تعديل عرض النبضة

تُوجَد العديد من الطّرق للتّحكّم بسرعة محرّكات التّيّارالمستمرّ DC ولعلّ أبسطها هو تعديل عرض النبضة، وقبل أن نبدأ بالغوص في تفاصيل تعديل عرض النبضة علينا أن نفهم آلية عمل محركات التّيّارالمستمرّ.

تُعتبر محركات التّيّارالمستمرّ ذات المغناطيس الدائم PMDC إلى جانب المحركات الخطوية أكثر الأنماط المتوفّرة شيوعاً في استخدامها لمحرّك ذي تياّر مستمرّ صغير يُولِّد سرعة دوران مستمرّة سهلة التّحكّم، وتُستعمَل محرّكات التّيّارالمستمرّ الصّغيرة بشكل مثاليّ في التطبيقات التي تتطلّب تحكّماً بالسرعة مثل: الألعاب الصّغيرة، تصميم نماذج الأنظمة التي تتطلّب حركة، الروبوتات، ومايشابهها من الدّارات الالكترونيّة الأخرى.

يتكوّن محرّك التّيّارالمستمرّ بشكل أساسي من قسمين هما: الجزء الثابت stator والجزء الداخليّ الدّوار rotator الذي يولّد الحركة عبر دورانه، يُطلَق على الجزء الدّوار في آلات التّيّار المستمرّ بالمتحرض Armature.

يتكوّن الجزء الثابت عموماً في محرّكات التّيّارالمستمرّ الصّغيرة من زوج من المغناطيس يولِّدان تدفقاً مغناطيسيّاً موحداً وثابتاً داخل المحرّك، ويُدعَى هذا النّوع من المحرّكات ب (محرّكات التّيّارالمستمرّ ذات المغناطيس الدائم).

يتألف المتحرّض Armature من وشائع كهربائيّة منفردة ومتّصلة مع بعضها بترتيب دائريّ،وتلتفّ حول جسمها المعدنيّ مولِّدة قطباً شمالياً ثم قطباً جنوبياً ثم شمالياً وهكذا.. وهو ما يُعتبَر شكلا ًمن أشكال نظام تهيئة الحقل الكهرومغناطيسيّ.

يتدفق التّيّار ضمن هذه الوشائع المتحرّكة مُنشئاً الحقل الكهرومغناطيسيّ المطلوب، ويولِّد هذا الحقل حول المتحرّض أقطاباً شماليّة وجنوبيّة تتنافر أو تتجاذب مع زوج مغناطيس الجزء الثّابت ممّا يولِّد حركة دائريّة حول المحور المركزيّ للمحرّك كما يوضِّح الشكل.

 

يمرّ التّيّار الكهربائيّ مع دوران المتحرّض من نهايات المحرّكات إلى المجموعة التالية من ملفّات المتحرّض عبر مسفّرات من الفحم carbon brushes متوضعة حول المُجمّع مولِّدة حقلاً مغناطيسياً آخر، ومع كل دورة للمتحرّض يتمّ تفعيل مجموعة جديدة من الملفّات ملزمة ًالمتحرّض على الدوران أكثر فأكثر وهكذا، وعليه فإنّ سرعة دوران محرّك التّيّارالمستمرّ تعتمد على مقدار التّفاعل بين الحقلين المغناطيسيَين.

الحقل المغناطيسي المُنتَج بواسطة زوج المغناطيس للـ stator يكون ثابتاً ولهذا لايمكن تغييره، ولكن بتعديل قوة الحقل الكهرومغناطيسي للمتحرض من خلال التحكم بالتّيّار المتدفّق ضمن الملفات سيولّد تدفقاً أكبَر َأو أقلَّ،بالتالي تفاعل أقوى أو أضعف،فتنتج سرعة دوران أكبرَ أو أقلَّ.

وعليه فإنّ سرعة دوران محرّك التّيّارالمستمرّ N تتناسب مع القوة المحرّكة الكهربائيّة للمحرّك مقسومة على التّدفق المغناطيسيّ (ثابت للمغناطيس الدّائم) مضروباً بالثّابت الكهروميكانيكيّ المعتمد على طبيعة ملفات المتحرّض Ke فتنتج المعادلة: N ∝ V/KeΦ.

كيف نتحكّم بتدفّق التّيّار عبر المحرّك؟

يعتمِد الكثير من النّاس على التّحكّم بسرعة محرّك التّيّارالمستمرّ عبر استخدام مقاومات متغيِّرة كبيرة (Rheostat) على التسلسل مع المحرك كما في الشكل

 

 

تُعتبَر هذه الطّريقة ناجحة مع محرّكات سيارات السّباق التي تُنتِجها شركة Scalextric، لكن ينتج عنها حرارة عالية واستطاعة مهدورة في المقاومة.

يمكن التّحكّم بسرعة المحرّك عبر تنظيم قيمة الجهد المارّ عبر أطراف المحرّك باستخدام طريقة أبسط وهي تعديل عرض النبضة أو PWM .

يتمّ التّحكّم بالسّرعة باستخدام هذه الطّريقة-كما يتّضح من اسمها-عن طريق قيادة المحرّك بسلسلة من نبضات “ON-OFF” وتغيير دور العمل duty cycle مع بقاء التّردّد ثابتا.

