تصميم المرحلة، والمحرك، والمشفر.

يجب أن تعمل مكونات نظام تحديد المواقع عالي الدقة - المحامل، ونظام قياس الموقع، ونظام المحرك والقيادة، ووحدة التحكم - معًا بأفضل شكل ممكن. تناول الجزء الأول قاعدة النظام والمحامل، بينما تناول الجزء الثاني قياس الموقع. هنا، نناقش تصميم المرحلة، والقيادة، والمشفّر، ومضخم القيادة، ووحدات التحكم.

الطرق الثلاث الشائعة الاستخدام لتجميع المراحل الخطية عند استخدام أجهزة التشفير الخطية:
• يتم وضع المحرك والمشفر في مركز كتلة المنزلق أو بالقرب منه قدر الإمكان.
• يقع المحرك في مركز الكتلة؛ ويتم تثبيت جهاز التشفير على أحد الجانبين.
• يوجد محرك الأقراص على جانب واحد؛ وجهاز التشفير على الجانب الآخر.

يُفضّل في النظام المثالي وضع المحرك في مركز كتلة المنزلق مع جهاز التشفير. إلا أن هذا غير عملي في أغلب الأحيان. ولذلك، يُعتمد حل وسط يتمثل في وضع المحرك على أحد الجانبين قليلاً، وجهاز التشفير على الجانب الآخر قليلاً. وهذا يُعطي تقريبًا جيدًا لنظام محرك مركزي مع تغذية راجعة للحركة بجوار نظام المحرك. يُفضّل استخدام المحركات المركزية لأن قوة المحرك لا تُدخل أي متجهات قوة غير مرغوب فيها إلى المنزلق، مما يمنع حدوث التواء أو انحراف. ولأن نظام المحامل يُقيّد المنزلق بإحكام، فإن الانحراف سيؤدي إلى زيادة الاحتكاك والتآكل وعدم دقة موضع الحمل.

تستخدم طريقة بديلة نظامًا جسريًا مزودًا بمحركين، أحدهما على كل جانب من المنزلق. تحاكي قوة الدفع الناتجة محركًا مركزيًا. بهذه الطريقة، يمكنك وضع وحدة تغذية الموضع في المركز. إذا تعذر ذلك، يمكنك وضع أجهزة تشفير على كل جانب والتحكم في الطاولة باستخدام برنامج خاص بمحرك الجسر.

مضخم صوت القيادة
تستقبل مضخمات محركات المؤازرة إشارات التحكم، عادةً ±10 فولت تيار مستمر، من وحدة التحكم، وتوفر جهد التشغيل وتيار الخرج للمحرك. وبشكل عام، يوجد نوعان من مضخمات الطاقة: المضخم الخطي ومضخم تعديل عرض النبضة (PWM).

تُعدّ المضخمات الخطية غير فعّالة، ولذلك تُستخدم بشكل أساسي في محركات الطاقة المنخفضة. وتتمثل القيود الرئيسية على قدرة معالجة الطاقة الخارجة للمضخم الخطي في الخصائص الحرارية لمرحلة الخرج وخصائص انهيار ترانزستورات الخرج. ويُحسب تبديد الطاقة في مرحلة الخرج بضرب التيار في الجهد عبر ترانزستورات الخرج. في المقابل، تتميز مضخمات تعديل عرض النبضة (PWM) بالكفاءة، وتُستخدم عادةً لقدرات طاقة تزيد عن 100 واط. تعمل هذه المضخمات على تبديل جهد الخرج بترددات تصل إلى 50 ميجاهرتز. ويتناسب متوسط ​​قيمة جهد الخرج طرديًا مع جهد التحكم. وتكمن ميزة هذا النوع في إمكانية تشغيل وإيقاف الجهد، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في قدرة تبديد الطاقة.

بمجرد اختيار نوع المضخم، فإن الخطوة التالية هي التأكد من أن المضخم يمكنه توفير التيار المستمر المطلوب وجهد الخرج عند المستويات المطلوبة لأقصى سرعة دوران للمحرك (أو السرعة الخطية للمحركات الخطية) للتطبيق.

بالنسبة للمحركات الخطية عديمة الفرش، يمكن التمييز بين أنواع المضخمات. يُستخدم نوعان شائعان من تبديل التيار في المحركات: شبه المنحرف والجيبي. التبديل شبه المنحرف هو نوع رقمي، حيث يتم تشغيل أو إيقاف التيار في كل طور من الأطوار الثلاثة. عادةً ما تقوم مستشعرات تأثير هول المزروعة في المحرك بهذه المهمة، حيث تُفعّلها مغناطيسات خارجية. مع ذلك، فإن العلاقة بين مستشعرات تأثير هول، وملفات المحرك، والمغناطيسات بالغة الأهمية، وتتضمن دائمًا هامش خطأ بسيط في الموضع. لذلك، يكون توقيت استجابة المستشعرات دائمًا خارج الطور قليلًا عن المواضع الحقيقية للملفات والمغناطيسات. يؤدي هذا إلى اختلاف طفيف في تطبيق التيار على الملفات، مما ينتج عنه اهتزاز لا مفر منه.

يُعدّ التبديل شبه المنحرف أقل ملاءمةً لتطبيقات المسح الضوئي عالية الدقة والتطبيقات ذات السرعة الثابتة. ومع ذلك، فهو أقل تكلفةً من التبديل الجيبي، لذا يُستخدم على نطاق واسع في الأنظمة عالية السرعة التي تعمل بنظام نقطة إلى نقطة، أو في الأنظمة التي لا يؤثر فيها سلاسة الحركة على المعالجة.

