بالنسبة لأتمتة الآلات التي تتطلب فقط محورين أو ثلاثة محاور من المحركات الكهربائية، قد تكون مخرجات النبضات هي الطريقة الأبسط.

يُعد استخدام مُخرَجات النبضات من جهاز PLC طريقةً فعّالة من حيث التكلفة لتبسيط الحركة. تُوفّر مُعظم مُصنّعي أجهزة PLC، إن لم يكن جميعهم، طريقةً للتحكم في مُحركات السيرفو والخطوات باستخدام إشارة سلسلة نبضات. لذا، عندما تحتاج آلة بسيطة إلى أتمتة على محورين أو ثلاثة محاور فقط باستخدام مُشغّلات كهربائية، يُمكن أن يكون إعداد مُخرَجات النبضات وتوصيلها وبرمجتها أسهل بكثير من استخدام الإشارات التناظرية. كما أنها قد تكون أقل تكلفةً من استخدام الحركة عبر الشبكات مثل Ethernet/IP.

لذا دعونا نلقي نظرة على التحكم في محرك متدرج أو محرك سيرفو باستخدام محرك أو مكبر بين وحدة التحكم والمحرك مع التركيز على إشارات النبض المستخدمة من وحدة التحكم أو المفهرس.

أساسيات قطار النبض

يمكن لمحركات السائر (Stepper Motors) ومحركات السيرفو ذات التحكم النبضي الدوران في كلا الاتجاهين. هذا يعني أن وحدة التحكم تحتاج إلى توفير إشارتي تحكم على الأقل لمحرك الأقراص. هناك طريقتان لتوفير هذه الإشارات، وتسميها الشركات المصنعة المختلفة. هناك طريقتان شائعتان للإشارة إلى نظامي إشارات التحكم اللذين تستخدمهما: "وضع 1P"، المعروف أيضًا باسم "وضع الخطوة/الاتجاه"، و"وضع 2P"، المعروف أيضًا باسم "وضع CW/CCW" أو وضع عقارب الساعة/عكس اتجاه عقارب الساعة. يتطلب كلا الوضعين إشارتي تحكم من وحدة التحكم إلى محرك الأقراص.

في وضع 1P، تكون إحدى إشارات التحكم عبارة عن سلسلة نبضات أو إشارة "خطوة". أما الإشارة الأخرى فهي مدخل اتجاهي. إذا كان مدخل الاتجاه مُشغّلاً، وظهرت إشارة نبضية على مدخل الخطوة، يدور المحرك مع عقارب الساعة. وعلى العكس، إذا كانت إشارة الاتجاه مُطفأة وظهرت إشارة نبضية على مدخل الخطوة، يدور المحرك في الاتجاه الآخر، أي عكس اتجاه عقارب الساعة. ويظل مسار النبضات دائمًا على نفس المدخل بغض النظر عن الاتجاه المطلوب.

في وضع 2P، تكون كلتا الإشارتين عبارة عن سلسلة نبضات. لكل مدخل تردده الخاص، فإذا كان مسار النبضات مستمرًا (CW)، يدور المحرك في نفس الاتجاه. أما إذا كان مسار النبضات عكس اتجاه عقارب الساعة (CCW)، فيدور المحرك عكس اتجاه عقارب الساعة (CCW). يعتمد نوع المدخل الذي يستقبل مسار النبضات على الاتجاه المطلوب.

تُحرِّك النبضات الصادرة من وحدة التحكم المحرك. يدور المحرك وحدة تزايدية واحدة لكل نبضة على مدخل نبضات المحرك. على سبيل المثال، إذا كان محرك متدرج ثنائي الطور يحتوي على 200 نبضة لكل دورة (ppr)، فإن نبضة واحدة تُحرِّك المحرك بمقدار 1/200 من دورة أو 1.8 درجة، و200 نبضة تُحرِّك المحرك دورة واحدة.

بالطبع، تختلف دقة المحركات المختلفة. يمكن تشغيل محركات السائر بدقة متناهية، مما يمنحها آلاف النبضات لكل دورة. بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما يكون لدى محركات السيرفو آلاف النبضات كحد أدنى لكل دورة. بغض النظر عن دقة المحرك، فإن نبضة من وحدة التحكم أو المفهرس تجعله يدور وحدة تزايدية واحدة فقط.

