بالنسبة لأتمتة الآلات التي تتطلب فقط محورين أو ثلاثة محاور من المحركات الكهربائية، قد تكون مخرجات النبض هي أبسط طريقة للقيام بذلك.

يُعدّ استخدام مخرجات النبضات من وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) طريقةً فعّالة من حيث التكلفة للحصول على حركة بسيطة. توفر معظم شركات تصنيع وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، إن لم يكن جميعها، إمكانية التحكم في المحركات المؤازرة والمحركات الخطوية باستخدام إشارة سلسلة نبضات. لذا، عندما تحتاج آلة بسيطة إلى التشغيل الآلي على محورين أو ثلاثة محاور فقط باستخدام مشغلات كهربائية، فإنّ مخرجات النبضات أسهل بكثير في الإعداد والتوصيل والبرمجة من استخدام الإشارات التناظرية. وقد تكون تكلفتها أقل من استخدام الحركة الشبكية مثل إيثرنت/بروتوكول الإنترنت (IP).

لذا دعونا نلقي نظرة على التحكم في محرك متدرج أو محرك مؤازر باستخدام مشغل أو مكبر صوت بين وحدة التحكم والمحرك مع التركيز على إشارات النبض المستخدمة من وحدة التحكم أو المؤشر.

أساسيات قطار النبض

تستطيع المحركات الخطوية ومحركات السيرفو ذات التحكم النبضي الدوران في كلا الاتجاهين. وهذا يعني أن وحدة التحكم تحتاج إلى توفير إشارتي تحكم على الأقل للمحرك. هناك طريقتان لتوفير هاتين الإشارتين، وتختلف المسميات بين الشركات المصنعة. هناك طريقتان شائعتان للإشارة إلى نظامي إشارات التحكم المستخدمين: "الوضع أحادي النبضة" (1P)، المعروف أيضًا باسم "وضع الخطوة/الاتجاه"، و"الوضع ثنائي النبضة" (2P)، والذي يُسمى "وضع الدوران مع عقارب الساعة/عكس عقارب الساعة". يتطلب كلا الوضعين إشارتي تحكم من وحدة التحكم إلى المحرك.

في وضع 1P، تكون إحدى إشارات التحكم عبارة عن سلسلة نبضات أو إشارة "خطوة". أما الإشارة الأخرى فهي إشارة اتجاه. إذا كانت إشارة الاتجاه مُفعّلة، وكانت إشارة الخطوة موجودة، يدور المحرك في اتجاه عقارب الساعة. وعلى العكس، إذا كانت إشارة الاتجاه غير مُفعّلة، وكانت إشارة الخطوة موجودة، يدور المحرك في الاتجاه المعاكس، أي عكس اتجاه عقارب الساعة. وتبقى سلسلة النبضات دائمًا على نفس المدخل بغض النظر عن الاتجاه المطلوب.

في وضع 2P، تكون الإشارتان عبارة عن سلسلة نبضات. لا يوجد سوى مدخل واحد بتردد معين في كل مرة، لذا إذا كانت سلسلة النبضات باتجاه عقارب الساعة موجودة، يدور المحرك باتجاه عقارب الساعة. وإذا كانت سلسلة النبضات عكس اتجاه عقارب الساعة موجودة، يدور المحرك عكس اتجاه عقارب الساعة. ويعتمد المدخل الذي يستقبل سلسلة النبضات على الاتجاه المطلوب.

تُحرك النبضات الصادرة من وحدة التحكم المحرك. يدور المحرك وحدة واحدة لكل نبضة على مدخل النبضات الخاص بالمحرك. على سبيل المثال، إذا كان محرك خطوي ثنائي الطور يحتوي على 200 نبضة لكل دورة، فإن نبضة واحدة تجعل المحرك يدور 1/200 من الدورة أو 1.8 درجة، و200 نبضة تجعل المحرك يدور دورة كاملة.

بالطبع، تختلف دقة المحركات باختلاف أنواعها. يمكن التحكم في دقة محركات الخطوة بخطوات دقيقة، مما يمنحها آلاف النبضات لكل دورة. بالإضافة إلى ذلك، تتميز محركات المؤازرة عمومًا بآلاف النبضات كحد أدنى لدقتها. وبغض النظر عن دقة المحرك، فإن النبضة الصادرة من وحدة التحكم أو المؤشر تجعله يدور وحدة واحدة فقط.

