logo

logo

logo

logo

logo

الآلية المؤازرة

اليه موازره

Servomechanism - Servomécanisme

الآلية المؤازرة

إبراهيم شعيب

مبدأ عمل الآلية المؤازرة وأجزاؤها الأساسية

المحركات المؤازرة

أجهزة القياس (الحساسات)

خوارزميات التحكم وآليات التعويض المؤازرة

 

الآلية المؤازرة servomechanism نوع من منظومات التحكم في الحركة، تعمل بالحلقة المغلقة باستخدام التغذية الراجعة feedback لإشارة الخطأ. والهدف من التغذية الراجعة هو معرفة الوضع الآني لآلية المؤازرة. ويستخدم الفرق بين التغذية الراجعة وإشارة التحكم المطلوبة – الذي يسمى إشارة الخطأ – في تصحيح إشارة التحكم. ولا تسمى المنظومة التي ليس فيها إشارة تغذية راجعة آلية مؤازرة.

تهدف الآلية المؤازرة إلى تحقيق هدف أو أكثر من الأهداف التالية:

1 - التحكم الدقيق في الحركة (التحكم الأتماتي).

2 - المحافظة على دقة التحكم في الحركة مع تغير الحمل الميكانيكي، أو تغير الشروط المحيطية، أو تغير التغذية الكهربائية، أو تقادم العناصر المستخدمة وسوء أدائها، وهو ما يسمى الضبط regulation أو المعايرة الذاتية self calibration.

3 - استخدام إشارة تحكم ضعيفة للتحكم في جهد وتيار كبيرين عن طريق تضخيم الاستطاعة.

4 - التحكم من بعد.

يمكن تحقيق العديد من هذه الأهداف في منظومات من غير تغذية راجعة؛ عندما تكون العناصر جديدة ومعايرة بدقة ولكنها لا تعد آليات مؤازرة. وتختص الآلية المؤازرة بوجود التغذية الراجعة أو الحلقة المغلقة التي تسمح بتحقيق المردود المناسب عند استخدام عناصر أولية ليست دقيقة تماماً، وهذا ما يحقق الجدوى الاقتصادية؛ إذ تتيح الآلية المؤازرة الاستغناء عن استخدام الكثير من العناصر الدقيقة.

استُخدمت الآليات المؤازرة في أول الأمر للتحكم في سرعة المحركات والتوجيه المؤتمت للسفن والطائرات والتحكم في المدافع. أما اليوم فيستفاد من الآليات المؤازرة في كل مجالات الصناعة؛ مثل مكنات قص صفائح الحديد وصناعة الورق والطباعة بسرعات عالية، وفي المصاعد وفي صناعة السيارات ومحركات الطائرات والهوائيات وغيرها من التطبيقات.

- مبدأ عمل الآلية المؤازرة وأجزاؤها الأساسية

يمكن تلخيص مبدأ عمل آلية مؤازرة بمتحول وحيد وأجزائها الرئيسية بالمخطط الصندوقي المبين في الشكل (1).

 الشكل (1): عناصر آلية المؤازرة وتوصيلاتها

إن العلاقة بين أجزاء آلية المؤازرة وتوصيلاتها، كما هو مبين في الشكل، هي علاقة وحيدة الاتجاه (بحسب الأسهم)، كما أنها علاقة سبب ونتيجة بمتحول وحيد، غير أنه يمكن لآلية المؤازرة أن تحوي عدة متحولات، وعندئذ توجد لها أكثر من حلقة (منظومة متعددة المتحولات)، كما يمكن أن تحوي منظومات التحكم عدة آليات مؤازرة.

إن الهدف من آلية المؤازرة الممثلة بالشكل (1) هو التحكم في المتحول c الذي يمثل الخرج؛ باستخدام إشارة التغذية الراجعة b لتصبح مساوية للإشارة المرجعية r. وتنتج إشارة الخطأ (الانحراف) e=r-b التي تعبر عن الفرق بين الإشارتين r وb، ويجري تضخيم الإشارة e إلى درجة مناسبة لتوليد إشارة تشغيل المحرك لتصبح إشارة الخرج c، وبذلك تغدو الإشارة b مطابقة للإشارة المرجعية r.

عندما يكون ربح المضخم كبيراً تكون إشارة تصحيح الخطأ e صغيرة جداً. ويمكن تنفيذ عملية مناسبة عندما تتحقق الشروط التالية:

1 - استطاعة كافية للمحرك لكي يتمكن من التغلب على الحمل ويحقق التصحيحات المطلوبة.