تعتمد سرعة دوران المحرك على تردد النبضات، أو سرعتها. كلما زادت سرعة النبضات، زادت سرعة دوران المحرك. في المثال السابق، مع محرك ذي 200 نبضة في الثانية (pps)، فإن تردد 200 نبضة في الثانية (pps) سيُدير المحرك بسرعة دورة واحدة في الثانية (rps) أو 60 دورة في الدقيقة (rpm). كلما زاد عدد النبضات اللازمة لتدوير المحرك دورة واحدة (ppr)، زادت سرعة إرسال النبضات للحصول على نفس السرعة. على سبيل المثال، يحتاج محرك ذو 1000 نبضة في الثانية إلى أن تكون أزمنة تردد النبضات فيه مساوية لأزمنة تردد محرك ذي 200 نبضة في الثانية (pps) ليدور بنفس عدد الدورات في الدقيقة. العملية الحسابية بسيطة للغاية:

rps = pps/ppr (عدد الدورات في الثانية = عدد النبضات في الثانية/عدد النبضات لكل دورة)

دورة في الدقيقة = دورة في الثانية(60)

التحكم في البقوليات

تحتوي معظم وحدات التحكم على طريقة لتحديد ما إذا كان ينبغي للمحرك أن يدور باتجاهين (CW أو CCW)، وستتحكم في الإشارات بشكل صحيح. بمعنى آخر، لا يحتاج المبرمج عادةً إلى تحديد المخرجات المطلوب تشغيلها. 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 المخرجات للحصول على الاتجاه الصحيح للدوران، بغض النظر عما إذا كانت وحدة التحكم مُهيأة لوضع 1P أو 2P.

لنأخذ حركتين كمثال بسيط. كلتا الحركتين تحتويان على 1000 نبضة. إحداهما في الاتجاه الموجب والأخرى في الاتجاه السالب. تُشغّل وحدة التحكم المخرجات المناسبة، سواءً استُخدمت 1P أو 2P، لجعل المحرك يدور في الاتجاه الموجب (عادةً CW) عندما يكون عدد النبضات المُعطاة 1000. من ناحية أخرى، إذا أصدر البرنامج 1000 نبضة، تُشغّل وحدة التحكم المخرجات المناسبة للتحرك في الاتجاه السالب (عادةً CCW). لذلك، ليس من الضروري أن يتحكم المبرمج في اتجاه دوران المحرك باستخدام الكود في البرنامج لاختيار المخرجات المُراد استخدامها، بل تقوم وحدة التحكم بذلك تلقائيًا.

عادةً ما تُمكّن وحدات التحكم والتشغيل المستخدمين من اختيار نوع النبضة، إما عبر مفتاح DIP أو من خلال إعدادات اختيار البرنامج. من المهم التأكد من أن وحدة التحكم والتشغيل مُعدّتان بنفس الطريقة. وإلا، فقد يكون التشغيل غير منتظم أو قد لا يعمل على الإطلاق.

الحركات المطلقة والتزايدية

أكثر أوامر الحركة شيوعًا في برمجة التحكم في الحركة هما أوامر الحركة التزايدية والمطلقة. يُربك مفهوما الحركة المطلقة والتزايدية العديد من المستخدمين بغض النظر عن طريقة التحكم في المحرك المستخدمة. ولكن هذه المعلومة تنطبق سواءً تم التحكم في المحرك بنبضات، أو إشارة تناظرية، أو عبر شبكة مثل Ethernet/IP أو Ethercat.

أولاً، إذا كان المحرك مزودًا بمُشفِّر، فإن أنواع حركاته لا علاقة لها بنوع المُشفِّر. ثانيًا، يمكن إجراء الحركات المطلقة والتزايدية سواءً كان هناك مُشفِّر مطلق أو تزايدي أو بدون مُشفِّر على الإطلاق.

عند استخدام محرك لتحريك محور خطي، مثل مشغل لولبي كروي، تكون هناك (بطبيعة الحال) مسافة محدودة بين أحد طرفي المشغل والآخر. بمعنى آخر، إذا كانت العربة عند أحد طرفي المشغل، فلا يمكن تدوير المحرك للتحرك إلا حتى تصل العربة إلى الطرف المقابل. هذا هو طول الشوط. على سبيل المثال، في مشغل ذي مسافة حركة 200 مم، يكون أحد طرفي المشغل عادةً هو موضع "الصفر" أو نقطة البداية.

