تُستخدم محركات التيار المستمر على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية وفي المنازل للمشاريع الشخصية. من أهم الاعتبارات عند اختيار استخدام محرك تيار مستمر هو ما إذا كان ينبغي إرفاق شكلٍ من أشكال التغذية الراجعة بالمحرك.
ما هي التغذية الراجعة؟
تشير التغذية الراجعة إلى أي معلومات يمكن لوحدة التحكم استخدامها لمراقبة عملية ما. في محركات التيار المستمر، تُجمع التغذية الراجعة عادةً على شكل الموضع وعدد الدورانات واتجاه الدوران. يمكن بعد ذلك تمرير هذه المعلومات إلى وحدة التحكم لقياس السرعة الزاوية وموضع عمود المحرك، ويُعرف هذا بشكل شائع باسم نوع من “التحكم ذي الحلقة المغلقة”.
في حالات الاستخدام الأكثر تطورًا، يمكن التحكم في التغذية الراجعة القادمة من المحرك ومصادر أخرى ليس فقط لتحقيق السرعة والموضع بدقة، بل أيضًا للحصول على الاستجابة الديناميكية المطلوبة والمزامنة والاستقرار.
فوائد استخدام التغذية الراجعة
عند تنفيذها بشكل صحيح، يمكن للتغذية الراجعة أن تمكّن الآلة من العمل بكفاءة أعلى وبتكرارية أكبر. قد تسمح التغذية الراجعة لآليتك بضبط المخرجات تلقائيًا للحفاظ على الاستقرار وتقليل التباين وتقليل الأخطاء دون الحاجة إلى تدخل بشري.
مثال بسيط على نظام تحكم جيد بالتغذية الراجعة هو منظم الحرارة. تقوم وحدة التحكم بقياس درجة حرارة الغرفة وتضبط خرج عناصر التسخين للحفاظ على درجة حرارة مُحددة.
من المزايا الرئيسية للتغذية الراجعة في محركات التيار المستمر التحكم بطريقة PID. تشير PID إلى آلية تحكم حلقية تُستخدم على نطاق واسع في الصناعة للتعويض تلقائيًا عن الأخطاء في سرعة أو موضع الآلة.
يمكن أيضًا استخدام التغذية الراجعة لتنفيذ آليات أمان قصوى وتشخيص تطبيقك. على سبيل المثال، إذا كان من المفترض أن تتحرك مشغلاتك الخطية بشكل متزامن لكن أحدها يتأخر، فهذا يدل على وجود مشكلة. عندها يمكن للنظام إيقاف حركة كلا المشغلين لمنع الضرر أو الميلان.
أنواع حساسات التغذية الراجعة لمحركات التيار المستمر
أكثر أنواع التغذية الراجعة شيوعًا لمحركات التيار المستمر هي المقاومات المتغيرة (Potentiometers) وحساسات تأثير هول والمشفّرات (Encoders). فيما يتعلق بالدقة والمحاكاة، يمكن أن تكون الأنواع الثلاثة متقاربة وفعالة جدًا مع التكنولوجيا الحديثة. تظهر الفروقات عند النظر في متطلبات الأداء المحددة مثل المتانة والعوامل البيئية والتداخل الكهرومغناطيسي وأداء درجة الحرارة.
المقاوم المتغيّر (Potentiometer)
أكبر ميزة لهذا النوع من التغذية الراجعة هي بساطته. يحوّل المقاوم المتغيّر فعليًا محرك التيار المستمر العادي إلى سيرفو، ما يتيح حركة دقيقة و/أو تحكمًا بالسرعة. توفّر المقاومات المتغيّرة معلومات مباشرة عن الموضع الزاوي لعمود المحرك. وبناءً على ذلك، عندما يفقد النظام الطاقة، يمكن للمقاوم المتغيّر الاحتفاظ بمعلومات موضعه دون الحاجة إلى “العودة إلى نقطة الأصل”. علاوة على ذلك، لأن المقاومات المتغيّرة في جوهرها مجرد مقسّمات جهد بمقاومة كبيرة، فهي جيدة في التعامل مع التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).
هناك أيضًا بعض السلبيات المصاحبة لاستخدام المقاومات المتغيّرة. تتطلب حساسات المقاوم المتغيّر تماسًا لإجراء القياسات، ما يعني أنها أقل متانة وذات عمر تشغيلي محدود مقارنةً بأشكال التغذية الراجعة الأخرى. تُعد المقاومات المتغيّرة وسيلة قياس بطيئة نسبيًا، بسبب الحاجة إلى التماس وأيضًا لأنّها قد تحتاج إلى محوّل تماثلي-رقمي قبل تأسيس تحكم فعلي بالتغذية الراجعة. أخيرًا، يتسبب وجود المقاومات المتغيّرة في المحركات بفرض حد لعدد الدورانات التي يمكن أن يجريها العمود. يجب على التطبيقات التي تستخدم تغذية راجعة عبر المقاوم المتغيّر التأكد من وجود وسيلة لمنع تجاوز مدى الحركة.
تأثير هول
تُعد حساسات تأثير هول ركيزة للتغذية الراجعة في المحركات لأنها موثوقة ودقيقة وطويلة العمر. بخلاف المقاوم المتغيّر، لا تحتاج حساسات تأثير هول إلى أي تماس، لذلك فهي مفيدة في البيئات القاسية، ومقاوِمة جدًا للاهتراء، وموثوقة في البيئات ذات الصدمات العالية. توفّر حساسات تأثير هول نبضات كهربائية عندما يصطف المغناطيس مع إلكترونيات الاستشعار. لهذا السبب، فهي مناسبة للتطبيقات عالية السرعة وتسمح ببرمجة زوايا معيّنة لعمود المحرك مسبقًا.
من عيوب حساسات تأثير هول أنها لا تستطيع تقديم سوى معلومات موضعية نسبية. هذا يعني أنه في كل مرة يفقد النظام فيها الطاقة، سيتعيّن نقل حساسات تأثير هول إلى موقع معروف وإعادة ضبطها. علاوة على ذلك، قد تكون أسلاك حساسات تأثير هول التي تنقل المعلومات عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي والضجيج. لهذا السبب، قد تُفقد الإشارات أحيانًا أو قد تُولَّد إشارات خاطئة، ما يعني أن معلومات الموضع قد “تنحرف” مع مرور الوقت.
المشفّرات (Encoders)
هناك مشفّرات ضوئية ومغناطيسية. غالبًا ما تكون المشفّرات المغناطيسية أفضل حساس شامل لتوليد إشارات التغذية الراجعة. وهي غير تلامسية، مثل حساسات تأثير هول، ما يعني أن لها عمرًا تشغيليًا مرتفعًا جدًا. كما أنها سريعة جدًا وتمتلك عادةً دقة عالية جدًا. ولا تتأثر المشفّرات المغناطيسية بالغبار أو الجزيئات الأخرى ويمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من البيئات.
لكنّ المشفّرات عادةً ما تكون باهظة الثمن وتتطلب إلكترونيات مخصّصة قد يكون إعدادها والتحكم بها صعبًا. إن إضافة تعقيد غير ضروري إلى التصميم ليس فكرة جيدة دائمًا، لأنه يزيد أيضًا من عدد أوضاع الفشل المحتملة.
تتوفر للمصمّمين مجموعة واسعة من أشكال التغذية الراجعة، ومع التقدم في التكنولوجيا الحديثة يمكن جعلها متكافئة تقريبًا من حيث الدقة. عند اختيار نوع التغذية الراجعة، يجب مراعاة احتياجات الأداء لتطبيقك وفهم مزايا التقنيات التي تعمل بها.