أيها الأنسب لتطبيقك؟ دعونا نستكشف معايير القرار الرئيسية بما في ذلك السرعة والتسارع والأهداف السعرية.

محركات الخطوة

تتكون المحركات الخطوية من دوار مزود بمغناطيس دائم وجزء ثابت يحمل الملفات. عند مرور التيار الكهربائي في ملفات الجزء الثابت، يتولد توزيع للتدفق المغناطيسي يتفاعل مع توزيع المجال المغناطيسي للدوار لتوليد قوة دوران. تتميز المحركات الخطوية بعدد كبير جدًا من الأقطاب، عادةً 50 قطبًا أو أكثر. يقوم مشغل المحرك الخطوي بتنشيط كل قطب بالتتابع، مما يجعل الدوار يدور على شكل سلسلة من الخطوات. وبسبب العدد الكبير جدًا للأقطاب، تبدو الحركة متصلة.

نظريًا، يُمكن استخدام علبة تروس لزيادة عزم الدوران، ولكن هنا تكمن المشكلة في السرعة المنخفضة لمحركات الخطوة. قد يؤدي إضافة مُخفِّض سرعة بنسبة 10:1 إلى محرك خطوة يعمل بسرعة 1200 دورة في الدقيقة إلى زيادة عزم الدوران بمقدار عشرة أضعاف، ولكنه سيُخفِّض السرعة إلى 120 دورة في الدقيقة. إذا كان المحرك يُستخدم لتشغيل مُشغِّل لولبي كروي أو ما شابه، فمن المُرجَّح أنه لن يُوفِّر سرعة كافية لتلبية احتياجات التطبيق.

لا تتوفر محركات الخطوة عادةً بأحجام إطارات أكبر من NEMA 34، حيث تندرج معظم التطبيقات ضمن أحجام محركات NEMA 17 أو NEMA 23. ونتيجةً لذلك، من النادر العثور على محركات خطوة قادرة على إنتاج عزم دوران يتجاوز 1000 إلى 2000 أونصة بوصة.

تُعاني المحركات الخطوية أيضًا من قيود في الأداء. يُمكن تشبيه المحرك الخطوي بنظام كتلة-نابض. يحتاج المحرك إلى التغلب على الاحتكاك لبدء الدوران وتحريك الحمل، وعند هذه النقطة لا يكون الدوار مُتحكمًا به بشكل كامل. ونتيجةً لذلك، قد لا تُؤدي إشارة التقدم خمس خطوات إلا إلى دوران المحرك أربع خطوات أو ست خطوات.

إذا أمر المحرك بالتحرك 200 خطوة، فإنه سيفعل ذلك بدقة تصل إلى بضع خطوات فقط، وهو ما يمثل خطأً بنسبة بضعة بالمئة. مع أننا نتحكم في محركات الخطوة بدقة تتراوح عادةً بين 25000 و50000 نبضة لكل دورة، إلا أن دقة التحكم النموذجية لدينا تتراوح بين 2000 و6000 نبضة لكل دورة لأن المحرك عبارة عن نظام كتلة-نابض تحت الحمل. ومع ذلك، عند هذه الدقة، حتى حركة 200 خطوة تُعادل جزءًا من الدرجة.

إضافة جهاز تشفير ستُمكّن النظام من تتبع الحركة بدقة، لكنها لن تتمكن من التغلب على قوانين الفيزياء الأساسية للمحرك. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب دقة ووضوحًا أفضل في تحديد المواقع، تُعدّ محركات المؤازرة حلاً أفضل.

محركات سيرفو

تتعدد تطبيقات محركات السيرفو، تمامًا مثل محركات الخطوة. لنستعرض التصميم الأكثر شيوعًا، والذي يتضمن دوارًا مزودًا بمغناطيسات دائمة وجزءًا ثابتًا (ستاتور) مزودًا بالملفات. هنا أيضًا، يُولّد التيار توزيعًا للمجال المغناطيسي يؤثر على الدوار لتوليد عزم الدوران. مع ذلك، تتميز محركات السيرفو بعدد أقطاب أقل بكثير من محركات الخطوة، ولذلك يجب تشغيلها بنظام حلقة مغلقة.