تنقل الحركة المطلقة العربة إلى الموضع المطلوب بغض النظر عن موضعها الحالي. على سبيل المثال، إذا كان الموضع الحالي صفرًا والحركة المطلوبة هي ١٠٠ مم، تُرسل وحدة التحكم نبضات كافية لتحريك المحرك للأمام حتى علامة ١٠٠ مم والتوقف.

ولكن إذا كان الموضع الحالي للمحرك هو 150 ملم، فإن الحركة المطلقة بمقدار 100 ملم ستجعل المتحكم يرسل نبضات في الاتجاه السلبي لتحريك المحرك للخلف 50 ملم والتوقف عند موضع 100 ملم.

الاستخدامات العملية

المشكلة الأكثر شيوعًا في استخدام نظام التحكم بالنبضات تكمن في توصيل الأسلاك. غالبًا ما يتم توصيل الإشارات عكسيًا عن طريق الخطأ. في وضع 2P، يعني هذا توصيل مخرج عكس الاتجاه بمدخل CW والعكس صحيح. أما في وضع 1P، فيعني توصيل مخرج إشارة النبضة بمدخل الاتجاه، ومخرج إشارة الاتجاه بمدخل النبضة.

في وضع 2P، يؤدي هذا الخطأ في التوصيلات إلى دوران المحرك باتجاه عقارب الساعة عند توجيهه للتحرك عكس عقارب الساعة، وعكس عقارب الساعة عند توجيهه للتحرك عكس عقارب الساعة. أما في وضع 1P، فيكون تشخيص المشكلة أصعب. في حال تبديل الإشارات، تُرسل وحدة التحكم سلسلة نبضات إلى مدخل الاتجاه، دون أي تأثير. كما تُرسل وحدة التحكم تغييرًا في الاتجاه (تشغيل الإشارة أو إيقافها حسب الاتجاه) إلى مدخل الخطوة، مما قد يُسبب دوران المحرك نبضة. عادةً ما يصعب رؤية نبضة حركة واحدة.

يجعل استخدام وضع 2P استكشاف الأخطاء وإصلاحها أسهل، وعادةً ما يكون من الأسهل فهمه بالنسبة لأولئك الذين ليس لديهم الكثير من الخبرة في هذا النوع من التحكم في الحركة.

إليك طريقة لضمان أقل وقت ممكن في استكشاف أخطاء محاور النبضات والاتجاهات وإصلاحها. تتيح هذه الطريقة للمهندسين التركيز على مهمة واحدة في كل مرة. هذا سيوفر عليك عناء قضاء أيام في محاولة تحديد عطل الأسلاك الذي يعيق الحركة، لتكتشف بعد ذلك أن وظيفة إخراج النبضات مُهيأة بشكل غير صحيح في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، وأنك لم تكن تُخرج نبضات أبدًا.

1. حدد وضع النبضة الذي سيتم استخدامه واستخدم نفس الوضع 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 وظيفة الركض) حتى يمكن إصدار أمر للمحرك بالدوران في اتجاه واحد أو آخر بسرعة بطيئة.

5. أصدر أمر حركة CW وراقب أي حالات في وحدة التحكم للإشارة إلى إخراج النبضات.

قد يكون ذلك من خلال مؤشرات LED على مخرجات وحدة التحكم، أو مؤشرات حالة مثل مؤشر "مشغول" في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). كما يمكن مراقبة عداد خرج النبضات في وحدة التحكم لمعرفة تغير قيمته.

-لا يحتاج المحرك إلى توصيله بنبضات الإخراج.

6. كرر الاختبار في الاتجاه المعاكس.

٧. إذا نجح إخراج النبضات في كلا الاتجاهين، فانتقل إلى الخطوة التالية. وإلا، فيجب فهم البرمجة أولًا.

8. قم بتوصيل وحدة التحكم بالسائق.

٩. شغّل المحرك في اتجاه واحد. إذا نجح، فاتبع الخطوة ١٠. إذا لم ينجح، فافحص الأسلاك.

