محركات المؤازرة ومحركات الأقراص

محرك المؤازرة

محرك المؤازرة هو نوع من المحرك الذي يمكنه تحقيق وضع دقيق وسرعة وعزم دوران يعتمد على إشارات التحكم في أنظمة التحكم الآلية. توفر servos الدقة العالية والأداء والاستقرار ، مما يجعلها تستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب التحكم الدقيق للحركة. عادةً ما توفر محركات Servo موقعًا حقيقيًا - وتغذية الراجعة للسرعة من خلال جهاز التغذية المرتدة (مثل المشفر أو المستشعر) ، مما يتيح ضبط إشارات التحكم في الوقت المناسب بناءً على الظروف الفعلية للحفاظ على الموضع الدقيق للمحرك. يتم تصنيف محركات المؤازرة عمومًا إلى ثلاثة أنواع: DC Servo Motors و AC Servo Motors و Stepper Servo Motors.

DC Servo Motors هي نوع من المحرك يستخدم على نطاق واسع في أنظمة التحكم الآلية. بالمقارنة مع محركات DC التقليدية ، فإنها تتميز بنظام التحكم في حلقة- ، مما يتيح ضبط الوقت- لوقت إشارات التحكم بناءً على إشارات التغذية المرتدة. توفر محركات DC Servo سرعات أعلى وسرعات استجابة ، بالإضافة إلى زيادة ناتج عزم الدوران. ومع ذلك ، فإنها تتطلب مصدر طاقة أكثر استقرارًا.

تتكون AC Servo Motors من لف الجزء الثابت ومسلح دوار. عادةً ما يولد اللف من المكسر حقلًا مغناطيسيًا ، بينما يحمل حمل التسليح الدوار الحمل ويدور. تعمل المحركات الكهربائية عن طريق تدوير ملف من الأسلاك في مجال مغناطيسي. تحقق محركات AC المؤازرة تحكمًا فعالًا ودقيقًا للحركة من خلال مجموعات مختلفة من المجال الحالي والمغناطيسي. توفر AC Servo Motors سرعة عالية ، ودقة عالية ، وإخراج عزم الدوران العالي ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب التحكم في حركة الأداء العالية- ، مثل الروبوتات ومعدات الأتمتة وأدوات الآلة CNC. ومع ذلك ، بالمقارنة مع محركات التيار المستمر ، تتطلب محركات AC المؤازرة عمومًا أنظمة تحكم أكثر تعقيدًا وهي أكثر تكلفة بشكل عام.

محركات المؤازرة

محرك المؤازرة هو جهاز يستخدم للتحكم في حركة محرك المؤازرة وهو مكون لا غنى عنه لنظام المؤازرة. يتم استخدامه عادةً بالاقتران مع محرك المؤازرة لتحقيق وضع دقيق وسرعة ومراقبة القوة. عادةً ما تدمج محركات الأقراص المؤازرة خوارزميات التحكم المختلفة لضبط سرعة المحرك وموضعها بدقة بناءً على إشارات التحكم. إنهم يدعمون ردود الفعل المشفر ، مما يتيح مراقبة الوقت- لموضع وسرعة المحرك ، وتحقيق التحكم في الحلقة المغلقة وتحسين دقة التحكم والاستقرار. وهي مجهزة أيضًا بعواريات الاتصال المختلفة للتواصل مع جهاز كمبيوتر مضيف أو أجهزة أخرى ، مما يتيح المراقبة والتحكم عن بُعد. تشمل محركات الأقراص المؤازرة أيضًا ميزات الحماية المختلفة ، مثل التيار الزائد ، والدرجة المفرطة ، والجهد الزائد ، وحماية فقدان الطور ، لضمان عمل المحرك ومحرك الأقراص ضمن نطاقات آمنة. تتمثل الوظيفة الأساسية لمحرك المؤازرة في تلقي إشارات التحكم ، وباستخدام خوارزميات التحكم الداخلية ، قم بتحويلها إلى تيار للتحكم في محرك المؤازرة ، وبالتالي تحقيق التحكم الدقيق للوضع.

