MakerPot.com


90


30


0

دليل المحركات الكامل للروبوتات الخطوة الثامنة: محرك DC غير مسنن

2017-05-14

يطلق على محركاتDC (BLDC) غير المسننة عدة أسماء: محركات المغانط الدائمة غير المسننة brushless permanent magnet، محركات AC بمغانط دائمةpermanent magnet ac motors، محركات مغانط دائمة تزامنية permanent magnet synchronous motors وغيرها..، وهذا الاختلاف في التسمية يعود لأن محركات DC غير المسننة لا تعمل مباشرة عبر مصدر تغذية الجهد المستمر dc. و مهما يكن، فما سنستعرضه الآن وهو مبدأ عملها مشابه لمبدأ عمل محركات dc.

تمتلك محركات BLDC أداةً دوارة بمغانط دائمة و جزءا ثابتا يحتوي على لفات. ومن المهم أن يدور محرك DC من الداخل للخارج. المسننات والعاكس يُستبعدان بينما اللفات يتم ايصالها بالمتحكم الالكتروني فالمتحكم الإلكتروني يعوض مهمة العاكس ويقوم بتغذية اللفات بالطاقة. وكما نرى في الصورة المتحركة فإن اللفات تُغذى بالطاقة حسب النمط المعين أين تدور حول الجزء الثابت. ولفات الجزء الثابت المشحونة توجه الأداة الدوارة الممغنطة، و تقوم بالتبديل فور أن تكون الأداة الدوارة محاذية للجزء الثابت. و من محاسن ومزايا محركات BLDC أنه لا يوجد أي شرارات تنتج عن هذا التبديل.

أما العيوب فتتمثل في عمر السّن وبقاياها والسرعة القصوى، والتشويش الكهربائي. ومحركات BLDC تتميز بالنظافة، والسرعة والكفاءة العالية وهي أقلّ تشويشا كهربائيا وأكثر أمانا. و عموما فإن محركات BLDC تتطلب متحكما الكترونيا.

ونلاحظ أن بنية محركات DC غير المسننة تشبه محركات AC مما يجعلها فعلا محركات تزامنية، لكن عيبها هو أنها أكثر غلاء من محركات DC المسننة.

المحركات الداخلية مقارنةً بالمحركات الخارجية

هناك نوعين من محركات التحكم اللاسلكي غير المسننة، محركات داخلية inrunners، ومحركات خارجية outrunners. ففي المحركات الداخلية تتموضع المغانط الدائمة داخل العنصر الالكترومغناطيسي. بينما تتموضع المغانط في المحركات الخارجية خارج العنصر الإلكترومغناطيسي.

وكلما كان المحرك يدور بشكل أسرع كلما ازدادت فعاليته. و تدور المحركات الداخلية بسرعة كبيرة وهي أكثر فعالية من المحركات الخارجية. لهذا فإن المحركات الداخلية تتطلب علبة مسننات تعشيق لتقليص السرعة بين المحرك و المروحة الدافعة لطائرتك اللاسلكية. والجانب السلبي في المحركات الداخلية هو أن هذه الأجزاء المضافة يمكن أن تتوقف وتتلف. فيمكن أن تنخلع مسننات التعشيق و محاور علبة المسننات يمكن أن تنثني بسهولة. ويمكن أن تواجهك عقبة أخرى أيضا عندما تحاول تركيب علبة المسننات في محرك طائرتك اللاسلكية بشكل صحيح، خاصة تحت غطاء المحرك.

مبدأ العمل

ميكانيكية المحركات غير المسننة سهلة جدا. فالجزء المتحرك الوحيد فيها هو الأداة الدوارة، والتي تحتوي على المغانط. أما الجزء المعقد فيتمثل في التحكم بتتابع تغذية اللفات بالطاقة. فضبط استقطاب كل لفيفة يتم عبر التحكم باتجاه تدفق التيار. وتعرض الصورة المتحركة أسلوبا بسيطا يمكن للمتحكمين أن يتبعوه. فالتيار المتناوب يغير الاستقطابية معطيا كل لفيفة تأثير "دفع-جذب" و الفكرة الأساسية هي المحافظة على هذا النمط ( الأسلوب) متزامنا مع سرعة الأداة الدوارة. وهناك طريقتان ( واسعة الاستعمال ) يمكن من خلالها تحقيق هذا الأمر. فمعظم المتحكمين الهواة يقومون بقياس قيمة الجهد الناتجة ( خلف EMI ) في اللفيفة غير المشحونة. وهذه الطريقة مناسبة جدا في حالة العمليات ذات السرعة عالية. لكن عندما يبدأ المحرك بالدوران بشكل أبطأ، تصبح قيمة الجهد الناتجة أصعب في القياس مما يسبب حدوث الكثير من الأخطاء. بينما الهواة الجدد و المتحكمون التجاريون يستعملون كواشف تأثير هال Hall effect لمعرفة وضعية المغانط مباشرةً. و هذه هي الطريقة الأولية لهواة التحكم عبر الحاسوب.

