التحكّم بمحرّك تيّار مستمرّ باستخدام الأردوينو ودارة القيادة L298N

 

سنرى في هذا المشروع كيفيّة التّحكّم بمحرّك تيّار مستمرّ باستخدام الأردوينو ودارة القيادة L298N.

هناك العديد من الطرق للتحكّم بمحرّك تيّار مستمرّ، ولكن في وقتنا الراهن أصبح التحكّم بالمحرّكات باستخدام الأردوينو ودارة القيادة L298N الطريقة الأكثر شيوعاً لعدّة أسباب سنتعرف عليها في المقال.

مقدّمة:

يُعَدّ محرّك التّيّار المستمرّ من أبسط المحرّكات التي يصادفها المبتدئون والهواة فهو سهل الاستخدام. كلّ ما عليك فعله هو وصل أسلاك المحرّك إلى قطبَي بطاريّة ليدور المحرّك! إذا قمت بتبديل الأسلاك (أي عكستَ القطبيّة) فسيدور المحرّك في الاتجاه المعاكس، إنّ الأمر بهذه البساطة فعلاً.
إذا أردْتَ التّحكّم بسرعة دوران محرّك بسيط يعمل بالتّيّار المستمرّ فيوجَد تقنية تدعى التحكّم بالمحرّك باستخدام تعديل عرض النبضة (Pulse Width Modulation)، ستسمح لنا الإشارة المُنتجَة عبر تقنيّة تعديل عرض النبضة (PWM) بالتّحكّم بالجهد الوسطيّ الذي يُوصَّل إلى المحرّك.

التحكّم بسرعة دوران محرّك تّيّار المستمرّ باستخدام تعديل عرض النبضة (PWM)

باستخدام تقنية PWM سيتمّ التّحكّم بقيمة الجهد الوسطيّ المطبَّقَة على المحرّك عن طريق فصل وتوصيل الطاقة الكهربائية عن المحرّك بمعدل سرعة عالٍ جداً، وسيكون تردّد هذا التبديل بين الحالتين من فئة عدة عشرات من الكيلوهرتز.
هنا سيعتمد الجهد الوسطيّ المطبَّق على المحرّك على ما يسمى دور التشغيل (Duty Cycle) ، إنّ دور التّشغيل لتقنية تعديل عرض النبضة تُمثّل بالنسبة بين الوقت الذي تكون فيه الإشارة بوضع تشغيل (ON or HIGH) إلى الدّور الإجمالي للإشارة (أي مجموع زمن حالتي ON+OFF)،
عادة ما يُعبَّر عن دور التشغيل كنسبة مئوية.

يُوضِّح الشّكل التالي إشارات PWM مختلفة لمصدر طاقة 12V مع دورات تشغيل مختلفة: 0%، 25%، 50%، 75%، 100% بالتّرتيب.

والآن وبعد أن تحكّمنا بالجهد الوسطيّ الذي يُزوَّد به المحرّك كيف يمكن أن نطبق هذا الجهد على محرّك؟ هنا نقوم باستخدام الترانزستور.
يمكن لإشارة PWM  من أي مصدر كالأرديوينو – كما في هذا المثال – أن توصَل إلى بوابة ترانزستور موسفيت MOSFET ، و اعتماداً على دور التشغيل ستتغيّر سرعة دوران المحرّك.
يظهر في الشكل التالي صورة لمخطَّط دارة بسيطة يُعطى فيها خرج دارة تعديل عرض النبضة من لوحة الأردوينو لترانزستور موسفيت، ويكون المحرّك العامل بالتّيّار المستمرّ 12V  موصولاً عبر الترانزستور.

سيغيّر الأردوينو باستخدام التّعليمات البرمجيةّ التاّلية سرعة المحرّك بحيث تزداد بشكل تدريجيّ وصولاً للسرعة القصوى ، ومن ثم التخفيض التدريجيّ لها حتى التّوقف التام.

الكود البرمجي: التحميل من هنا

تُعتبَر هذه الدّارة جيدة للتّحكّم بسرعة دوران المحرّك ولكنّها طريقة غير فعّالة لتغيير جهة الدّوران. ولتغيير جهة الدّوران دون عكس توصيل أطراف المحرّك في كلّ مرّة يجب علينا أن نستخدم دارة خاصّة تُسمّى بالجسر-H أو (H-Bridge).

