قد تكون محركات السائر ذات الحلقة المغلقة هي الخيار الأفضل للمهام التي يتم تنفيذها عادةً بواسطة المحركات المؤازرة لأن المحركات ذات السائر التقليدية لا تستطيع التعامل معها.

من أهم القرارات التي يتخذها المهندسون عند تصميم أي نوع من عمليات التحكم في الحركة اختيار المحرك. فاختيار المحرك المناسب، من حيث النوع والحجم، أمرٌ بالغ الأهمية لضمان كفاءة تشغيل الآلة. علاوةً على ذلك، يُعدّ ضمان عدم تأثير المحرك على الميزانية أمرًا بالغ الأهمية.

من أول الأسئلة التي يجب الإجابة عليها عند اتخاذ القرار: أي نوع من المحركات هو الأفضل؟ هل يتطلب التطبيق محرك سيرفو عالي الأداء؟ هل سيكون محرك متدرج منخفض التكلفة أفضل؟ أو ربما هناك خيار ثالث متوسط؟

تبدأ الإجابات باحتياجات التطبيق المحدد. هناك العديد من العوامل التي يجب مراعاتها قبل تحديد نوع المحرك الأنسب لأي تطبيق.

المتطلبات

كم دورة في الدقيقة يحتاج المحرك؟ ما مقدار عزم الدوران المطلوب؟ ما هي أقصى سرعة مطلوبة؟

لا يمكن معالجة هذه الأسئلة الحرجة بمجرد اختيار محرك بقوة حصانية معينة.

إن قوة خرج المحرك هي عبارة عن مزيج من عزم الدوران والسرعة والتي يمكن حسابها عن طريق ضرب السرعة وعزم الدوران والثابت.

نظرًا لطبيعة هذه العملية الحسابية، توجد تركيبات مختلفة لعزم الدوران والسرعة تُنتج قدرة مُحددة. وبالتالي، قد تعمل محركات مختلفة ذات تصنيفات قدرة متشابهة بشكل مختلف بسبب تركيبة السرعة وعزم الدوران التي تُقدمها.

يجب على المهندسين معرفة السرعة اللازمة لحركة حمولة ذات حجم معين قبل اختيار المحرك الأنسب بثقة. يجب أن يقع العمل المُنجز أيضًا ضمن منحنى عزم الدوران/السرعة للمحرك. يوضح هذا المنحنى كيفية تغير عزم دوران المحرك أثناء التشغيل. باستخدام افتراضات "أسوأ الحالات" (أي تحديد الحد الأقصى/الأدنى لعزم الدوران والسرعة التي يتطلبها العمل)، يمكن للمهندسين التأكد من أن المحرك المُختار يتمتع بمنحنى عزم دوران/سرعة كافٍ.

يُعدّ قصور الحمل عاملاً آخر يجب مراعاته قبل الخوض في عملية اتخاذ قرار اختيار محرك. يجب حساب نسبة القصور الذاتي، وهي المقارنة بين قصور الحمل وقصور المحرك. تنص إحدى القواعد العامة على أنه إذا تجاوز قصور الحمل 10 أضعاف قصور الدوار، فقد يصبح ضبط المحرك أكثر صعوبة وقد يتأثر الأداء. لكن هذه القاعدة تختلف ليس فقط من تقنية إلى أخرى، بل من مورد إلى آخر، وحتى من منتج إلى آخر. كما أن مدى أهمية التطبيق يؤثر أيضًا على هذا القرار. بعض المنتجات تتعامل مع نسب تصل إلى 30 إلى 1، بينما تعمل محركات الدفع المباشر بنسبة تصل إلى 200 إلى 1. لا يفضل الكثيرون تحديد حجم محرك يتجاوز نسبة 10 إلى 1.

أخيرًا، هل هناك قيود مادية تُقيّد استخدام محرك مُعين على آخر؟ تختلف أشكال وأحجام المحركات. في بعض الحالات، تكون المحركات كبيرة وثقيلة، وهناك عمليات معينة لا يُمكنها استيعاب حجم مُعين من المحركات. قبل اتخاذ قرار مُستنير بشأن أفضل نوع محرك، يجب إدراك هذه المواصفات المادية وفهمها.

بمجرد أن يجيب المهندسون على جميع هذه الأسئلة - السرعة، وعزم الدوران، والقدرة الحصانية، وقوة عزم الحمل، والقيود الفيزيائية - يمكنهم تحديد حجم المحرك الأكثر كفاءة. ومع ذلك، لا تتوقف عملية اتخاذ القرار عند هذا الحد. يجب على المهندسين أيضًا تحديد نوع المحرك الأنسب للتطبيق. لسنوات، انحصر اختيار النوع في معظم التطبيقات بين خيارين: محرك سيرفو أو محرك متدرج مفتوح الحلقة.

محركات السيرفو والمحركات المتدرجة

تتشابه مبادئ تشغيل محركات السيرفو ومحركات السائر مفتوحة الحلقة. ومع ذلك، هناك اختلافات جوهرية بينهما يجب على المهندسين فهمها قبل تحديد المحرك الأنسب لتطبيق معين.

في أنظمة السيرفو التقليدية، تُرسل وحدة التحكم أوامر إلى محرك المحرك عبر نبضة واتجاه، أو أمر تناظري يتعلق بالموضع أو السرعة أو عزم الدوران. قد تستخدم بعض عناصر التحكم طريقة تعتمد على الناقل، وهي في أحدث عناصر التحكم عادةً طريقة اتصال تعتمد على الإيثرنت. ثم يُرسل المحرك التيار المناسب إلى كل طور من أطوار المحرك. تعود تغذية راجعة المحرك إلى محرك المحرك، وإذا لزم الأمر، إلى وحدة التحكم. تعتمد وحدة التحكم على هذه المعلومات لتبديل المحرك بشكل صحيح وإرسال معلومات دقيقة حول الموضع الديناميكي لعمود المحرك. لذلك، تُعتبر محركات السيرفو محركات حلقة مغلقة وتحتوي على مُشفرات مدمجة، ويتم تغذية بيانات الموضع بشكل متكرر إلى وحدة التحكم. تمنح هذه التغذية الراجعة وحدة التحكم مزيدًا من التحكم في المحرك. يمكن لوحدة التحكم إجراء تعديلات على العمليات، بدرجات متفاوتة، إذا لم يكن هناك شيء يعمل بالطريقة الصحيحة. هذا النوع من المعلومات الحاسمة هو ميزة لا يمكن أن توفرها محركات السائر ذات الحلقة المفتوحة.

تعمل محركات السائر أيضًا بناءً على أوامر تُرسل إلى وحدة التحكم لتحديد المسافة المقطوعة والسرعة. عادةً ما تكون هذه الإشارة أوامر خطوة واتجاه. مع ذلك، لا تستطيع محركات السائر مفتوحة الحلقة توفير تغذية راجعة للمشغلين، وبالتالي لا تستطيع وحدات التحكم فيها تقييم الوضع بدقة وإجراء التعديلات اللازمة لتحسين أداء المحرك.

على سبيل المثال، إذا لم يكن عزم دوران المحرك كافيًا لتحمل الحمل، فقد يتوقف المحرك أو يفوت خطوات معينة. عند حدوث ذلك، لن يتم الوصول إلى الموضع المستهدف. نظرًا لخصائص الحلقة المفتوحة لمحرك السائر، لن يتم نقل هذا الخلل في الموضع إلى وحدة التحكم لإجراء التعديلات اللازمة.

يبدو أن محرك السيرفو يتميز بمزايا واضحة من حيث الكفاءة والأداء، فلماذا يختار المرء محركًا متدرجًا؟ هناك عدة أسباب. أكثرها شيوعًا هو السعر؛ فالميزانيات التشغيلية تُعدّ اعتبارات مهمة عند اتخاذ أي قرار تصميم. مع تقلص الميزانيات، يجب اتخاذ قرارات لخفض التكاليف غير الضرورية. لا يقتصر هذا على تكلفة المحرك نفسه، بل إن الصيانة الدورية والطارئة عادةً ما تكون أقل تكلفة لمحركات السيرفو مقارنةً بمحركات السيرفو. لذلك، إذا لم تُبرر مزايا محرك السيرفو تكلفته، فقد يكون محرك السيرفو القياسي كافيًا.

من الناحية التشغيلية البحتة، تُعد محركات السائر أسهل استخدامًا بشكل ملحوظ من محركات السيرفو القياسية. تشغيل محرك السائر أسهل بكثير في الفهم والتكوين. يتفق معظم الخبراء على أنه إذا لم يكن هناك سبب لتعقيد العمليات، فالأفضل تبسيطها.

تختلف مزايا نوعي المحركات اختلافًا كبيرًا. تُعد محركات السيرفو مثالية إذا كنت بحاجة إلى محرك بسرعات تزيد عن 3000 دورة في الدقيقة وعزم دوران مرتفع. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب سرعات بضع مئات من الدورات في الدقيقة أو أقل، فإن محرك السيرفو ليس الخيار الأمثل دائمًا. قد تكون محركات السيرفو مبالغًا فيها للتطبيقات منخفضة السرعة.

تُعد محركات السائر (Stepper Motors) الحل الأمثل في تطبيقات السرعة المنخفضة. فهي ليست قابلة للتكرار عند التوقف فحسب، بل مصممة أيضًا للعمل بسرعة منخفضة مع توفير عزم دوران عالٍ. وبفضل هذا التصميم، يُمكن التحكم في محركات السائر وتشغيلها حتى حدود سرعتها القصوى. عادةً ما يكون حد السرعة لمحركات السائر النموذجية أقل من 1000 دورة في الدقيقة، بينما يمكن لمحركات السيرفو أن تصل سرعتها المقدرة إلى 3000 دورة في الدقيقة فأكثر، وأحيانًا تتجاوز 7000 دورة في الدقيقة.

إذا كان حجم المحرك الخطوي مناسبًا، فقد يكون الخيار الأمثل. ومع ذلك، عند تشغيل المحرك الخطوي بنظام الحلقة المفتوحة وحدث عطل، فقد لا يحصل المشغلون على جميع البيانات اللازمة لإصلاح المشكلة.

حل مشكلة الحلقة المفتوحة

على مدى العقود القليلة الماضية، طُرحت عدة طرق مختلفة لحل المشاكل التقليدية المتعلقة بالمحركات ذات الحلقة المفتوحة. كان توجيه المحرك إلى مستشعر عند تشغيله، أو حتى عدة مرات أثناء التشغيل، إحدى هذه الطرق. على الرغم من بساطتها، إلا أن هذه الطريقة تُبطئ العمليات ولا تُحدد المشاكل التي تظهر أثناء عمليات التشغيل العادية.

إضافة تغذية راجعة لاكتشاف توقف المحرك أو خروجه عن موضعه هو نهج آخر. ابتكر مهندسو شركات التحكم في الحركة ميزتي "كشف التوقف" و"الحفاظ على الموضع". بل إن هناك بعض المناهج التي تتجاوز ذلك، حيث تُعامل محركات السائر (الستبتر) مثل محركات السيرفو، أو على الأقل تُحاكيها بخوارزميات متطورة.

في الطيف الواسع من المحركات - بين محركات السيرفو ومحركات السائر مفتوحة الحلقة - تكمن تقنية جديدة نوعًا ما تُعرف بمحرك السائر مغلق الحلقة. إنها الطريقة الأمثل والأكثر توفيرًا للتكاليف لحل مشكلة التطبيقات التي تتطلب دقة موضعية وسرعات منخفضة. من خلال استخدام أجهزة تغذية راجعة عالية الدقة لإغلاق الحلقة، يمكن للمهندسين الاستمتاع بأفضل ما في العالمين.

تتميز محركات السائر ذات الحلقة المغلقة بجميع مزايا محركات السائر: سهولة الاستخدام، والبساطة، والقدرة على العمل بثبات بسرعات منخفضة مع توقف دقيق. كما أنها لا تزال توفر إمكانيات التغذية الراجعة التي تتمتع بها محركات السيرفو. ولحسن الحظ، لا يعيبها بالضرورة العيب الأكبر في محركات السيرفو: ارتفاع سعرها.

لطالما كان السر يكمن في طريقة عمل محركات السائر مفتوحة الحلقة. عادةً ما تحتوي على ملفين، وأحيانًا خمسة ملفات، مع توازن مغناطيسي بينهما. تُخل الحركة بهذا التوازن، مما يتسبب في تأخر عمود المحرك كهربائيًا، لكن لا يمكن للمشغل معرفة مدى تأخره. نقطة التوقف قابلة للتكرار في محركات السائر مفتوحة الحلقة، ولكن ليس لجميع الأحمال. يُوفر وضع مُشفِّر على محرك السائر وجعله حلقة مغلقة بعض التحكم الديناميكي. هذا يُتيح للمشغلين التوقف في نقطة محددة تحت أحمال مُتغيرة.

لقد زادت هذه المزايا الناتجة عن استخدام محركات السائر ذات الحلقة المغلقة في تطبيقات معينة من شعبية هذه المحركات بشكل كبير في مجال التحكم في الحركة. وتحديدًا، في اثنين من أبرز الصناعات، وهما صناعة أشباه الموصلات والأجهزة الطبية، هناك زيادة واضحة في استخدام محركات السائر ذات الحلقة المغلقة. يجب على المهندسين في هذه الصناعات معرفة أماكن وضع الأحمال أو المشغلات بدقة، سواءً كانت تُشغّل سيرًا أو لولبًا كرويًا. تُمكّنهم التغذية الراجعة ذات الحلقة المغلقة في هذه المحركات من معرفة مكانها بدقة. كما تُقدم هذه المحركات أداءً أفضل من محركات السيرفو عند السرعات المنخفضة.

بشكل عام، فإن أي تطبيق يحتاج إلى أداء مضمون بتكلفة أقل من محرك المؤازرة، والقدرة على التشغيل بسرعات منخفضة نسبيًا هو مرشح جيد لمحركات السائر ذات الحلقة المغلقة.

تذكر أنه يتعين على المشغلين التأكد من أن المحرك أو عناصر التحكم تدعم محركات السائر ذات الحلقة المغلقة. في السابق، كان من الممكن الحصول على محرك سائر مزود بمُشفِّر في الجزء الخلفي منه، لكن المحرك كان محرك سائر قياسيًا ولم يكن يدعم المُشفِّرات. كان يجب إعادة المُشفِّر إلى وحدة التحكم، وكان من الضروري تطبيق التحقق من الموقع في نهاية كل حركة. هذا غير مطلوب مع محركات السائر ذات الحلقة المغلقة الجديدة. يمكن لمحركات السائر ذات الحلقة المغلقة التحكم في الموقع والسرعة ديناميكيًا وتلقائيًا دون الحاجة إلى وحدات تحكم.