2 - دقة آلية القياس وتوصيلاتها بشكل مناسب.

3 - وجود آلية دقيقة لجمع الإشارات.

4 - تحقيق ربح مضخم كبير بدرجة كافية.

لدى تحقيق هذه الشروط يمكن التوصل إلى دقة عمل عالية مع استخدام محركات كبيرة الاستطاعة ومضخمات استطاعة مناسبة، وتبقى الدقة مطلوبة من أجهزة القياس (الحساسات) وآلية جمع الإشارات. تستطيع آلية المؤازرة التغلب على انخفاض دقة المحرك وجزء من تضخيم الاستطاعة والحمل المطبَّق. وللحصول على نظام تحكم عالي الدقة لا بد من وجود حساسات دقيقة، فلا يمكن لآلية المؤازرة أن تحقق دقة أعلى من دقة الحساسات المستخدمة فيها التي تقيس إشارات الدخل والخرج للآلية المطلوبة.

إن استخدام معامل تضخيم كبير في آليات المؤازرة يعني زيادة التصحيح زيادةً كبيرة، وهذا يؤدي إلى تخامد سيئ، ويمكن أن يؤدي إلى فقدان استقرار المنظومة، لذلك يقوم الجزء المصحِّح من آلية المؤازرة بتخفيض عدم الاستقرار أو إزالته، ويوفر استجابة دقيقة وسريعة وسلسة. يسمى المصحح وآلية الجمع في الآلية المؤازرة بالمتحكم controller.

يمكن تصنيف الآليات المؤازرة في أنواع منها:

1 - آليات مؤازرة للتحكم في الموضع أو السرعة، وذلك بحسب المتحول الذي يجري التحكم فيه.

2 - آليات مؤازرة كهربائية أو هدروليكية أو هوائية أو هجينة، وذلك بحسب الطاقة المستخدمة للتحريك والقياس والتحكم.

3 - آليات مؤازرة تمثيلية analog أو نبضية pulse أو رقمية digital أو مختلطة، وذلك بحسب طريقة القياس والتحكم ومعالجة الإشارة، وبحسب طريقة تنفيذ توابع التحكم.

4 - آليات مؤازرة تناسبية proportional أو آليات تشغيل/إيقاف on/off ، وذلك بحسب عدد المستويات في إشارات التحكم في المحرك.

5 - آليات مؤازرة في محركات خطية أو دورانية بحسب حركة خرج الآلية.

6 - آليات مؤازرة بإدارة مباشرة direct drive أو باستخدام علبة سرعة، وذلك بحسب طريقة الوصل بين المحرك والحمل المطلوب تحريكه.

7 - آليات مؤازرة بتيار مستمر DC أو تيار متناوب AC أو بتيار معدل النبضات pulse modulated أو مختلط، وذلك بحسب شكل الإشارات الكهربائية المستخدمة.

8 - آليات مؤازرة بالقيمة المطلقة absolute value أو بالحركة المتزايدة incremental value، وذلك بحسب إشارة الدخل والتغذية الراجعة إذا كانت تشتمل على معلومة عن إشارة الصفر.

9 - آليات مؤازرة بأجهزة طاقة عالية power devices أو أجهزة طاقة منخفضة instrument devices.

- آليات مؤازرة للتحكم في الموضع positional servomechanism:

في هذه الحالة يولد حساس التغذية الراجعة إشارة تمثل قياس موضع محور الخرج. ومثال هذه الآلية يضم محرك تيار مستمر ومقاومة متغيرة potentiometer تتحسس التغذية الراجعة. تتناسب هذه المقاومة مع موضع المحور المقاس وتتولد إشارة الدخل من مقاومة متغيرة مطابقة للمقاومة المتغيرة المستخدمة لقياس الخرج، ويجري بها تحديد الموضع المطلوب وصول المحور إليه (الشكل 2). يولِّد أيُّ تغيير في إشارة التحكم في الدخل تغييراً بالإشارة المرجعية r، ويؤدي إلى الانحراف e، ومن ثم يُطبَّق جهد على المحرك ليقوم بوضع الحمل بالوضع المطلوب حتى ينعدم الانحراف عن الموضع. تسمى هذه الآلية «مكرر موضع الذراع» shaft position repeater؛ لأن الموضع الذي جرى تحديده بالدخل يمكن الحصول عليه بالخرج عند التوازن.

