سنتعلّم في هذا المقال عن التّحكُّم في الحركة باستخدام مُحرّك السيرفو، وسنتعرف على أنواعه المختلفة وميزَات كلّا منها وتطبيقاتها، مثل المركبة الرّوبوتية التي تتحكم بالقنابل المستخدمَة في التّطبيقات العسكرية، أو الحركة الدقيقة التي توفّرها آلات التشكيل والقطع لتشكيل المعادن وخرطها وثنيها، وكذلك آلية تحكّم نظام توجيه الهوائي في دقّة السّمت والارتفاع، (السّمت: هي زاوية بين مستوٍ مرجعي ونقطة ما، وفي محرك السيرفو هي زاوية دورانه).

تُستخدَم تطبيقات محرك السيرفو على نطاق واسع في الأنظمة المغلقة التي توفّر دقّة عالية في التّحكُّم بالموضع خاصّة في التّطبيقات الصّناعيّة والتّجاريّة.

لدينا في هذا الفيديو شرح للمقال:

أساسيّات محرّك السيرفو:

يُعَدّ السيرفو أحد أنواع المحركات التي تُستخدم للتحكُّم الدقيق في الموضع الزّاوي والسّرعة، من خلال دورانه حول محوره بكفاءة ودقّة عالية؛ إذ يعمل كجزء من نظام مغلق مؤلّف من عدّة أجزاء بما في ذلك دارة التحكُّم، ومحرك السيرفو، ومحور الدوران، ومقياس جهد، ومُسنّنات، ومضخّم، ومشفّر أو مُحلّل لحساب زاوية الدوران.

مكونات محرك السيرفو، مصدر الصورة: (موقع realpars)
مكونات محرك السيرفو، مصدر الصورة: (موقع realpars)

يتكوّن محرّك السيرفو من محرّك تيار مستمر صغير ووحدة تحكّم تُمثّل الجزء الأكثر أهمّية وأيضاً جهاز لتحسُّس الموضع والسرعة من أجل تأمين التغذية الراجعة.

يتفوّق السيرفو على المحركات الأخرى بدقّة الموضع التي يوفّرها؛ إذ يعمل محرك التيار المستمر فيه من خلال إشارة التحكم الرّقمية أو التّشابهية التي يستقبلها بحيث تحدّد مقدار الحركة اللازمة حتى يُحقّق محور دوران المحرك الموضع المرغوب.

التغذية الراجعة في محرك السيرفو، مصدر الصورة: موقع realpars
التغذية الراجعة في محرك السيرفو، مصدر الصورة: موقع realpars
تغيير اتجاه محور الدوران، مصدر الصورة: موقع realpars
تغيير اتجاه محور الدوران، مصدر الصورة: موقع realpars

كما تُقاس قيمة الموضع الحالي للمحور وسرعته كتغذية راجعة من خلال المشفر الذي يعمل كالحسّاس ويوضع داخل علبة المحرّك ويزود بنظام التروس أوالمسننات.

المشفر، مصدر الصورة: موقع realpars
المشفر، مصدر الصورة: موقع realpars

أنواع محركات السيرفو:

تُصنّف محركات السيرفو إلى أنواع مختلفة اعتماداً على التطبيقات والأغراض المستخدمة لأجلها، مثل محركات ذات تيار متردد AC ومحركات ذات تيار مستمر DC، ويوجد عموماً ثلاث أمور تؤخذ بعين الاعتبار في التصنيف وهي:

أولاً  التصنيف حسب نوع التيار (متردّد أو مستمر)، ثانياً التصنيف حسب نوع التبديل Commutation)) لاتّجاه التيار الكهربائي إمّا ميكانيكي (يستخدم فرش ’ Brushes’) وإمّا إلكتروني (عديم الفرش ’ Brushless’)، والنوع الثالث يعتمد على الحقل المغناطيسي والعضو الدوار (Rotor) سواء أكان الدوران متزامن أم غير متزامن.

