تعلم أساسيات التحكم الحركي

تُستخدم المحركات الكهربائية على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الإلكترونية ، لدرجة أنه يمكننا القول أنها موجودة في كل مكان. لدينا في منازلنا العديد من الأمثلة ، مثل المراوح ومجففات الشعر وسخانات المروحة وأدوات المطبخ والمزيد. إذا أخذنا في الاعتبار سيارة ، يمكننا قريبًا اكتشاف أن هناك أنواعًا مختلفة من المحركات الكهربائية داخل السيارة: نظام التدفئة ، ومراوح تبريد الرادياتير ، والنوافذ الكهربائية ، والمرايا الكهربائية ، والتحكم في المقعد وغير ذلك الكثير.

هذه المقالة ، بناءً على الكتاب الإلكتروني من سلسلة “For dummies” التي نشرتها Qorvo [1]، سيقدم المفاهيم الأساسية التي يجب على كل مصمم أو صانع أو طالب إتقانها لمواجهة تطبيق التحكم في المحركات.

نحى مقابل محركات فرش

هناك أنواع مختلفة من المحركات في السوق ، والتي يجب على المصمم اختيارها بناءً على المتطلبات الفنية والاقتصادية للتطبيق المحدد. الفئات الرئيسية للمحركات هي التالية: نحى ، بدون فرش (مقسم بدوره إلى BLDC و PMSM) ، والحث ، والخطوة.

يوضح الشكل 1 الأنواع الأربعة للمحركات الكهربائية المذكورة أعلاه ، مع ملخص للمزايا والعيوب الرئيسية التي يوفرها كل منها.

بالنسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات ، نمت شعبية محركات BLDC و PMSM ، وهما نوعان من المحركات عديمة الفرشاة المرتبطان ارتباطًا وثيقًا. لا تتطلب هذه المحركات فرشًا أو مبدلًا ، مما يجعلها أكثر فاعلية من المحركات المصقولة وإطالة عمر المحرك بشكل كبير.

تخلق واجهة الفرشاة / المبدل في المحرك المصقول عملية تبديل ، وهي عملية تبديل تدفق التيار في المراحل لإنتاج مجال مغناطيسي دوار ، والذي يسبب الحركة. ينتج كل من الاحتكاك والانحناء عن طريق هذا التفاعل ، وكلاهما غير مرغوب فيه.

تستخدم محركات BLDC و PMSM مجالًا مغناطيسيًا دوارًا يتم إنشاؤه إلكترونيًا للتخلص من الفرشاة والمبدل. يتم تعديل الفولتية والتيارات المقدمة للمراحل باستخدام دوائر خارجية مصممة خصيصًا لإنجاز هذه المهمة.

على الرغم من كونها أكثر تعقيدًا ، فإن محركات BLDC و PMSM تقدم مزايا كبيرة على المحركات التقليدية المصقولة. تعد تقنيات التبديل الإلكترونية الخاصة بهم أكثر موثوقية وأصغر وأخف وزنا وأكثر هدوءًا من المحركات المصقولة التي تعمل بنفس السرعة ، مما يزيد من كفاءة الطاقة بنسبة 20٪ إلى 30٪.

أثناء وجودها في المحركات المصقولة ، توجد اللفات على الجزء المتحرك (الذي يدور) ، في المحركات الخالية من الفرشاة ، توجد على الجزء الثابت (وهو ثابت). الفرش ليست ضرورية بسبب كيفية ترتيب المغناطيس الدائم والملفات داخل المحرك الكهربائي. مطلوب وحدة تحكم إلكترونية للتحكم في التيار المتجه إلى ملفات الجزء الثابت لمحركات BLDC أو PMSM.

بالمقارنة مع المحركات الحثية AC ، تسمح محركات BLDC و PMSM بالتحكم الدقيق في السرعة ، وهي أكثر ملاءمة لتطبيقات السرعة المتغيرة ، وتتميز بسرعة فائقة مقابل خصائص عزم الدوران.