مع التطور السريع لتكنولوجيا إلكترونيات الطاقة ونظرية التحكم الحديثة ، أصبحت أنظمة محرك المؤازرة الرقمية بالكامل سائدة. تتحرك محركات الأقراص المؤازرة أيضًا نحو الدقة العالية ، والأداء العالي ، والتكامل ، والمعدل ، والعالمية ، والشبكات ، والذكاء.
 

1) الدقة العالية والأداء العالي
عادةً ما تستخدم محركات الأقراص المؤازرة عالية - متحكم السرعة كمعالجات أساسية لها لتعزيز سرعة الحوسبة وقوة المعالجة. مع زيادة دقة المشفرين ، تحسنت دقة أداء ومراقبة محركات الأقراص المؤازرة بسرعات منخفضة ، مما يجعلها تحظى بشعبية خاصة في الروبوتات الصناعية الدقيقة العالية-. لقد عزز إدخال أساليب واستراتيجيات التحكم المتقدمة ، مثل التحكم غير الخطية المتقدمة وتحديد المعلمة وضبط الذات - أداء محركات الأقراص المؤازرة.

2) التكامل والنموذج

مع تصغير الروبوتات الصناعية والتقدم المستمر لتكنولوجيا أشباه الموصلات ، تتحرك محركات الأقراص والمحركات نحو التصغير والتكامل والتكامل. زاد هذا الاتجاه بشكل كبير من قوة الحوسبة لوحدات التحكم المؤازرة ، مع أن تصبح وحدات تحكم ARM و DSP و FPGA متكاملة و FPGA.

تتضمن النموذجية تقسيم محركات الأقراص إلى وحدات بناءً على وظائفها ودمجها لتلبية الاحتياجات المحددة. يتطلب النموذجية تطوير وتصميم الوحدات الفردية ، والتي يمكن بعد ذلك دمجها لتلبية الاحتياجات المحددة ، مما يقلل من تكاليف التصميم. كما أن النموذج يزيد من مرونة النظام ويسهل صيانة أنظمة محرك المؤازرة.

3) التخصيص
يدمج Universalization الوظائف المختلفة لمحرك الأقراص المؤازرة ، مما يسمح للمستخدمين بالتحكم في أوضاع التشغيل المختلفة ، مثل التحكم في ناقل الحلقة المغلق- ، والتحكم في المحرك ، وفتح -.

حاليًا ، تعد محركات الأقراص العالمية باهظة الثمن وتظل تفتقر إلى التطبيق الأمثل في بعض التطبيقات. لذلك ، فإن تصميم محركات الأقراص المتخصصة ضروري لخفض التكاليف وتحقيق التصغير.

4) الشبكات
مع التقدم المستمر للتكنولوجيا الصناعية والمتطلبات المتزايدة على البيئات الصناعية ، فإن تقنيات الاتصالات الميدانية مثل RS485 ويمكن أن تتميز في كثير من الأحيان بالتواصل الزمني الحقيقي - وسرعات التواصل المنخفضة ، غير قادرة بشكل متزايد على تلبية متطلبات الإنتاج الصناعي الحديث. وبالتالي ، تبدأ تقنيات حافلات Ethernet الصناعية ، مثل ITERCAT ، في أنظمة Server -. يمكن أن تلبي تقنيات الحافلات الصناعية Ethernet متطلبات التحكم في الوقت - وتستخدم على نطاق واسع في صناعة التحكم الصناعي.

5) الذكاء
في مجال الروبوتات الصناعية ، يعد الذكاء حاليًا اتجاهًا رئيسيًا في تطوير محركات المؤازرة. من خلال استراتيجيات التحكم الذكية ، تمتلك محركات الأقراص المؤازرة ميزات الذكاء الاصطناعي مثل التكيف- والتعلم الذاتي -. تعمل ذكاء محركات المؤازرة على تبسيط وتقلل بشكل كبير من وقت تصحيح الأخطاء للروبوتات الصناعية. كما أنه يقلل بشكل كبير من المتطلبات الفنية لموظفي تصحيح الأخطاء ، وبالتالي تقليل تكاليف التشغيل.

