كيف تُعدّ المحركات الخطوية منخفضة التكلفة بديلاً لمحركات السيرفو؟

حلقة مغلقةمحركات الخطوةلقد غيّرت هذه التقنيات نسبة الأداء إلى التكلفة في العديد من تطبيقات التحكم في الحركة. كما فتح نجاح محركات VIC التقدمية ذات الحلقة المغلقة إمكانية استبدال محركات المؤازرة باهظة الثمن بمحركات منخفضة التكلفة.محركات الخطوةفي عدد متزايد من تطبيقات الأتمتة الصناعية عالية المستوى، تعمل التطورات التكنولوجية على تغيير نسبة الأداء إلى التكلفة بين المحركات الخطوية والمحركات المؤازرة.
محركات الخطوة مقابل محركات المؤازرة
بحسب الاعتقاد السائد، تُعدّ أنظمة التحكم المؤازر أكثر فعالية في التطبيقات التي تتطلب سرعات تتجاوز 800 دورة في الدقيقة واستجابة ديناميكية عالية. أما المحركات الخطوية فهي أنسب للتطبيقات ذات السرعات المنخفضة، والتسارع المنخفض إلى المتوسط، وعزم الدوران العالي.
إذن، ما هو الأساس الذي تقوم عليه هذه الحكمة الشائعة حول المحركات الخطوية والمحركات المؤازرة؟ دعونا نحلل ذلك بمزيد من التفصيل أدناه.

1. البساطة والتكلفة
لا تُعدّ المحركات الخطوية أرخص من المحركات المؤازرة فحسب، بل إنها أسهل في التشغيل والصيانة أيضًا. تتميز المحركات الخطوية بثباتها في حالة السكون وقدرتها على الحفاظ على موضعها (حتى مع الأحمال الديناميكية). مع ذلك، إذا تطلّب الأمر أداءً أعلى في بعض التطبيقات، فلا بد من استخدام محركات مؤازرة أكثر تكلفة وتعقيدًا.
2. الهيكل
محركات الخطوةيدور المحرك بشكل تدريجي، مستخدمًا ملفات مغناطيسية لسحب مغناطيس تدريجيًا من موضع إلى آخر. لتحريك المحرك 100 موضع في أي اتجاه، تتطلب الدائرة 100 عملية تحريك متدرجة. تستخدم المحركات المتدرجة نبضات لتحقيق حركات متزايدة، مما يسمح بتحديد المواقع بدقة دون الحاجة إلى أي مستشعرات تغذية راجعة.

تختلف طريقة حركة محرك المؤازرة. فهو يربط مستشعر موضع - أي مشفر - بالدوار المغناطيسي، ويكشف باستمرار عن الموضع الدقيق للمحرك. يراقب محرك المؤازرة الفرق بين الموضع الفعلي للمحرك والموضع المطلوب، ويضبط التيار وفقًا لذلك. يحافظ هذا النظام ذو الحلقة المغلقة على المحرك في حالة الحركة الصحيحة.

3. السرعة وعزم الدوران
ينبع الاختلاف في الأداء بين المحركات الخطوية والمحركات المؤازرة من اختلاف حلول تصميم المحركات الخاصة بها.محركات الخطوةتحتوي المحركات الخطوية على عدد أكبر بكثير من الأقطاب مقارنةً بالمحركات المؤازرة، لذا تتطلب دورة كاملة للمحرك الخطوي عددًا أكبر من تبادلات التيار في الملفات، مما يؤدي إلى انخفاض سريع في عزم الدوران مع زيادة السرعات. إضافةً إلى ذلك، إذا تم الوصول إلى أقصى عزم دوران، فقد يفقد المحرك الخطوي وظيفة مزامنة السرعة. لهذه الأسباب، تُعد المحركات المؤازرة الحل الأمثل في معظم التطبيقات عالية السرعة. في المقابل، يُعد العدد الأكبر من الأقطاب في المحرك الخطوي ميزةً عند السرعات المنخفضة، حيث يتمتع المحرك الخطوي بعزم دوران أعلى من المحرك المؤازر ذي الحجم نفسه.

مع زيادة السرعة، ينخفض ​​عزم دوران المحرك المتدرج

4. تحديد الموقع
توجد اختلافات جوهرية بين المحركات الخطوية والمحركات المؤازرة في التطبيقات التي تتطلب معرفة دقيقة لموقع الآلة في جميع الأوقات. في تطبيقات الحركة ذات الحلقة المفتوحة التي تتحكم بها المحركات الخطوية، يفترض نظام التحكم أن المحرك يعمل دائمًا في الوضع الصحيح. مع ذلك، عند حدوث مشكلة، مثل توقف المحرك بسبب عطل في أحد مكوناته، يعجز المتحكم عن تحديد الموقع الفعلي للآلة، مما قد يؤدي إلى فقدانها. أما نظام الحلقة المغلقة للمحرك المؤازر، فيتميز بميزة إضافية: فإذا ما علق بجسم ما، فإنه يكتشف ذلك فورًا. تتوقف الآلة عن العمل، ولن تفقد موقعها أبدًا.

5. استهلاك الحرارة والطاقة
تستخدم محركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة تيارًا ثابتًا وتُصدر كمية كبيرة من الحرارة. أما التحكم ذو الحلقة المغلقة فيوفر فقط التيار اللازم لحلقة السرعة، وبالتالي يتجنب مشكلة ارتفاع درجة حرارة المحرك.
ملخص المقارنة
تُعدّ أنظمة التحكم المؤازر الأنسب للتطبيقات عالية السرعة التي تتضمن تغييرات ديناميكية في الأحمال، مثل الأذرع الروبوتية. في المقابل، تُعدّ أنظمة التحكم الخطوية أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب تسارعًا منخفضًا إلى متوسط ​​وعزم دوران عالٍ، مثل طابعات ثلاثية الأبعاد، والناقلات، والمحاور الفرعية، وما إلى ذلك. ونظرًا لانخفاض تكلفة المحركات الخطوية، يُمكنها خفض تكلفة أنظمة الأتمتة عند استخدامها. أما أنظمة التحكم في الحركة التي تحتاج إلى الاستفادة من خصائص المحركات المؤازرة، فسيتعين عليها إثبات جدوى هذه المحركات ذات التكلفة العالية.

محركات متدرجة مع تحكم ذي حلقة مغلقة
يُعدّ المحرك الخطوي المزود بوحدة تحكم إلكترونية متكاملة مكافئًا لمحرك تيار مستمر ثنائي الطور بدون فرش، ويمكنه تنفيذ التحكم في حلقة الموضع، والتحكم في حلقة السرعة، والتحكم DQ، وخوارزميات أخرى. ويُستخدم مُشفّر مطلق أحادي الدورة للتبديل في الحلقة المغلقة، مما يضمن عزم دوران مثالي عند أي سرعة.
استهلاك منخفض للطاقة والحفاظ على البرودة
تتميز محركات VIC الخطوية بكفاءة عالية في استهلاك الطاقة. على عكس المحركات الخطوية ذات الحلقة المفتوحة، التي تعمل دائمًا بأقصى تيار ممكن مما يُسبب مشاكل الحرارة والضوضاء، يتغير التيار في هذه المحركات وفقًا لظروف الحركة الفعلية، مثل التسارع والتباطؤ. وكما هو الحال في محركات المؤازرة، يتناسب التيار الذي تستهلكه هذه المحركات الخطوية في أي لحظة مع عزم الدوران المطلوب. ولأن المحرك ولوحة التحكم الإلكترونية المدمجة يعملان بدرجة حرارة منخفضة، تستطيع محركات VIC الخطوية تحقيق عزم دوران ذروة أعلى يُضاهي عزم دوران محركات المؤازرة.

حتى عند السرعات العالية، تتطلب محركات VIC الخطوية تيارًا أقل

بفضل التطورات في تكنولوجيا الحلقة المغلقة، أصبحت المحركات الخطوية قادرة على اختراق التطبيقات عالية الأداء وعالية السرعة التي كانت في السابق حكراً على محركات المؤازرة.
محركات متدرجة بتقنية الحلقة المغلقة
ماذا لو أمكن تطبيق مزايا تقنية المؤازرة ذات الحلقة المغلقة على المحركات الخطوية؟
هل يمكننا تحقيق أداء مماثل لمحركات السيرفو مع الاستفادة من مزايا التكلفة لمحركات الخطوة؟
بفضل دمج تقنية التحكم ذي الحلقة المغلقة، سيصبح المحرك الخطوي منتجًا متكاملًا يجمع بين مزايا كلٍ من المحركات المؤازرة والخطوية بتكلفة منخفضة. ونظرًا لما توفره المحركات الخطوية ذات الحلقة المغلقة من تحسينات ملحوظة في الأداء وكفاءة الطاقة، فإنها قادرة على استبدال المحركات المؤازرة الأكثر تكلفة في عدد متزايد من التطبيقات عالية المستوى.
فيما يلي مثال على محرك خطوي متكامل مع نظام تحكم مغلق الحلقة مدمج لشرح أداء ومزايا وعيوب المحركات الخطوية المزودة بتقنية الحلقة المغلقة.

متطلبات أداء مطابقة بدقة
لضمان عزم دوران كافٍ للتغلب على الاضطرابات وتجنب فقدان الخطوات، تحتاج محركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة عادةً إلى ضمان أن يكون عزم الدوران أعلى بنسبة 40% على الأقل من القيمة المطلوبة للتطبيق. أما محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة، فلا تعاني من هذه المشكلة. فعندما تتوقف هذه المحركات بسبب زيادة الحمل، فإنها تستمر في تحمل الحمل دون فقدان عزم الدوران، وتستمر في العمل بعد زوال حالة زيادة الحمل. ويمكن ضمان أقصى عزم دوران عند أي سرعة معينة، كما يضمن مستشعر الموضع عدم فقدان أي خطوة. ولذلك، يمكن تحديد محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة لتتوافق تمامًا مع متطلبات عزم الدوران للتطبيق المعني دون الحاجة إلى هامش إضافي بنسبة 40%.
مع محركات الخطوة ذات الحلقة المفتوحة، يصعب تلبية متطلبات عزم الدوران اللحظي العالي نظرًا لخطر فقدان الخطوات. بالمقارنة مع محركات الخطوة التقليدية، تتميز محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة من VIC بقدرتها على تحقيق تسارع فائق السرعة، وضوضاء تشغيل منخفضة، ورنين منخفض. كما يمكنها العمل بنطاقات تردد أعلى بكثير وتحقيق أداء ممتاز.

لا يوجد خزانة
تدمج شركة تودا لوحة التحكم في المحرك مع المحرك نفسه، مما يقلل من كمية الأسلاك ويبسط عملية التنفيذ. مع تودا، يمكنك بناء آلات بدون خزائن.

يؤدي دمج الإلكترونيات مع المحركات الخطوية إلى تقليل التعقيد
بفضل تقنية الحلقة المغلقة، توفر محركات الخطوة ذات الحلقة المغلقة للمستخدمين دقة وكفاءة عاليتين، مع أداء محرك المؤازرة وتكلفة منخفضة لمحرك الخطوة. وتنتشر محركات الخطوة منخفضة التكلفة تدريجيًا في التطبيقات التي كانت تهيمن عليها محركات المؤازرة عالية التكلفة.