اختيار المحركات الخطوية في معدات الأتمتة

محركات الخطوةيمكن استخدام محركات الخطوة للتحكم في السرعة وتحديد المواقع دون الحاجة إلى أجهزة تغذية راجعة (أي التحكم ذو الحلقة المفتوحة)، مما يجعل هذا الحل اقتصاديًا وموثوقًا. وقد شاع استخدام محركات الخطوة في معدات وأجهزة الأتمتة. إلا أن العديد من المستخدمين والفنيين لديهم استفسارات حول كيفية اختيار محرك الخطوة المناسب، وكيفية تحقيق أفضل أداء له. تتناول هذه الورقة البحثية اختيار محركات الخطوة، مع التركيز على تطبيق بعض الخبرات الهندسية في هذا المجال، آملًا أن تسهم في نشر استخدام محركات الخطوة في معدات الأتمتة.

 

1- مقدمة عنمحرك متدرج

يُعرف المحرك الخطوي أيضًا باسم محرك النبض أو المحرك المتدرج. يتقدم بزاوية محددة مع كل تغيير في حالة الإثارة وفقًا لإشارة النبضة الداخلة، ويبقى ثابتًا في موضع معين عندما تبقى حالة الإثارة ثابتة. يسمح هذا للمحرك الخطوي بتحويل إشارة النبضة الداخلة إلى إزاحة زاوية مقابلة للإخراج. من خلال التحكم في عدد نبضات الإدخال، يمكن تحديد الإزاحة الزاوية للإخراج بدقة لتحقيق أفضل وضعية؛ ومن خلال التحكم في تردد نبضات الإدخال، يمكن التحكم بدقة في السرعة الزاوية للإخراج وتحقيق هدف تنظيم السرعة. في أواخر الستينيات، ظهرت مجموعة متنوعة من المحركات الخطوية العملية، وشهدت الأربعون عامًا الماضية تطورًا سريعًا. أصبحت المحركات الخطوية قادرة على منافسة محركات التيار المستمر، والمحركات غير المتزامنة، بالإضافة إلى المحركات المتزامنة، لتصبح نوعًا أساسيًا من المحركات. هناك ثلاثة أنواع من المحركات الخطوية: التفاعلية (من نوع VR)، والمغناطيس الدائم (من نوع PM)، والهجينة (من نوع HB). يجمع المحرك الخطوي الهجين بين مزايا النوعين الأولين من المحركات الخطوية. يتكون المحرك الخطوي من دوار (قلب الدوار، مغناطيس دائم، عمود، محامل كروية)، وجزء ثابت (ملفات، قلب الجزء الثابت)، وأغطية أمامية وخلفية، إلخ. يحتوي المحرك الخطوي الهجين ثنائي الطور الأكثر شيوعًا على جزء ثابت بثمانية أسنان كبيرة، وأربعين سنًا صغيرًا، ودوار بخمسين سنًا صغيرًا؛ بينما يحتوي المحرك ثلاثي الطور على جزء ثابت بتسعة أسنان كبيرة، وخمسة وأربعين سنًا صغيرًا، ودوار بخمسين سنًا صغيرًا.

 

2- مبدأ التحكم

المحرك متدرجلا يمكن توصيل محرك الخطوة مباشرةً بمصدر الطاقة، ولا يمكنه استقبال إشارات النبضات الكهربائية مباشرةً، بل يجب أن يتم ذلك عبر واجهة خاصة - مُشغّل محرك الخطوة - للتفاعل مع مصدر الطاقة ووحدة التحكم. يتكون مُشغّل محرك الخطوة عادةً من مُوزّع حلقي ودائرة مُضخّم طاقة. يستقبل المُوزّع الحلقي إشارات التحكم من وحدة التحكم. في كل مرة يتم فيها استقبال إشارة نبضية، يتم تحويل خرج المُوزّع الحلقي مرة واحدة، وبالتالي يُمكن تحديد ما إذا كانت سرعة محرك الخطوة عالية أم منخفضة، أو مُتسارعة أم مُتباطئة، أو مُبدئة أم مُتوقفة، بناءً على وجود أو غياب إشارة النبضة وترددها. يجب على المُوزّع الحلقي أيضًا مراقبة إشارة الاتجاه من وحدة التحكم لتحديد ما إذا كانت انتقالات حالة خرجه موجبة أم سالبة، وبالتالي تحديد اتجاه محرك الخطوة.

 

3- المعايير الرئيسية

① رقم الكتلة: بشكل رئيسي 20، 28، 35، 42، 57، 60، 86، إلخ.