التحكم

يختلف التحكم بمحركات DC غير المسننة اختلافا كبيرا عن التحكم بمحركات DC المسننة العادية. ففي هذا النوع من المحركات المدمجة يتطلب الأمر أن نعرف وضعية زاوية الأداة الدوارة ( أو استقطاب المغانط ) وذلك كي نتمكن من اصدار اشارات التغذية العكسية feedback signals للتحكم بأشباه الموصلات المتصلة بالأجهزة. و أكثر كواشف التموضع/الاستقطابية شيوعاً هو كاشف تأثير هال، لكن بعض المحركات تستعمل كواشف ضوئية. فلدى استعمالنا لكاشف تأثير هال يتم التحكم بتبديل استقطاب العناصر الالكترومغناطيسية بدارات التحكم في المحرك. بالتالي يمكن مزامنة المحرك بسهولة عبر اشارة ساعة رقمية، معطيا بدقة السرعة المطلوبة. وتُصنع بعض محركات DC غير المسننة بحيث يمكنها أن تحتوي أيضا على أداة دوارة بمغانط دائمة خارجية، مع جزء ثابت الكترومغناطيسي داخلي أو أداة دوارة بمغانط دائمة داخلية مع جزء ثابت الكترومغناطيسي خارجي.

اضف وصف الصورة هنا

وفي الشكل 4 (A) الملفات الخضراء GREEN الموسومة بـ001 تُستقطب نحو الشمال، بينما الملفات الزرقاء الموسومة بـ010 تستقطب نحو الجنوب SOUTH. و بسبب الاستثارة فإن قطب الجنوب SOUTH من الأداة الدوارة سيكون مصطفا على خط واحد مع اللفة الخضراء GREEN بينما يصطف قطب الشمال NORTH على خط واحد مع اللفات الحمراء RED الموسومة بـ 100 وبغرض تحريك الأداة الدوارة سيتم تغذية اللفتين الحمراء و الزرقاء في الاتجاه الموضح في الشكل 4 ( B). هذا يتسبب بأن تستقطب اللفة الحمراء شمالاً، واللفة الزرقاء جنوباً. وهذا التغير الحاصل في المجال المغناطيسي في الجزء الثابت سيُنتج عزم دوران لأن زيادة التنافر ( فاللفة الحمراء- و قطبي شمال- شمال على مستوى واحد ) وقوى الجذب ( اللفة الزرقاء - وقطبي شمال- جنوب على مستوى واحد ) يسبب حركة الأداة الدوارة في اتجاه عقارب الساعة.

التحكم بالسرعة:

محركات DC غير المسننة هي في الحقيقة محركات ac بثلاثة وجوه. فلتحكم بالسرعة نستعمل متحكم الكتروني بالسرعة ويدعى الـ ESC. و تنتج أنظمة ESC ( أنظمة التحكم الإلكتروني بالسرعة)، من ناحية أساسية، مخرجات طاقة متناوبة AC ثلاثية الأطوار محدودة انطلاقا من مدخل تغذية طاقة للمحرك DC، فلتشغيل محركات DC غير مسننة نرسل تتابعا من اشارات AC تولدها دارات ESC مستخدمةً مقاومة ضعيفة جدا للدوران. وتسمى المحركات غير المسننة خارجية أو داخلية حسب تركيبها الفيزيائي، وقد أصبحت هذه المحركات شعبية جدا وشائعة للغاية لهواة الطائرات اللاسلكية وتطبيقات الطيران الالكترونية وذلك بسبب فعاليتها، قوتها، و قدرة تحملها ووزنها الخفيف بالمقارنة مع المحركات المسنة القديمة. و عموما فإن متحكمات محركات AC غير المسننة أكثر تعقيدا بكثير من متحكمات المحركات المسننة.

تتغير طور التصحيح مع دوران المحرك، والتي تؤخذ بعين الإعتبار من طرف الـ ESC. و تُستعمل خلفية EMF من المحرك عادةً في رصد هذا الدوران، لكن في حالة التغيرات الموجودة التي تستعمل المغانط ( تأثير هال ) أو الكواشف الضوئية. أما متحكمات السرعة المبرمجة عبر الحاسوب فتمتلك عادة خيارات محددة للمستخدم حيث تسمح بخفض قيمة الجهد في الأطراف، التوقيت، التسريع، التدوير واتجاه الدوران. ويمكن أن نقوم بعكس اتجاه المحرك بتبديل أي من الأطوار الثلاثة للـ ESC الموصولة بالمحرك.