يُعَدّ تصنيف محرك السيرفو بناءً على نوع التيار التصنيف الأساسي للمحرك، ويكمن الفرق بينهما في القدرة على التحكُّم بالسرعة، ففي محرك التيار المستمر ومن أجل حمل ثابت تتناسب السرعة طرداً مع جهد التغذية.

 أنواع السيرفو بحسب التيار، مصدر الصورة: موقع realpars
أنواع السيرفو بحسب التيار، مصدر الصورة: موقع realpars

أمّا بالنسبة لمحرك التيار المتردد فتحدد قيمة السرعة بحسب تردد الجهد وعدد الأقطاب المغناطيسية.

محرك التيار المستمر والمتردد، مصدر الصورة: موقع realpars
محرك التيار المستمر والمتردد، مصدر الصورة: موقع realpars

على الرّغم من استخدام كلا النوعين في أنظمة السيرفو فإنّ محركات التيار المتناوب تتحمل تياراً أعلى من محركات التيار المستمر وتستخدم بكثرة في تطبيقات السيرفو مثل الروبوتات، وخطوط التّصنيع، وتطبيقات صناعية أخرى تتطلب تكرارات ودقة عالية بالحركة.

بالنسبة للنوع الثاني، وهو المحركات مع الفرش والمحركات عديمة الفرش؛ إذ يُحول محرك السيرفو المستمر ميكانيكياً باستخدام فرش و مبادل، أو إلكترونياً دون فرش، وتُعدّ المحركات ذات الفرش عموماً أرخص ثمناً وأبسط بالعمل، بينما تتميز الأُخرى بأنها أكثر موثوقيّة وكفاءة وأقل ضوضاء.

محرك عديم الفرش ومحرك ذو فرش، مصدر الصورة: موقع realpars
محرك عديم الفرش ومحرك ذو فرش، مصدر الصورة: موقع realpars

يُعرّف المُبادل ((Commutator على أنّه مفتاح كهربائي دوّار يعكس دوريّاً اتّجاه التيار المار بين العضو الدوار والدارة الكهربائية الخارجية، ويتكون من أسطوانة دورانية تتألف من عدّة قطاعات معدنية مثبتة على العضو الدوار، إضافةً إلى قطعتين معدنيتين أو أكثر تسمى “فُرش” مصنوعة من مواد ناقلة ليّنة مثل الكربون بحيث توضع على المبادل وتدور مع القطاعات المعدنية أثناء عمل المحرك.

بنية المحرك ذو الفرش، مصدر الصورة: موقع realpars
بنية المحرك ذو الفرش، مصدر الصورة: موقع realpars

وعلى الرغم من أنّ غالبية المحركات المستخدمة في أنظمة السيرفو هي محركات عديمة الفرش ذات تيار متردد، فإنّ محركات المغناطيس الدائم ذات الفرش تستخدم أحياناً لسهولة استخدامها وكلفتها المنخفضة، وتُعدّ المحركات المستمرة ذات المغناطيس الدائم من أكثر أنواع المحركات المستمرة استخداماً في تطبيقات السيرفو.

اتجاه الدوران في المحرك ذو الفرش، مصدر الصورة: موقع realpars
اتجاه الدوران في المحرك ذو الفرش، مصدر الصورة: موقع realpars

تُستبدل الفرش والمبادل في المحركات عديمة الفرش بوسائل إلكترونيّة أخرى لعكس التيار(التبديل)، وذلك من خلال تأثير حساس هول Hall effect)) الذي يكشف قوة واتّجاه الحقل المغناطيسي الناتج أو من خلال المشفر.

تأثير حساس هول، مصدر الصورة: موقع realpars
تأثير حساس هول، مصدر الصورة: موقع realpars

وعموماً يُعدّ محرك التيار المتردد عديم الفرش، على الرغم من تصميم بعضها بفرش مثل المحرك العام (Universal motor) الذي يعمل على كل من نظام التيار المستمر والمتردد، ويبدل التيار ميكانيكياً.