تعتمد سرعة دوران المحرك على تردد النبضات، أو سرعتها. فكلما زادت سرعة النبضات، زادت سرعة دوران المحرك. في المثال السابق، مع محرك بتردد 200 نبضة في الثانية (ppr)، فإن هذا التردد يُدير المحرك دورة واحدة في الثانية (rps) أو 60 دورة في الدقيقة (rpm). كلما زاد عدد النبضات اللازمة لتدوير المحرك دورة واحدة (ppr)، زادت سرعة النبضات المطلوبة للحصول على نفس السرعة. على سبيل المثال، يحتاج محرك بتردد 1000 نبضة في الثانية إلى تردد نبضات أعلى بعدة مرات من تردد محرك بتردد 200 نبضة في الثانية للوصول إلى نفس عدد الدورات في الدقيقة. الحسابات بسيطة للغاية:

rps = pps/ppr (دورات في الثانية = نبضات في الثانية / نبضات لكل دورة)

rpm = rps(60)

التحكم في النبضات

تحتوي معظم وحدات التحكم على آلية لتحديد اتجاه دوران المحرك، سواءً كان باتجاه عقارب الساعة أو عكسها، وتتحكم بالإشارات وفقًا لذلك. بعبارة أخرى، لا يحتاج المبرمج عادةً إلى تحديد المخارج التي يجب تفعيلها. على سبيل المثال، تحتوي العديد من وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) على وظائف للتحكم في الحركة باستخدام إشارة نبضية، وتتحكم هذه الوظيفة تلقائيًا في المخارج للحصول على اتجاه الدوران الصحيح بغض النظر عما إذا كانت وحدة التحكم مُهيأة لوضع أحادي القطب (1P) أو ثنائي القطب (2P).

لنأخذ حركتين كمثال بسيط. كلتا الحركتين تتكون من 1000 نبضة. إحداهما في الاتجاه الموجب، والأخرى في الاتجاه السالب. يقوم المتحكم بتشغيل المخارج المناسبة، سواءً تم استخدام مخرج واحد (1P) أو مخرجين (2P)، لجعل المحرك يدور في الاتجاه الموجب (عادةً باتجاه عقارب الساعة) عندما يكون عدد النبضات المطلوبة 1000. من ناحية أخرى، إذا أمر البرنامج بـ -1000 نبضة، يقوم المتحكم بتشغيل المخارج المناسبة للحركة في الاتجاه السالب (عادةً عكس اتجاه عقارب الساعة). لذلك، ليس من الضروري أن يتحكم المبرمج في اتجاه دوران المحرك باستخدام التعليمات البرمجية في البرنامج لاختيار المخارج المستخدمة. يقوم المتحكم بذلك تلقائيًا.

تتيح وحدات التحكم وبرامج التشغيل عادةً للمستخدمين اختيار نوع النبضة، إما عن طريق مفتاح DIP أو إعدادات البرنامج. من المهم التأكد من تطابق إعدادات وحدة التحكم وبرنامج التشغيل. وإلا، فقد يكون التشغيل غير منتظم أو قد لا يعمل على الإطلاق.

التحركات المطلقة والتدريجية

أكثر أوامر الحركة شيوعًا في برمجة أنظمة التحكم بالحركة هي أوامر الحركة التزايدية وأوامر الحركة المطلقة. يُربك مفهوم الحركة المطلقة والتزايدية العديد من المستخدمين بغض النظر عن طريقة التحكم بالمحرك المستخدمة. لكن هذه المعلومات تنطبق سواءً تم التحكم بالمحرك عن طريق النبضات، أو إشارة تناظرية، أو شبكة مثل Ethernet/IP أو Ethercat.

أولاً، إذا كان المحرك مزودًا بمشفّر، فإن أنواع حركاته لا علاقة لها بنوع المشفّر. ثانيًا، يمكن تنفيذ الحركات المطلقة والتزايدية سواءً وُجد مشفّر مطلق أو تزايدي أو لم يُوجد مشفّر على الإطلاق.

عند استخدام محرك لتحريك محور خطي، مثل مشغل لولبي كروي، توجد (بطبيعة الحال) مسافة محددة بين طرفي المشغل. بمعنى آخر، إذا كانت العربة عند أحد طرفي المشغل، فلا يمكن تدوير المحرك لتحريكه إلا حتى تصل العربة إلى الطرف المقابل. هذه هي مسافة الشوط. على سبيل المثال، في مشغل بمدى حركة 200 مم، يكون أحد طرفي المشغل عادةً هو وضع "الصفر" أو الوضع الابتدائي.

تُنقل العربة إلى الموضع المطلوب بغض النظر عن موضعها الحالي. على سبيل المثال، إذا كان الموضع الحالي صفرًا وكان المطلوب تحريكها مسافة 100 مم، فإن وحدة التحكم تُرسل نبضات كافية لتحريك المُشغّل للأمام إلى علامة 100 مم ثم إيقافه.

لكن إذا كان الموضع الحالي للمشغل 150 مم، فإن حركة مطلقة بمقدار 100 مم ستجعل وحدة التحكم ترسل نبضات في الاتجاه السلبي لتحريك المشغل للخلف 50 مم والتوقف عند موضع 100 مم.

