يُعد تزويد محرك التيار المستمر في أحد المشغلات بإشارات PWM طريقة شائعة لضبط سرعة الحركة، إلا أنّ بعض الحالات قد تؤدي إلى ضوضاء صوتية تتمثل في صفير المحرك. وخلال مرحلة اختبار مشروعك، قد تلاحظ أن المحرك نفسه يُصدر صفيرًا بدرجات مختلفة من العلو عند توصيله بوحدات تحكم سرعة مختلفة. قد يرجع ذلك إلى اختلاف ترددات PWM المضبوطة في كل وحدة تحكم سرعة أو في برنامج Arduino. في هذا المقال، سنستعرض مزايا وعيوب ضبط تردد PWM وكيف يؤثر على صفير المحرك.
أسئلة شائعة ومتكررة
فيما يلي نظرة عامة على الأسئلة الشائعة والمتكررة التي نتلقاها لتغطية أساسيات دورة التشغيل وPWM، وتأثير تغييرات تردد PWM على محركات التيار المستمر بإيجاز.
- ما هي دورة التشغيل؟
دورة التشغيل هي نسبة زمن التشغيل إلى زمن الإيقاف، وتُعبَّر عادةً كنسبة مئوية. يعني ذلك أنه إذا كان مشغلك يتمدّد ويتراجع لمدة 20 ثانية، ثم يبقى 40 ثانية أخرى في وضع السكون قبل تكرار العملية، فستكون "دورة التشغيل" 33%. أما الزمن اللازم لإكمال "دورة كاملة" في هذا المثال فهو 60 ثانية.
دورة التشغيل = زمن التشغيل / (زمن التشغيل + زمن الإيقاف)
- ماذا تعني PWM؟
تعديل عرض النبضة (PWM) تقنية شائعة في تشغيل المحركات حيث تتناوب الإشارات الكهربائية بين 0% و100% من جهد التغذية المطبّق على المحرك، على نحو مماثل للتشغيل والإيقاف في دورة التشغيل. يتيح ذلك التحكم في القيمة المتوسطة للجهد المطبّق على المحرك لضبط سرعة المحرك. إن التحكم في دورة التشغيل يمكّن من التحكم في الجهد المتوسط لضبط سرعة المحرك.
دورة التشغيل * جهد المصدر = قيمة الجهد المتوسطة
- ما هو تردد PWM وكيف يؤثر على أداء محركات التيار المستمر؟
يمثّل تردد PWM مدى سرعة إكمال دورة PWM بواسطة جهاز التحكم بالمحرك. وليس من غير المألوف أن تصدر محركات التيار المستمر صفيرًا عندما يتم ضبط وحدة تحكم المحرك المستخدمة على ترددات PWM منخفضة.
- هل يمكن إزالة صفير المحرك تمامًا، أم أن مستوى معينًا من الضجيج متوقّع؟
قد يختلف ذلك، إذ عادةً ما تضع الشركات المصنِّعة حدود تسامح تؤدي إلى مجموعة من الأصوات والخصائص المختلفة للمحرك. وقد تحتوي بعض التصاميم على دوّارات ينتج عنها بعض الصفير بغض النظر عن تردد PWM المستخدم. عمومًا، يساعد ضبط تردد PWM على أعلى قيمة عملية ممكنة لمحركات تيار مستمر بحالة جيدة في تقليل الصفير (سنفصّل ذلك لاحقًا).
- هل يمكن أن يؤثر ضبط تردد PWM لتقليل صفير المحرك سلبًا على المحرك أو أداء النظام ككل؟
يؤدي رفع تردد PWM إلى زيادة فاقد القدرة على جسر H المستخدم مع مت contrôller Arduino وقد يتسبب ذلك في ارتفاع حرارة لوحة سائق المحرك. لذا سيحتاج المستخدمون إلى وسيلة لتبريد جسر H أو سائق المحرك لمنع تلف المكونات.
ما الذي يسبب صفير محركات التيار المستمر؟
سنناقش الضوضاء الصوتية للمحرك التي يسمعها الإنسان، وليس الضوضاء الكهربائية. يُعرض في الأعلى المكافئ الدائري لمحرك تيار مستمر أثناء التشغيل. وبسبب القوة الدافعة الكهربائية العكسية (Back EMF)، ينشأ جهد معاكس لاتجاه التيار نتيجة حركة ملفات المحرك بالنسبة للمجال المغناطيسي. عند السكون أو السرعات المنخفضة، يكون للمكافئ الدائري لمحرك تيار مستمر بالفرش قليل من الـ Back EMF أو لا شيء، ويشبه دارة RL من الرتبة الأولى كما في الأسفل.
ينتج الصوت الذي نسمعه كصفير للمحرك عن تموّج العزم الناتج من تموّج التيار i. ونعلم أيضًا أن تردد القطع الأعلى لمرشّح RL منخفض التمرير يُعطى بالعلاقة التالية:
تردد القطع = 1 / (2π𝜏)
حيث:
𝜏 = L / R
L = الحث (H)
R = المقاومة (Ω)
𝜏 = ثابت الزمن (ثانية)
يعتمد تردد PWM المثالي نظريًا على حث ومقاومة دارة المحرك، لكنه يُتوقع أن يكون أكبر من أو مساويًا لـ 5 أضعاف تردد القطع. سيسمح هذا النطاق الأعلى من تردد PWM للتيار المار في محرك التيار المستمر بالوصول إلى 99.3% (قريب جدًا من 100%) من قيمة التيار العظمى لتجنّب تموّج التيار وتقليل صفير المحرك.