الشكل (2): آلية مؤازرة بالموضع مع محرك تيار مستمر

- آليات مؤازرة للتحكم في السرعة velocity servomechanism

يولد حساس التغذية الراجعة إشارة تمثل قياس سرعة دوران ذراع الخرج في الآلية. يمثل الشكل (3) آلية تستخدم محركاً ومولد تيار مستمر يحسس التغذية الراجعة. يجري التحكم في سرعة الدوران باستخدام جهد مرجعي r. ويؤدي حدوث اضطراب عابر كتغير الحمل إلى تغير السرعة تغيراً عابراً تعود بعدها إلى القيمة المطلوبة. وفي المثال المعروض في الشكل (3) لا توجد آلية لقياس الموضع، ولذلك فإن عودة الذراع إلى السرعة المطلوبة لا تؤدي بالضرورة إلى عودته إلى الموضع السابق. ومن ثم تُستخدم منظومات تحكم رقمية أكثر تعقيداً يمكنها التحكم في الموضع والسرعة معا،ً وذلك بطريقة قفل الطور phase- lock.

الشكل (3): آلية مؤازرة للسرعة تستخدم محرك تيار مستمر ومولد تيار مستمر للقياس

يمثل الشكل (4) آلية مؤازرة مقفلة بالطور تستخدم مرمزاً أو حساسَ سرعة زاوية نبضياً يتحسس للتغذية الراجعة؛ حيث تتكون إشارات التحكم والتغذية العكسية من أمواج مربعة أو جيبية بتردد متغير. تسمى آلية المؤازرة بأنها مقفلة بالطور عندما تتطابق الترددات والأطوار بين الإشارتين. ومادامت آلية المؤازرة مقفلة بالطور، فإن سرعةَ المحرك تلاحق تردد التحكم المطلوب مستقلة عن تغير متحولات العناصر المؤلفة للآلية. وهكذا تتمكن الآلية من التحكم في الموضع والسرعة معاً، وعند حصول أي اضطراب يعود المحرك فورا إلى الموضع والسرعة المطلوبين.

الشكل (4): آلية مؤازرة مقفلة بالطور

- آليات المؤازرة الرقمية

يتميز التحكم الرقمي بمزايا عديدة مقارنة بالتحكم التمثيلي. تمتلك آلية المؤازرة الرقمية للتحكم في الموضع (الشكل 5) محولاً رقمياً إلى تمثيلي، ومحولاً تمثيلياً إلى رقمي؛ للمواءمة بين الإشارات الرقمية التي يصدرها المعالج الرقمي والإشارات التمثيلية التي يصدرها المحرك ومقاومة التغذية الراجعة.

الشكل (5): آلية مؤازرة رقمية

- آليات المؤازرة الخطوية:

تستخدم آلية المؤازرة الخطوية نوعاً خاصاً من المحركات هو المحرك الخطوي step motor. يدور هذا المحرك بخطوات متقطعة على شكل نبضات تغذية، ويدور بزاوية محددة لدى تلقيه كل نبضة تغذية. يتألف من محرك تيار متناوب متزامن مع بنية خاصة توفر الحركة الخطوية المطلوبة.

تُستخدم المحركات الخطوية لدقتها العالية في منظومات لا تدخل في تصنيف الآليات المؤازرة (أي الحلقة المفتوحة) ما عدا مؤشر الموضع الصفري أو نقطة البداية. يبدأ المحرك الخطوي من المؤشر بزاوية محددة لكل نبضة، وعند حصول خطأ نتيجة ضياع نبضة أو بسبب نبضة مشوهة يجري التصحيح بعودة المحرك إلى موضع الصفر.

وتُستخدم آلية المؤازرة بمحرك خطوي- أي بالحلقة المغلقة- عندما تكون الأخطاء الناتجة من ضياع نبضات أو تشوه نبضات غير مقبولة. وتفيد التغذية الراجعة للتحكم في المحرك الخطوي بسرعات أكبر، وتسمح باستعادة التحكم في الموضع فورياً بعد انتهاء النبضة. يمكن استخدام عنصر تمثيلي حساس للتغذية الراجعة مثل المقاومة المتغيرة أو حساس دوران مولد تيار مستمر، أو من الممكن أن يكون مرمزاً ضوئياً. وتسمى آلية المؤازرة الخطوية مع مرمز إشارة التغذية الراجعة «آلية مؤازرة رقمية شاملة» all digital servo، مع أن المحرك الخطوي والمرمز جهازان تمثيليان نبضيان وليسا من الأجهزة الرقمية. غير أن الأجهزة النبضية تتمتع بميزة سهولة مواءمتها مع المتحكمات الرقمية مقارنة بالإشارات التمثيلية التي يتناسب مطال جهدها مع المقدار المطلوب.

