قد تكون محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة هي الخيار الأفضل للمهام التي تقوم بها عادةً محركات المؤازرة لأن محركات الخطوة التقليدية لا تستطيع التعامل معها.

يُعد اختيار المحرك من أهم القرارات التي يتخذها المهندسون عند تصميم أي نوع من عمليات التحكم في الحركة. فالحصول على المحرك المناسب، من حيث النوع والحجم، أمر بالغ الأهمية لكفاءة تشغيل الآلة النهائية. علاوة على ذلك، يُعد ضمان عدم تجاوز تكلفة المحرك للميزانية المحددة أولوية قصوى.

من أولى الأسئلة التي يجب الإجابة عليها عند اتخاذ القرار: ما نوع المحرك الأنسب؟ هل يتطلب التطبيق محرك سيرفو عالي الأداء؟ هل سيكون محرك الخطوة منخفض التكلفة أفضل؟ أم ربما هناك خيار ثالث متوسط ​​الأداء يستحق النظر فيه؟

تبدأ الإجابات باحتياجات التطبيق المحدد. هناك العديد من العوامل التي يجب مراعاتها قبل تحديد نوع المحرك الأمثل لأي تطبيق معين.

المتطلبات

كم عدد الدورات التي يحتاجها المحرك في الدقيقة؟ ما مقدار عزم الدوران المطلوب؟ ما هي السرعة القصوى المطلوبة؟

لا يمكن معالجة هذه الأسئلة الحاسمة بمجرد اختيار محرك بقوة حصانية معينة.

إن القدرة الناتجة عن المحرك هي مزيج من عزم الدوران والسرعة والتي يمكن حسابها عن طريق ضرب السرعة وعزم الدوران وثابت.

نظراً لطبيعة هذه الحسابات، توجد العديد من التوليفات المختلفة لعزم الدوران والسرعة التي تُنتج قدرة خرج محددة. وبالتالي، قد تعمل محركات مختلفة ذات قدرات متشابهة بشكل مختلف تبعاً لتوليفة السرعة وعزم الدوران التي توفرها.

يجب على المهندسين معرفة سرعة تحريك حمولة معينة الحجم قبل اختيار المحرك الأمثل بثقة. كما يجب أن يندرج العمل المطلوب ضمن منحنى عزم الدوران/السرعة للمحرك، والذي يوضح كيفية تغير عزم دوران المحرك أثناء التشغيل. وباستخدام افتراضات "أسوأ الحالات" (أي تحديد الحد الأقصى/الأدنى لعزم الدوران والسرعة المطلوبين للعمل)، يمكن للمهندسين التأكد من أن المحرك المختار يتمتع بمنحنى عزم دوران/سرعة كافٍ.

يُعدّ قصور الحمل عاملاً آخر يجب مراعاته قبل البدء في عملية اختيار المحرك. يجب حساب نسبة القصور الذاتي، وهي مقارنة بين قصور الحمل وقصور المحرك. تشير إحدى القواعد العامة إلى أنه إذا تجاوز قصور الحمل عشرة أضعاف قصور الدوّار، فقد يصبح ضبط المحرك أكثر صعوبة، وقد يتأثر الأداء سلبًا. إلا أن هذه القاعدة تختلف ليس فقط باختلاف التقنيات، بل أيضًا باختلاف الموردين، وحتى باختلاف المنتجات. كما تؤثر أهمية التطبيق على هذا القرار. فبعض المنتجات تتعامل مع نسب تصل إلى 30 إلى 1، بينما تعمل المحركات ذات الدفع المباشر بنسب تصل إلى 200 إلى 1. ولا يُفضّل الكثيرون اختيار محرك تتجاوز نسبة قصوره الذاتي 10 إلى 1.

أخيرًا، هل توجد قيود مادية تحد من استخدام محرك معين دون غيره؟ تأتي المحركات بأشكال وأحجام مختلفة. في بعض الحالات، تكون المحركات كبيرة الحجم، وهناك عمليات معينة لا يمكن فيها استخدام محرك بحجم معين. قبل اتخاذ قرار مدروس بشأن أفضل نوع من المحركات، يجب إدراك هذه المواصفات المادية وفهمها جيدًا.

بمجرد أن يجيب المهندسون على جميع هذه الأسئلة - السرعة، وعزم الدوران، والقدرة الحصانية، وقصور الحمل الذاتي، والقيود الفيزيائية - يمكنهم تحديد حجم المحرك الأكثر كفاءة. ومع ذلك، لا تنتهي عملية اتخاذ القرار عند هذا الحد. يجب على المهندسين أيضًا تحديد نوع المحرك الأنسب للتطبيق. لسنوات، انحصر الاختيار بين نوعين لمعظم التطبيقات: محرك سيرفو أو محرك خطوي ذو حلقة مفتوحة.

محركات سيرفو ومحركات خطوية

تتشابه مبادئ تشغيل محركات المؤازرة ومحركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة. ومع ذلك، توجد اختلافات جوهرية بينهما يجب على المهندسين فهمها قبل تحديد المحرك الأمثل لتطبيق معين.

في أنظمة المؤازرة التقليدية، يرسل المتحكم أوامر إلى محرك القيادة عبر نبضات واتجاهات، أو عبر إشارة تناظرية تتعلق بالموقع أو السرعة أو عزم الدوران. قد تستخدم بعض أنظمة التحكم طريقة تعتمد على ناقل البيانات، والتي عادةً ما تكون في أحدث أنظمة التحكم طريقة اتصال تعتمد على الإيثرنت. ثم يرسل محرك القيادة التيار المناسب إلى كل طور من أطوار المحرك. وتعود بيانات التغذية الراجعة من المحرك إلى محرك القيادة، وإلى المتحكم عند الحاجة. يعتمد محرك القيادة على هذه المعلومات لتشغيل المحرك بشكل صحيح وإرسال معلومات دقيقة حول الوضع الديناميكي لعمود المحرك. لذلك، تُعتبر محركات المؤازرة محركات ذات حلقة مغلقة، وتحتوي على مشفرات مدمجة، ويتم تغذية بيانات الموقع بشكل متكرر إلى المتحكم. تمنح هذه التغذية الراجعة المتحكم مزيدًا من التحكم في المحرك. يمكن للمتحكم إجراء تعديلات على العمليات، بدرجات متفاوتة، إذا لم يكن شيء ما يعمل كما ينبغي. هذا النوع من المعلومات الحيوية ميزة لا توفرها محركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة.

تعمل المحركات الخطوية أيضًا بناءً على أوامر تُرسل إلى وحدة التحكم لتحديد المسافة المقطوعة والسرعة. عادةً ما تكون هذه الإشارة عبارة عن أمر بالخطوة والاتجاه. مع ذلك، لا تستطيع المحركات الخطوية ذات الحلقة المفتوحة توفير تغذية راجعة للمشغلين، لذا لا تستطيع أنظمة التحكم الخاصة بهم تقييم الوضع بشكل صحيح وإجراء التعديلات اللازمة لتحسين أداء المحرك.

على سبيل المثال، إذا لم يكن عزم دوران المحرك كافيًا لتحمل الحمل، فقد يتوقف المحرك أو يفوت بعض الخطوات. وعند حدوث ذلك، لن يتم الوصول إلى الموضع المستهدف. ونظرًا لخصائص الحلقة المفتوحة لمحرك الخطوة، فلن يتم نقل هذا التموضع غير الدقيق إلى وحدة التحكم بشكل كافٍ لإجراء التعديلات اللازمة.

يبدو أن محرك السيرفو يتمتع بمزايا واضحة من حيث الكفاءة والأداء، فلماذا قد يختار أحدهم محرك الخطوة؟ هناك عدة أسباب. السبب الأكثر شيوعًا هو السعر؛ فالميزانيات التشغيلية تُعدّ من الاعتبارات المهمة عند اتخاذ أي قرار تصميمي. ومع تقلص الميزانيات، يجب اتخاذ قرارات لخفض التكاليف غير الضرورية. ولا يقتصر هذا على تكلفة المحرك نفسه فحسب، بل إن الصيانة الدورية والطارئة عادةً ما تكون أقل تكلفة لمحركات الخطوة مقارنةً بمحركات السيرفو. لذا، إذا لم تبرر فوائد محرك السيرفو تكلفته، فقد يكون محرك الخطوة القياسي كافيًا.

من الناحية التشغيلية البحتة، تُعدّ المحركات الخطوية أسهل استخدامًا بشكل ملحوظ من محركات المؤازرة التقليدية. فتشغيل المحرك الخطوي أبسط بكثير في الفهم وأسهل في الضبط. ويتفق معظم العاملين على أنه إذا لم يكن هناك داعٍ لتعقيد العمليات، فمن الأفضل تبسيطها.

تختلف مزايا نوعي المحركات اختلافًا كبيرًا. تُعدّ محركات السيرفو مثاليةً إذا كنتَ بحاجةٍ إلى محركٍ بسرعاتٍ تتجاوز 3000 دورة في الدقيقة وعزم دورانٍ عالٍ. مع ذلك، في التطبيقات التي تتطلب سرعاتٍ لا تتجاوز بضع مئاتٍ من الدورات في الدقيقة، لا يُعدّ محرك السيرفو الخيار الأمثل دائمًا. قد تكون محركات السيرفو مُبالغًا فيها بالنسبة للتطبيقات منخفضة السرعة.

تتألق محركات الخطوة كأفضل حل ممكن في التطبيقات منخفضة السرعة. فهي لا تتميز فقط بدقة التوقف، بل صُممت أيضاً للعمل بسرعات منخفضة مع توفير عزم دوران عالٍ. وبفضل هذا التصميم، يمكن التحكم في محركات الخطوة وتشغيلها حتى حدود سرعتها القصوى. عادةً ما تكون السرعة القصوى لمحركات الخطوة النموذجية أقل من 1000 دورة في الدقيقة، بينما قد تصل سرعة محركات المؤازرة إلى 3000 دورة في الدقيقة أو أكثر، وأحياناً تتجاوز 7000 دورة في الدقيقة.

إذا تم اختيار حجم المحرك الخطوي بشكل صحيح، فقد يكون الخيار الأمثل. مع ذلك، عندما يعمل المحرك الخطوي بنظام الحلقة المفتوحة ويحدث خلل ما، قد لا يحصل المشغلون على جميع البيانات اللازمة لإصلاح المشكلة.

حل مشكلة الحلقة المفتوحة

على مدى العقود القليلة الماضية، طُرحت عدة طرق مختلفة لحل المشكلات التقليدية المتعلقة بمحركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة. وكان من بين هذه الطرق إعادة ضبط المحرك على مستشعر عند بدء التشغيل، أو حتى عدة مرات أثناء التطبيق. ورغم بساطة هذه الطريقة، إلا أنها تُبطئ العمليات ولا ترصد المشكلات التي تنشأ أثناء عمليات التشغيل العادية.

يُعدّ إضافة نظام تغذية راجعة للكشف عن توقف المحرك أو خروجه عن موضعه نهجًا آخر. وقد ابتكر مهندسو شركات التحكم في الحركة ميزات "الكشف عن التوقف" و"الحفاظ على الموضع". بل وظهرت بعض المناهج التي تتجاوز ذلك، حيث تُعامل محركات الخطوة كما لو كانت محركات مؤازرة، أو على الأقل تُحاكيها باستخدام خوارزميات متطورة.

في طيف المحركات الواسع - بين محركات المؤازرة ومحركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة - تبرز تقنية حديثة نسبياً تُعرف بمحرك الخطوة ذي الحلقة المغلقة. يُعد هذا المحرك الحل الأمثل والأكثر اقتصادية لتطبيقات تتطلب دقة عالية في تحديد المواقع وسرعات منخفضة. وباستخدام أجهزة تغذية راجعة عالية الدقة لإغلاق الحلقة، يستطيع المهندسون الجمع بين أفضل ما في كلا النوعين.

توفر محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة جميع مزايا محركات الخطوة: سهولة الاستخدام، والبساطة، والقدرة على العمل بثبات بسرعات منخفضة مع توقف دقيق. بالإضافة إلى ذلك، فهي توفر إمكانيات التغذية الراجعة التي توفرها محركات المؤازرة. ولحسن الحظ، لا يصاحب ذلك بالضرورة أكبر عيوب محركات المؤازرة: ارتفاع سعرها.

يكمن السر دائمًا في طريقة عمل محركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة. فهي تحتوي عادةً على ملفين، وأحيانًا خمسة، مع وجود توازن مغناطيسي بينها. يؤدي أي حركة إلى اختلال هذا التوازن، مما يتسبب في تأخر عمود المحرك كهربائيًا، لكن لا يمكن للمشغل معرفة مقدار هذا التأخر. نقطة التوقف قابلة للتكرار في محركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة، ولكن ليس لجميع الأحمال. يوفر تركيب مشفر على محرك الخطوة وتحويله إلى حلقة مغلقة تحكمًا ديناميكيًا. وهذا يسمح للمشغلين بالتوقف عند نقطة محددة بدقة تحت أحمال متغيرة.

أدت هذه المزايا لاستخدام محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة في تطبيقات محددة إلى زيادة شعبية هذه المحركات بشكل ملحوظ في مجال التحكم بالحركة. وعلى وجه الخصوص، يشهد قطاعا تصنيع أشباه الموصلات والأجهزة الطبية، وهما من أبرز القطاعات الصناعية، زيادة واضحة في استخدام محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة. إذ يجب على المهندسين في هذين القطاعين معرفة موقع الأحمال أو المشغلات التي تُشغلها المحركات بدقة، سواءً كانت تُشغل سيرًا أو برغيًا كرويًا. وتتيح لهم خاصية التغذية الراجعة ذات الحلقة المغلقة في هذه المحركات معرفة موقعها بدقة. كما تُوفر هذه المحركات أداءً أفضل من محركات المؤازرة عند السرعات المنخفضة.

بشكل عام، أي تطبيق يحتاج إلى أداء مضمون بتكلفة أقل من محرك المؤازرة، والقدرة على العمل بسرعات منخفضة نسبيًا، يعتبر مرشحًا جيدًا لمحركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة.

يجب على المشغلين التأكد من أن المحرك أو أدوات التحكم تدعم محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة. في السابق، كان من الممكن الحصول على محرك خطوة مزود بمشفّر في الخلف، لكن المحرك كان محرك خطوة قياسيًا ولا يدعم المشفّرات. كان لا بد من إعادة المشفّر إلى وحدة التحكم، وكان التحقق من الموضع مطلوبًا في نهاية كل حركة. هذا غير مطلوب مع محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة الحديثة. إذ يمكن لمحركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة التحكم في الموضع والسرعة ديناميكيًا وتلقائيًا دون الحاجة إلى وحدات تحكم.