تعلم صناعة مكائن الـcnc / الجزء الثاني / التحكم بالمحركات الخطوية

السلام عليكم و رحمة الله و بركاته
إخوتي الأحبة أهنئكم بعيد الفطر المبارك و كل عام و أنتم بخير
باسمه تعالى نبدأ الجزء الثاني من دورة تعليم صناعة مكائن الـ CNC من الألف إلى الياء بعد أن أتممنا بحمد الله الجزء الأول الذي شرحنا فيه أنواع المحركات الخطوية و الآن حان الوقت للتعرف على كيفية التحكم بها ، و سنتعرف في هذا الجزء على أساسيات دوائر التحكم بالمحركات الخطوية .
إن الغرض الوحيد من دوائر التحكم بالمحركات الخطوية هو إمرار و قطع التيار في ملفات المحركات الخطوية و التحكم باتجاه دورانها .
و الدوائر التي سنتعرض لها تحتاج إلى مدخلات و لها مخرجات ، فأما المدخلات فتأتي من جهاز رقمي (و هو في دورتنا الحاسوب الشخصي) و الذي يعطي الإيعاز لدائرة القيادة بإمرار أو قطع التيار عن الملف و يخبرها باتجاه الدوران . و يمكن أن نظيف إلى مدخلات الدائرة مصدر تغذية القدرة للدائرة . و أما المخرجات فهي التيار الذي يمر عبر ملفات المحرك و يؤدي إلى دورانه .
و الآن سنبدأ بتفصيل الدوائر الأساسية للقيادة لكل نوع من المحركات ، أرجو من الجميع وضع ملاحظاتهم و استفساراتهم و تعليقاتهم في هذه الصفحة
http://www.arab-eng.org/vb/t66221.html
لكي تكون هذه الصفحة مخصصة فقط للشرح و ليست للردود

التحكم بالمحرك الخطوي ذي الممانعة المتغيرة
الشكل التالي يوضح الدائرة الأساسية لقيادة محرك ذي ممانعة متغيرة :

المربعات في هذا الشكل تمثل مفاتيح وظيفة كل منها إغلاق أو فتح الدائرة و بالتالي إمرار أو قطع التيار عن الملف المرتبط به ، و يستلم كل من هذه المفاتيح إيعاز الفتح أو الإغلاق من جهاز تحكم رقمي خارجي (حاسوب شخصي في حالتنا) عن طريق إشارات التحكم (control signals) الواضحة في الشكل أعلاه .
تبدي الملفات في المحركات بطبيعة الحال ممانعة حثية (محارضة) و بالتالي لا يمكن إمرار أو قطع التيار عنها لحظياً ، فعندما يغلق المفتاح و يمر التيار فلن يمر مباشرة بالقيمة المطلوبة و إنما سيرتفع شيئاً فشيئاً حتى يصل إليها بسب المحارضة ، و لنفس السبب أيضاً عندما يفتح المفتاح تتكون نبضة شوكية ممكن أن تحدث ضرراً للمحرك ما لم تعامل بشكل صحيح .
و هناك طريقتان للتخلص من ضرر هذه النبضة الشوكية ، فإما أن نربط دايود على التوازي مع الملف أو أن نربط متسعة على التوازي مع الملف ، و الشكل التالي يوضح الطريقتين :

ففي طريقة الديود يجب أن يتحمل الديود التيار المار خلال الملف فعندما يفتح مفتاح الدائرة و يقطع التيار سيمر تيار دائري و يتخامد مع الزمن ، و هذا الشكل لن يضهر تغير كبير عند الإغلاق و تخمد النبضة الشوكية . و هذه الطريقة بسيطة جداً إلا أن العائق في استخدامها هو بقاء التيار زمناً طويلاً نسبياً حتى يخمد ، فإذا استخدمنا مثلاً دايود بطيء من عائلة 1N400X مع مفتاح سريع للدائرة فيجب إضافة متسعة صغيرة على التوازي مع الدايود .
أما طريقة المتسعة فهي أكثر تعقيداً من طريقة الدايود . و مبدأ عملها هو كالتالي :
عندما يغلق المفتاح ستفرغ المتسعة شحنتها إلى الأرضي عبر مفتاح الدائرة ، لذلك يجب أن يكون المفتاح قادراً على تحمل هذا النبضة الشوكية للتيار ، و يمكن ربط مقاومة على التوالي مع المتسعة أو على التوالي مع المصدر لتقليل تأثير هذا التيار .
و عندما يفتح المفتاح سيقوم الملف بتفريغ الفولتية المحتثة فيه إلى المتسعة فتشحن المتسعة بفولتية أكبر من فولتية المصدر ، و يجب أن يتحمل المفتاح هذه الفولتية .
و لحساب قيمة سعة المتسعة لدينا معادلتان للطاقة المخزونة في دائرة الرنين هما :

التحكم بالمحرك الخطوي أحادي القطبية
تكون الدائرة الأساسية للتحكم بالمحركات الخطوية أحادية القطبية كما في الشكل أدناه :

