سنتعرفُ في هذا المقال على آليّة ِعملِ المحرّكاتِ عديمة الفرش (BLDC) ومُحدِّد السرعة الإلكترونيّ (ESC)، وسنُتبِع ُهذا المقالَ بمقالٍ آخرَ نتعلّمُ فيه كيفيّة استخدام هذه المحرّكات مع الأردوينو.
http://https://youtu.be/uOQk8SJso6Q
كيف يعملُ المحرّك ُعديمُ الفرش (BLDC)؟
يتكوَّنُ المحرّكُ (BLDC) من جزءين أساسيّين هما: العضو الثابت والعضو الدوّار. فالعضو الثابت ما هو إلا مغناطيس ٌدائم ٌذو قطبيَن، في حين يتكوّنُ الجزء الدوّارُ من عدد من الملفّاتِ مرتّبةً بطريقةٍ معيّنةٍ كما هو موضَّح ٌفي الشكل الآتي:
عند إمرارِ تيّارٍ كهربائيٍّ في ملفٍّ يتولَّد ُعليه مجالٌ مغناطيسيٌّ، ويعتمدُ اتجاه هذا المجالِ على اتّجاه التيّار المسبّبِ له.
وعند مرورِ تيّارٍ مناسبٍ في الملفّ ستتولَّدُ عليه قوّةٌ كهرومغناطيسيّةٌ تجذبُ مغناطيسَ العضوِ الدوّار، وإذا نشَّطنا ملفّاتِ العضو الثابتِ بترتيبٍ مناسبٍ سيدورُ العضو الدوّارُ ؛ حيث تتفاعلُ القوّةُ المغناطيسيّةُ للعضو الدوّارِ مع القوّةِ الكهرومغناطيسيّة للعضوِ الثابت.
ولزيادةِ كفاءةِ المحرّكِ نصلُ الملفّاتِ المتقابلةِ لتصبحَ ملفّاً واحداً، فيتولَّد بهما مجالٌ مغناطيسيّ معاكسٌ لأقطاب ِالعضو الدوّار، فتتضاعفُ قوّةُ الجذبِ.
وبهذا استطعنا توليدَ 6 أقطاب بثلاث ملفّاتٍ فقط، وإذا أردْنا أن نخطوَ خطوةً أخرى في رفعِ كفاءةِ المحرِّكِ، فسنغذّي ملفَّين من الثلاثة معاً؛ حيث يجذبُ أحدهما العضوَ الدوّارَ في حين يدفعُه الآخرُ.
لاحظْ أنّ المحرّكَ سيكملُ دورةً كاملةً في ستِ خطواتٍ على ستِ فترات.
إذا درسْنا قِيَمَ التيّارِ المُطبَّقةِ على الملفَّاتِ في دورةٍ كاملةٍ سنجدُ أنَّه في كلِّ فترةٍ من الفتراتِ الستة ملفّا ذا تيّارٍ موجبٍ وآخرَ ذا تيّارٍ سالبٍ في حين لا يتَّصلُ الأخيرُ نهائيّاً بالتيّار. ومن هنا نستطيعُ أن نصلَ الأطرافَ الحرّةَ لهذه الملفَّاتِ ببعضها ، ومن ثمَّ نستخدمُ مصدراً واحداً للتيّارِ لتفعيلِ الملفَّين معاً.
فإذا وصلْنا مثلاً طرَفَ الملفِّ A بالجهدِ الموجبِ باستخدامِ مفتاحٍ ما كترانزستور MOSFET مع توصيلِ الملفِّ B بالأرضيّ ، فحينئذٍ سينطلقُ التيّارُ من مصدرِ الجهدِ إلى الملفِّ A ثمَّ نقطة التعادل neutral إلى الملفّ B حتى يصلَ أخيراً إلى الأرضيّ.
وبذلك استطعْنا توليدَ الأربع أقطاب المحرِّكة للعضوِ الدوّارِ بتيّارٍ واحدٍ فقط.
وبهذه الطريقةِ نكونُ قد وصلْنا الملفَّاتِ وفق الطريقةِ النجميَّةِ، حيثُ تتلاقى الملفّاتُ داخلياً في نقطةِ التعادلِ neutral في حين تبرزُ الأطرافُ الأخرى خارجاً، ولهذا نجد ثلاثَةَ أسلاكٍ تخرجُ من المحرّكاتِ عديمةِ الفرش.
لعلَّك لاحظْتَ أنَّهُ إذا أردْنا التحكّمَ في تشغيلِ المحرّكِ لدورةٍ كاملةٍ يجبُ تشغيلُ مفتاحَي MOSFET مناسبَين في كلٍّ من الفتراتِ الستةِ، وهذا يقودُنا إلى الحديثِ عن متحكِّماتِ السّرعةِ الكهربائيّةِ ESC وطريقةِ عملِها.