- آليات المؤازرة بالتيار المتناوب

تحتاج بعض المنظومات إلى استخدام حساسات سعوية capacitive أو تحريضية inductive كالحساسات الزاوية من نوع محولات تزامنية synchros ومحولات تفاضلية differential transformers التي تحتاج إلى التحريض بجهد متناوب، وفيها تتحول حركة الدخل الميكانيكية إلى جهد خرج محمول على إشارات متناوبة. وتستخدم هذه المنظومات للتحكم في الوضع الزاوي في مجال 360 درجة؛ كالتحكم في سمت هوائي مثلاً يستخدم محولاً تزامنياً كحساس زاوية ومحرك تيار مستمر؛ إذ تستخدم هذه الآلية دارة كشف تزامني لتحويل إشارة الحساس التناوبية إلى جهد مستمر. ويمكن كذلك استخدام دارات رقمية هجينة synchro to digital or resolver to digital للمواءمة مع المعالجات الصغرية microprocessors أو المتحكمات الصغرية microcontrollers.

- آليات المؤازرة الهدروليكية والهوائية

تتميز آليات المؤازرة الهدروليكية والهوائية بمزايا عديدة مقارنة بآليات المؤازرة الكهربائية. والميزة الأساسية هي إمكانية توليد قوة كبيرة بسرعة كبيرة، في حين تولد المحركات الكهربائية عند وضعها بوضع ساكن طاقة ضائعة مع ارتفاع درجة حرارة، وهذا ما يؤدي إلى تخفيف القوة المتوفرة. وهذه الميزة مهمة جداً لآليات التحكم في الموضع، حيث يكون الثبات هو القاعدة، ومن ناحية أخرى تتميز المحركات الهدروليكية بوزن أقل مع استطاعة خرج أكبر وزمن استجابة قصير.

ثمة نوعان لمنظومات المفعِّلات الهدروليكية hydraulic actuators فهي إما أن تكون متحكمة في الصمامات valve-controlled، وإما متحكمة في المضخة pump-controlled.

تتألف منظومة التحكم الهدروليكي في الصمام من صمام مؤازر servo-valve يتحكم في الجريان من مضخة تضخ السائل الهدروليكي ضخاً ثابتاً إلى المحرك.

أما منظومة التحكم الهدروليكي في المضخة فتستخدم مضخة توفر تدفقاً متغيراً للسائل الهدروليكي اللازم للمحرك.

يتميز التحكم الهدروليكي في الصمامات بأنه أسرع استجابة ولكن مردوده أقل، لأن الصمامات المؤازرة تنتج ضياعات كبيرة، في حين يعد التحكم في المضخات أبطأ استجابة ولكن استهلاكه للطاقة أقل، وهو المفضل عند الحاجة إلى مستويات عالية من الطاقة، أي عندما يكون الحمل المطلوب تحريكه كبيراً جداً.

يظهر الشكل (6) آلية مؤازرة هدروليكية باستخدام الصمامات (آلية مؤازرة هدروميكانيكية)، حيث تقوم حركة الدخل xi بفتح بوابات صمام المؤازرة وإغلاقها، في حين يقوم الجزء العلوي من هذه الآلية بالتحكم في الضغط المطبق على طرفي المكبس piston الواقع في الجزء الأسفل.

الشكل (6): آلية مؤازرة هدروليكية باستخدام الصمامات

تشكل حركة المكبس التغذية الراجعة xp وتطرح من الحركة المطلوبة ليصل الصمام المؤازر إلى الوضعية الصفرية. وتوفر مضخة هدروليكية السائل الهدروليكي المضغوط.

يمثل الشكل (7) آلية مؤازرة كهرهدروليكية. تُستخدم مقاومة متغيرة لتوليد إشارة الدخل؛ وجهد مقاومة متغيرة ثانية كإشارة تغذية راجعة، ويجري توليد إشارة الخطأ من فرق الإشارتين، ثم تُضخم إشارة الخطأ الكهربائية وتُطبق على ملفات مغنطيس كهربائي لتوليد قوة تحدد موضع بكرة الصمام valve spool.

الشكل (7): آلية مؤازرة كهرهدروليكية

حيث r: حركة الدخل وهي تشكل إشارة التحكم،: E1 جهد تحريض المقاومة المتغيرة للدخل، E0: جهد تحريض المقاومة المتغيرة للتغذية الراجعة، c: حركة الخرج وهو المتحول الذي يتم التحكم فيه.

