المحركات عديمة الفرش (BLDC) والمتحكم الإلكتروني بالسرعة (ESC)

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.

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:

 

أجزاء محرّك (BLDC)
أجزاء محرّك (BLDC) (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

عند إمرارِ تيّارٍ كهربائيٍّ في ملفٍّ يتولَّد ُعليه مجالٌ مغناطيسيٌّ، ويعتمدُ اتجاه هذا المجالِ على اتّجاه التيّار المسبّبِ له.

 

اتّجاهَ خطوطِ المجالِ المغناطيسيّ
اتّجاهَ خطوطِ المجالِ المغناطيسيّ (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

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.

 

التأثيرَ المتبادل بين العضوِ الدوّار والمجالِ المغناطيسي المتولِّد في الملفّ
التأثيرَ المتبادل بين العضوِ الدوّار والمجالِ المغناطيسي المتولِّد في الملفّ (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

ولزيادةِ كفاءةِ المحرّكِ نصلُ الملفّاتِ المتقابلةِ لتصبحَ ملفّاً واحداً، فيتولَّد بهما مجالٌ مغناطيسيّ معاكسٌ لأقطاب ِالعضو الدوّار، فتتضاعفُ قوّةُ الجذبِ.

 

طريقةَ وصلِ ملفَّين متقابلَين
طريقةَ وصلِ ملفَّين متقابلَين (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

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.

 

توليدَ 6 أقطابٍ بثلاث ملفّات
توليدَ 6 أقطابٍ بثلاث ملفّات (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

لاحظْ أنّ المحرّكَ سيكملُ دورةً كاملةً في ستِ خطواتٍ على ستِ فترات.

 

مخطّط شكل موجة التيّار لمحرّك (BLDC)
مخطّط شكل موجة التيّار لمحرّك (BLDC) (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

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.

 

جريان تيّار مستمرّ خلال الملفّات
جريان تيّار مستمرّ خلال الملفّات (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

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.

التوصيل النجميّ للملفّات
التوصيل النجميّ للملفّات (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

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.

(مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

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.

توضُّع حساسات (تأثير-هال)
توضُّع حساسات (تأثير-هال) ومخطّط خرج هذه الحسّاسات (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

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.

شرح طريقة (Back EMF)
شرح طريقة (Back EMF) (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

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.

محرك (BLDC) 12 قطب ,وثلاث أسلاك
محرك (BLDC) 12 قطب ,وثلاث أسلاك (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

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.

التصميمان لمحركات (BLDC)
التصميمان لمحركات (BLDC) (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

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.

كيفية وصل المقاومات ,وأسلاك المحرّك ,وراسم الإشارة
كيفية وصل المقاومات ,وأسلاك المحرّك ,وراسم الإشارة (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

سنلاحظ أوّلاً ثلاثَ موجاتٍ جيبيةٍ تمثِّلُ القوى الدافعةَ الكهربيّةَ المرتدةَ المتولِّدةَ في الملفّات الخاملة.

شكل الموجة على الراسم
شكل الموجة على الراسم (مصدر الصورة: موقع howtomechatronics)

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.

Leave a Reply

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