عندما تحتاج إلى طرق جيدة للتحكم في سرعة محرك DC عديم الفرشاة، فلديك عدد قليل من الخيارات الجيدة.

• التحكم في سرعة PWM

• التحكم في الجهد

• ردود الفعل المغلقة

• التحكم بدون مستشعر باستخدام EMF الخلفي

• تحكم PID

تختار العديد من الشركات هذه الطرق لأن محركات التيار المستمر عديمة الفرش تُشكل الآن 64.7% من جميع أنواع المحركات. يشهد هذا المجال نموًا سريعًا نظرًا لكفاءة هذه المحركات ورغبة المستخدمين في دقة أعلى. اطلع على هذه الخيارات لاختيار الأنسب لك.

الوجبات السريعة الرئيسية

• تتيح لك خاصية التحكم في سرعة المحرك بتقنية PWM تغيير السرعة بدقة متناهية، دون إضعاف المحرك، بل تُحسّن أداءه وتُطيل عمره. كما أنها لا تتطلب قطع غيار إضافية كثيرة.

• يتيح لك التحكم في الجهد تغيير السرعة بسرعة. يمكنك تحقيق ذلك بتغيير جهد المحرك. راقب الجهد للحفاظ على عمل المحرك بكفاءة. هذا أيضًا يمنع ارتفاع درجة حرارة المحرك.

• تستخدم أنظمة التحكم ذات الحلقة المغلقة أجهزة استشعار للتحقق من السرعة، مما يساعد المحرك على الحفاظ على السرعة المناسبة. يعمل هذا النظام بكفاءة حتى مع تغير الحمل، ويمنح دقة عالية ويحافظ على استقرار الأداء.

• يستخدم التحكم بدون مستشعرات قوة دافعة كهربائية خلفية لتحديد موضع الدوار. هذا يُسهّل التصميم ويُخفّض التكلفة. وهو مناسب للمحركات السريعة، ولا يحتاج إلى مستشعرات إضافية.

• يساعد نظام التحكم PID على ضبط السرعة الصحيحة. فهو يُصحح الأخطاء بين السرعة المطلوبة والسرعة الفعلية. يجب ضبط إعدادات PID بشكل صحيح، مما يُساعد المحرك على العمل بأقصى طاقته والحفاظ على ثباته.

1. التحكم في سرعة PWM

كيف يتحكم PWM في السرعة

يُعدّ التحكم في سرعة المحرك بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM) شائعًا جدًا في محركات التيار المستمر عديمة الفرش. وتعني PWM تعديل عرض النبضة. تُغيّر هذه الطريقة سرعة المحرك بتغيير مدة إرسال الطاقة في كل دورة. يتلقى المحرك دفعات قصيرة من الكهرباء، وكلما طالت مدة الدفعة، زادت سرعة دوران المحرك. تتيح لك تقنية PWM تغيير السرعة بدقة دون فقدان عزم الدوران.

تُفضل العديد من الشركات تقنية PWM لأنها تعمل بكفاءة مع المحركات عديمة الفرش. فهي تُحسّن أداء المحرك وسلاسة أدائه، كما أنها تدوم لفترة أطول. لا تحتاج إلى قطع إضافية كثيرة. هذا يُساعدك إذا كنت ترغب في تصميم صغير أو عمر بطارية أطول.

فيما يلي بعض الأسباب التي تجعل التحكم في سرعة PWM خيارًا جيدًا لمحركات DC بدون فرش:

• يتحكم بالسرعة بشكل جيد.

• يؤدي إلى خفض تموج الجهد والتيار، وبالتالي يعمل المحرك بشكل أفضل.

• لا تحتاج إلى العديد من الأجزاء الإضافية، وهو ما يساعد في التصميمات الصغيرة.

يوضح الجدول أدناه الفوائد الرئيسية للتحكم في سرعة PWM لمحركات DC عديمة الفرشاة:

نصائح التنفيذ

يمكنك إعداد التحكم في سرعة PWM لمحرك DC الخالي من الفرشاة باتباع الخطوات التالية:

1. اختر متحكمًا دقيقًا قويًا بما يكفي. معالج ARM Cortex M0 أو معالج أفضل منه مناسب لمهام التحكم في السرعة الصعبة.

2. اضبط تردد إشارة تعديل عرض النبضة (PWM). تعمل معظم المحركات عديمة الفرش بكفاءة عند تردد ٢٠ كيلوهرتز. تحتاج بعض المحركات إلى تردد أعلى إذا كانت محاثتها منخفضة.