يمثل الشكل (8) آلية مؤازرة بضغط الهواء pneumatic servo تسمى صمام تحديد الموضع valve positioner. حيث يُستخدم هذا الصمام عنصراً أساسياً في منظومات التحكم في العمل process control systems. تعبِّر إشارة الدخل عن تغيير ضغط الهواء المتحكم بالعملية، ويجري تحويلها إلى حركة للوصلة بضغط الهواء الموجود في الأسفل، وتضبط فتحة الصمام القائد pilot valve الذي يتحكم في الضغط المطبق على غشاء diaphragm يستند إلى نابض صمام العمل أو الصمام المحرك. يقوم الصمام بتحويل هذا الضغط إلى حركة لساق الصمام ويضبط جريان السائل عبر جسم الصمام الرئيسي. يستفاد من حركة ساق الصمام كتغذية راجعة بوساطة العتلة lever، وتطرح من حركة الدخل حتى تُغلق فتحة الصمام القائد.

الشكل (8): آلية مؤازرة هوائية

يهدف الصمام الهوائي الممثل في الشكل (8) إلى تحسين المواصفات العملية للصمامات المستخدمة في التحكم في العمليات الصناعية. ويجب أن تحقق هذه الصمامات كتامة جيدة بين الساق والجسم لعزل سائل العمل عن هواء الصمام، ولكن هذه الكتامة تؤدي إلى توليد قوة احتكاك كبيرة تتسبب في تأخير عمل الصمام في المنطقة البدائية في الاتجاهين، وهذا ما يؤدي إلى صعوبة التحكم في أداء المنظومة، غير أن وجود التغذية الراجعة يقوم بتخفيف هذا الأثر ويحسن من سلاسة التحكم.

الشكل (9): قرص مرمز بأربع خانات بالترميز الاثنيني

تعتمد المواصفات الديناميكية للصمامات الهوائية والهدروليكية على التفاعل بين الحمل والمحرك. وكذلك لا يمكن إهمال درجة انضغاط السائل المستخدم في المنظومات الهدروليكية ولاسيما المكنات الكبيرة. وتُختار السوائل الهدروليكية بحيث يكون لها معامل انضغاط منخفض، وتكون معزولة تماماً فلا يدخلها الهواء، في حين تشكل درجة الانضغاط في المنظومات الهوائية عاملاً مهماً لتحديد ديناميكيتها.

يشار هنا إلى محدودية تطبيقات المنظومات الهدروليكية الكاملة والهوائية الكاملة كما في المثالين السابقين. في حين تعد المنظومات المختلطة الكهربائية والهدروليكية أكثر استخداماً في تطبيقات منظومات المؤازرة التي تتطلب سرعة كبيرة ودقة عالية واستطاعة كبيرة. وفي هذه الحالات يُستخدم محرك كهربائي لتحريك بكرة الصمام المؤازر أو عتلة مضخة الجريان الأساسي. وبذلك تكون أجزاء الطاقة الكبيرة هدروليكية أو هوائية في حين أن أجزاء الطاقة المنخفضة كهربائية.

- المحركات المؤازرة:

يُعد المحرك المؤازر Servomotor ضمن آلية المؤازرة عنصرَ التحكم الأخير أو العضلة المحركة، لذلك يجب أن يكون كبيراً إلى درجة كافية لتحريك الحمل في المجال المطلوب من السرعات والتسارعات. ويمكن أن يكون الحمل عطالياً أو احتكاكياً أو عزماً خارجياً أو تركيبة مختلطة منها. والمحرك هو الجزء الأوسط من ثلاثة أجزاء لمنظومة الطاقة في الآليات المؤازرة التي تتألف من الأجزاء التالية:

1 - مضخم الاستطاعة الذي يقوم برفع مستوى الطاقة من إشارة خرج المتحكم إلى المستوى المطلوب للمحرك.

2 - المحرك.

3 - الوصلة بين المحرك والحمل كعلبة السرعة مثلاً أو كبول أو ذراع مدير solid shaft.

تسمى هذه العناصر الثلاثة المجموعة المديرة power drive، وتكوِّن الوزن الأكبر والحجم الأكبر من آلية المؤازرة. تحدد هذه المجموعة مع الحمل المواصفات الديناميكية لآلية المؤازرة فيما يتعلق باستقرارها وزمن استجابتها، لذلك يجب دراسة جميع هذه الأجزاء مجتمعة لمعرفة المواصفات الأساسية لآلية المؤازرة؛ مع أنه قد يهمل تأثير الحمل أحياناً ويقتصر على مواصفات المجموعة فقط.