تصميم أجهزة السائق

بصفتها الشركة الرائدة في مجال سائق المؤازرة ، تتكون منتجات Tonghang في المقام الأول من مكونات الأجهزة بما في ذلك رقائق التحكم ، ودوائر السائقين ، ودوائر إمداد الطاقة ، ودوائر الكشف عن الجهد ، ودوائر أخذ العينات الحالية ، ودوائر واجهة الاتصال ، ودوائر واجهة المشفر. تمكن هذه الدوائر وظائف مختلفة لبرنامج تشغيل المؤازرة وضمان تشغيل نظام مستقر وموثوق. لذلك ، في أبحاث أجهزة السائق المؤازرة ، يعد تحليل كل دائرة وتكامله أمرًا بالغ الأهمية.

1. اختيار الرقاقة

تلعب دائرة التحكم في الأجهزة دورًا مهمًا في محرك المؤازرة. إنه مسؤول بشكل أساسي عن أخذ عينات من الإشارات التناظرية ، وحساب نبضات تشفير المحرك ، وإخراج أشكال الموجات PWM للتحكم في دائرة العاكس من خلال خوارزمية التحكم ، وبالتالي تحقيق التحكم الدقيق في محرك المؤازرة.

بصفتها المكون الأساسي لوحدة التحكم في محرك المؤازرة ، فإن دائرة التحكم تفي بوظائف متعددة:
1) الاستجابة السريعة: يجب أن تكون دائرة التحكم قادرة على الاستجابة بسرعة لإشارات ملاحظات المستشعر والتحكم في تعليمات خوارزمية التحكم لتحقيق التحكم السريع في المحرك.
2) الموثوقية العالية: يجب أن تخضع دائرة التحكم لتصميم واختبار صارمين لضمان تشغيل مستقر وموثوق ، وحماية سلامة واستقرار النظام بأكمله.
3) الحوسبة العالية -: يتطلب تنفيذ خوارزمية التحكم كمية كبيرة من معالجة بيانات السرعة العالية- ، وبالتالي يجب أن تمتلك شريحة دائرة التحكم - إمكانات معالجة الأداء وسرعة الحوسبة.
4) عالية - التحكم الدقيق: لتحقيق التحكم العالي - الدقة ، تتطلب دائرة التحكم عالية - قدرات معالجة البيانات الدقيقة لضمان دقة ودقة الخوارزمية التي تحتاج إلى مراقبها في ذلك الواصلة. فيما يتعلق بالكشف عن المواقف غير الطبيعية والتعامل معها في الوقت المناسب وحماية التشغيل الطبيعي للمحرك والنظام. لذلك ، بالنسبة للاختيار الشريحة لدائرة التحكم ، من الضروري النظر تمامًا في المتطلبات المذكورة أعلاه لضمان أن دائرة التحكم يمكن أن تحقق بشكل ثابت وبدقة وكفاءة تحكمًا دقيقًا في محرك المؤازرة وضمان التشغيل المستقر للنظام بأكمله.

2. دائرة محرك الإخراج

دائرة محرك إخراج محرك المؤازرة هي مكون مفتاح يحول إشارات التحكم إلى حركة المحرك. يتكون من ثلاثة- نصف المرحلة - دائرة محرك جسر تتكون من ستة نارو ترانزستورات MOS N-. تتضمن دائرة محرك الإخراج أيضًا دائرة التغذية المرتدة الحالية ، والتي تقسم تيار الإخراج إلى مسارين وينقلهما إلى دائرة أخذ العينات الحالية التفاضلية. ثم تغذي هذه الدائرة مرة أخرى إلى نظام التحكم ، مع إكمال التحكم في الحلقة-.