٢- عدد الأطوار: هو عدد الملفات داخل المحرك الخطوي، ويتوفر عادةً بنوعين: ثنائي الطور، وثلاثي الطور، وخماسي الطور. تستخدم الصين محركات خطوية ثنائية الطور بشكل أساسي، بينما تُستخدم المحركات ثلاثية الطور في بعض التطبيقات. أما اليابان، فتستخدم في الغالب محركات خطوية خماسية الطور.

٣- زاوية الخطوة: تتوافق مع إشارة النبضة، وهي الإزاحة الزاوية لدوران دوار المحرك. صيغة حساب زاوية خطوة محرك الخطوة هي كما يلي

زاوية الخطوة = 360° ÷ (2mz)

عدد أطوار محرك الخطوة

Z هو عدد أسنان دوار محرك الخطوة.

وفقًا للصيغة المذكورة أعلاه، فإن زاوية الخطوة لمحركات الخطوة ثنائية الطور، وثلاثية الطور، وخماسية الطور هي 1.8 درجة، و1.2 درجة، و0.72 درجة على التوالي.

④ عزم التثبيت: هو عزم دوران ملفات الجزء الثابت للمحرك عند مرور التيار المقنن دون دوران الجزء الدوار، حيث يقوم الجزء الثابت بتثبيت الجزء الدوار. يُعد عزم التثبيت أهم معيار في محركات الخطوة، وهو الأساس الرئيسي لاختيار المحرك.

⑤ عزم الدوران اللازم لتحديد الموضع: هو عزم الدوران المطلوب لتدوير الدوار بقوة خارجية عندما لا يمر تيار كهربائي في المحرك. يُعدّ عزم الدوران أحد مؤشرات أداء المحرك، ففي حال ثبات المعايير الأخرى، كلما قلّ عزم الدوران اللازم لتحديد الموضع، قلّ تأثير "الفتحة"، مما يُحسّن سلاسة تشغيل المحرك عند السرعات المنخفضة. خصائص عزم الدوران والتردد: تشير بشكل أساسي إلى خصائص عزم الدوران والتردد الممتدة، حيث يمكن للمحرك، عند تشغيله بثبات عند سرعة معينة، تحمّل أقصى عزم دوران دون فقدان الخطوة. يُستخدم منحنى عزم الدوران والتردد لوصف العلاقة بين أقصى عزم دوران والسرعة (التردد) دون فقدان الخطوة. يُعدّ منحنى عزم الدوران والتردد معيارًا مهمًا لمحرك الخطوة، وهو الأساس الرئيسي لاختيار المحرك.

⑥ التيار المقنن: تيار ملفات المحرك المطلوب للحفاظ على عزم الدوران المقنن، القيمة الفعالة

 

4- اختيار النقاط

في التطبيقات الصناعية المستخدمة في سرعة محرك الخطوة تصل إلى 600 ~ 1500 دورة في الدقيقة، وللسرعات الأعلى، يمكنك التفكير في محرك الخطوة ذي الحلقة المغلقة، أو اختيار برنامج محرك سيرفو أكثر ملاءمة لخطوات اختيار محرك الخطوة (انظر الشكل أدناه).

 

(1) اختيار زاوية الخطوة

بحسب عدد أطوار المحرك، توجد ثلاثة أنواع من زوايا الخطوة: 1.8° (ثنائي الطور)، 1.2° (ثلاثي الطور)، و0.72° (خماسي الطور). وبالطبع، تتميز زاوية الخطوة في المحركات خماسية الطور بأعلى دقة، إلا أن محركها ووحدة التحكم الخاصة بها أغلى ثمناً، لذا فهي نادرة الاستخدام في الصين. إضافةً إلى ذلك، تستخدم وحدات التحكم الرئيسية للمحركات الخطوية حالياً تقنية التقسيم الفرعي، حيث يمكن ضمان دقة زاوية الخطوة حتى في التقسيمات الفرعية الأربعة أو أقل. لذا، إذا اقتصرنا على مؤشرات دقة زاوية الخطوة فقط، يمكن استبدال المحرك الخطوي خماسي الطور بمحرك خطوي ثنائي أو ثلاثي الطور. على سبيل المثال، في تطبيق نوع من الرصاص لحمل لولبي 5 مم، إذا تم استخدام محرك متدرج ثنائي الطور وتم ضبط المشغل على 4 تقسيمات فرعية، فإن عدد النبضات لكل دورة للمحرك هو 200 × 4 = 800، والمكافئ النبضي هو 5 ÷ 800 = 0.00625 مم = 6.25 ميكرومتر، ويمكن لهذه الدقة أن تلبي معظم متطلبات التطبيق.

(2) اختيار عزم الدوران الساكن (عزم التثبيت)

تشمل آليات نقل الأحمال الشائعة الاستخدام الأحزمة المتزامنة، وقضبان الخيوط، والترس والجريدة المسننة، وما إلى ذلك. يقوم العملاء أولاً بحساب حمل الآلة (بشكل أساسي عزم التسارع بالإضافة إلى عزم الاحتكاك) وتحويله إلى عزم الحمل المطلوب على عمود المحرك. ثم، وفقًا لأقصى سرعة تشغيل مطلوبة للوحدات الكهربائية، يُمكن اختيار عزم التثبيت المناسب لمحرك الخطوة في الحالتين التاليتين: ① لتطبيق سرعة محرك مطلوبة تبلغ 300 ميكروثانية أو أقل: إذا تم تحويل حمل الآلة إلى عمود المحرك، فإن عزم الحمل المطلوب هو T1، ثم يُضرب هذا العزم بمعامل أمان SF (يُؤخذ عادةً بين 1.5 و2.0)، أي عزم تثبيت محرك الخطوة المطلوب Tn. ② للتطبيقات التي تتطلب سرعة محرك تبلغ 300 ميكروثانية أو أكثر: اضبط السرعة القصوى Nmax، إذا تم تحويل حمل الآلة إلى عمود المحرك، وكان عزم الحمل المطلوب هو T1، ثم يُضرب هذا العزم بمعامل أمان SF (عادةً بين 2.5 و3.5)، مما يُعطي عزم التثبيت Tn. راجع الشكل 4 واختر النموذج المناسب. ثم استخدم منحنى العزم-التردد للتحقق والمقارنة: على منحنى العزم-التردد، إذا كانت السرعة القصوى Nmax المطلوبة من المستخدم تتوافق مع أقصى عزم دوران مفقود T2، فيجب أن يكون أقصى عزم دوران مفقود T2 أكبر بنسبة تزيد عن 20% من T1. وإلا، فمن الضروري اختيار محرك جديد بعزم دوران أكبر، ثم التحقق والمقارنة مرة أخرى وفقًا لمنحنى عزم الدوران-التردد للمحرك الجديد.

(3) كلما زاد رقم قاعدة المحرك، زاد عزم الدوران اللازم للتثبيت.

(4) وفقًا للتيار المقنن لاختيار محرك الخطوة المطابق.

على سبيل المثال، إذا كان التيار المقنن للمحرك 57CM23 هو 5 أمبير، فعليك مطابقة الحد الأقصى للتيار المسموح به للمحرك والذي يزيد عن 5 أمبير (يرجى ملاحظة أن هذه هي القيمة الفعالة وليست القيمة القصوى)، وإلا إذا اخترت تيارًا أقصى للمحرك يبلغ 3 أمبير فقط، فإن أقصى عزم دوران خرج للمحرك سيكون حوالي 60% فقط!

5- خبرة التطبيق

(1) مشكلة الرنين منخفض التردد في المحرك المتدرج

يُعدّ نظام تقسيم محركات الخطوة طريقة فعّالة للحدّ من الرنين منخفض التردد لمحركات الخطوة. عند سرعات دوران أقل من 150 دورة في الدقيقة، يكون هذا النظام فعّالاً للغاية في تقليل اهتزاز المحرك. نظرياً، كلما زاد عدد التقسيمات، كان تأثير تقليل اهتزاز محرك الخطوة أفضل، ولكن في الواقع، لا يتحقق هذا التأثير إلا عند زيادة عدد التقسيمات إلى 8 أو 16، حيث يصل تأثير تقليل الاهتزاز إلى أقصى حد.

في السنوات الأخيرة، ظهرت في الأسواق المحلية والعالمية محركات خطوية مضادة للرنين منخفض التردد، ومنها سلسلة منتجات DM وDM-S من شركة Leisai، والتي تعتمد على تقنية مقاومة الرنين منخفض التردد. تستخدم هذه السلسلة من المحركات تقنية تعويض التوافقيات، حيث تعمل من خلال مطابقة السعة والطور على تقليل الاهتزاز منخفض التردد للمحرك الخطوي بشكل كبير، مما يحقق تشغيلًا منخفض الاهتزاز والضوضاء.

(2) تأثير تقسيم محرك الخطوة على دقة تحديد المواقع

لا تُحسّن دائرة تقسيم محرك الخطوة سلاسة حركة الجهاز فحسب، بل تُحسّن أيضًا دقة تحديد موضع المعدات بشكل فعّال. تُظهر الاختبارات أنه في منصة الحركة ذات الحزام المتزامن، وباستخدام أربعة أقسام لمحرك الخطوة، يُمكن تحديد موضع المحرك بدقة في كل خطوة.