3. استخدم وحدات تحكم خاصة بالمحركات مزودة بمحولات تناظرية إلى رقمية سريعة ومشغلات بوابات. تساعدك هذه الوحدات على التحكم في السرعة بشكل أفضل وجعل تشغيل المحرك أكثر سلاسة.

4. غيّر تردد التشغيل بين ٢٠ كيلوهرتز و٨٠ كيلوهرتز. الترددات الأعلى تتيح لك ضبط السرعة بدقة أكبر، ولكنها تتطلب أجهزة أفضل.

5. اضبط تردد التحكم بين ١ كيلوهرتز و٥ كيلوهرتز. يعتمد ذلك على مُحوِّل البيانات التناظري الرقمي (ADC) وطريقة التحكم لديك.

إذا واجهتَ مشكلةً في الطاقة أو إعداد المتحكم الدقيق، فحاول استخدام وحدات تحكم مثل Qorvo PAC5556. فهي تُسهّل عليك التحكم في السرعة وتجعله أكثر موثوقية.

يُعدّ التحكم في سرعة المحرك بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM) مناسبًا للعديد من استخدامات محركات التيار المستمر عديمة الفرش. توفر هذه الطريقة تحكمًا دقيقًا في السرعة وتضمن استقرار تشغيل المحرك. يمكنك الاعتماد على تقنية PWM لتحقيق كفاءة عالية وتحكم دقيق في السرعة في مشاريع محركاتك عديمة الفرش.

2. طريقة التحكم في الجهد

ضبط الجهد للسرعة

يمكنك زيادة سرعة محرك التيار المستمر عديم الفرش عن طريق رفع الجهد. أما إذا خفضت الجهد، فسيتباطأ المحرك. وتتغير السرعة لأن دوران المحرك يعتمد على الجهد المُطبق عليه. فإذا انخفض الجهد أثناء تشغيل المحرك، فلن يدور بنفس السرعة، حتى مع استخدام نفس الإعدادات.

أظهرت دراسة أجريت على المحركات عديمة الفرش في الطائرات بدون طيار أن انخفاض الجهد الكهربائي قد يؤدي إلى دوران المحرك بسرعات مختلفة، حتى مع استخدام نفس أدوات التحكم. لذا، يُنصح بمراقبة تغيرات الجهد، خاصةً عند تشغيل المحرك بجهد عالٍ. يساعد منظم السرعة الإلكتروني في ضبط الجهد والحفاظ على ثبات السرعة. كما يُمكن استخدام متحكم دقيق لإنشاء إشارة تعديل عرض النبضة (PWM) تتوافق مع الجهد المطلوب. ويساعد فحص التيار على حماية المحرك من السخونة الزائدة، التي قد تؤثر على سرعته.

فيما يلي جدول يوضح كيفية قدرة أجزاء مختلفة من النظام على تغيير السرعة عند استخدام التحكم في الجهد:

المزايا والعيوب

هناك العديد من الأشياء الجيدة حول استخدام التحكم في الجهد للمحركات DC عديمة الفرشاة:

1. يستخدم المحرك طاقة أقل، لذا فهو فعال.

2. يستمر المحرك لفترة أطول، وبالتالي فهو أكثر موثوقية.

3. يصدر المحرك ضوضاء أقل، لذا فهو أكثر هدوءًا.

4. التصميم أصغر وأخف وزنًا، لذا فهو يناسب المساحات الضيقة.

5. يمكن للمحرك تغيير السرعة بسرعة.

6. يتمتع المحرك بتوازن أفضل بين السرعة وعزم الدوران.

7. يمكن للمحرك أن يعمل بسرعات أكبر.

8. يستمر المحرك لفترة أطول، مما يوفر لك المال.

ولكن هناك أيضًا بعض الحدود لهذه الطريقة:

• تحتاج إلى سرعة معينة لكي يعمل استشعار EMF الخلفي.

• إذا تغير الحمل فجأة، فقد يؤثر ذلك على كيفية تشغيل المحرك.

• إذا انخفض الجهد، فإن المحرك سوف يتباطأ ولن يعمل بشكل جيد.