المحرك العام، مصدر الصورة: موقع realpars
المحرك العام، مصدر الصورة: موقع realpars
محرك عديم الفرش ومحرك ذو فرش، مصدر الصورة: موقع realpars
محرك عديم الفرش ومحرك ذو فرش، مصدر الصورة: موقع realpars

يعتمد التصنيف الأخير على الحقل المغناطيسي الدوار المستخدم في تطبيقات السيرفو فيما إذا كان متزامن أم غير متزامن، فبينما تصنّف المحركات المستمرة عموماً إلى محركات بفرش أو عديمة الفرش فإنَّ المحركات المترددة تصنف حسب سرعة دوران مجالها المغناطيسي الذي يحدده تردد جهد التغذية وعدد الأقطاب المغناطيسية، وتسمى هذه السرعة بالمتزامنة لأن سرعة دوران العضو الدوار والحقل المغناطيسي المتولد عن العضو الثابت تكون متماثلة.

أمّا في المحرك غير التزامني والذي يسمى بالمحرك الحثّي فإنّ سرعة دوران العضو الدوار أبطأ من سرعة دوران الحقل المغناطيسي للعضو الثابت، ويمكن تغيير قيمة السرعة باستخدام العديد من طرق التحكُّم مثل تغيير عدد الأقطاب المغناطيسية والتردد.

السرعة المتزامنة وغير المتزامنة في المحرك، مصدر الصورة: realpars
السرعة المتزامنة وغير المتزامنة في المحرك، مصدر الصورة: realpars

يعتمد محرك السيرفو المستمر في عمله على أربع مكونات رئيسية، هي المحرك المستمر وجهاز استشعار الموقع ومجموعة مسننات ودارة تحكم، وتحدّد سرعته المطلوبة اعتماداً على جهد التغذية المطبق وذلك بتطبيقه كدخلٍ لإحدى مضخمات الخطأ (Error amplifier).

تستخدم نبضة تحكم في بعض الدارات لإنتاج جهدٍ مرجعي للتيار المستمر يتوافق مع الموضع أو السرعة المطلوبة، ويطبق على محول جهد عرض النبضة، ويحدد طول النبضة الجهد المطبق على مضخّم الخطأ لنحصل على الجهد أو السرعة المرغوبة.

يُستخدم المتحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) أو أيّ جهاز يتحكم في الحركة في التحكم الرقمي لتوليد النبضات بناءً على نسبة العمل وللتحكم بدقة أعلى.

آلية عمل محرك السيرفو المستمر، مصدر الصورة: موقع realpars

غالباً ما تكون إشارة التغذية الراجعة من مقياس الجهد الذي ينتج جهداً يتناسب مع زاوية دوران عمود المحرّك من خلال آلية المسننات، وثم تطبق التغذية الراجعة على دخل مضخم الخطأ الذي يقارن قيمة الجهد الناتجة عن الموضع الحالي لمحور الدوران وقيمة الموضع المرغوبة للمحور، وذلك من خلال حساب قيمة الخطأ إما كجهد سالب أو موجب.

وتطبق قيمة الخطأ على العضو الدوار، والّذي كلّما ازدادت قيمته تزداد قيمة جهد الخرج المطبق على العضو الدوار، ويبقى المحرك بحالة دوران حتى تصبح قيمة الخطأ صفر، وينعكس الجهد المطبق على العضو الدوار عندما يكون الخطأ سالباً لذلك ينعكس اتجاه دورانه.

آلية عمل محرك السيرفو المتردد، مصدر الصورة: موقع realpars
آلية عمل محرك السيرفو المتردد، مصدر الصورة: موقع realpars

يعمل محرك السيرفو ذو التيار المتردد بالاعتماد على نوعين مختلفين هما المحركات المتزامنة وغير المتزامنة (الحثّيّة)، وتتألف المحركات المتزامنة من عضو دوار وعضو ثابت يتكون من أسطوانة دورانية ونواة. يُلف الملف حول العضو الثابت ويتصل بأسلاك تغذي المحرك بالتيار.

