حقائق أساسية يجب معرفتها عن المحركات الخطوية

1. ما هو المحرك الخطوي؟

المحرك الخطوي هو مُشغِّل يحوّل النبضات الكهربائية إلى إزاحة زاوية. ببساطة، عندما يستقبل مُشغِّل المحرك الخطوي إشارة نبضية، فإنه يُحرِّك المحرك الخطوي للدوران بزاوية ثابتة (وخطوة محددة) في الاتجاه المطلوب. يُمكن التحكم في عدد النبضات للتحكم في الإزاحة الزاوية، وذلك لتحقيق دقة عالية في تحديد المواقع؛ كما يُمكن التحكم في تردد النبضات للتحكم في سرعة وتسارع دوران المحرك، وذلك لتنظيم السرعة.

2. ما هي أنواع محركات الخطوة الموجودة؟

توجد ثلاثة أنواع من محركات الخطوة: المغناطيس الدائم (PM)، والتفاعلي (VR)، والهجين (HB). محركات الخطوة ذات المغناطيس الدائم ثنائية الطور، وتتميز بعزم دوران وحجم منخفضين، وزاوية خطوة تتراوح عادةً بين 7.5 و15 درجة. أما محركات الخطوة التفاعلية، فهي ثلاثية الطور، وتتميز بعزم دوران عالٍ، وزاوية خطوة تبلغ 1.5 درجة، ولكنها تُصدر ضوضاء واهتزازات عالية. وقد تم التخلي عنها في أوروبا والولايات المتحدة وغيرها من الدول المتقدمة في ثمانينيات القرن الماضي. أما محركات الخطوة الهجينة، فهي مزيج من مزايا محركات المغناطيس الدائم والتفاعلي. وتنقسم إلى نوعين: ثنائي الطور وخماسي الطور. تبلغ زاوية الخطوة في النوع ثنائي الطور 1.8 درجة، بينما تبلغ في النوع خماسي الطور 0.72 درجة. ويُعد هذا النوع من محركات الخطوة الأكثر استخدامًا.

3. ما هو عزم التثبيت (عزم التثبيت)؟

عزم التثبيت (HOLDING TORQUE) هو عزم دوران الجزء الثابت الذي يُثبّت الجزء الدوار عندما يكون المحرك الخطوي مُزوّدًا بالطاقة ولكنه لا يدور. يُعدّ عزم التثبيت أحد أهمّ معايير المحرك الخطوي، وعادةً ما يكون عزم دوران المحرك الخطوي عند السرعات المنخفضة قريبًا من عزم التثبيت. نظرًا لأنّ عزم دوران الخرج للمحرك الخطوي يتناقص مع زيادة السرعة، وتتغيّر قدرة الخرج مع زيادة السرعة، يصبح عزم التثبيت أحد أهمّ المعايير لقياس أداء المحرك الخطوي. على سبيل المثال، عندما يُقال "محرك خطوي 2 نيوتن متر"، فهذا يعني محركًا خطويًا بعزم تثبيت 2 نيوتن متر دون أيّ تعليمات خاصة.

4. ما هو عزم دوران التثبيت؟

عزم التثبيت هو العزم الذي يقوم به الجزء الثابت لقفل الجزء الدوار عندما لا يكون المحرك الخطوي مزودًا بالطاقة. لا تتم ترجمة مصطلح عزم التثبيت بطريقة موحدة في الصين، مما قد يؤدي إلى سوء فهمه؛ نظرًا لأن الجزء الدوار للمحرك الخطوي التفاعلي ليس مصنوعًا من مادة مغناطيسية دائمة، فإنه لا يمتلك عزم تثبيت.

 

5. ما هي دقة المحرك الخطوي؟ هل هي دقة تراكمية؟

بشكل عام، تبلغ دقة محرك الخطوة 3-5% من زاوية الخطوة، وهي ليست تراكمية.

6. ما هي درجة الحرارة المسموح بها على السطح الخارجي للمحرك المتدرج؟

ستؤدي درجة الحرارة العالية للمحرك الخطوي أولاً إلى إزالة مغناطيسية المادة المغناطيسية للمحرك، مما سيؤدي إلى انخفاض عزم الدوران أو حتى خروجه عن التزامن، لذلك يجب أن تعتمد درجة الحرارة القصوى المسموح بها للجزء الخارجي من المحرك على نقطة إزالة المغناطيسية للمادة المغناطيسية للمحركات المختلفة؛ بشكل عام، تتجاوز نقطة إزالة المغناطيسية للمادة المغناطيسية 130 درجة مئوية، وبعضها يصل إلى أكثر من 200 درجة مئوية، لذلك من الطبيعي تمامًا أن يكون الجزء الخارجي من المحرك الخطوي في نطاق درجة حرارة 80-90 درجة مئوية.