تُمكّن خاصية التشغيل في الحلقة المغلقة وحدة التحكم/المحرك من إصدار أمر بتثبيت الحمل في موضع محدد، وسيقوم المحرك بإجراء تعديلات مستمرة للحفاظ عليه هناك. وبالتالي، يمكن لمحركات المؤازرة توفير عزم تثبيت فعلي. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن حالة عزم الدوران عند السرعة الصفرية تعتمد على اختيار حجم المحرك المناسب للتحكم في الحمل ومنع تذبذبه حول الموضع المطلوب.

تستخدم محركات السيرفو عادةً مغناطيسات أرضية نادرة، بينما تستخدم محركات الخطوة في الغالب مغناطيسات تقليدية أقل تكلفة. تُمكّن المغناطيسات الأرضية النادرة من توليد عزم دوران أعلى في حجم أصغر. كما تستفيد محركات السيرفو من عزم الدوران العالي بفضل حجمها الفيزيائي. تتراوح أقطار محركات السيرفو عادةً من NEMA 17 إلى 220 مم. ونتيجةً لهذه العوامل مجتمعة، يمكن لمحركات السيرفو توليد عزم دوران يصل إلى 250 قدم-رطل.

يُمكّن الجمع بين السرعة وعزم الدوران محركات السيرفو من توفير تسارع أفضل من محركات الخطوة. كما أنها توفر دقة تحديد مواقع محسّنة نتيجةً للتشغيل ذي الحلقة المغلقة.

الخاتمة

تُوفر محركات السيرفو ميزة أداء لا جدال فيها. مع ذلك، من حيث دقة التكرار، تُعدّ محركات الخطوة منافسةً قوية. تُثير هذه النقطة مفهومًا خاطئًا شائعًا حول محركات الخطوة، ألا وهو خرافة فقدان الحركة. كما ذكرنا سابقًا، قد يؤدي تصميم محرك الخطوة، القائم على نظام الكتلة والنابض، إلى فقدان بعض الخطوات. ولكن نظرًا لأن المحرك يُصدر أوامره للتحرك بزاوية محددة، فإن الخطوات المفقودة لا تنتقل من دورة إلى أخرى. وبالتالي، تتميز محركات الخطوة بدقة تكرار عالية من دورة إلى أخرى. ترقبوا مناقشة أكثر تفصيلًا لهذا الموضوع في مقال لاحق.

يقودنا النقاش السابق إلى فارق رئيسي أخير بين محاور المحركات الخطوية ومحاور المحركات المؤازرة، ألا وهو التكلفة. لا تتطلب المحركات الخطوية عادةً تغذية راجعة، وتستخدم مغناطيسات أقل تكلفة، ونادرًا ما تتضمن علب تروس. وبفضل عدد أقطابها الكبير وقدرتها على توليد عزم دوران ثابت، فإنها تستهلك طاقة أقل عند سرعة صفر. ونتيجةً لذلك، قد يكون سعر المحرك الخطوي أقل بعشر مرات من سعر محرك مؤازر مماثل.

باختصار، تُعدّ المحركات الخطوية حلولاً جيدة للتطبيقات التي تتطلب سرعة منخفضة، وتسارعًا منخفضًا، ودقة منخفضة. كما تتميز هذه المحركات بصغر حجمها وانخفاض تكلفتها، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الطبية، والتكنولوجيا الحيوية، والأمن والدفاع، وتصنيع أشباه الموصلات. أما المحركات المؤازرة، فهي الخيار الأمثل للأنظمة التي تتطلب سرعة عالية، وتسارعًا عاليًا، ودقة عالية، ولكنها في المقابل أكثر تكلفة وتعقيدًا. وتُستخدم هذه المحركات عادةً في التعبئة والتغليف، والتحويل، ومعالجة الأشرطة، والتطبيقات المشابهة.

عندما يكون تطبيقك مرنًا لكن ميزانيتك محدودة، فكّر في استخدام محرك خطوي. أما إذا كان الأداء هو الأهم، فإن محركًا مؤازرًا سيفي بالغرض، لكن توقع أن يكون سعره أعلى.