تُستخدم المحركات الكهربائية القياسية العامة في منظومات المؤازرة، ولاسيما عند الحاجة إلى محركات عالية الاستطاعة تبلغ 0.75 كيلوواط أو أكثر ويتطلب تعديلها كلفة عالية.

وقد تم تطوير محركات كهربائية خاصة لمنظومات المؤازرة تلبيةً للحاجة وللحصول على تصاميم مثالية. وأهم المواصفات الأساسية لمحركات المؤازرة هي عزم المقاومة وزمن الاستجابة ومواءمة الخرج.

يتألف العزم المقاوم في المحركات الكهربائية- وهو إحدى النقاط الأساسية التي يجب الانتباه لها- من الاحتكاك الميكانيكي والعزم الكهرطيسي. يتولد العزم الكهرطيسي من عدم انتظام بالفجوة الهوائية في المحرك بسبب ملفاته، وهذا ما يؤدي إلى تغير في العزم مع دوران المحرك.

يتحدد زمن استجابة المحرك من عزم العطالة في الجسم الدوار ومن تحريضية ملفاته ومن العزم الأعظمي الذي يمكن للمحرك توليده من دون تسخين زائد للمحرك. وللحصول على أقل زمن استجابة يجب تخفيض عزم العطالة والتحريضية، في حين تجب زيادة العزم المولد من كل واط استطاعة.

1 - محركات التيار المستمر

يُعدّ محرك التيار المستمر DC Motors من أكثر المحركات استخداماً في منظومات المؤازرة وفي الكثير من التطبيقات، وذلك لسهولة التحكم في العزم والسرعة عبر تغيير الجهد المطبق.

تُستخدم محركات المؤازرة بالتيار المستمر الصغيرة والمتوسطة الحجم حقولاً مغنطيسية يولدها مغنطيس دائم، ويتم التحكم بوساطتها في الجهد المطبق على دارة المتحرض armature.

ومن مساوئ محركات التيار المستمر التعقيد وعمره القصير وانخفاض الموثوقية والتداخل الكهرطيسي؛ مع العلم أنه حدث تطور كبير على هذه التقانة للتغلب على ذلك.

يمكن الحصول على تيار الاستطاعة المستمر المضخَّم من التيار المتناوب بعدة طرق، وتُستخدم لذلك مضخمات خطية لاستطاعات تصل حتى 100 واط وتُقاد محركات التيار المستمر الكبيرة باستخدام مضخمات تقطيعية switching amplifiers وثايروستورات أو مضخمات مغنطيسية. تُستخدم مولدات التيار المستمر لتوليد الجهد المطلوب في المنظومات الكبيرة جداً.

إضافة إلى محركات التيار المستمر التقليدية يوجد عدد من المحركات الكهربائية بالتيار المستمر الخاصة التي تناسب آليات المؤازرة مثل محركات القلب المتحرك moving coil ومحركات من دون مَسفرات brushless.

2 - محركات المؤازرة بالتيار المتناوب AC Servomotor

يتميز هذا النوع من المحركات بعدم وجود مبدلات commutators فيها، ولذلك فهو أكثر موثوقية من محركات التيار المستمر. كما يتميز بأنه يدور بسرعة ثابتة، وللتحكم في سرعات متغيرة يجب استخدام مولد طاقة بتردد متغير. تُولَّد الترددات عن طريق مضخم إلكتروني يعمل بمبدأ التقطيع (الوصل والفصل) switching ويتحكم فيه بمعالج صغري، وبذلك يمكن تحويل تردد الطاقة الثابت إلى مصدر تردد متغير يمكن التحكم فيه.

وهناك أيضاً محرك تحريض بطورين وله تصميم خاص بسرعة متغيرة، ولكن أبعاده محدودة واستطاعته منخفضة لا تزيد على بضعة واطات، وقد تجاوزت محركات الجهد المستمر والمحركات النبضية هذا النوع من المحركات حتى للتطبيقات التي تتطلب استطاعة صغيرة.

3 - المحركات غير التقليدية

تُستخدم في بعض التجهيزات الصغيرة محركات غير تقليدية مثل المدوارات (الجايروسكوبات) وقارئات الأقراص الصلبة والكاميرات، وذلك عندما تكون الحركة المطلوبة دائرية وبزاوية محدودة أو عندما تكون الحركة خطية. حيث يستخدم محرك محدد العزم لا تصل سرعته إلى السرعة القصوى لتطبيق حركة زاويَّة محددة. ويسمى هذا المحرك «محرض عزم» torquer أو محرك عزم torque motor أو مولد عزم torque generator. ويُصنع هذا النوع من المحركات في قطعتين منفصلتين هما: الجسم الدوار والجسم الثابت من دون غلاف جامع ويوصل مباشرة بالجهاز المطلوب.