فيما يلي جدول يقارن بين النقاط الجيدة والحدود الرئيسية:

يُمكن أن يُساعدك التحكم في تعديل عرض النبضة (PWM) على تحسين السرعة وعزم الدوران، ولكنه قد يُؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المحرك وتقصير عمره الافتراضي إذا لم يُضبط بشكل صحيح. يُعد التحكم في الجهد فعالاً ويُساعد على إطالة عمر المحرك، ولكن يجب الانتباه إلى انخفاض الجهد والتغيرات المفاجئة.

إذا كنت ترغب في طريقة سهلة للتحكم في سرعة محرك التيار المستمر عديم الفرش، فإن التحكم في الجهد يُجدي نفعًا. يمكنك استخدامه بطرق عديدة، ولكن تأكد دائمًا من تغيرات الجهد لضمان تشغيل المحرك بسلاسة.

3. التحكم في ردود الفعل ذات الحلقة المغلقة

استخدام أجهزة الاستشعار للسرعة

تساعد تقنية التحكم ذات الحلقة المغلقة محرك التيار المستمر عديم الفرش على البقاء بالسرعة المناسبة. تستخدم هذه التقنية أجهزة استشعار لمراقبة المحرك وإرسال إشارات إلى وحدة التحكم. تُعد مستشعرات هول وأجهزة التشفير من أكثر أنواع المستشعرات شيوعًا لهذا الغرض.

• تُشير مستشعرات هول إلى موقع الدوار، مما يُساعد المحرك على تشغيله في الوقت المناسب.

• تُعطي المُرمِّزات تغذية راجعة أفضل، فهي تُساعدك على التحكُّم في المحرِّك بدقةٍ فائقة.

• ترسل مستشعرات هول إشارات إلى وحدة التحكم. وتستخدم هذه الوحدة هذه الإشارات لاختيار طريقة تشغيل المحرك.

• تعمل أجهزة التشفير بكفاءة في أنظمة السيرفو. استخدمها عند الحاجة إلى تحكم دقيق في السرعة.

• تُستخدم مستشعرات تأثير هول في أنظمة التبديل سداسية الخطوات. وتُستخدم هذه الأنظمة غالبًا في محركات التيار المستمر عديمة الفرش.

• أجهزة التشفير مرنة، ويمكنك استخدامها في العديد من الأماكن التي تتطلب دقة عالية.

تُعدّ مستشعرات هول الخيار الأمثل للتحكم في سرعة محركات التيار المستمر عديمة الفرشات بنظام الحلقة المغلقة . فهي أقل تكلفة وتؤدي وظيفتها بكفاءة عالية في معظم التطبيقات. كما تُعدّ أجهزة التشفير والمحولات خيارات أخرى، إلا أن مستشعرات هول تتميز ببساطتها وكفاءتها العالية.

الحفاظ على الدقة

يساعد نظام التغذية الراجعة المغلقة على الحفاظ على ثبات السرعة ودقتها. يتحقق جهاز التحكم من إشارات المستشعر ويغير قوة المحرك حسب الحاجة. هذا يمنحك تحكمًا أفضل، حتى مع تغير الحمل أو زيادة جهد المحرك.

يوضح الجدول أدناه كيفية تغيير التحكم في السرعة في محركات التيار المستمر بدون فرش من خلال طرق PWM المختلفة:

يمكنك استخدام محول PID للتحكم في السرعة. تُظهر اختبارات MATLAB أن التحكم في الحلقة المغلقة يُحافظ على تيار دخل المحرك والقوة الدافعة الكهربائية العكسية عند مستويات جيدة. يمكنك التحقق من السرعة وعزم الدوران عند استقرارهما أو تغيرهما.

يمنحك التحكم بالحلقة المغلقة كفاءة عالية وسرعة ثابتة. يمكنك الاعتماد على هذه الطريقة للتحكم الدقيق في المحركات في العديد من مشاريع محركات التيار المستمر عديمة الفرش.

4. التحكم بدون مستشعر مع EMF الخلفي

كيف يمكّنك EMF الخلفي من التحكم في السرعة

يمكنك تغيير سرعة محرك تيار مستمر بدون فرش دون الحاجة إلى حساسات. بهذه الطريقة، تستخدم القوة الدافعة الكهربائية العكسية (EMF) جهدًا يظهر في ملفات المحرك عند دوران الدوار. يمكنك استخدام هذا الجهد لمعرفة موضع الدوار، كما يساعدك على معرفة متى يجب تغيير التيار في المحرك.

إليك كيفية عمل التحكم بدون مستشعر باستخدام EMF الخلفي:

• تتحقق طريقة تكامل المجال الكهرومغناطيسي الخلفي من إشارة المجال الكهرومغناطيسي الخلفي، وتحدد موضع الدوار.

• يراقب جهاز التحكم القوة الدافعة الكهربائية الخلفية للمرحلة غير المزوّدة بالطاقة، ويستخدمها لاختيار الوقت المناسب لتغيير التيار.

• تعمل هذه الطريقة بسرعات مختلفة. تبقى المنطقة الواقعة أسفل منحنى القوة الدافعة الكهربائية الخلفية ثابتة، حتى لو دار المحرك بسرعة أكبر أو أبطأ.

لقياس EMF العكسي، يمكنك استخدام:

• مقارنات للتحقق من مستويات الجهد.

• نقطة محايدة افتراضية تم إنشاؤها باستخدام المقاومات.

• محولات من تناظرية إلى رقمية (ADC) للتحكم الرقمي.

للحصول على نتائج جيدة، تحتاج إلى محولات تناظرية رقمية سريعة ودوائر مقارنة . عندما يكون المحرك متوقفًا، لا توجد قوة دافعة كهربائية عكسية. يجب تشغيل المحرك في وضع الحلقة المفتوحة قبل استخدام التحكم بدون حساسات.

فوائد الطرق غير المستشعرة

يمنحك التحكم بدون مستشعرات مزايا عديدة لمشاريع محركات التيار المستمر بدون فرش. لن تحتاج إلى مستشعرات إضافية، مما يجعل تصميمك بسيطًا وموثوقًا. كما يوفر لك المال ويقلل من احتمالية حدوث أعطال في المستشعرات.

فيما يلي جدول يقارن بين الطرق المعتمدة على المستشعرات والطرق غير المعتمدة على المستشعرات:

ستشاهد استخدام التحكم بدون أجهزة استشعار في العديد من الأماكن:

• تستخدمه مراوح التبريد وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء للحصول على سرعة ثابتة.

• تستخدمها الطائرات بدون طيار والمركبات الجوية غير المأهولة لتوفير الوزن والحصول على إشارات EMF قوية في الخلف.

• تستخدمه المضخات والضواغط حيث لا يمكن لأجهزة الاستشعار أن تناسبه.

• تستخدمه المركبات الكهربائية والدراجات الإلكترونية لتحقيق كفاءة عالية عند السرعات العالية.

يساعدك التحكم بدون مستشعر مع EMF الخلفي في الحصول على سرعة ثابتة وتكاليف أقل وتصميم بسيط لمحرك DC بدون فرشاة.

5. طرق التحكم في السرعة PID

PID للسرعة المستقرة

يساعدك متحكم PID في ضبط سرعة محرك التيار المستمر عديم الفرش . فهو يقارن السرعة المطلوبة بالسرعة الفعلية، وفي حال وجود فرق، يقوم بتعديل قدرة المحرك. هذا يساعد في تصحيح أي خلل في السرعة. تستخدم العديد من المصانع هذه الطريقة، حيث تحافظ على سرعة المحرك المناسبة حتى مع تغير الحمل.

يتكون جهاز التحكم PID من ثلاثة أجزاء. الجزء النسبي يُصلح أخطاء السرعة بسرعة. الجزء التكاملي يُعالج الأخطاء الصغيرة التي تدوم طويلًا. الجزء المشتق يمنع المحرك من تجاوز السرعة المستهدفة.

يضمن نظام التحكم PID تشغيل المحرك بسلاسة وثبات. كما يُساعد على تقليل الضوضاء والاهتزاز في محركك عديم الفرشاة.

فيما يلي جدول يوضح كيف يساعد التحكم PID في سرعة محرك DC بدون فرشاة:

تساعدك وحدات التحكم PID على الحصول على سرعة أفضل، وضوضاء أقل، وحركة أكثر سلاسة للمحرك.

نصائح الضبط

يجب ضبط وحدة تحكم PID للحصول على أفضل سرعة. أولًا، اضبط تتبع الحركة لمراقبة حركة المحرك. اجعل وحدة التحكم تُحرّك المحرك إلى نقطة جديدة بسرعة. ابدأ بكسب تناسبي صغير (Kp). اضبط الكسب التكاملي (Ki) والحد (Ilim) على الصفر. اجعل كسب المشتقة (Kd) أكبر بخمس مرات من Kp.