3. دائرة أخذ العينات الحالية التفاضلية

تُستخدم دوائر أخذ عينات التيار التفاضلي بشكل شائع لقياس واكتساب تغييرات في إشارات التيار مرحلة محرك المؤازرة. هذه الدائرة أمر بالغ الأهمية للسيطرة على محركات الأقراص المؤازرة وحمايةها. إشارات التيار المرحلة المحرك التي تقاسها دائرة أخذ العينات الحالية التفاضلية هي معلمات الإدخال الأساسية المطلوبة لدفع المحرك وتعكس حمل المحرك وتشغيله مباشرة. تستخدم محركات Servo أنظمة التحكم في الحلقة مغلقة - لتحقيق تحكم دقيق لحركة محرك المؤازرة. توفر دائرة أخذ العينات الحالية التفاضلية إشارات التغذية المرتدة ، والتي يتم استخدامها لضبط تيار إخراج المحرك لتحقيق خصائص الحركة المطلوبة والموقف. يظهر مخطط دائرة أخذ العينات الحالي التفاضلي في الشكل. فيما يلي عملية أخذ العينات الحالية التفاضلية.

أولاً ، يقوم المستشعر الحالي بتحويل تيار مرحلة المحرك إلى إشارة التيار. تمثل هذه الإشارات الحالية التيار يستهلكه المحرك أثناء العملية. بعد ذلك ، تقوم دائرة أخذ العينات الحالية التفاضلية بتقسيم الإشارة الحالية إلى مسارين وتؤدي قياسًا تفاضليًا بين المسارين للحصول على الفرق بين الإشارات الحالية. ثم تتم معالجة هذه الإشارة التفاضلية بواسطة مكبر للصوت التشغيلي. يضخ مكبر الصوت التشغيلي في دائرة أخذ العينات الحالية التفاضلية الإشارة التفاضلية ، ويحول التيار إلى الجهد ، ويحسن سعة الإشارة واستقرارها. أخيرًا ، تعمل الإشارة المعالجة كإدخال لنظام التحكم في التغذية المرتدة. من خلال مقارنة إشارة التغذية المرتدة مع القيمة المحددة ، يقوم نظام التحكم بضبط إخراج المحرك لتحقيق حالة الحركة المطلوبة.

4. دائرة إمدادات الطاقة التشفير

يتطلب تشفير محرك المؤازرة مصدر طاقة منفصل. لضمان التشغيل المناسب وردود الفعل الدقيقة للموضع ، يجب توفيرها بمصدر طاقة مناسب. يستخدم مشفر محرك المؤازرة المحدد بواسطة Tonghang مصدر طاقة 5 فولت ، لذلك يجب أن تنحدر دائرة إمدادات الطاقة المشفرة في مصدر الطاقة الواردة لضمان التشغيل المستقر والموثوق وإشارات التغذية الراجعة الدقيقة للموضع.

تظهر دائرة إمدادات الطاقة التشفير في الشكل. بعد الاتصال بمصدر الطاقة الخارجي 24V DC ، تمر طاقة الإدخال أولاً عبر مكثفات متوازية متعددة. تقلل هذه المكثفات من الضوضاء وتتموج في مزود طاقة الإدخال وتثبيت الجهد. A DC - DC Step - أسفل رقاقة المنظم ثم يؤدي الخطوة الأولى - لأسفل ، مما يقلل من جهد إمدادات الطاقة إلى 8V. يحتوي الجهد 8V الناتج على وجهتين: أولاً ، يتم استخدامه كمصدر للطاقة لدائرة سائق الإخراج ؛ ثانياً ، بعد تصفية الجهد واستقراره من خلال مكثفات متوازية متعددة ، يستقر المنظم على الجهد 8V الإدخال إلى جهد الإخراج +5 v. تستخدم شريحة المنظم الخطي الدوائر الداخلية لتثبيت جهد الإدخال إلى جهد الخرج المحدد. يقوم هذا المنظم بإخراج الجهد الثابت +5 v.