فاقد القدرة في جسر H وتبديد الحرارة
عند انتقال المفتاح بين التشغيل والإيقاف، تكون كل من الجهد والتيار غير صفريين، ما يؤدي إلى تبديد طاقة على المفاتيح. وبما أن جسر H يحوي جهدًا وتيارًا أثناء عملية التبديل، فإن رفع تردد التبديل نتيجة زيادة تردد PWM يعني مزيدًا من الحرارة والطاقة المُبدّدة. يُنصح بتركيب مشتتات حرارية أو مراوح على لوحات سائق المحرك التي لا تتضمن وسائل تبريد مدمجة لتفادي التلف وضمان التشغيل السليم.
يأتي درع Arduino LC-81 MegaMoto GT بجسر H مع مروحة تبريد ومشتتات حرارية مدمجة لتقليل السخونة الزائدة، ما يجعله مثاليًا لأحمال التيار العالية. وللمشغلات ذات متطلبات سحب تيار أقل، نقدّم أيضًا LC-80 MegaMoto Plus بجسر H لـ Arduino. ويمكن استخدام كلتا وحدتي جسر H مع Arduino وتصل تقييمات تردد PWM لديهما حتى 20 كيلوهرتز لجهد التيار المستمر.
كيف تُقلّل صفير محرك التيار المستمر عبر ضبط تردد PWM باستخدام Arduino؟
تحدّد سرعة ساعة العدّاد تردد PWM لإشارة الخرج. وبالنسبة إلى Arduino Uno الأكثر شيوعًا لدينا، تُقسَّم ساعة النظام حسب قيمة المُقسّم المسبق Prescaler لتعطي ساعة العدّاد. وتمثّل CS02 وCS01 وCS00 أقل 3 بِتات أهمية في سجلات المؤقّت/العدّاد، والتي تخزّن قيمة المُقسّم (3 بِت).
قم بتعيين هذه البِتات الثلاث الأقل أهمية أو مسحها في سجل TCCRnB المناسب الموجود ضمن مقطع void setup() في كود Arduino الخاص بك. ومن خلال تعديل مقسّمات المؤقّت عبر البرمجة يمكن ضبط تردد PWM كما يظهر في فيديو المرجع هذا.
درس Arduino PWM #1 - كيفية تغيير تردد PWM:
عادةً ما يسمع الإنسان المتوسط أصواتًا بين 20 هرتز و20,000 هرتز.
التردد = دورة/زمن
1 هرتز = 1 دورة/ثانية
20 هرتز = 1 دورة / (الزمن)
20 هرتز * (الزمن) = 1 دورة
الزمن = 1 دورة/ 20 هرتز
الزمن = 0.05 ثانية
الزمن = 50 مللي ثانية
لتردد PWM مقداره 20 هرتز، ستحدث دورة واحدة خلال فترة قدرها 50 مللي ثانية كما هو موضح أدناه.
عند ترددات تفوق 20 كيلوهرتز، تصبح كل دورة أقصر من زمن استجابة الإنسان المتوسط، ما يؤدي إلى عدم قدرة معظم الأشخاص على سماع أي صفير للمحرك. وعادةً ما يحل نطاق تردد PWM بين 16 و20 كيلوهرتز معظم مشكلات صفير محركات التيار المستمر. ويمكن استخدام هذا النطاق كنقطة بداية للاختبار قبل إجراء تعديلات تدريجية لضبط تردد PWM على النحو الأمثل وفقًا لسلوك وخصائص محركك.
التردد = دورة/زمن
20 كيلوهرتز = 1 دورة / (الزمن)
20000 هرتز * (الزمن) = 1 دورة
الزمن = 1 دورة/ 20000 هرتز
الزمن = 0.00005 ثانية
الزمن = 50 ميكرو ثانية
لتردد PWM مقداره 20 كيلوهرتز، ستحدث دورة واحدة خلال فترة قدرها 50 ميكرو ثانية كما هو موضح أدناه.
الخلاصة
يمكن أن يساعد ضبط تردد PWM في تقليل الصوت غير المرغوب فيه لصفير المحرك، لكن يجب أن نعي مزايا وعيوب ذلك. من المهم العثور على تردد PWM المناسب الذي يوازن بأفضل صورة بين فاقد قدرة سائق المحرك وتبديد الحرارة وصفير المحرك بما يتوافق مع متطلباتك.
نأمل أن تكون قد وجدت هذا المقال مفيدًا وشيّقًا مثلنا، خاصةً إذا كنت ترغب في معرفة المزيد عن صفير محركات التيار المستمر عند تردد PWM منخفض. إذا كانت لديك أي استفسارات أو رغبت في مناقشة منتجاتنا بشكل أوسع، فلا تتردد في التواصل معنا! نحن خبراء في ما نقوم به وسنكون سعداء بمساعدتك بكل ما نستطيع.
sales@progressiveautomations.com | 1-800-676-6123