تأخذ محركات الحركات الخطية أشكالاً متعددة، منها محركات خاصة لمكبرات الصوت، وتستخدم بلورة كهرضغطية محركاً للدفع والسحب للمحركات الصغيرة جداً مثل توضيع العدسات والمواشير في الأجهزة الضوئية.

- أجهزة القياس (الحساسات)

تقيس حساسات منظومات المؤازرة عدداً من المقادير الفيزيائية المختلفة، مثل الحركة الخطية والسرعة والتسارع والقوة. ويستفاد من بعض الظواهر الفيزيائية لتصميم أجهزة القياس. يمكن استخدام معظم الحساسات المستعملة في المختبرات وفي الصناعة بمواءمتها مع منظومات المؤازرة، وتكون الحساسات غالباً من النوع الكهربائي أو من النوع الضوئي. وفيما يلي أهم أنواع الحساسات.

1 -الحساسات التمثيلية (محول الطاقة) transducer

وفيها تستخدم مقاومة متغيرة لقياس زاوية دوران محددة، ومن الممكن استعمالها كذلك لقياس الحركة الخطية. تصل دقة القياس بهذه الحساسات إلى 0.05 % من المجال الكلي.

كذلك تُستخدم المحولات التفاضلية differential transformer التي تتكون من حساس تحريضي مع تغذية بجهد متناوب.

وتستخدم الحساسات المتزامنة، وهي حساسات تحريضية بجهد متناوب لقياس الوضع الزاوي؛ يمكنها قياس زوايا غير محدودة، ومنها متزامنات العزم torque synchros وهي تعمل دائماً بمحركين تحريضيين بدارات مترابطة يمكن ضبطهما معاً أو تدويرهما متزامنين. ولا تحتاج هذه الحساسات إلى مضخمات إلكترونية إضافية؛ غير أن دقتها ضعيفة.

يُعدّ حساس الدوران بالجهد المستمر DC tachometer من أكثر الحساسات التمثيلية شيوعاً لقياس السرعة الزاوية. وهو مؤلف من مولد جهد مستمر يعمل بمغنطيس دائم ويولد جهداً مستمراً متناسباً مع سرعة الدوران، وهو مصمم للحصول على خطية عالية واستقرار كبير.

ويمكن استعمال حساس دوران نبضي pulse tachometer بوضع علامات تفصل بينها مسافات قليلة على حافة الجسم المطلوب قياس سرعة دورانه أو حركته الخطية. ويمكن تحسس العلامات الموضوعة ضوئياً أو مغنطيسياً وتستخدم لتوليد نبضات. تتناسب سرعة ظهور النبضات أو تردد تكرار النبضات مع السرعة.

تقيس المدوارات وقائسات التسارع الحركة المطلقة في الفراغ، وهي تستخدم للتحكم في الحركة في منظومات المركبات المتحركة مثل الطائرات والسفن والصواريخ الموجهة أو تركب على منصات مستقرة stabilized platform تحمل كاميرات أو هوائيات أو مدافع.

2 - المرمزات الضوئية:

تنقسم المرمزات إلى نوعين: مرمزات قيمة مطلقة absolute encoders، ومرمزات متزايدة incremental encoders.

يتألف مرمز القيمة المطلقة من حساس خرجه على شكل خانات اثنينية متوازية؛ أي إنه في الواقع محول كهروميكانيكي (تمثيلي إلى رقمي). أما المرمز المتزايد، فيولد نبضة واحدة لكل حركة محددة؛ أي إنه في الواقع حساس دوران نبضي ويمكن استخدامه لقياس الموضع أوالسرعة.

يمكن كذلك استخدام المرمزات لقياس الدوران (مرمزات دورانية rotational encoders) أو لقياس الحركات الخطية (مرمزات خطية linear encoders).

المرمزات المطلقة

يتكون الجزء الرئيسي من مرمز القيمة المطلقة من قرص مرمّز بعدد من المسارات، وذلك بمقدار مسار لكل خانة اثنينية (الشكل 9). وهو مؤلف من مقاطع متناوبة بين أجزاء شفافة وأجزاء غير شفافة تجري قراءتها من منبع ضوئي مع نظام تركيز focus system ومجموعة من الحساسات الضوئية. وعندما يكون عدد الخانات في القرص 22، يكون مقدار أصغر قيمة زاوية يمكن قياسها 0.3 ثانية زاوية.