5. دائرة واجهة الشبكة

دائرة واجهة الشبكة هي دائرة واجهة Ethernet التي تربط أجهزة الكمبيوتر أو أجهزة الشبكة ، وتحمل وظيفة الاتصال بين العبد والسيد. يتطلب التواصل بين العبد والماجستير كابل شبكة خارجي. ومع ذلك ، على الرغم من أن وحدة تحكم الرقيق لديها واجهة phy ، إلا أنه لا يمكن توصيلها مباشرة بواجهة كبل الشبكة. لذلك ، هناك حاجة إلى واجهة كبل شبكة إضافية لتوصيل كبل الشبكة للتواصل مع السيد.

عادةً ما يتم تصميم منافذ Ethernet سلسلة Tonghang لإرسال ومعالجة إشارة التردد العالية - ، مما يوفر الأداء والاستقرار العالي. يعزز المنفذ المصمم - في محول الشبكة المغناطيسية نقل الإشارة واستقرارها أثناء نقل البيانات ، ومنع التداخل الخارجي والضوضاء الكهربائية من الوصول إلى الجهاز. بنيت - في المكثفات والمقاومات أيضًا تصفية الإشارات وعزلها ، مما يؤدي إلى تحسين استقرار الإشارة ومقاومة التداخل.

6. دائرة واجهة التشفير

يعد المشفر مكونًا رئيسيًا في نظام المؤازرة ، ويوفر التغذية المرتدة للوضع والسرعة. يخرج المشفر إشارات النبض التي تمثل دوران المحرك. تفسر دائرة واجهة التشفير إشارات النبض هذه وتحولها إلى معلومات مثل الموضع الفعلي للمحرك وسرعة. تزود دائرة واجهة التشفير أيضًا المشفر باستخدام الطاقة 5V ، والتي تنقذها دائرة إمدادات الطاقة المشفرة ، مما يضمن إمدادات طاقة مستقرة أثناء التشغيل.

مشفر محرك المؤازرة هو تشفير إضافي. يولد هذا المشفر إشارات النبض للإشارة إلى تغييرات في الموضع. تتكون إشارات النبض هذه من المرحلتين A و B و Z. يتم استخدام المرحلتين A و B لقياس الموضع والاتجاه ، بينما يتم استخدام المرحلة Z عادة لتحديد نقطة مرجعية أو موضع صفر.

7. USB - إلى - الدائرة التسلسلية

تتيح الدائرة التسلسلية USB - إلى- الاتصال بين محرك الأقراص والكمبيوتر. كمكون أساسي للدائرة بأكملها ، يقوم بتحويل البيانات المستلمة من واجهة USB إلى تنسيق متسلسل ويرسل البيانات التسلسلية إلى محرك المؤازرة ، والعكس بالعكس. تظهر الدائرة التسلسلية USB - إلى- في الشكل.

8. دائرة واجهة الفرامل

تتحكم دائرة واجهة الفرامل في إجراء الفرامل في محرك المؤازرة ، مما يتيح لها التوقف بسرعة ودقة. تتلقى دائرة واجهة الفرامل إشارات التحكم في الفرامل أو إشارات تحرير الفرامل وتحولها إلى إشارات التحكم المناسبة لتفعيل أو إلغاء تنشيط إجراء الفرامل في محرك المؤازرة. تظهر دائرة واجهة الفرامل في الشكل. مكبر الصوت التشغيلي (OP AMP) في الشكل هو مكون رئيسي لدائرة واجهة الفرامل. عندما تدخل إشارات التداخل إلى إشارة الفرامل ، يقوم OP AMP ، مع دائرة مرشح ، بتصفية إشارة الدخل ، وإزالة التداخل والاحتفاظ الجزء الصحيح من إشارة الفرامل. يؤدي OP AMP أيضًا وظائف متعددة ، بما في ذلك تضخيم الإشارة والمقارنة والتكييف.