التحكّم بمحرّك تّيّار المستمرّ باستخدام دارة H-bridge

تُعتبَر دارة H-Bridge دارة إلكترونيّة بسيطة مكوَّنة من أربعة عناصر تعمل كمفاتيح مثل الترانزستورات (من النوعين BJT أوMOSFET) ، ويمكنها التحكّم في اتجاه المحرّك دون عكس توصيل أطراف المحرّك.
يُشير الاسم H-Bridge  إلى شكل التّوصيلات المكوَّنة من( أربعة ترانزستورات و محرّك في المركز) مشكلةً ما يشبه الحرف H.
يُظهِر الشكل التالي توصيل محرّك باستخدام دارة H-Bridge  باستخدام أربعة ترانزستورات ومحرّك، وعن طريق تفعيل ترانزستورَين محدّدَين في نفس الوقت يمكننا أن نتحكّم بسريان التّيّار عبر المحرّك وبالتالي اتجاه الدّوران.

تُحدّد نقطتا التّحكّم A و B في الشكل اتجاه دوران المحرّك، إذا كان الجهد منخفضاً عند النقطة A ومرتفعاً عند النقطة B سيسمح كلّ من الترانزستورَين Q1 وQ4 مرور التّيّار عبر المحرّك في اتجاه محدَّد.
أمّا إذا جعلنا الجهد المطبَّق على النقطة A مرتفِعاً وعلى النقطة B منخفضاً، فسيسمح الترانزستورَين Q2 وQ3 للتّيّار بالمرور وسيعكس تدفق التّيّار عبر المحرّك وكذلك بالنسبة لجهة الدوران.
عن طريق الجمع بين كلا الخاصّيتين (أي تعديل عرض النبضة للتّحكّم بسرعة دوران المحرّك و التّوصيل H-Bridge للتّحكّم بجهة الدوران) ستصبح قادراً على التحكّم بالمحرّك بشكل كامل.
من المملّ حقاً أن نستخدم الترانزستورات لإنشاء دارة H-Bridge فعّالة، ولهذا الهدف يُوجَد في السوق دارة متكاملة (IC) مخصّصة لقيادة المحرّك عن طريق دارة H-Bridge، وهناك دارتان شائعتان هما : الدارة L293D   و الدارة L298N.
والآن سنقوم بالتركيز على دارة قيادة المحرّك L298N، ونستعرض طريقة التحكّم بمحرّك تيّار المستمرّ باستخدام الأردوينو و الدارة المتكاملة L298N  باستخدام تقنية تعديل عرض النبضة.

ملاحظة مختصرة حول الدّارة المتكامِلة L298N

إنّ الدّارة L298N هي دارة قيادة تتحمّل جهداً وتيّاراً كبيرَين ولها خمسة عشر رجلَ توصيلٍ،  وتحوي دارتَي قيادة جسريّتين. تتوافق المستويات المنطقية للدارة L298N مع معيار TTL، ويمكن استخدامها للتحكّم بالعديد من الأحمال العاملة بالتحريض كمحرّكات التّيّار المستمرّ ومحرّكات الخطوة (Step Motors) والريليات (Relays) إلخ…
يُوضِّح الشكل (4) مخطّط أرجل الدارة L298N المغلَّفة بغلاف من النّوع (Multi Leaded Power Package) ليتحمّل استطاعة عالية.

بما أنّ دارة القيادة L298N هي دارة متكاملة جسريّه مزدوجة كاملة، فيمكنك أن تتحكّم بمحرّكين اثنين في نفس الوقت بأرجل تحكّم منفصلة لكل محرّك.

إنّ الجهد المنطقي المطلوب للدارة هو 5V ولكن جهد تغذية المحرّك يمكن أن يصل حتى 45V. كما تعتبر قمة تيّار الخرج لكل قناة 2A.

بشكل عام تتوفّر الدّارة L298N كوحدة تحتوي على كلّ المكوِّنات والتّوصيلات الضروريّة للتّحكّم بمحرّكين.
يظهَر في الشكل التالي الوحدة التي تحتوي الدّارة، وكما سنوضّح بعض المعلومات عن المكوّنات الأساسية فيها.