تحكم المحرك

نظرًا لأن كل من محركات BLDC و PMSM تستخدم التبديل الإلكتروني ، فإنها تتطلب دائرة مخصصة لتوفير التوقيت الدقيق لتنشيط الملف ، وبالتالي ضمان تنظيم دقيق للسرعة ، والتحكم في عزم الدوران ، وتحسين الكفاءة.

اليوم ، تم دمج هذه الدائرة (المعروفة أيضًا باسم وحدة التحكم في المحرك) في متحكم دقيق واحد عالي الأداء يقود وحدات MOSFET خارجية (داخلية في بعض الحالات) عالية الطاقة. تتمثل الفوائد الرئيسية للحل المتكامل في اثنين بشكل أساسي:

• إنه يبسط تصميم دائرة محرك المحرك ، وينقل التعقيد داخل الميكروكونترولر
• يقلل من عدد المكونات الخارجية (BOM) ، والتي بدورها تنطوي على تكاليف أقل.

أهم الوظائف التي يتم تنفيذها في وحدة التحكم في المحرك هي ما يلي:

• تنظيم سرعة المحرك أو عزم الدوران أو خرج الطاقة
• التحكم في مرحلة بدء التشغيل (البداية الناعمة)
• الحماية ضد أعطال الدائرة الكهربائية والأحمال الزائدة
• ملف تعريف التسارع والتباطؤ

أنواع محركات السيارات

يمكن اعتبار كل من محركات BLDC و PMSM محركات متزامنة. يؤدي التبديل المطبق على مراحل الجزء الثابت إلى إنشاء مجال مغناطيسي دوار ، بينما تحاول الأقطاب المغناطيسية على الدوار اللحاق بالركب للمزامنة. ينتج عن ذلك دوران المحرك ، والذي يستمر إذا تم تطبيق التبديل.

يتم تحفيز أو إنتاج القوة الدافعة الكهربائية (EMF) في موصل عندما يتم وضع موصل يحمل تيارًا في مجال مغناطيسي ، أو إذا قام الموصل بقطع المجال المغناطيسي. المسار المغلق هو المسار الذي يسمح للتيار بالتدفق خلاله. نظرًا لأن EMF المستحث في المحرك يعارض EMF للمولد ، فإن EMF المتولد في أي محرك بسبب الحركة يُعرف باسم back-EMF.

تختلف محركات BLDC و PMSM في هندسة لفات الجزء الثابت ، مما ينتج عنه استجابة مختلفة للقوة الدافعة الخلفية (BEMF).

بتعبير أدق ، تكون استجابة BLDC BEMF شبه منحرفة ، في حين أن PMSM لها شكل BEMF جيبي (انظر الشكل 2). هذا لأنه في PMSMs ، يتم لف الملفات بطريقة جيبية ، مما ينتج عنه توقيع BEMF جيبي (يشبه إلى حد بعيد ثلاثة موجات جيبية متباعدة 120 درجة).

نظرًا لاختلاف أشكال موجة BEMF ، يلزم وجود تحكم مختلف لكل نوع من أنواع المحركات هذه.

ضوابط شبه منحرف و FOC

لتحقيق الشكل الموجي الجيبي المطلوب للتحكم في محرك PMSM ، يتم استخدام خوارزمية FOC (التحكم الميداني). FOC هو تحكم في التردد المتغير للجزء الثابت في محرك ثلاثي الطور يستخدم مكونين متعامدين. أحدهما هو التدفق المغناطيسي الناتج عن الجزء الثابت ، بينما الآخر هو عزم الدوران كما هو محدد بواسطة سرعة المحرك التي تحددها موضع الدوار.