في التبديل الجيبي، لا يحدث تبديل بين التشغيل والإيقاف. بدلاً من ذلك، يتم تعديل إزاحة طور التيار البالغة 360 درجة للأطوار الثلاثة بنمط جيبي، وذلك عن طريق التبديل الإلكتروني. ينتج عن ذلك قوة ثابتة وسلسة من المحرك. لذا، يُعد التبديل الجيبي مناسبًا تمامًا لرسم الخطوط الدقيقة وللتطبيقات التي تتطلب سرعة ثابتة ودقيقة، مثل تطبيقات المسح الضوئي والرؤية الحاسوبية.

أجهزة التحكم
توجد أنواع عديدة من وحدات التحكم يصعب حصرها هنا. ويمكن تصنيف وحدات التحكم إلى عدة فئات بناءً على لغة البرمجة ومنطق التحكم.

تستخدم وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) مخطط منطق "سلمي". وتُستخدم بشكل أساسي للتحكم في وظائف الإدخال/الإخراج المنفصلة المتعددة، على الرغم من أن بعضها يوفر إمكانيات محدودة للتحكم في الحركة.

تُبرمج أنظمة التحكم الرقمي (NC) باستخدام لغة قياسية صناعية، RS274D أو ما شابهها. ويمكنها تنفيذ حركات معقدة مثل الأشكال الكروية والحلزونية مع تحكم متعدد المحاور.

تستخدم الأنظمة غير الرقمية مجموعة متنوعة من أنظمة التشغيل الخاصة، بما في ذلك برامج واجهة سهلة الاستخدام لملفات تعريف الحركة الأساسية. تتكون معظم وحدات التحكم هذه من وحدة تحكم أساسية بدون شاشة أو لوحة مفاتيح. تتصل وحدة التحكم بجهاز مضيف عبر منفذ RS-232. يمكن أن يكون الجهاز المضيف جهاز كمبيوتر شخصي، أو طرفية بسيطة، أو وحدة اتصالات محمولة.

معظم وحدات التحكم الحديثة هي وحدات تحكم رقمية. فهي توفر مستوىً من الموثوقية وسهولة الاستخدام لم يكن موجودًا في وحدات التحكم التناظرية. تُستمد معلومات سرعة التغذية الراجعة عادةً من إشارة موضع المحور. يتم ضبط جميع معلمات المؤازرة عبر البرمجيات بدلاً من الضبط اليدوي لمقاومات مكبرات الصوت، والتي تميل إلى الانحراف بعد الاستخدام ومع تغيرات درجة الحرارة. كما توفر معظم وحدات التحكم الحديثة خاصية الضبط التلقائي لجميع معلمات مؤازرة المحاور.

تتضمن وحدات التحكم الأكثر تطوراً أيضاً معالجة موزعة وتحكماً في المحاور باستخدام معالج الإشارات الرقمية (DSP). معالج الإشارات الرقمية هو في جوهره معالج مصمم خصيصاً لإجراء العمليات الحسابية بسرعة فائقة (أسرع بعشر مرات على الأقل من المعالج الدقيق). وهذا يوفر أوقات أخذ عينات للمحركات المؤازرة في حدود 125 مللي ثانية. وتكمن الميزة في التحكم الدقيق في المحور لضمان التحكم في السرعة الثابتة وتشكيل الخطوط بسلاسة.

تعمل خوارزمية التصفية التناسبية التكاملية التفاضلية (PID) والتغذية الأمامية للسرعة والتسارع على تحسين التحكم المؤازر للمحور. بالإضافة إلى ذلك، تعمل برمجة منحنى S لملامح التسارع والتباطؤ على التحكم في الارتجاج الذي يصاحب عادةً بدء وإيقاف حركة الطاولة. وهذا يوفر تشغيلًا أكثر سلاسة وتحكمًا، مما يؤدي إلى أوقات استقرار أسرع لكل من الموضع والسرعة.

تتضمن وحدات التحكم أيضًا إمكانيات إدخال/إخراج رقمية أو تناظرية واسعة النطاق. يمكن تعديل برنامج المستخدم أو روتينه الفرعي بناءً على معلومات الموقع أو الوقت أو الحالة، وقيم المتغيرات، والعمليات الحسابية، وأحداث الإدخال/الإخراج الخارجية أو الداخلية، أو مقاطعات الأخطاء. ويمكن أتمتة عملية المستخدم بسهولة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمعظم وحدات التحكم زيادة دقة تغذية الموضع من خلال المضاعفة الإلكترونية. ورغم شيوع المضاعفة بمقدار 4 أضعاف، فإن بعض وحدات التحكم المتقدمة قادرة على المضاعفة حتى 256 ضعفًا. ورغم أن هذا لا يُحسّن الدقة، إلا أنه يُحسّن استقرار موضع المحور بشكل ملحوظ، والأهم من ذلك في العديد من التطبيقات، قابلية التكرار.

في نهجك العام، إلى جانب العوامل المذكورة أعلاه، يجب مراعاة عوامل أخرى قد تؤثر على قرارات اختيار المكونات، مثل الميزانية، والبيئة، والعمر الافتراضي، وسهولة الصيانة، ومتوسط ​​الوقت بين الأعطال، وتفضيلات المستخدم النهائي. يتيح النهج المعياري تجميع النظام من مكونات قياسية متوفرة بسهولة، تلبي حتى أكثر متطلبات التطبيقات صرامةً، شريطة تحليل النظام من الأساس لضمان توافق جميع مكوناته.