9. دائرة الكشف عن جهد إمدادات الطاقة

تراقب دائرة الكشف عن جهد إمدادات الطاقة مستوى جهد إمدادات الطاقة لضمان ظهوره في نطاق التشغيل المحدد. من خلال مراقبة جهد إمدادات الطاقة في الوقت الفعلي ، تساعد دائرة الكشف عن جهد إمدادات الطاقة على تحسين سلامة النظام وموثوقيته. يوضح الشكل 13 دائرة الكشف عن جهد إمدادات الطاقة. بعد تقسيم الجهد ، يتم أخذ عينات من الجهد على 22q من خلال منفذ أخذ عينات ADC. ثم يحسب البرنامج ما إذا كان الجهد الفعلي يفي بالجهد المطلوب. فقط عندما تكون قيمة الجهد طبيعية ، يمكن أن يعمل محرك المؤازرة بشكل طبيعي.

10. دائرة الصمام ودائرة التبديل

تتم إضافة دائرة التبديل للتحقق من وظيفة إدخال IO من العبيد ، في حين تتحقق دائرة LED من وظائف إخراج IO. كما هو موضح في الشكل ، يتم توصيل دائرة التبديل بجهد 3.3V. يضاف المقاوم إلى الدائرة للتخلص من الاهتزاز الميكانيكي. في تصميم دائرة LED الموضح في الشكل ، يتم توصيل أحد طرفي LED بـ GND ، ويمكن إلقاء الضوء على الطرف الآخر ببساطة عن طريق إخراج مستوى عالٍ من دبوس المعالج الدقيق. تعمل LED عند 1.2 فولت ، ويتم استخدام خطوة - لأسفل للانحناء الجهد 3.3V. يظهر الشكل 15 الخطوة - في الشكل 15. الدائرة 3.3V - ، المصممة باستخدام رقاقة منظم الجهد AMS117 ، توليد جهد 1.2V لدائرة LED.

11. دائرة قياس درجة الحرارة

يتم أخذ عينات من قيمة درجة الحرارة ومعالجتها بواسطة مستشعر درجة حرارة NTC (معامل درجة الحرارة السلبية) ، وهو متصل بـ ADC. NTC هو معامل درجة الحرارة السلبية التي تنخفض مقاومتها مع زيادة درجة الحرارة. نظرًا لأن مقاومة NTC تتغير بشكل كبير مع درجة الحرارة ، يمكن استنتاج درجة الحرارة عن طريق قياس المقاومة. عندما يمر التيار من خلال مستشعر درجة حرارة NTC ، فإنه يولد كمية معينة من الحرارة. إذا لم يكن من الممكن تبديد هذه الحرارة في الوقت المناسب ، فإن درجة حرارة مستشعر درجة حرارة NTC سترتفع ، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومته. في هذه الحالة ، سيزداد التيار بشكل كبير ، مما يتسبب في ارتفاع درجة حرارة مستشعر درجة حرارة NTC ، مما يشكل دورة مفرغة يمكن أن تؤدي في النهاية إلى ارتفاع درجة حرارة مستشعر درجة حرارة NTC ، حتى تسبب في حرقها أو تحلقها.

12. تنفيذ الأجهزة

ينطوي تطبيق الأجهزة في المقام الأول على محرك المؤازرة. يظهر مخطط محرك المؤازرة في الشكل.

أجرت Tonghang تصميمًا مفصلاً لأجهزة Drive Servo وأكمل تطبيق الأجهزة. لقد أجرى في- بحثًا عمقًا على كل وحدة ، بما في ذلك متحكم ، وحدة تحكم من الرقيق ، دائرة محرك الأقراص ، دائرة أخذ العينات الحالية ، دائرة واجهة التشفير ، ودائرة واجهة كبل الشبكة. كما أظهر لوحة الدوائر الفعلية.