في التبديل الجيبي ، يتم تنشيط جميع الأسلاك الثلاثة باستمرار بتيار جيبي يبلغ 120 درجة في كل مرحلة. يؤدي هذا إلى إنشاء مجال مغناطيسي بين الشمال والجنوب يدور داخل القفص الحركي. للعمل بشكل صحيح ، تحتاج خوارزمية التركيز البؤري التلقائي إلى معرفة موضع المحرك وسرعته.

يعد التحكم في محرك BLDC أسهل وأقل تعقيدًا وأقل تكلفة من التحكم في محرك PMSM. ومع ذلك ، فإن الأخير يحقق ضوضاء أقل وتوافقيات أقل في شكل الموجة الحالي. عادة ، تعمل محركات BLDC بشكل أفضل باستخدام خوارزمية شبه منحرف من ست خطوات ، بينما تعمل محركات PMSM بشكل أفضل مع خوارزميات تبديل الموجة الجيبية.

محركات محسّسة وعديمة الإحساس

تستخدم محركات BLDC و PMSM المستشعرة مستشعرات القاعة (واحدة لكل مرحلة) مدمجة في الجزء الثابت للمحرك. يسمح ذلك لوحدة التحكم بمعرفة موضع الدوار ، وبالتالي تحديد القطاع الذي يجب تنشيطه ومتى.

المحركات المستشعرة أغلى ثمناً وتتطلب المزيد من الكابلات وتضيف تعقيدًا إلى الإنتاج. لهذه الأسباب ، أصبحت المحركات غير المستشعرة شائعة في العديد من التطبيقات. تتطلب المحركات غير المستشعرة خوارزميات لتعمل باستخدام المحرك كمستشعر وتعتمد على معلومات BEMF. في خوارزميات التبديل التقليدية ذات الست خطوات شبه المنحرفة التي تتحكم في محركات BLDC ، يتم تنشيط مرحلتين فقط في أي وقت. المرحلة الأخرى تطفو وتوفر نافذة على BEMF للمحرك. من خلال أخذ عينات من BEMF ، يمكن استنتاج موضع الدوار ، مما يلغي الحاجة إلى أجهزة الاستشعار القائمة على الأجهزة.

العيب الرئيسي للخوارزميات التي لا تحتوي على أجهزة استشعار هو أثناء بدء التشغيل ، عندما يكون BEMF (يتناسب طرديًا مع سرعة المحرك) صفرًا. بدون BEMF ، لا يمكن تحديد موضع الدوار. ومع ذلك ، فإن الخوارزميات الجديدة التي يتم فيها حقن إشارات عالية التردد في المراحل الثلاث لاستنتاج موضع الدوار ، يمكنها التغلب على هذه المشكلة.

تحكم المحرك

تحتوي وحدة التحكم في المحرك المدمجة اليوم ، مثل System-on-Chip (SoC) الموضحة في الشكل 3 ، في شريحة واحدة على جميع الأجزاء التناظرية والرقمية المطلوبة للتحكم في تشغيل محرك كهربائي.

كما هو مبين في الشكل 3 ، يحتوي قلب المتحكم الدقيق على واجهة أمامية تناظرية ، ومحركات طاقة ، وإدارة طاقة ، ومولدات معدلة لعرض النبض (PWM) ، والحصول على بيانات مدفوعة بالتسلسل. يتعامل مدير الطاقة أيضًا مع وظائف النظام بما في ذلك إنشاء المراجع الداخلية ، وأجهزة ضبط الوقت ، وإدارة وضع السبات ، ومراقبة الطاقة ودرجة الحرارة.

يوفر دمج كل هذه الكتل في جهاز واحد ، بدلاً من استخدام المكونات المنفصلة ، حلاً مضغوطًا وقابلًا للتكوين البرمجي لجميع التطبيقات ، مما يبسط التصميم ويقلل من التكاليف والوقت اللازم للتسويق.

مراجع

[1] “أساسيات التحكم في المحركات للدمى ، إصدار خاص من Qorvo” بقلم ديفيد شناوفر وديفيد بريجز ومارك سوزا وخوسيه كوينونيس