محرك سيرفو متزامن، مصدر الصورة: موقع realpars

يتألف العضو الدوار من مغناطيس دائم، وهو يختلف عن نظيره في المحركات غير المتزامنة التي يولد فيها التيار بوساطة آلية كهرومغناطيسية، ولذلك تسمى هذه المحركات بعديمة الفرش. عند تغذية العضو الثابت بالجهد يتولّد حقل مغناطيسي يدور بتزامنٍ مع دوران العضو الدوار، ولذلك يمكن التحكم بالمحركات المتزامنة.

يعوض المغناطيس الدائم العضو الدوار عن مرور التيار فيه، فعندما يتوقف تدفُّق الحقل المغناطيسي للعضو الثابت فإنّ العضو الدوار يتوقف أيضاً، وتكون هذه المحركات أكثر فعالية بسبب عدم وجود تيار في العضو الدوار.

يوضع المشفر على العضو الدوار ويزود المتحكم بالقيم المتعلقة بموضع العضو الدوار بالنسبة للثابت.

يتألّف المحرك غير المتزامن أو الحثي من عضو ثابت، وآخر حثي دوار موصول بأسلاك ويتكون الأخير من محور ونواة قابلة للدوران، وتحوي أغلب المحركات الحثية عنصر دوار يسمى العضو الدوار أو قفص السنجاب Squirrel Cage)).

المحرك الحثي، مصدر الصورة: موقع realpars
المحرك الحثي، مصدر الصورة: موقع realpars

ويُغذّى العضو الثابت فقط بتيار متردد، ويتولّد عنه حقل ناتج عن تغيُّر التدفق المغناطيسي فيدور بسرعة متزامنة، ويسمى هذا الحقل المغناطيسي الدوار بـ (Rotating Magnetic Field, RMF).

تسبب السرعة النسبية بين الحقل المغناطيسي للعضو الثابت والدوار قوة كهرومغناطيسية فيه حسب قانون فارداي في التحريض الكهرومغناطيسي وهذا ما يحدث في المحولات.

حرك سيرفو غير متزامن، مصدر الصورة: موقع realpars

وينتج التيار الحثي للعضو الدوار حقل مغناطيسي حول نفسه، ويختلف عن التدفق في العضو الثابت.

تتعلّق سرعة دوران العضو الدوار بسرعة دوران الحقل المغناطيسي حول العضو الثابت بحيث يدور  الدوار بنفس الاتجاه، وعندما يكون دوران العضو الدوار أبطأ من دوران حقل العضو الثابت عندئذٍ يسمى المحرك بغير المتزامن.

تطبيقات محرك السيرفو:

تستخدم تطبيقات محرك السيرفو في العديد من الأنظمة الصناعية والتجارية والروبوتات، مثل استخدامها في مفاصل الروبوتات لتكون حركته بزاوية دقيقة.

ويستخدم أيضاً بوجهٍ مدمج في الكاميرا من أجل التركيز التلقائي لتصحيح موضع العدسة وإهمال الصور غير المهمّة، وأيضاً في أنظمة تحديد مواقع الهوائيات لتحديد موضع زاوية السّمت والارتفاع للتلسكوبات والهوائيات مثل تلك المستخدمة من قِبَل المرصد الفلكي الراديوي الوطني ((National Radio Astronomy Observatory.

وبذلك نكون قد تعرّفنا في هذا المقال على محرك السيرفو، وآلية عمله، إضافةً إلى العديد من المعلومات المفيدة لإنشاء مشروع التحكم.

ترجمة:اسراء اسماعيل
مراجعة:أماني صالح
تدقيق لغوي:تيماء العبيد
تحرير:محمد حنان