 

7. لماذا ينخفض ​​عزم دوران المحرك المتدرج مع زيادة سرعة الدوران؟

عند دوران المحرك الخطوي، تُشكّل محاثة كل طور من أطوار ملفات المحرك قوة دافعة كهربائية عكسية؛ وكلما زاد التردد، زادت هذه القوة. ونتيجةً لذلك، ينخفض ​​تيار طور المحرك مع زيادة التردد (أو السرعة)، مما يؤدي إلى انخفاض عزم الدوران.

 

8. لماذا يمكن للمحرك المتدرج أن يعمل بشكل طبيعي عند السرعات المنخفضة، ولكن إذا كانت سرعته أعلى من سرعة معينة، فلا يمكنه البدء، ويصاحب ذلك صوت صفير؟

يحتوي المحرك الخطوي على خاصية تقنية تُسمى تردد بدء التشغيل بدون حمل، أي تردد النبضات الذي يبدأ به المحرك الخطوي عمله بشكل طبيعي بدون حمل. إذا كان تردد النبضات أعلى من هذه القيمة، فلن يبدأ المحرك عمله بشكل طبيعي، وقد يفقد خطواته أو يتوقف. في حالة وجود حمل، يجب أن يكون تردد بدء التشغيل منخفضًا. ولتحقيق سرعة دوران عالية، يجب تسريع تردد النبضات، أي أن يكون تردد بدء التشغيل منخفضًا، ثم يُزاد تدريجيًا إلى التردد العالي المطلوب (زيادة سرعة المحرك من منخفضة إلى عالية) بتسارع معين.

 

9. كيف يمكن التغلب على الاهتزاز والضوضاء في محرك الخطوة الهجين ثنائي الطور عند السرعات المنخفضة؟

يُعد الاهتزاز والضوضاء من العيوب المتأصلة في محركات الخطوة عند الدوران بسرعات منخفضة، والتي يمكن التغلب عليها عمومًا من خلال البرامج التالية:

أ. إذا حدث أن يعمل المحرك المتدرج في منطقة الرنين، فيمكن تجنب منطقة الرنين عن طريق تغيير النقل الميكانيكي مثل نسبة التخفيض؛

ب. اعتماد برنامج التشغيل المزود بوظيفة التقسيم الفرعي، وهي الطريقة الأكثر استخدامًا والأسهل؛

ج. استبدل بمحرك متدرج بزاوية خطوة أصغر، مثل محرك متدرج ثلاثي الأطوار أو خماسي الأطوار؛

د. التحول إلى محركات سيرفو التيار المتردد، والتي يمكنها التغلب على الاهتزاز والضوضاء بشكل شبه كامل، ولكن بتكلفة أعلى؛

هـ. في عمود المحرك المزود بمخمد مغناطيسي، يوجد في السوق مثل هذه المنتجات، ولكن الهيكل الميكانيكي للتغيير الأكبر.

 

10. هل يمثل تقسيم القرص دقة؟

تُعدّ تقنية الاستيفاء في محركات الخطوة تقنية تخميد إلكترونية في جوهرها (يُرجى الرجوع إلى المراجع ذات الصلة)، وهدفها الرئيسي هو تخفيف أو إزالة الاهتزازات منخفضة التردد في محرك الخطوة، بينما يُعدّ تحسين دقة تشغيل المحرك وظيفة ثانوية لهذه التقنية. على سبيل المثال، بالنسبة لمحرك خطوة هجين ثنائي الطور بزاوية خطوة 1.8 درجة، إذا تم ضبط عدد الاستيفاء في مُشغّل الاستيفاء على 4، فإن دقة تشغيل المحرك ستكون 0.45 درجة لكل نبضة. ويعتمد وصول دقة المحرك إلى 0.45 درجة أو الاقتراب منها على عوامل أخرى، مثل دقة التحكم في تيار الاستيفاء في مُشغّل الاستيفاء. وقد تختلف دقة مُشغّلات الاستيفاء الفرعية اختلافًا كبيرًا بين الشركات المُصنّعة؛ فكلما زاد عدد النقاط الفرعية، زادت صعوبة التحكم في الدقة.