تتكوّن وحدة دارة L298N من جنكسيونتَين (نقط توصيل لها براغٍ للتّثبيت) ثنائيَّتَي الأقطاب لتوصيل محرّكَين، كما أنّ له ستة أقطاب مذكّرة : اثنان منهما مخصصان  للتحكّم بسرعة المحرّكين (enable inputs) وأربعة أقطاب دخل للتّحكّم بالاتجاه (اثنان لكل محرّك)، كما يوجد نقاط توصيل (جنكسيون) ثلاثيّة الأقطاب نحتاجها لإمداد المحرّك بالتّيّار الكهربائيّ.

إذا كانت المحرّكات المُستخدَمة تعمل بجهد 12V أو أقلّ، فإنّنا نغذّي الوحدة بجهد 12V عبر هذا الجنكسيون، ويعمل منظّم الجهد الموجود على اللوحة على تزويد دارة L298N بجهد منطقي ّ5V.

يمكن استخدام الجهد الناتج عن منظّم الجهد 5V من خلال القطب الثّالث للجنكسيون.
يجب وضع الجامبر (Jumper) الموجودة بجانب الجنكسيون الثلاثيّ عند استخدام جهود حتى 12V، حيث أنّه يعمل على تفعيل عمل منظّم الجهد الموجود على اللوحة.

يكون خرج الجهد 5V على الموصل الثاّلث في الجنكسيون متاحاً فقط عند وضع الجامبر أي عندما نستخدم تغذية 12V،  ويمكن استخدام هذا الخرج في تغذية لوحة الأردوينو.

أمّا إذا كانت التّغذية بجهد أكبر من 12V فيجب عدم استخدام الجامبر، حيث أنّ وضعَها يمكن أن يُسبِّب الضّرر للمنظّم. في هذه الحالة يجب إعطاء الجهد المنطقيّ 5V للدّارة L298N عبر القطب الثّالث الجنكسيون.

التّحكّم بمحرّك تيّار مستمرّ باستخدام الأرديوينو ودارة القيادة L298N


سنستعرض دارة بسيطة الشكل (6) يُمكننا من خلالها التّحكّم بسرعة واتجاه دوران المحرّك باستخدام الأردوينو والدّارة المتكاملة L298N.
سنحتاج بعض المكوّنات الإضافيّة في هذا المشروع ،وسنورد قائمة كاملة بالمكوّنات المطلوبة.

في هذا المشروع سنعمل على التّحكّم في وظيفتي محرّك التّيّار المستمرّ كلتيهما أي سرعة الدّوران وجهته باستخدام تركيبة من إشارة PWM والدّارة L298N (H-Bridge).

 

المكوّنات المطلوبة:

  • Arduino UNO.
  • وحدة دارة القيادة L298N.
  • محرّك تيّار مستمرّ 12V.
  • مقاومة متغيّرة 100kΩ.
  • زر.
  • منبع تيّار 12V.
  • لوحة توصيل.
  • أسلاك توصيل.

الكود البرمجي : التحميل من هنا

التطبيقات:

يمكن أن يكون التّحكّم بمحرّك تيّار مستمرّ باستخدام الأردوينو ودارة القيادة L298N خطوة البداية تجاه عدّة مشاريع متقدِّمة.
تمتلك كلّ الروبوتات تقريبا عجلات ، وتحتاج إلى التّحكّم بالمحرّكات الموصولة إلى هذه العجلات. وبالتالي فإنّ الروبوتات التي تعتمد على استخدام الأردوينو يمكن أن تَستخدِم هذه الطريقة في التحكّم بالمحرّكات باستخدام دارة القيادة L298N.
من الأمثلة على بعض تطبيقات الروبوت لدارة القيادة L298N:

الروبوتات التي يتمّ التّحكّم بها عن طريق حركة اليد

الروبوتات التي تلاحق الخطوط

الروبوتات التي تتجنّب العوائق في طريقها، إلخ…..

————————————————————————————————————-

المصدر: هنا
ترجمة: لؤي ديب ، تدقيق لغوي: رنيم العلي , تحرير: قحطان غانم ، مراجعة: علي العلي

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *