تُعدّ أنظمة المحركات الخطوية ركيزةً أساسيةً في صناعة التحكم في الحركة. سنتناول الفروقات بين نظام الحلقة المفتوحة ونظام الحلقة المغلقة، ونشرح أحدث التطورات التي تجعل أنظمة المحركات الخطوية أسرع وأكثر هدوءًا وكفاءةً في استهلاك الطاقة من أي وقت مضى.

لقد قطعت أنظمة المحركات الخطوية شوطًا طويلًا منذ بدايات محركات الجهد والخطوة الكاملة. أولًا، ظهرت محركات تعديل عرض النبضة (PWM) والخطوة الدقيقة، ثم معالجات الإشارة الرقمية (DSPs) وخوارزميات مقاومة الرنين. والآن، تضمن تقنية المحركات الخطوية ذات الحلقة المغلقة الجديدة استمرار كون المحركات الخطوية حجر الزاوية في صناعة التحكم في الحركة لسنوات قادمة.

سواءً كانت الحركة خطية أم دورانية، فإنّ أهم عاملين يُحددان أنسب المحركات وأنظمة الدفع هما عزم الدوران والكفاءة. وينطبق هذا سواءً كان التطبيق النهائي نظام تجميع آلي، أو آلة مناولة مواد، أو طابعة ثلاثية الأبعاد، أو مُحدِّد موضع ديكارت، أو مضخة تمعجية، أو أيٍّ من التطبيقات الأخرى العديدة التي تُفضَّل فيها المحركات الخطوية.

أحدث التطورات في أنظمة المحركات الخطوية هو استخدام أجهزة تغذية راجعة منخفضة التكلفة وعالية الدقة، ومعالجات إشارة رقمية متقدمة لإغلاق حلقة حركة المحرك الخطوي. تُعزز هذه الضوابط أداء المحركات الخطوية ذات الحلقة المغلقة لتتفوق على أنظمة الحلقة المفتوحة. وكما سنرى، يعتمد أحد هذه الأنظمة ذات الحلقة المغلقة على تصميم محرك متكامل يتضمن جهاز تغذية راجعة، ولوحات تشغيل وتحكم، وإلكترونيات الطاقة والاتصالات والإدخال/الإخراج، وموصلات النظام على جانب المحرك وخلفه.

أنظمة المحركات المتدرجة ذات الحلقة المفتوحة مقابل أنظمة المحركات المتدرجة ذات الحلقة المغلقة
أولاً، دعونا نستكشف كيفية مقارنة أنظمة المحركات المتدرجة ذات الحلقة المغلقة عالية الأداء بأنظمة المحركات المتدرجة ذات الحلقة المفتوحة التقليدية من حيث عزم الدوران والكفاءة.

تتميز أنظمة المحركات الخطوية ذات الحلقة المغلقة بأداء متفوق مقارنةً بإعدادات الحلقة المفتوحة، كما يتضح من نتائج الاختبارات المعملية التي تُقارن تسارع النظامين (عزم الدوران)، والكفاءة (استهلاك الطاقة)، وخطأ الموضع (الدقة)، وتوليد الحرارة، ومستويات الضوضاء. لنأخذ العلاقة بين عزم الدوران والتسارع بعين الاعتبار. تُظهر منحنيات عزم الدوران والسرعة نطاقات عزم الدوران القصوى والمستمرة لنظام المحركات الخطوية ذات الحلقة المغلقة، إلى جانب نطاق عزم الدوران القابل للاستخدام لنظام المحركات الخطوية ذات الحلقة المفتوحة. في كثير من الأحيان، يُترجم عزم الدوران في الواقع إلى تسارع، لذا تستطيع المحركات ذات عزم الدوران الأكبر تسريع حمل معين بشكل أسرع.

لاختبار هذا الاختلاف في أداء عزم الدوران في المختبر، تُعرَّض أنظمة محركات خطوية ذات حلقة مفتوحة وحلقية مغلقة، متساوية الحجم، لأحمال قصور ذاتي متطابقة. تُوجِّه البرمجة النظامين لأداء أنماط حركة متطابقة، باستثناء زيادة معدل التسارع والسرعة القصوى تدريجيًا في كل نظام حتى حدوث أخطاء في تحديد الموضع.

لنفترض أن نظام الحلقة المفتوحة يحصل على معدل تسارع أقصى يبلغ 1000 دورة في الثانية²وسرعة قصوى تبلغ ١٠ دورات في الثانية (٦٠٠ دورة في الدقيقة). ترتبط هذه السرعة القصوى البالغة ١٠ دورات في الثانية بنهاية الجزء المسطح من منحنى عزم الدوران-السرعة. يحقق نظام الحلقة المغلقة (بفضل قدرته العالية على توليد عزم الدوران) معدل تسارع أقصى يبلغ ٢٠٠٠ دورة في الثانية.²وسرعة قصوى تبلغ ٢٠ دورة في الثانية (١٢٠٠ دورة في الدقيقة). هذا ضعف أداء نظام الحلقة المفتوحة، ويخفض زمن الحركة إلى النصف تقريبًا - من ١١٠ مللي ثانية إلى ٦٠ مللي ثانية.

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب إنتاجية عالية (مثل الفهرسة وتحديد موقع دليل الحافة وأنظمة الالتقاط والوضع)، يوفر نظام الحلقة المغلقة ميزة أداء واضحة.

كفاءة الحلقة المفتوحة مقابل كفاءة الحلقة المغلقة

لقياس الكفاءة النسبية لنظام حلقة مفتوحة مقابل نظام حلقة مغلقة، لنفترض أننا كررنا الاختبار نفسه باستخدام نفس المحركين المتساويين في الحجم. هذه المرة، لدينا محركا الحلقة المغلقة والمفتوحة يعملان جنبًا إلى جنب بنفس الأحمال القصورية، ولكن مع برمجة تُبقي أنماط الحركة ثابتة ومتساوية، بحيث يُنجز كلا النظامين نفس مقدار العمل.

بينما يُظهر المحركان نفس نمط الحركة بشكل متكرر، يُقاس سحب التيار من مصدر الطاقة المستمر المُغذي للنظامين، ويُحسب استهلاك الطاقة. وكما هو موضح في مخططات القيم، يبلغ متوسط استهلاك الطاقة لنظام المُحركات الخطوية مفتوحة الحلقة 43.8 واط، بينما يبلغ متوسط استهلاك الطاقة لنظام المُحركات الخطوية مغلقة الحلقة ثلث هذا الاستهلاك فقط، أي 14.2 واط. يُظهر هذا الاختلاف الكبير في استهلاك الطاقة بوضوح كفاءة تشغيل نظام المُحركات الخطوية مغلقة الحلقة. يُمكن لأي مستخدم يرغب في زيادة كفاءة نظام المُحركات الخطوية مفتوحة الحلقة أن يفكر الآن في ترقية بسيطة لنظام مُحركاته الخطوية مفتوحة الحلقة، ويتوقع استهلاكًا أقل بكثير.

كيفية معالجة مشكلة ارتفاع درجة حرارة المحرك

يُعدّ بحث تسخين المحرك امتدادًا طبيعيًا لاختبارات استهلاك الطاقة. تُعدّ أنظمة المحركات الخطوية مفتوحة الحلقة أنظمةً معقدةً للغاية. يكفي ضبط المحرك على التيار المُصنّف للمحرك، وسيبذل المحرك قصارى جهده لتزويده بهذا التيار في جميع الأوقات، سواءً كان عزم الدوران الناتج ضروريًا أم لا. غالبًا ما يُؤدي هذا إلى توليد حرارة بدلًا من الطاقة اللازمة لوظيفة التطبيق، وهو السبب في أن أنظمة المحركات الخطوية مفتوحة الحلقة عادةً ما تكون أكثر سخونة من نظيراتها مغلقة الحلقة. هذا يعني أيضًا أن على مصممي الآلات اتخاذ خطوات إضافية للتعامل مع هذه الحرارة، غالبًا عن طريق تضمين حماية خاصة حول المحركات الخطوية التي تعمل بالقرب من المشغلين، أو عن طريق تركيب أنظمة تبريد إضافية مثل المراوح.

لننظر إلى نتائج اختبار تسخين المحرك الذي أُجري في مختبر باستخدام نفس أنظمة الحلقة المفتوحة والمغلقة المذكورة أعلاه. في هذا الاختبار، يُنتج النظامان نفس مقدار الشغل عند تشغيل نفس الأحمال القصورية، ويُسمح لهما بالعمل حتى يصلا إلى حالة التوازن الحراري. يصل نظام الحلقة المفتوحة إلى درجة حرارة غلاف تبلغ 76.0 درجة مئوية، بينما يصل نظام الحلقة المغلقة إلى حالة التوازن الحراري عند درجة حرارة غلاف تبلغ 36.9 درجة مئوية فقط - أي أقل من نصف درجة حرارة نظام الحلقة المفتوحة. هذا الانخفاض الكبير في تسخين المحرك يعني انخفاض تكاليف المكونات بالنسبة لصانعي الآلات، إذ يمكنهم الاستغناء عن أنظمة الحماية والتبريد الإضافية.

لا مزيد من المحركات الصاخبة

من الشكاوى الشائعة الأخرى حول أنظمة المحركات الخطوية مفتوحة الحلقة أنها تُصدر ضوضاءً عاليةً جدًا. في بيئات معينة، مثل المختبرات والمستشفيات والمكاتب، قد تُشكل هذه الضوضاء مشكلةً حقيقيةً لمصممي الآلات.

ينشأ الضجيج الصادر عن المحركات الخطوية من التردد الكهربائي العالي والتغيرات السريعة في التدفق في أسنان الجزء الثابت، ولأن أنظمة الحلقة المفتوحة تعمل بأقصى تيار مُصنّف بغض النظر عن الحمل. أما أنظمة الحلقة المغلقة، فتُزوّد المحرك بتيار كافٍ للتحكم في الحمل، مما يُنتج ضوضاء أقل بكثير.

للحصول على نتائج الاختبار الموضحة في مخطط الضوضاء الصوتية المرفق بهذه المقالة، تُقاس الضوضاء الصوتية لكل نظام في غرفة عازلة للصوت. يتميز نظام الحلقة المغلقة بانخفاض ضوضاء نظام الحلقة المفتوحة بشكل ملحوظ عند سرعات تتراوح بين 0 و20 دورة في الثانية. يتوافق نطاق السرعة هذا مع نطاق السرعة الفعلي للتطبيقات التي تُستخدم فيها أنظمة المحركات الخطوية بشكل شائع، مما يعني أن الغالبية العظمى من تطبيقات المحركات الخطوية يمكن أن تستفيد من انخفاض ضوضاء المحرك عند التحول إلى أنظمة الحلقة المغلقة.

دقة أفضل للمحرك للقضاء على أخطاء الموضع

تُقدَّر أنظمة المحركات الخطوية مفتوحة الحلقة لقدرتها على تحديد موضع الأحمال بدقة دون الحاجة إلى آلية تغذية راجعة أو نظام تحكم مغلق الحلقة، ولكن بشرط أن يتمتع نظام الحلقة المفتوحة بهامش عزم دوران كافٍ يمنع حدوث أخطاء في الموضع أثناء التشغيل العادي. لتحسين الدقة، ولتصميم نظام أكثر متانة، يُتيح إغلاق حلقة موضع المؤازرة حول التغذية الراجعة من المُشفِّر عالي الدقة لأنظمة الحلقة المغلقة التعويض تلقائيًا عن زيادة طلب عزم الدوران التي قد تؤدي، لولا ذلك، إلى أخطاء في الموضع في أنظمة الحلقة المفتوحة. يُحسِّن هذا بشكل كبير من دقة النظام الإجمالية، خاصةً في التطبيقات عالية الديناميكية مثل أنظمة الالتقاط والوضع والطابعات ثلاثية الأبعاد التي تتطلب حركات قصيرة وسريعة وتغييرات متكررة في الاتجاه.

ترقية أنظمة المحرك المتدرج الحالية

من بين مكونات نظام محرك خطوي متكامل، لن تزيد تكاليف المحرك ومضخم الطاقة والاتصالات بشكل عام عند الانتقال من الحلقة المفتوحة إلى الحلقة المغلقة. قد تتطلب إلكترونيات التحكم طاقة معالجة مركزية أو ذاكرة أكبر قليلاً للتحكم في المحرك بواسطة السيرفو، ولكن هذا لا يؤثر عادةً على أسعار القائمة. يكمن جزء كبير من فرق التكلفة بين أنظمة المحركات الخطوية ذات الحلقة المفتوحة والمغلقة في إضافة جهاز تغذية راجعة عالي الدقة، ولكن التحسينات في التصنيع جعلت هذه الأجهزة في متناول الجميع بشكل متزايد. لذلك، تحافظ أنظمة المحركات الخطوية ذات الحلقة المغلقة الآن على فوائد التكلفة لأنظمة المحركات الخطوية ذات الحلقة المفتوحة مقارنة بأنواع أخرى من أنظمة تحديد المواقع - مثل السيرفو التقليدي - ولكن مع زيادة كبيرة في الأداء في جميع النواحي تقريبًا. عادةً ما يعوض توفير الطاقة وزيادة إنتاجية نظام الحلقة المغلقة بسرعة الزيادة الطفيفة في تكلفة جهاز التغذية الراجعة.

بالإضافة إلى زيادة طفيفة في التكلفة، تُبسّط عروض حجم إطار NEMA عملية الترقية من نظام المحرك الخطوي ذي الحلقة المفتوحة إلى نظام الحلقة المغلقة. يمتلك محرك الخطوي ذي الحلقة المغلقة NEMA 23 نفس حجم الإطار، وقطر الدليل، ودائرة ثقب البراغي، وقطر ثقب البراغي، مثل محرك الخطوي ذي الحلقة المفتوحة NEMA 23، لذا تبقى حوامل التركيب كما هي. إنّ عزم الدوران الأكبر المُتاح في نظام الحلقة المغلقة يعني أن قطر عمود المحرك الخطوي ذي الحلقة المغلقة قد يكون أكبر، ولكن عادةً ما يُمكن حل هذه المشكلة بسهولة بتغيير بسيط في وصلة العمود.