محرك سيرفو DC: البناء والعمل والتفاعل مع Arduino وتطبيقاته

أ أجهزة السيارات أو المؤازرة هي نوع واحد من المحركات الكهربائية المستخدمة لتدوير أجزاء الماكينة بدقة عالية. يشتمل هذا المحرك على دائرة تحكم توفر ملاحظات حول الموقع الحالي لعمود المحرك ، لذا فإن هذه التغذية المرتدة تسمح ببساطة لهذه المحركات بالدوران بدقة عالية. يعد محرك سيرفو مفيدًا في تدوير كائن ما على مسافة أو زاوية ما. يصنف هذا المحرك إلى نوعين من المحركات المؤازرة AC ومحرك سيرفو DC. إذا كان محرك سيرفو يستخدم طاقة التيار المستمر للعمل ، فإن المحرك يسمى محرك سيرفو DC بينما إذا كان يعمل مع طاقة التيار المتردد ، فإنه يُعرف باسم محرك سيرفو التيار المتردد. يوفر هذا البرنامج التعليمي معلومات موجزة عن محرك سيرفو DC - العمل مع التطبيقات.

ما هو محرك سيرفو DC؟

يُطلق على المحرك المؤازر الذي يستخدم المدخلات الكهربائية للتيار المستمر لإنتاج مخرجات ميكانيكية مثل الموضع أو السرعة أو التسارع محرك مؤازر DC بشكل عام ، تُستخدم هذه الأنواع من المحركات كمحركات رئيسية داخل الآلات التي يتم التحكم فيها عدديًا وأجهزة الكمبيوتر وغيرها الكثير أينما يتم البدء والتوقف. بدقة وبسرعة كبيرة.

بناء وتشغيل محرك سيرفو DC

تم تصنيع محرك سيرفو DC بمكونات مختلفة موضحة في مخطط الكتلة التالي. في هذا الرسم البياني ، تتم مناقشة كل مكون ووظيفته أدناه.

المحرك المستخدم في هذا هو محرك DC نموذجي بما في ذلك ملفه الميداني الذي يتم تحفيزه بشكل منفصل. بناءً على طبيعة الإثارة ، يمكن تصنيفها أيضًا على أنها محركات مؤازرة يتم التحكم فيها عن طريق المحرك ويتم التحكم فيها في الحقل.

الحمل المستخدم في هذا هو عبارة عن مروحة بسيطة أو حمولة صناعية متصلة ببساطة بالعمود الميكانيكي للمحرك.

يعمل صندوق التروس في هذا البناء مثل محول طاقة ميكانيكي لتغيير ناتج المحرك مثل التسارع أو الموضع أو السرعة اعتمادًا على التطبيق.

تتمثل الوظيفة الرئيسية لمستشعر الموضع في الحصول على إشارة التغذية الراجعة المكافئة للوضع الحالي للحمل. بشكل عام ، هذا مقياس جهد يستخدم لتوفير جهد يتناسب مع الزاوية المطلقة لعمود المحرك من خلال آلية التروس.

وظيفة المقارنة هي مقارنة o / p لمستشعر الموضع ونقطة مرجعية لإنتاج إشارة الخطأ وإعطائها لمكبر الصوت. إذا كان محرك DC يعمل بالتحكم الدقيق ، فلا يوجد خطأ. سيجعل مستشعر الموضع وعلبة التروس والمقارن النظام حلقة مغلقة.

وظيفة مكبر الصوت هي تضخيم الخطأ من المقارنة وإطعامه لمحرك التيار المستمر. لذلك ، فهي تعمل مثل وحدة التحكم النسبية حيث يتم تعزيز الكسب من أجل عدم وجود خطأ في الحالة المستقرة.

تعطي الإشارة المتحكم بها الإدخال إلى PWM (مُعدِّل عرض النبضة) اعتمادًا على إشارة التغذية المرتدة بحيث تعدل مدخلات المحرك للتحكم الدقيق وإلا صفر خطأ في الحالة المستقرة. علاوة على ذلك ، يستخدم مُعدِّل عرض النبضة هذا شكلاً موجيًا مرجعيًا ومقارنًا لإنتاج نبضات.

من خلال عمل نظام الحلقة المغلقة ، يتم الحصول على التسارع أو السرعة أو الموضع الدقيق. كما يوحي الاسم ، فإن المحرك المؤازر عبارة عن محرك متحكم به يوفر المخرجات المفضلة بسبب تأثير التغذية المرتدة ووحدة التحكم. يتم ببساطة تضخيم إشارة الخطأ واستخدامها لقيادة محرك سيرفو. اعتمادًا على طبيعة إشارة التحكم وطبيعة إنتاج مُعدِّل عرض النبض ، تتمتع هذه المحركات بطرق تحكم فائقة باستخدام رقائق FPGA أو معالجات الإشارات الرقمية.

عمل محرك سيرفو DC هو ؛ كلما تم تطبيق إشارة الإدخال على محرك التيار المستمر ، فإنه يقوم بتدوير العمود والتروس. لذلك ، يتم إرجاع دوران خرج التروس مرة أخرى إلى مستشعر الموضع (مقياس الجهد) الذي تدور مقابضه وتغير مقاومته. عندما يتم تغيير المقاومة ، يتم تغيير الجهد وهو إشارة خطأ يتم تغذيتها في وحدة التحكم وبالتالي يتم إنشاء PWM.

لمعرفة المزيد عن أنواع محركات DC المؤازرة ، يرجى الرجوع إلى هذا الرابط: أنواع مختلفة من المحركات المؤازرة .

وظيفة نقل محرك سيرفو DC

يمكن تعريف وظيفة النقل على أنها نسبة تحويل لابلاس (LT) لمتغير o / p إلى LT ( تحويل لابلاس ) من المتغير i / p. بشكل عام ، يقوم محرك التيار المستمر بتغيير الطاقة من الكهرباء إلى الميكانيكية. يتم تغيير الطاقة الكهربائية الموردة في أطراف المحرك إلى طاقة ميكانيكية يتم التحكم فيها.

يتم عرض وظيفة نقل محرك سيرفو DC المتحكم فيه من حديد التسليح أدناه.

θ (s) / Va (s) = (K1 / (Js2 + Bs) * (Las + Ra)) / 1 + (K1KbKs) / (Js2 + Bs) * (Las + Ra)

يتم عرض وظيفة النقل المؤازرة للتيار المستمر التي يتم التحكم فيها ميدانيًا أدناه.

θ (s) / Vf (s) = Kf / (sLf + Rf) * (s2J + Bs)

يوفر محرك سيرفو DC الذي يتم التحكم فيه بواسطة المحرك أداءً فائقًا بسبب نظام الحلقة المغلقة عند مقارنته بمحرك مؤازر تيار مستمر يتم التحكم فيه ميدانيًا وهو نظام الحلقة المفتوحة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن سرعة الاستجابة بطيئة داخل نظام التحكم الميداني. في حالة التحكم في المحرك ، يكون محاثة المحرك ضئيلًا ، بينما في حالة التحكم الميداني ، ليس هو نفسه. ولكن ، في التحكم في الأرض ، لا يمكن تحقيق التخميد المحسن ، بينما يمكن تحقيقه في التحكم في المحرك.

تحديد

يوفر محرك سيرفو DC مواصفات الأداء التي تشمل ما يلي. يجب مطابقة هذه المواصفات بناءً على متطلبات التحميل للتطبيق لحجم المحرك بشكل صحيح.