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

لقد ضاعت ساعات عديدة في هذه المرحلة الأولى لأن تردد النبضة منخفض بما يكفي لجعل المحرك يدور ببطء شديد، مثل 1/100 دورة في الثانية. إذا كانت الطريقة الوحيدة لمعرفة ما إذا كان يعمل هي من خلال مراقبة عمود المحرك، فقد لا يبدو أنه يتحرك بسرعة منخفضة، مما يؤدي إلى الاعتقاد بأنه لا يصدر نبضات. من الأفضل حساب سرعة آمنة بناءً على دقة المحرك ومعايير التطبيق قبل ضبط السرعة للاختبار. يعتقد البعض أنه يمكنهم ضبط سرعة قابلة للاستخدام بمجرد التخمين. ولكن إذا احتاج المحرك إلى 10000 نبضة لتدوير دورة واحدة، وتم ضبط تردد النبضة على 1000 نبضة في الثانية، فسيستغرق المحرك 10 ثوانٍ لتحريك دورة واحدة. وعلى العكس، إذا احتاج المحرك إلى 1000 نبضة لتحريك دورة واحدة، وتم ضبط تردد النبضة على 1000، فسيتحرك المحرك دورة واحدة في الثانية أو 60 دورة في الدقيقة. قد يكون ذلك سريعًا جدًا للاختبار إذا كان المحرك متصلًا بحمل، مثل مشغل لولبي كروي ذي مسافة حركة محدودة. من الضروري مراقبة المؤشرات التي تُظهر إخراج النبضات (مثل مصابيح LED أو عداد النبضات).

حسابات للتطبيق العملي

غالبًا ما يجد المستخدمون أن واجهة الآلة البشرية (HMI) تُظهر مسافة الآلة وسرعتها بوحدات النبضات بدلًا من وحدات الهندسة مثل المليمترات. غالبًا ما يكون المبرمج مُستعجلًا لتشغيل الآلة، ولا يُخصص وقتًا كافيًا لتحديد وحدات الآلة وتحويلها إلى وحدات هندسية. إليك بعض النصائح لمساعدتك في ذلك.

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 يساعدك الثابت في معرفة عدد النبضات اللازمة لتحريك مسافة معينة:

الموضع الحالي (أو المسافة) = عدد النبضات / نبضات الأوامر الثابتة.

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 لدوران دورة واحدة، وأن الدورة الواحدة تساوي 10 مم. يمكن حساب الثابت بقسمة 500 (ppr) على 10 (mm p/r). وبالتالي، يكون الثابت 500 نبضة/10 مم أو 50 نبضة/مم.

يمكن استخدام هذا الثابت لحساب عدد النبضات اللازمة لحركة لمسافة معينة. على سبيل المثال، للحركة لمسافة 15 مم، 15 مم × 50 جزء في المليون = 750 نبضة.

لتحويل قراءة عداد النبضات إلى وحدات هندسية، اقسم قيمة عداد النبضات على ثابت نبضة الأمر. فإذا كانت قراءة عداد النبضات 6000، فاقسمها على ثابت نبضة الأمر المحسوب من المثال السابق، وسيكون موضع المحرك 6000 نبضة/50 جزء في المليون = 120 مم.

للتحكم في السرعة بالملليمتر، وجعل وحدة التحكم تحسب التردد الصحيح بالهرتز (نبضة في الثانية)، يجب أولًا تحديد ثابت السرعة. يتم ذلك بإيجاد ثابت نبضة الأمر (كما هو موضح أعلاه)، مع تغيير الوحدات. بمعنى آخر، إذا أصدر المحرك 500 نبضة في الثانية، وتحرك المُشغل 10 مم لكل دورة، فعند إصدار 500 نبضة في الثانية، سيتحرك المُشغل 10 مم في الثانية. بقسمة 500 نبضة في الثانية على 10 مم في الثانية، نحصل على 50 نبضة في الثانية لكل مم. وبالتالي، فإن ضرب السرعة المستهدفة في 50 ينتج عنه تردد النبضة الصحيح.

الصيغ هي نفسها، ولكن الوحدات تتغير:

ثابت السرعة بوحدة pps = عدد النبضات لكل دورة/ المسافة لكل دورة

سرعة النبضة (pps) = (ثابت السرعة) × السرعة بالملليمتر

قد يبدو استخدام نظام يستخدم إشارات نبضية للتحكم في الحركة أمرًا شاقًا في البداية، إلا أن الاهتمام بأنواع الإشارات وإعداداتها على وحدة التحكم ومحركات الأقراص في البداية يُقلل الوقت اللازم لتشغيله. بالإضافة إلى ذلك، إذا خصص المرء وقتًا لإجراء بعض الحسابات الأساسية فورًا، فستكون برمجة السرعات والمسافات أسهل، وسيحصل مشغلو الآلات على معلومات أكثر سهولة في الاستخدام على شاشات واجهة الإنسان والآلة (HMI).