يمكن تغيير سرعة المحرّك من خلال تعديل عرض هذه النّبضات وذلك للتّحكّم بقيمة الاستطاعة المطبّقة عليه، أي تغيير القيمة المتوسّطة للجهد المستمرّ المطبَّق على أطراف المحرّك، فكلّما كان زمن النبضة( في حالةON) أطول دار المحرّك بسرعة أكبرَ، وبالمقابل  إذا كان زمن النبضة (في حالةON)أقصر سيدور المحّرك بسرعة أبطأ.بمعنى آخر: كلما ازداد عرض النبضة أكثر، ازدادت القيمة المتوسّطة للجهد المطبّق على أطراف المحرّك، وازدادت كثافة تدفّق الحقل الكهرومغناطيسيّ في ملفّات المتحرّض ،وبالتالي تزداد سرعة دوران المحرّك.

يُوضَّح في الشكل التالي شكل الموجة المعدّلة باستخدام PWM.

 

 

تكمن فائدة استخدام تعديل عرض النّبضة في تقليل الاستطاعة المهدورة في الترانزستور الذي يعمل كمفتاح،فإمّا أن يكون ON بالكامل أو OFF بالكامل، حيث يقلل هذا الترانزستور ضياع الاستطاعة بشكل كبير ممّا يزوّد هذه الطريقة بنمط تحكّم خطّيّ والذي يعطي استقراراً أفضل، ويبقى مطال الجهد ثابتاً عند عمل المحّرك بأقصى طاقته مما يعطيه أيضاً إمكانيّة الدّوران بشكل بطيء للغاية دون أن يتوقف.

يُمكن توليد إشارة PWM تتحكَّم بالمحرّك باستخدام دارة مؤقِّت 555 عديم الاستقرار كهزّاز

كما هو موضَّح أدناه

 

تَستخدِم هذه الدّارة البسيطة شريحة المؤقّت  NE555 أو 7555 المستعمَلَة لتوليد إشارة PWM المطلوبة بحيث يكون تردّد الخَرْج ثابتاً. يتمّ شحن وتفريغ المكثّف عبر تدفُّق التّيّارخلال شبكة المقاومات RA  وR، ويعتمد الزّمن المستغرَق لشحن وتفريغ المكثّف C على قيم تلك المقاومات.

تتساوى إشارة الخَرْج على الرِّجل رقم3 للمؤقّت 555 مع قيمة جهد التغذية مُبدِلةً الترانزستورات إلى حالة عمل ON.

يُشحَن المكثّف عبر شبكة المقاومة RA  ويَنقُل الإشارة إلى شبكة المقاومة RB عبر الديود D1، وحالما يُشحَن المكثّف تُفرَّغ شحنتُه إلى الرّجل 7 عبر الديود D2 والمقاومة RB،ويكون الخَرج على الرِّجل 3 هو 0 فولط خلال عملية التفريغ، وتُبدَّل حالة عمل الترانزستور إلى الوضع OFF.

يُعطَى زمن دورة واحدة كاملةT بالعلاقات:

الزمن TH والذي يكون الخرج  فيه بحالة ON هو: TH = 0.693RA*C

الزمن TL والذي يكون الخرج  فيه بحالة  OFFهو: TL = 0.693(RB)*C

يُعطَى زمن كامل الدّورة المتضمِّن حالتي ON-OFF بالعلاقة: T = TH + TL

ويكون تردّد الخرج هو ƒ = 1/T

باستخدام هذه القيم يمكن تعديل زمن دورة عمل الموجة من حوالي8.3% (0.5V) إلى حوالي 91.7% (5.5V)وبقيمة جهد تغذية مساوية لـ6.0 فولط، ويكون تردّد الهزّاز عديم الاستقرار ثابتاً بمقدار  256 Hz ، وعند هذه القيمة تتبدّل حالة عمل المحرّك بينON وOFF.

تمثِّل المقاومة R1 إضافة للجزء العلويّ من المقاومة المتغيّرةPOT التي تعمل كمقسم جهد VR1 شبكة المقاومة Rبينما الجزء السفلي من المقاومة POT إضافة للمقاومةRيمثل شبكة المقاومة RB المذكورة أعلاه.

ويمكن تغيير هذه القيم لتتناسب مع المحرّكات المستمرّة والتطبيقات المختلفة لها مع الأخذ بالعلم أنّ دارة الهزّاز عديم الاستقرار 555 تعمل بسرعة كافية تُقدَّر بمئات الهرتز على الأقل.

يُستعمَل الديود D3 لحماية الدّارة الالكترونيّة من الحمل التحريضيّ للمحرّك، وفي حال كان حمل المحرّك كبيراً يوضع مُبرِّد على الترانزستور المفتاحيّ الذي هو من النوع MOSFET.

تُعتبَر طريقة تعديل عرض النّبضة PWM من أفضل الطّرق المستخدَمة للتّحكّم بمقدار الاستطاعة الواصلة للحمل دون حدوث هدر فيها، ويمكن استعمال الدّارة السّابقة الموضَّحة في الشكل السابق للتّحكّم بسرعة مروحة أو تعتيم إضاءة المصابيح التي تعمل على التّيّارالمستمرّ وغيرها ..

————————————————————————————————————

المصدر: هنا
ترجمة:مي همدر ، تدقيق لغوي: رنيم العلي ، تحرير: قحطان غانم ، مراجعة: محمد مرتكوش

 

Leave a Reply

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