الاستخدامات العملية

تكمن المشكلة الأكثر شيوعًا في استخدام التحكم النبضي في التوصيلات الكهربائية. غالبًا ما تُوصل الإشارات بشكل خاطئ. في وضع 2P، يعني هذا توصيل خرج عكس عقارب الساعة بمدخل مع عقارب الساعة والعكس صحيح. أما في وضع 1P، فيعني هذا توصيل خرج إشارة النبض بمدخل الاتجاه، وتوصيل خرج إشارة الاتجاه بمدخل النبض.

في وضع 2P، يتسبب هذا الخطأ في التوصيل في دوران المحرك باتجاه عقارب الساعة عند إعطاء أمر بالدوران عكس عقارب الساعة، وعكس عقارب الساعة عند إعطاء أمر بالدوران باتجاه عقارب الساعة. أما في وضع 1P، فيصعب تشخيص المشكلة. فإذا انعكست الإشارات، يرسل المتحكم سلسلة نبضات إلى مدخل الاتجاه، وهو ما لا يُحدث أي تغيير. كما يرسل أيضًا تغييرًا في الاتجاه (تشغيل الإشارة أو إيقافها حسب الاتجاه) إلى مدخل الخطوة، مما قد يتسبب في دوران المحرك نبضة واحدة. وعادةً ما يصعب ملاحظة نبضة الحركة الواحدة.

إن استخدام وضع 2P يجعل عملية استكشاف الأخطاء وإصلاحها أسهل، وعادة ما يكون من الأسهل فهمه بالنسبة لأولئك الذين ليس لديهم خبرة كبيرة في هذا النوع من التحكم في الحركة.

إليك طريقة لضمان تقليل الوقت المُستغرق في استكشاف أخطاء محاور النبض والاتجاه قدر الإمكان. تُمكّن هذه الطريقة المهندسين من التركيز على أمر واحد في كل مرة. وهذا من شأنه أن يمنعك من قضاء أيام في محاولة معرفة خطأ التوصيل الذي يمنع الحركة، لتكتشف في النهاية أن وظيفة إخراج النبض مُهيأة بشكل خاطئ في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) وأنك لم تكن تُخرج نبضات أصلًا.

1. حدد نمط النبض المراد استخدامه واستخدم نفس النمط لجميع المحاور.

2. اضبط وحدة التحكم على الوضع المناسب.

3. اضبط محرك الأقراص على الوضع المناسب.

4. قم بإنشاء أبسط برنامج في وحدة التحكم الخاصة بك (عادةً ما تكون وظيفة تحريك) بحيث يمكن إصدار أوامر للمحرك بالدوران في اتجاه واحد أو آخر بسرعة بطيئة.

5. قم بإصدار أمر حركة باتجاه عقارب الساعة وراقب أي حالات في وحدة التحكم للإشارة إلى إخراج النبضات.

قد تكون هذه مؤشرات LED على مخارج وحدة التحكم أو علامات الحالة مثل علامة الانشغال في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). كما يمكن مراقبة عداد نبضات الإخراج في وحدة التحكم لمعرفة ما إذا كانت قيمته تتغير.

– لا يحتاج المحرك إلى توصيله بنبضات الإخراج.

6. كرر الاختبار في اتجاه عكس عقارب الساعة.

7. إذا نجح إخراج النبضات في كلا الاتجاهين، فتابع. وإذا لم ينجح، فيجب أولاً تحديد المشكلة البرمجية.

8. قم بتوصيل وحدة التحكم بالسائق.

9. حرك المحرك في اتجاه واحد. إذا نجح، انتقل إلى الخطوة 10. إذا لم ينجح، فتحقق من الأسلاك.

١٠. شغّل المحرك في الاتجاه المعاكس. إذا نجح، فقد نجحت. إذا لم ينجح، فتحقق من الأسلاك.

لقد أُهدرت ساعات طويلة في هذه المرحلة الأولى لأن تردد النبضات منخفضٌ لدرجة تجعل المحرك يدور ببطء شديد، حوالي 1/100 دورة في الثانية. إذا كانت الطريقة الوحيدة لمعرفة ما إذا كان المحرك يعمل هي مراقبة عموده، فقد لا يبدو أنه يتحرك بسرعة منخفضة، مما قد يوحي بأنه لا يُصدر نبضات. من الأفضل حساب سرعة آمنة بناءً على دقة المحرك ومعايير التطبيق قبل تحديد السرعة للاختبار. يعتقد البعض أنه بإمكانهم تحديد سرعة مناسبة بمجرد التخمين. ولكن إذا كان المحرك يحتاج إلى 10000 نبضة لإتمام دورة واحدة، وتم ضبط تردد النبضات على 1000 نبضة في الثانية، فسيستغرق المحرك 10 ثوانٍ لإتمام دورة واحدة. في المقابل، إذا كان المحرك يحتاج إلى 1000 نبضة لإتمام دورة واحدة، وتم ضبط تردد النبضات على 1000 نبضة في الثانية، فسيدور المحرك دورة واحدة في الثانية أو 60 دورة في الدقيقة. قد تكون هذه السرعة عالية جدًا للاختبار إذا كان المحرك متصلًا بحمل مثل مشغل لولبي كروي ذي مسافة حركة محدودة. من الضروري مراقبة المؤشرات التي تكشف عن خروج النبضات (مصابيح LED أو عداد النبضات).