و كما ذكرنا في المثال السابق فإن المربعات الظاهرة في الدائرة تمثل مفاتيح و إشارات التحكم الداخلة إليها تأتي من حاسوب شخصي (PC) عن طريق منفذ الطابعة .
و كما في دائرة قيادة المحرك ذي الممانعة المتغيرة يجب أن نتعامل هنا أيضاً مع النبضة الشوكية المحتثة في الملفات التي تظهر عند قطع التيار عنها . و يتم إخماد هذه النبضة الشوكية باستخدام دايودات أو متسعة .
ففي طريقة الدايودات سنستخدم أربعة دايودات كما في الشكل التالي :

فالدايودات التي في الأعلى في الشكل تقوم بنفس الوظيفة التي شرحناها في دائرة قيادة المحرك ذي الممانعة المتغيرة (كأننا نتعامل مع ملفين و بالتالي نحتاج اثنين من الدايودات) ، أما الدايودات التي في الأسفل فهي موجودة لأن النبضة الشوكية المحتثة في هذه الحالة تمتلك مساراً آخر و هو المفتاح الموجود في الجهة الأخرى ، فعند فتح أحد المفاتيح فإن المفتاح الآخر سيمثل مساراً محتملاً للفولتية المحتثة ، و لذلك و ضعنا اثنين من الدايودات على التوازي مع المفتاحين لحمايتهما .
أما طريقة المتسعة فيوضحها الشكل التالي :

و طريقة حساب قيمة سعة المتسعة هنا هي نفس طريقة حسابها في دلئرة قيادة المحرك ذي الممانعة المتغيرة ، لكن تأثير الرنين مختلف تماماً هنا و أكثر تعقيداً و لذلك سأشتري راحة بالي كما يقولون و لن أخوض فيه فلسنا بحاجة لذلك الآن .

هذا ابداع كبير مشكور والله مشكور*****************************************

دوائر عملية لقيادة المحركات ذات الممانعة المتغيرة و المحركات أحادية القطبية
في الدوائر المشروحة أعلاه لم ندخل في التفاصيل المتعلقة بمفاتيح الفتح و الإغلاق الممثلة في الرسوم بمربعات ، لأنها ممكن أن تكون أية آلية للفتح و الإغلاق و سنستعمل في دوائرنا القادمة ترانزستورات كمفاتيح للتحكم ، و الشكل التالي يين نوعين من الترانزستورات مستخدمين كمفتاحين للقيادة مع الملفين المرتبطين بهما و دايودات الحماية :

تجدر الإشارة إلى أن كلاً من المفتاحين أعلاه متلائم مع الأشارات الرقمية نوع TTL ، و أن هاذين المفتاحين يستخدمان أيضاً لقيادة محركات تيار مستمر .
البفر الواضح في الشكل كمثلث برقم 7404 هو IC يعمل كحاجز حماية يفصل دائرة القيادة عن الحاسبة ليمنع تضرر الدوائر المنطقية الحساسة داخل الحاسوب و التي تستخدم فيها فولتيات واطئة مقارنة بفولتيات دائرة القيادة إذ أنه يسمح بمرور التيار باتجاه واحد فقط و بذلك يحمي الدوائر المنطقية في الحاسبة من رجوع التيار باتجاهها .
الترانزستور SK3180 المبين في الرسم هو ترازستور قدرة نوع دارلنكتون يمتلك عامل تكبير للتيار مقداره 1000 ، و لذلك فإن مرور 10 ملي أمبير خلال المقاومة ذات الـ 470 أوم تكفي الترانزستور لإمرار تيار من بضعة أمبيرات خلال ملف المحرك .
الترانزستور IRC IRL540 في الدائرة الأخرى هو ترانزستور قدرة نوع FET يمكنه أن يتحمل تياراً يصل إلى 20 أمبير و فولتية 100 فولت ، و لذلك يمكنه إخماد النبضات الشوكية بدون استخدام دايود حماية إذا وفرنا له مشتت حرارة كبير (heat sink) . و لهذا الترانزستور وقت تحويل (فتح أو إغلاق) سريع جداً و لذلك يجب أن يكون دايود الحماية أيضاً سريع نسبياً أو ممكن ربط متسعة معه على التوازي للتغلب على هذه المشكلة . و في حالة فشل الترانزستور و مرور تيار عكسي خلاله فإن دايود الزينر و المقاومة ذات الـ 100 أوم سيحميان الدوائر المنطقية للحاسوب . و تعمل المقاومة ذات الـ 100 اوم أيضاً على إبطاء زمن التحويل للترانزستور بعض الشيء .

للتطبيقات التي يسحب فيها كل ملف من ملفات المحرك 500 ملي أمبير تستخدم عائلة ULN200x من الترانزستورات نوع دارلنكتون ، و هي متوفرة أيضاً باسم DS200x أو MC1413 ، حيث يمكن لهذه الترانزستورات أكثر من ملف للمحرك مباشرة من مدخلات دائرة رقمية . و الشكل التالي يبين مخطط شريحة ULN2003 المتوفرة بكثرة و هي عبارة عن 7 ترانزستورات دارلنكتون بمدخلات تلائم الإِشارات الرقمية نوع TTL :

في كل الترانزستورات (نوع NPN دارلنكتون) يرتبط الباعث بالرجل (pin) رقم 8 التي تربط بالأرضي (ground) . و كل ترانزستور محمي بدايودين ، الأول يربط الباعث بالجامع لمنع سريان فولتية معاكسة عبر الترانزستور ، و الثاني يربط الجامع من كل ترانزستور بالرجل رقم 9 و التي تربط بمصدر القدرة و هو بذلك يحمي الترانزستور من النبضات الشوكية المحتثة .