 

11. ما الفرق بين التوصيل التسلسلي والتوصيل المتوازي لمحرك الخطوة الهجين رباعي الأطوار ومحركه؟

يُشغَّل المحرك الخطوي الهجين رباعي الأطوار عادةً بواسطة مُشغِّل ثنائي الأطوار، ولذلك، يمكن توصيله بطريقتين: التوصيل على التوالي أو التوصيل على التوازي. يُستخدم التوصيل على التوالي عادةً عندما تكون سرعة المحرك عالية نسبيًا، ويكون تيار خرج المُشغِّل المطلوب 0.7 ضعف تيار طور المحرك، مما يُقلل من سخونة المحرك. أما التوصيل على التوازي، فيُستخدم عادةً عندما تكون سرعة المحرك عالية نسبيًا (ويُعرف أيضًا بتوصيل السرعة العالية)، ويكون تيار خرج المُشغِّل المطلوب 1.4 ضعف تيار طور المحرك، مما يُزيد من سخونة المحرك.

12. كيف يتم تحديد مصدر الطاقة DC لمحرك الخطوة؟

أ. تحديد الجهد

عادةً ما يكون جهد تغذية محرك الخطوة الهجين ضمن نطاق واسع (مثل جهد تغذية IM483 الذي يتراوح بين 12 و48 فولت تيار مستمر)، ويتم اختيار جهد التغذية وفقًا لسرعة تشغيل المحرك ومتطلبات استجابته. فإذا كانت سرعة تشغيل المحرك عالية أو كانت متطلبات الاستجابة سريعة، يُنصح باستخدام جهد تغذية عالٍ، ولكن يجب الانتباه إلى أن تموج جهد التغذية لا يجب أن يتجاوز الحد الأقصى لجهد دخل المحرك، وإلا فقد يتلف.

ب. تحديد التيار

يُحدد تيار التغذية عادةً بناءً على تيار الطور الخارج I للدائرة المُشغِّلة. في حالة استخدام مصدر طاقة خطي، يمكن أن يكون تيار التغذية من 1.1 إلى 1.3 ضعف I. أما في حالة استخدام مصدر طاقة تبديلي، فيمكن أن يكون تيار التغذية من 1.5 إلى 2.0 ضعف I.

 

13. في أي ظروف يتم استخدام إشارة عدم الاتصال المجانية لمحرك الخطوة الهجين بشكل عام؟

عندما تكون إشارة "التشغيل الحر" منخفضة، ينقطع التيار الكهربائي من وحدة التحكم إلى المحرك، ويصبح دوار المحرك في حالة حرة (غير متصلة بالشبكة). في بعض معدات التشغيل الآلي، إذا كنت بحاجة إلى تدوير عمود المحرك يدويًا عندما تكون وحدة التحكم غير موصولة بالشبكة، يمكنك خفض إشارة "التشغيل الحر" لفصل المحرك عن الشبكة وإجراء عملية تشغيل أو ضبط يدوية. بعد الانتهاء من التشغيل اليدوي، ارفع إشارة "التشغيل الحر" مرة أخرى لمواصلة التحكم الآلي.

 

14. ما هي الطريقة البسيطة لضبط اتجاه دوران محرك خطوي ثنائي الطور عند تزويده بالطاقة؟

ما عليك سوى محاذاة A+ و A- (أو B+ و B-) من أسلاك المحرك وجهاز التشغيل.

 

15. ما الفرق بين محركات الخطوة الهجينة ثنائية الطور وخماسية الطور في التطبيقات؟

سؤال وجواب:

بشكل عام، تتميز المحركات ثنائية الطور ذات زوايا الخطوة الكبيرة بخصائص جيدة عند السرعات العالية، ولكنها تعاني من منطقة اهتزاز عند السرعات المنخفضة. أما المحركات خماسية الطور، فتتميز بزاوية خطوة صغيرة وتعمل بسلاسة عند السرعات المنخفضة. لذلك، في التطبيقات التي تتطلب دقة عالية في تشغيل المحرك، وخاصةً في نطاق السرعات المنخفضة (أقل من 600 دورة في الدقيقة عادةً)، يُفضل استخدام المحركات خماسية الطور. في المقابل، إذا كان الهدف هو الحصول على أداء عالي السرعة، فإن اختيار المحركات ثنائية الطور، الأقل تكلفة، يُفضل أن تكون دقيقة وسلسة في التطبيقات التي لا تتطلب دقة عالية. بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما يكون عزم دوران المحركات خماسية الطور أكثر من 2 نيوتن متر، بينما تُستخدم المحركات ثنائية الطور عادةً في التطبيقات التي تتطلب عزم دوران منخفض، ويمكن حل مشكلة عدم سلاسة التشغيل عند السرعات المنخفضة باستخدام نظام قيادة مُجزأ.