حسابات للتطبيق العملي

غالبًا ما ينتهي الأمر بالمستخدمين بشاشات عرض تُظهر مسافة وسرعة الآلة بوحدات النبضات بدلًا من الوحدات الهندسية كالملليمترات. في كثير من الأحيان، يكون المبرمج مُستعجلًا لتشغيل الآلة ولا يُخصّص الوقت الكافي لتحديد وحدات الآلة وتحويلها إلى وحدات هندسية. إليك بعض النصائح التي قد تُساعدك في هذا الأمر.

إذا كنت تعرف دقة خطوة المحرك (النبضات لكل دورة) والحركة التي تتم لكل دورة للمحرك (مم)، يتم حساب ثابت نبضة الأمر على أنه الدقة / المسافة لكل دورة، أو النبضات لكل دورة / المسافة لكل دورة.

يمكن أن يساعد الثابت في تحديد عدد النبضات اللازمة لقطع مسافة معينة:

الموقع الحالي (أو المسافة) = عدد النبضات / عدد نبضات الأمر ثابت.

لتحويل الوحدات الهندسية إلى نبضات، حدد أولًا الثابت الذي يحدد عدد النبضات اللازمة لحركة معينة. لنفترض في المثال أعلاه أن المحرك يحتاج إلى 500 نبضة لإتمام دورة واحدة، وأن الدورة الواحدة تساوي 10 مم. يمكن حساب الثابت بقسمة 500 (نبضة/دورة) على 10 (مم/نبضة/دورة). إذن، الثابت هو 500 نبضة/10 مم أو 50 نبضة/مم.

يمكن استخدام هذا الثابت لحساب عدد النبضات اللازمة لتحريك شيء ما مسافة معينة. على سبيل المثال، لتحريكه مسافة 15 مم، 15 مم × 50 نبضة في الدقيقة = 750 نبضة.

لتحويل قراءة عداد النبضات إلى وحدات هندسية، قسّم قيمة عداد النبضات على ثابت نبضات التحكم. على سبيل المثال، إذا كانت قراءة عداد النبضات 6000، بقسمتها على ثابت نبضات التحكم المحسوب من المثال السابق، فإن موضع المشغل سيكون 6000 نبضة / 50 نبضة في الدقيقة = 120 مم.

لضبط سرعة معينة بالمليمتر، وحساب التردد المناسب بالهرتز (نبضات في الثانية) بواسطة وحدة التحكم، يجب أولاً تحديد ثابت السرعة. يتم ذلك بإيجاد ثابت نبضة الأمر (كما هو موضح أعلاه)، مع تغيير الوحدات. بمعنى آخر، إذا كان المحرك يُخرج 500 نبضة لكل دورة، وكان المُشغِّل يتحرك 10 مليمترات لكل دورة، فعندئذٍ، إذا تم ضبط 500 نبضة في الثانية، سيتحرك المُشغِّل 10 مليمترات في الثانية. بقسمة 500 نبضة في الثانية على 10 مليمترات في الثانية، نحصل على 50 نبضة في الثانية لكل مليمتر. بالتالي، بضرب السرعة المستهدفة في 50، نحصل على تردد النبضات المناسب.

الصيغ هي نفسها، لكن الوحدات تتغير:

ثابت السرعة بوحدة نبضة في الثانية = عدد النبضات لكل دورة / المسافة لكل دورة

سرعة النبض (نبضة في الثانية) = (ثابت السرعة) × السرعة بالمليمتر

قد يبدو استخدام نظام يعتمد على إشارات النبض للتحكم في الحركة معقدًا في البداية، إلا أن الاهتمام بأنواع الإشارات وإعدادات وحدة التحكم والمحركات منذ البداية يُقلل الوقت اللازم لتشغيله. إضافةً إلى ذلك، إذا خصصت وقتًا لإجراء بعض الحسابات الأساسية فورًا، فسيكون برمجة السرعات والمسافات أسهل، وسيتمكن مشغلو الآلات من الحصول على معلومات أكثر وضوحًا على شاشات العرض الخاصة بهم.