الدائرة المتكاملة ULN2803 تشبه تماماً الـ ULN2003 إلا أنها تمتلك 18 رجل أي 8 ترانزستورات بدل 7 ، و بذلك يمكن لشريحة واحد أن تقود محركين أحاديي القطبية أو محركين ذوا ممانعة متغيرة .

تستخدم دائرة القيادة UDN2547B للمحركات التي تتطلب 600 ملي أمبير لكل ملف حيث يمكنه قيادة أربعة ملفات لمحرك أحادي القطبية . كما تستخدم دوائر القيادة SN7541, 7542, 7543 للمحركات التي تتطلب 300 ملي أمبير لكل ملف .

التحكم بالمحرك الخطوي ثنائي القطبية
الأمور أكثر تعقيداً بالنسبة للتحكم بالمحرك ثنائي القطبية لأنه لا يمتلك نقاط منتصف في ملفاته ، و لذلك إذا أردنا عكس قطبية المجال المغناطيسي لأحد الملفات فيجب أن نعكس اتجاه التيار المار فيه . و تستخدم لهذا الغرض دائرة تحكم تسمى بالدائرة الجسرية (H-bridge) و هي موضحة في الشكل التالي :

و كما في دوائر قيادة المحرك أحادي القطبية لإغن الديودات الموجودة في هذه الدائرة هي لحماية الترانزستورات من النبضات الشوكية عند قطع التيار عن الملف .
و تجدر الإشارة إلى أن الدوائر الجسرية من هذا النوع تستخدم في عدة تطبيقات و منها قيادة محركات التيار المستمر و غيرها من التطبيقات .
باستعمال هذه المفاتيح الأربعة توفر هذه الدائرة 16 وضع للتشغيل ، ما يهمنا منها هي 4 أوضاع و هي :
1- الوضع الأمامي (المفتاحان A و D مغلقان)
2- الوضع العكسي (المفتاحان B و C مغلقان)
و هذان الوضعان يسمحان بمرور التيار من المصدر خلال الملف و إلى الأرضي و لكن كل من الوضعين يمرر التيار باتجاه عكس الآخر ، و الشكل التالي يبين دائرة القيادة الجسرية في الوضع الأمامي :


2- وضع التلاشي السريع أو الإنزلاق السريع (كل المفاتيح مفتوحة)
في هذا الوضع أي تيار يحاول المرور خلال الملف سيواجه فولتية المصدر مع فولتية اثنين من الدايودات محيزين عكسياً و لذلك سيتلاشى التيار بسرعة ، و عندها لن يبقى للملف أي عزم لفرملة الدوار مما يسبب انزلاق الدموار بحرية تامة دون أي فرملة إذا كانت كل كلفات المحرك في هذا الوضع . و الشكل التالي يوضح مرور تيار مباشرة بعد التحويل من الوضع الأمامي إلى وضع التلاشي السريع :


3- أوضاع التلاشي البطيء أو أوضاع الالفرملة البطيئة
في هذه الأوضاع يدور التيار خلال الملف بأقل مقاومة ، و لذلك سيتلاشى ببطء ، و إذا كان الدوار يدور فإنه سيولد فولتية محتثة ستعمل على فرملة الدوار . الشكل التالي يبين أحد الأوضاع العديدة للتلاشي البطيء ، فبإغلاق المفتاح D سيدور التيار كما هو موضح إذا كان الملف في الوضع الأمامي قبل ذلك ، و يمكن أن يكون المفتاح B مغلقاّ أو مفتوحاً في هذا الوضع .


معظم الدوائر الجسرية مصممة بحيث توجد دائرة منطقية تمنع حدوث (short circuit) ، و الشكل التالي يوضح هذا التصميم :

و هذا الجدول يبين الإحتمالات الممكنة لتشغيل هذه الدائرة :

عفواً حصل خطأ في الصورة و هذا هو الجدول :

و الفائدة من هذا النظام الأخير هي أنه يوفر كل الأوضاع التي نحتاجها لقيادة المحرك و هي مشفرة بأقل عدد من البتات (Bits) ، و هذا الأمر مهم جداً عندما نستعمل مايكروكونترولر أو حاسوباً للتحكم بالدائرة الجسرية لأن أغلب هذه الأنظمة تمتلك عدداً محدوداً من بتات الخرج للتحكم بالدائرة .

ماشاء الله أخي
أسأالمولى تبارك وتعالى أن يبارك لك فى علم
تم التثبيت

جزاك الله خيراً أخي محمد بن إسماعيل على التثبيت ، أسأل الله أن يجعل ذلك في ميزان حسناتك .