اتبع الخطوات التالية لضبط وحدة التحكم PID الخاصة بك:

1. إعداد تتبع الحركة لأمر المحرك والموضع المطلوب والموضع الحقيقي.

2. جعل المتحكم يقوم بحركة خطوة.

3. قم بتغيير Kp وKd وKi بناءً على كيفية عمل المحرك.

4. انتبه للحركة الزائدة أو البطيئة. غيّر المكاسب لإصلاحها.

قد تحدث مشاكل إذا كانت إعدادات مُعرِّف PID خاطئة، أو لم يكن التيار الكهربائي ثابتًا، أو كانت دائرة المحرك بها مشاكل. يمكنك إصلاح هذه المشاكل بتغيير إعدادات مُعرِّف PID وفحص دائرة الطاقة والمحرك.

فيما يلي دليل سريع للضبط:

• قم بضبط الإعداد النسبي على قيمة أعلى لجعل المحرك يتفاعل بشكل أسرع، ولكن احذر من الحركة الزائدة.

• استخدم الإعداد المتكامل لإصلاح الأخطاء الصغيرة والحفاظ على السرعة قريبة من الهدف.

• قم بتغيير إعداد المشتق لإيقاف الكثير من الحركة والحفاظ على ثبات المحرك.

يمكنك استخدام نظام التحكم PID في العديد من مشاريع محركات التيار المستمر عديمة الفرش . تساعد هذه الطريقة في الحفاظ على سرعة ثابتة وتحسين أداء المحرك.

لقد تعلمتَ خمس طرق فعّالة للتحكم في سرعة محركات التيار المستمر عديمة الفرش. تساعدك كل طريقة - تعديل عرض النبضة (PWM)، والتحكم في الجهد، والتغذية الراجعة للحلقة المغلقة، والتحكم بدون مستشعر، والتحكم التكاملي التفاضلي التكاملي (PID) - على الحصول على نتائج ثابتة ودقيقة. تُظهر الدراسات أن التحكم التكاملي التفاضلي التكاملي (PID) يُخفّض تجاوز الحد الأقصى من 71% إلى صفر تقريبًا. يُحسّن تعديل عرض النبضة (PWM) مع المعالجات الرقمية أداء المحركات. عند اختيار طريقة، انتبه لهذه الأمور المهمة:

إذا كنت ترغب في معرفة المزيد، فاطلع على الطرق غير المستشعرة، واستشعار المجال الكهرومغناطيسي الخلفي، والأدوات الذكية مثل الشبكات العصبية. هذه الأدوات ستساعد مشاريعك على العمل بشكل أفضل.

الأسئلة الشائعة

ما هي أسهل طريقة للتحكم في سرعة محرك DC بدون فرشاة؟

يمكنك استخدام تقنية PWM للتحكم في السرعة. تعمل هذه التقنية مع معظم وحدات التحكم. كل ما تحتاجه هو متحكم دقيق ومشغل محرك. تتيح لك تقنية PWM تغيير السرعة بسلاسة ودقة.

هل يمكنك استخدام التحكم في الجهد لجميع محركات التيار المستمر عديمة الفرشاة؟

يمكنك استخدام التحكم بالجهد للعديد من المحركات . تتطلب بعض المحركات سرعة دنيا لاستشعار القوة الدافعة الكهربائية العكسية. تأكد دائمًا من مراجعة بيانات المحرك قبل اختيار التحكم بالجهد.

لماذا تحتاج إلى أجهزة استشعار للتحكم في الحلقة المغلقة؟

تساعدك المستشعرات على الحفاظ على السرعة الصحيحة للمحرك. ترسل مستشعرات هول والمشفرات إشارات إلى وحدة التحكم. ستحصل على دقة واستقرار أفضل مع المستشعرات.

هل التحكم بدون أجهزة استشعار موثوق به للمحركات عالية السرعة؟

يعمل التحكم بدون مستشعرات بكفاءة عالية في السرعات العالية. لا تحتاج إلى مستشعرات إضافية. تستخدم العديد من الطائرات بدون طيار والمراوح التحكم بدون مستشعرات لإدارة السرعة بسهولة وموثوقية.

كيف تقوم بضبط وحدة التحكم PID لسرعة المحرك؟

ابدأ بكسب تناسبي منخفض. زده تدريجيًا. اضبط المكاسب التكاملية والمشتقة بعد اختبار استجابة المحرك. راقب أي تجاوز، واضبط المكاسب للحفاظ على ثبات السرعة.