كيف يعملُ محدّدُ السرعةِ الالكترونيّ (ESC) ؟
يتحكّمُ محدّدُ السرعةِ الإلكترونيّ (ESC) بحركةِ المحرّكاتِ عديمةِ الفرش وسرعتِها في تفعيلِ مفاتيحِ الـ MOSFET المناسبة للحفاظِ على استمراريّةِ المجالِ المغناطيسيّ الدوّارِ فيستمرّ دورانُ المحرّك. وكلّما زادَ تردّدُ محدِّدِ السرعةِ- أي كلّما زادت سرعة تشغيله لترانزستورات الـ MOSFET – زادَتْ سرعةُ المحرّك.
مخطّط محدّد السرعة الإلكترونيّ
وهنا يأتي سؤالٌ هامٌّ، ما هو التوقيتُ الصحيحُ لتفعيلِ الملفِّ المناسبِ؟
هذا يعتمدُ على موضعِ العضوِ الدوّار بالنسبة للملفّاتِ، ونستطيعُ معرفةَ ذلك بطريقتَين
الطريقةُ الأولى:
وضعُ عددٍ من حسّاساتِ (تأثير- هول) hall-effect في العضوِ الثابتِ، ويُفصَلُ بينَها بزاوية 60-120 درجة.
سبقَ أن ذكرْنا أنَّ العضوَ الدوّار يتكوَّنُ أساساً من مغناطيسٍ دائمٍ، أثناء دورانه تتفاعلُ حسّاساتُ هول مع أقطابِ هذا المغناطيسِ فتولِّدُ خرجاً (high) مع أحدِهما وخرجاً منخفضاً (low) مع الآخر. وبهذه المعلوماتِ يستطيعُ محدّدُ السرعةِ معرفةَ أيّ من أزواج MOSFET سيفعلُ في الفترة التالية.
الطريقة الثانية:
وهي استشعارُ القوّةِ الدافعةِ الكهربيّةِ العكسيّةِ (Back EMF)، وتنشأُ هذه القوّةُ أساساً كردِّ فعلٍ مضادٍ للقوةِ المسببةِ للمجالِ المغناطيسي، كما تنشأُ أيضاً عند وجودِ موصلٍ في مجالٍ مغناطيسي متغيّرِ الشدّة أو الاتجاه ؛ حيثُ يتولَّدُ تيّارٌ مستحثّ في هذا الموصل يعاكسُ ذلك المجال.
نستنتج مما سبقَ أنَّه عند تقاطعِ المجالِ المغناطيسي للعضوِ الدوّارِ مع ملفّ خاملٍ فسيتولَّدُ به تيّارٌ مستحث، وبذلك يحملُ الملفّ جهداً كهربيّاً يستشعرُه محدّدُ السرعةِ وعلى أساسهِ يحدّد ُأيّ الملفات سيفعلُ لاحقاً.
وبهذا نكونُ قد استعرضْنا فكرةَ عملِ المحرّكاتِ عديمةِ الفرش ومحدّداتِ السرعةِ الإلكترونيّة ESC. تذكَّر أنَّ هذه المحرّكاتِ هي ثلاثيّةُ الطورِ، فحتى لو زدْنا عددَ أقطابِ العضو الثابتِ والمتحرّكِ فسيزدادُ فقط عددُ الفترات التي يحتاجُها المحرّك ليتمَّ دورةً كاملةً.
جديرٌ بالذكر أنَّ المحرّكاتِ عديمة الفرش قد تتواجدُ على هيئتَين: الأولى يكونُ فيها العضوُ الدوّارُ بداخلِ العضوِ الثابتِ (Inrunner)، والثانية يحيطُ فيها العضوُ الدوّارُ بالعضوِ الثابت كما في الشكل الآتي.
لننتقل الآن إلى الجانبِ العمليّ ، لنصلْ أطرافَ المحرّكِ الثلاثِ بمتحكّمٍ مناسبٍ ثمَّ نصلهم براسمِ إشارةٍ oscilloscope مع توصيلِ تلك الأطرافِ أيضاً بثلاثِ مقاوماتٍ يتقابلون في نقطةٍ واحدةٍ هي نقطةُ التعادل التي توصَل بأرضيّ راسم الإشارة.
سنلاحظ أوّلاً ثلاثَ موجاتٍ جيبيةٍ تمثِّلُ القوى الدافعةَ الكهربيّةَ المرتدةَ المتولِّدةَ في الملفّات الخاملة.
عند تغيير سرعةِ الدورانِ للمحرّكِ سيتغيَّرُ تردّد تلك الموجاتِ وقيمتُها في علاقةٍ طرديّةٍ.
ففي كلّ فترةٍ نجدُ ملفَّين نشِطَين والثالث خاملاً، فمثلاً ستجدُ الملفَّين A و B نشِطَين في حين أنّ C خاملٌ ، وفي الفترة التالية نجد A و C نشِطَين و الملفّ B هو الخاملُ وهكذا في جميعُ الفترات.
المصدر: هنا
ترجمة: يوسف طلال حسن, مراجعة: عبد الرحمن صابر, تدقيق لغوي:ر نيم العلي, تصميم: علي العلي, تحرير: قحطان غانم.
 والمتحكم الإلكتروني بالسرعة (ESC)){kind=link}