معدل التيار بواسطة ESC

يمتلك الـ ESC طاقة محدودة. و كي يتحمل طاقة أكبر، يحتاج الـESC لأن يكون أكبر حجما، وأثقل وزنا، وسيكون بالطبع أغلى ثمناً. فمن المهم أن تتأكد من أن التيار الزائد للمحرك تحت سيطرة الصمام الخانق throttle. لأن هذا ما سيحدد قيم شدة التيار التي ترغب بها باستعمال الـESC. و ينبغي عليك دوما أن تختار ESC بقيمة شدة تيار أعلى مما تحتاجه. فلو كان المحرك يطلب 12A، فقيمة ESC بقدر 25A هي خيار جيد وأفضل من خيارات بقيمة 10A مثلاً. فـ ESC بقيمة 10A سيحترق ويتلف حتى لو قمت بعملية الطيران بنصف قيمة الصمام الخانق throttle. وأداة الـ ESC خفيفة الوزن نسبيا ويمكن إعادة بيعها بسعر مناسب، لهذا فهذه الأداة في نظام تغذية الطاقة لديك لا يستحق أن تقلق بشأنه. ويعتبر اختيار النوع المناسب وتحديد قيمة التيار الدنيا هي أهم خطوتين في الموضوع. أما باقي الخيارات فهي تعتمد على متطلباتك وما تريده.

معدل قيمة الجهد

كل أدوات ESC لديها حدود في قيمة الجهد المطبق. بل حتى أن بعض هذه الأدوات يملك أكثر من حد!، ما هي قيمة جهد بطاريتك؟ ومن خلال معرفتك لفولطية بطاريتك، اختر أداة ESC مصممة للعمل مع فولطية أعلى أو مساوية لها. صُممت بعض أدوات الـESC لقيمة فولط ضعيفة ( أقل من 13V). وبعضها الآخر صمم لقيمة فولط متوسطة ( تحت 25V )، والآخر صمم لقيمة فولط عالية ( فوق 25V). فلا ينبغي عليك اذا أن تصل بطارية ذات قيمة فولط مرتفع بأداة ESC ذات تحمل جهد ضعيف، وسيكون أيضا من غير المفيد أن تستعمل أداة ESC ذات تحمل جهد عالي مع بطارية بقيمة فولط ضعيفة.

المزايا

تعود مزايا محركات DC غير المسننة بالمقارنة مع المسننة ( ذات أسنان ) أنّها ذات كفاءة عالية، صلابة هيكلية ممتازة، و تشويش كهربائي أقل، وتحكم جيد بالسرعة والأكثر أهمية هو عدم وجود الأسنان أو العاكس أي لا يتآكلان رغم انتاج المحركات سرعة عالية. أما بخصوص العيوب فهي غلاء سعرها و التحكم بها يكون أكثر تعقيدا.

التحكم عبر الأردوينو

صُممت المحركات غير المسننة كي تعمل وتتحكم عن بعد بالطائرات الهوائية والمركبات التي تتطلب عادة متحكما مستقلا فيها. وهو ما يماثل استعمال نوع بلا كواشف كاستعمال محرك من نوع سيرفو عادي يرسل نبض اشارات للتحكم بالسرعة.

والتحكم بمحركات BLDC سهل جدا. فمعظم أدوات ESC تتطلب ترددا بقيمة 50Hz كمثال دورة 20 ms، وتختلف السرعة حسب دورة العمل الذي تريده. فقيمة 1 ms سيقلص سرعتها إلى الحد الأدنى أو حتى يوقفها تماما ( حسب موديل ESC الذي تستعمله) بينما قيمة 2ms ستجعل المحرك يدور بأقصى سرعته. وتمكنك القيم بين هذين الرقمين من تغيير السرعة كما تريد.

تحتاج أداة ESC عادة إلى قيمة فولط أعلى من تلك التي يمنحها الأردوينو عبر منفذه 5V، بل تحتاج إلى خليتي LiPo LiPo cells ( حوالي 8V )، وللتحقق من أن كل الدارات تُمد بتغذية طاقة خارجية نوصلها مباشرة بالـ ESC وليس عبر الأردوينو، والذي سيتغذى بالطاقة عبر دارة BEC الخاصة بالـ ESC. وللقيام بهذا الأمر يكفي أن نوصل السلك الأحمر والأسود بمتحكم الإيصال إلى الـ 5V والأرضي في لوحة الأردوينو.

أما باقي أجزاء الدارة فسهل للغاية: فمن المنفذ9 Pin9 للأردوينو سنحصل على اشارة الـ ESC، ومن المنفذ 0، سنحصل على قراءة قيمة الفولط التي تأتينا من مقياس الجهد الإنزلاقي (potentiometer ).

وتحتاج ESC أحيانا إلى المعايرة، وبالنسبة لأدوات الـ ESC، فالمعايرة تعني أن نضبط السرعة القصوى والأدنى للمحرك بالنسبة للنطاق الأقصى و الأدنى لإشارة الـ PWM التي يرسلها الأردوينو. واشارة الـ PWM التي يقرأها الـESC هي من نفس نوع إشارة محرك السيرفو، مما يعني أن مكتبة السيرفو من منصة الأردوينو يمكن أن تستعمل في معايرة والتحكم بأدوات الـ ESC. ويضبط الـ ESC سرعة المحرك اعتمادا على نسبة ارتفاع وانخفاض الإشارات. وتتضمن المعايرة برمجة الـ ESC كي يفهم موجات ـPWM التي توضح له ايقاف أو تشغيل المحرك في سرعته القصوى.

ونطاق الإشارة العادي لمعظم محركات السيرفو وأدوات الـ ESC هو نطاق اشارة عالي بين الـ 1000و 2000 مايكرو ثانية وبفترة تكرار حوالي الـ 20 ميللي ثانية ( بافتراض أن اشارة PWM بقيمة 50hz ) وبالنسبة للحوامات رباعية المراوح كوادكوبتر quad copter، سنحتاج إلى أن يكون النطاق واسعا قدر الإمكان ليسمح لنا بتركيب عتاد تحكم أكبر على المحرك. ولهذا الأمر، سنقوم بمعايرة الـESC ليقرأ نطاق إشارة من 700 إلى 2000 مايكرو ثانية حيث 700 ستعني التوقف و 2000 تعني السرعة القصوى. وبعض أدوات الـESC لا تستطيع قراءة اشارة أقل من 700 مايكرو ثانية.

معايرة أدوات الـ ESC هي فعلا أمر سهل. و لكي ندخل في البرمجة، فإن إشارة السرعة القصوى في السيرفو ( والتي هي 2000 مايكرو ثانية) ترسل إلى ESC، حيث يمد ـESC بالطاقة وتتنظر لمدة ثانيتين، ثم ترسل اشارة التوقف للسيرفو ( والتي هي 700 مايكرو ثانية). وحالما يرسل الـESC سلسلة من نغمات التنبيه التأكيدية confirmation beeps ( وهي موجات اشارة خاصة ترسل إلى المحرك كي يرسل نغمات التنبيه )، يصبح ESC معايراً ( يمكنك التحقق من ورقة بيانات وتعليمات الإرشاد لأداة ـESC للحصول على مزيد من التفاصيل).

// For calibrating you may use the following code snipet

include <Servo.h>#

define MAX_SIGNAL 2000#

#define MIN_SIGNAL 700

#define MOTOR_PIN 9

;Servo motor

void setup

() {

;Serial.begin(9600)

;Serial.println("Program begin...")

;Serial.println("This program will calibrate the ESC.")

;motor.attach(MOTOR_PIN)

;Serial.println("Now writing maximum output.")

;Serial.println("Turn on power source, then wait 2 seconds and press any key.")

;motor.writeMicroseconds(MAX_SIGNAL)

Wait for input//

;while (!Serial.available())

;() Serial.read

Send min output //

; Serial.println("Sending minimum output")

; motor.writeMicroseconds(MIN_SIGNAL)

}

void loop

() {

}

For controlling you may use the following code//

<include <Servo.h#

include servo library //

;Servo esc

;int throttlePin = 0

void setup

()

{

;esc.attach(9)

}

void loop

()

{

;int throttle = analogRead(throttlePin)

read from pot//

;throttle = map(throttle, 0, 1023, 0, 179)

esc.write(throttle);

throttle value define the speed of esc//

}

كل ما يتطلبه الأمر هو قراءة الصمام الخانق throttle، وتخطيطه من الـ 0-1023 إلى الـ 0-179 (قراءة منطقية لدرجات السيرفو ) ثم إرسالها إلى الـ ESC عبر مكتبة السيرفو البرمجية. وبالإضافة إلى أن هذا المخطط مبسط للغاية فإنه مفيد جدا عندما تريد معايرة أداة ESC جديدة لتعمل مع مكتبة السيرفو على منصة الأردوينو.

التطبيقات:

  • الطائرات الحوامة متعددة المرواح.
  • الطائرات دون طيار. درونز Drones
  • المركبات اللاسلكية.
  • محركات الأقراص.
  • المراوح.
  • محركات السيرفو الصناعية.
  • المركبات الهجينة.
  • محركات التعشيق المتطورة.

المزايا:

  • هادئة.
  • فعّالة.

العيوب: تتطلب بعض أنواع المحركات غير المسننة متحكما منفصلا لتشغيلها.

يمكنك زيارة موقع MakerPot للاتطلاع على انواع ال Motors والاردوينو

http://makerpot.com/robotics/motors.html

http://makerpot.com/arduino/boards.html

0


Test User