وتُطّبق هنا عادة طريقة ترميز غراي Gray عوضاً عن الترميز الاثنيني وذلك بهدف التخفيف من الأخطاء؛ إذ يتميز ترميز غراي بأن كل رقمين متجاورين يختلفان بخانة واحدة فقط، يمثل الجدول رقم (1) الأرقام بين 0 و7 بالترميز الاثنيني ومقابلها بترميز غراي لثلاث خانات.

الجدول (١) الترميز الاثنيني وترميز غراي

الترميز العشري

الترميز الاثنيني

ترميز غراي

0

000

000

1

001

001

2

010

011

3

011

010

4

100

110

5

101

111

6

110

101

7

111

100

المرمزات المتزايدة

يوجد في أبسط أشكال هذا النوع من المرمزات ممر وحيد بجزأين: وصل/فصل. ويشكل عدد النبضات التي ينتجها الحساس قياساً للانتقال، في حين يشكل معدل تغير النبضات مع الزمن قياساً للسرعة. يُستخدم المرمز المتزايد لقياس الحركة المطلقة بوساطة دارة إلكترونية تقوم بجمع عدد النبضات الموجودة على الخرج، ويجري تحسس اتجاه الحركة باتجاهين باستخدام ممرين متطابقين وبينهما انزياح بمقدار نصف طول المجال. ويستخدم أحياناً ممر ثالث لتوليد نبضة واحدة لكل دورة كاملة كمؤشر للصفر.

خوارزميات التحكم وآليات التعويض المؤازرة

يجب أن تكون آلية المؤازرة مستقرة ومحققة لمعامِلات محددة بالدقة السكونية والديناميكية. وتكون هذه المتطلبات غير متوافقة فيما بينها، فعندما يزيد ربح الحلقة تتحسن الدقة ولكن يسوء الاستقرار، ويمكن التغلب على هذا التناقض مع تحقيق الدرجة المطلوبة من الدقة والاستقرار باستخدام التعويض compensation بالتقانة التمثيلية أو خوارزميات التحكم للمنظومات الرقمية.

تعتمد الدقة السكونية على قيمة ربح الحلقة عند التردد الصفري التي تأخذ قيمة اللانهاية عند وجود دارة مكاملة في حلقة التغذية الراجعة، وعندها يكون الخطأ السكوني صفراً عند تطبيق دخل ثابت. ويستفاد من هذه الخاصية في آلية المؤازرة بالموضع باستخدام محرك تقليدي تتناسب سرعة خرجه مع جهد الدخل، وبذلك يكون متحول الخرج- أي انتقال المحرك- هو تكامل لسرعة الدخل. وبذلك تحقق آلية المؤازرة بالموضع خطأً سكونياً صفرياً عند تطبيق دخل ثابت بسبب وجود دارة المكاملة.

يُعدّ المصحح التناسبي التكاملي التفاضلي(PID) Proportional Integral Derivative  من أكثر المصححات المستخدمة في منظومات المؤازرة الرقمية والتمثيلية، ويستخدم هذا النوع من المصححات بأنماط متعددة هي: التحكم التناسبي P؛ والتحكم التناسبي التكاملي PI؛ والتحكم التناسبي التفاضلي PD؛ والتحكم التناسبي التكاملي التفاضلي PID.

يمكن تحديد المصححات باستجابتها الترددية، وتكون في أبسط أنواعها من نوع مؤخّر الطور lag، أو مقدّم الطور lead، أو مؤخّر ومقدّم الطور lag-lead. وتشبه هذه المصححات المصححات من نوع PID، فالمصحح المقدّم الطور يكافئ التحكم التناسبي التفاضلي PD، والمصحح المؤخّر الطور قريب من المصحح التناسبي التكاملي PI، والمصحح المؤخّر والمقدّم الطور قريب من التحكم التناسبي التكاملي التفاضلي PID.

مراجع للاستزادة:

- I. J. Busch-Vishniac، Electromechanical Sensors and Actuators، Springer، 1999.

- P. J. Chapple، Principles of Hydraulic System Design، Coxmoor، 2003.

- C. W. de Silva، Mechatronics: An Integrated Approach، CRC Press، 2005.

-McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology، Servomechanism، Vol. 16، 2007.

-Modern Control Technology Components and Systems، 2nd Edition، Kilian.


التصنيف : التقانات الصناعية
النوع : التقانات الصناعية
المجلد: المجلد الثالث
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1048
الكل : 43825662
اليوم : 109057