبارات استهلاك الطاقة. أنظمة المحركات الخطوية ذات الحلقة المفتوحة بسيطة للغاية، إذ يكفي ضبط وحدة التحكم على التيار المقنن للمحرك، وستبذل وحدة التحكم قصارى جهدها لتزويد المحرك بهذا التيار باستمرار، سواءً كانت هناك حاجة لعزم الدوران الناتج أم لا. غالبًا ما يؤدي هذا إلى توليد حرارة بدلًا من الطاقة اللازمة للوظيفة التطبيقية، وهو السبب في أن أنظمة المحركات الخطوية ذات الحلقة المفتوحة عادةً ما تكون أكثر سخونة من نظيراتها ذات الحلقة المغلقة. هذا يعني أيضًا أنه يتعين على مصممي الآلات اتخاذ خطوات إضافية للتعامل مع هذه الحرارة، غالبًا عن طريق تضمين حواجز واقية خاصة حول المحركات الخطوية التي ستعمل بالقرب من المشغلين، أو عن طريق تركيب أنظمة تبريد إضافية مثل المراوح.

لننظر إلى نتائج اختبار تسخين المحرك الذي أُجري في المختبر باستخدام نفس نظامي الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة المذكورين سابقًا. في هذا الاختبار، يُنتج النظامان نفس مقدار الشغل مع تطبيق نفس الأحمال القصور الذاتي، ويُتركان يعملان حتى يصلا إلى حالة التوازن الحراري. يصل نظام الحلقة المفتوحة إلى درجة حرارة غلاف تبلغ 76.0 درجة مئوية، بينما يصل نظام الحلقة المغلقة إلى التوازن الحراري عند درجة حرارة غلاف تبلغ 36.9 درجة مئوية فقط، أي أقل من نصف درجة حرارة نظام الحلقة المفتوحة. هذا الانخفاض الكبير في تسخين المحرك يُمكن أن يُؤدي إلى خفض تكاليف المكونات لمصنعي الآلات، إذ يُمكنهم الاستغناء عن أنظمة الحماية والتبريد الإضافية.

وداعاً للمحركات الصاخبة

من الشكاوى الشائعة الأخرى حول أنظمة المحركات الخطوية ذات الحلقة المفتوحة أنها تُصدر ضوضاء مسموعة عالية. في بعض البيئات، مثل المختبرات والمستشفيات والمكاتب، قد تُشكل هذه الضوضاء مشكلة حقيقية لمصممي الآلات.

ينشأ الضجيج الصادر عن محركات الخطوة من التردد الكهربائي العالي والتغيرات السريعة في التدفق المغناطيسي لأسنان الجزء الثابت، ولأن أنظمة الحلقة المفتوحة تعمل بكامل التيار المقنن بغض النظر عن الحمل. أما أنظمة محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة، فتزود المحرك بتيار كافٍ فقط للتحكم في الحمل، مما ينتج عنه ضجيج أقل بكثير.

للحصول على نتائج الاختبار الموضحة في الرسم البياني للضوضاء الصوتية المرفق بهذه المقالة، تم قياس الضوضاء الصوتية لكل نظام في غرفة عازلة للصوت. يتميز النظام ذو الحلقة المغلقة بهدوء ملحوظ مقارنةً بالنظام ذي الحلقة المفتوحة عند سرعات تتراوح من 0 إلى 20 دورة/ثانية. يتوافق نطاق السرعة هذا مع نطاق السرعة الفعلي للتطبيقات التي تُستخدم فيها أنظمة المحركات الخطوية في أغلب الأحيان، مما يعني أن الغالبية العظمى من تطبيقات المحركات الخطوية يمكن أن تستفيد من انخفاض ضوضاء المحرك عند التحول إلى أنظمة الحلقة المغلقة.

دقة أفضل للمحرك للقضاء على أخطاء تحديد الموضع

تُعتبر أنظمة محركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة ذات قيمة عالية لقدرتها على تحديد مواقع الأحمال بدقة متناهية دون الحاجة إلى آلية تغذية راجعة أو نظام تحكم ذي حلقة مغلقة، ولكن بشرط أن يتمتع النظام ذو الحلقة المفتوحة بهامش عزم دوران كافٍ يمنع حدوث أخطاء في تحديد المواقع أثناء التشغيل العادي. ولتحسين الدقة، ولتصميم نظام أكثر متانة، فإن إغلاق حلقة التحكم في موقع المحرك المؤازر حول التغذية الراجعة من المشفر عالي الدقة يسمح لأنظمة الحلقة المغلقة بالتعويض تلقائيًا عن الزيادات في طلب عزم الدوران التي قد تؤدي إلى أخطاء في تحديد المواقع في أنظمة الحلقة المفتوحة. وهذا يُحسّن بشكل كبير دقة النظام الإجمالية، لا سيما في التطبيقات الديناميكية للغاية مثل أنظمة الالتقاط والوضع والطابعات ثلاثية الأبعاد التي تتطلب حركات قصيرة وسريعة وتغييرات متكررة في الاتجاه.

ترقية أنظمة المحركات الخطوية الحالية

من بين مكونات نظام محرك الخطوة المتكامل، لا ترتفع تكاليف المحرك ومضخم الطاقة والاتصالات عادةً عند الانتقال من نظام الحلقة المفتوحة إلى نظام الحلقة المغلقة. قد تتطلب إلكترونيات التحكم قدرة معالجة مركزية أو ذاكرة أكبر قليلاً للتحكم المؤازر في المحرك، ولكن هذا لا يؤثر عادةً على الأسعار المعلنة. يكمن جزء كبير من فرق التكلفة بين أنظمة محركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة والمغلقة في إضافة جهاز تغذية راجعة عالي الدقة، إلا أن التحسينات في التصنيع جعلت هذه الأجهزة في متناول الجميع بشكل متزايد. لذا، تحافظ أنظمة محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة الآن على مزايا التكلفة لأنظمة محركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة مقارنةً بأنواع أنظمة تحديد المواقع الأخرى - مثل نظام المؤازرة التقليدي - ولكن مع أداء مُحسّن بشكل كبير في جميع الجوانب تقريبًا. عادةً ما تُعوّض وفورات الطاقة وزيادة الإنتاجية في نظام الحلقة المغلقة الزيادة الطفيفة في تكلفة جهاز التغذية الراجعة بسرعة.

إضافةً إلى زيادة طفيفة في التكلفة، يُصبح الترقية من نظام محرك خطوي ذي حلقة مفتوحة إلى نظام ذي حلقة مغلقة أسهل مع توفر أحجام إطارات NEMA. يتميز محرك NEMA 23 ذو الحلقة المغلقة بنفس حجم الإطار، وقطر الدليل، ودائرة ثقوب البراغي، وقطر ثقوب البراغي لمحرك NEMA 23 ذي الحلقة المفتوحة، وبالتالي تبقى أقواس التثبيت كما هي. يُتيح عزم الدوران الأكبر المُتاح من نظام الحلقة المغلقة إمكانية زيادة قطر عمود محرك الخطوة ذي الحلقة المغلقة، ولكن يُمكن عادةً حل هذه المشكلة بسهولة تامة بتغيير بسيط في وصلة العمود.