• تحدد سرعة العمود ببساطة السرعة التي يدور عندها العمود ، ويتم التعبير عنها ضمن RPM (الدورات في الدقيقة).
• عادةً ما تكون السرعة التي تقدمها الشركة المصنعة هي سرعة عدم التحميل لعمود o / p أو السرعة التي يكون عندها عزم الدوران الناتج للمحرك صفرًا.
• الجهد الطرفي هو جهد تصميم المحرك الذي يحدد سرعة المحرك. يتم التحكم في هذه السرعة ببساطة عن طريق زيادة أو تقليل الجهد الموفر للمحرك.
• يتم إنشاء قوة الدوران مثل عزم الدوران بواسطة عمود محرك سيرفو DC. لذلك ، يتم تحديد عزم الدوران المطلوب لهذا المحرك ببساطة من خلال خصائص سرعة عزم الدوران للأحمال المختلفة التي يتم اختبارها داخل التطبيق المستهدف. هذه العزم هي نوعان من عزم بدء التشغيل وعزم الدوران المستمر.
• عزم بدء التشغيل هو عزم الدوران المطلوب أثناء بدء تشغيل محرك سيرفو. عادة ما يكون هذا العزم أعلى مقارنة بعزم الدوران المستمر.
• العزم المستمر هو عزم الخرج وهو قدرة المحرك في ظروف التشغيل المستمر.
• يجب أن تتمتع هذه المحركات بسعة كافية من السرعة وعزم الدوران للتطبيق بما في ذلك هامش 20 إلى 30 ٪ بين ضرورات الحمل بالإضافة إلى تصنيفات المحرك للتأكد من الموثوقية. عندما تتجاوز هذه الهوامش أكثر من اللازم ، ستنخفض فعالية التكلفة مواصفات محرك سيرفو DC Coreless DC 12V من Faulhaber نكون:
• نسبة علبة التروس 64: لتر صندوق التروس الكوكبي ثلاثي المراحل.
• الحمل الحالي هو 1400 مللي أمبير.
• القوة 17 واط.
• السرعة 120 دورة في الدقيقة.
• لا يوجد تحميل الحالي 75mA.
• نوع التشفير هو بصري.
• دقة التشفير 768CPR من O / P Shaft.
• القطر 30 مم.
• الطول 42 مم.
• الطول الإجمالي 85 ملم.
• قطر رمح 6 مم.
• طول العمود 35 مم.
• يبلغ عزم الكشك 52kgcm.

صفات

ال خصائص محرك سيرفو DC تشمل ما يلي.

• تصميم محرك DC Servo مشابه للمغناطيس الدائم أو محرك DC متحمس بشكل منفصل.
• يتم التحكم في سرعة هذا المحرك عن طريق التحكم في جهد المحرك.
• تم تصميم محرك سيرفو بمقاومة عالية للحديد.
• يوفر استجابة سريعة لعزم الدوران.
• يؤدي التغيير التدريجي داخل جهد المحرك إلى حدوث تغيير سريع في سرعة المحرك.

محرك سيرفو AC مقابل محرك سيرفو DC

يشمل الاختلاف بين محرك سيرفو DC ومحرك سيرفو AC ما يلي.

محرك سيرفو يعمل بالتيار المستمر مع اردوينو

للتحكم في محرك سيرفو DC بزاوية دقيقة ومطلوبة ، يمكن استخدام لوحة Arduino / أي متحكم آخر. تحتوي هذه اللوحة على أنالوج o / p الذي يولد إشارة PWM لتحويل محرك سيرفو بزاوية دقيقة. يمكنك أيضًا تحريك موضع زاوية محرك سيرفو باستخدام مقياس الجهد أو أزرار الضغط باستخدام Arduino.

يمكن أيضًا التحكم في محرك سيرفو بجهاز تحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء وهو متاح بسهولة. يعد جهاز التحكم عن بعد هذا مفيدًا في تحريك محرك سيرفو التيار المستمر إلى زاوية معينة أو زيادة أو تقليل زاوية المحرك خطيًا باستخدام جهاز التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء.

سنناقش هنا كيفية تحريك محرك سيرفو باستخدام جهاز تحكم عن بعد يعمل بالأشعة تحت الحمراء باستخدام Arduino بزاوية محددة وأيضًا زيادة أو تقليل زاوية محرك المؤازرة مع اتجاه عقارب الساعة عن بعد وعكس اتجاه عقارب الساعة. يظهر أدناه الرسم التخطيطي البيني لمحرك سيرفو DC مع Arduino و IR عن بعد. تتبع اتصالات هذا التفاعل على النحو التالي ؛

تستخدم هذه الواجهة بشكل أساسي ثلاثة مكونات أساسية مثل محرك سيرفو يعمل بالتيار المستمر ولوحة أردوينو ومستشعر الأشعة تحت الحمراء TSOP1738. يحتوي هذا المستشعر على ثلاث محطات مثل Vcc و GND والإخراج. يتم توصيل طرف Vcc لهذا المستشعر بـ 5 فولت من لوحة Arduino Uno ، ويتم توصيل طرف GND الخاص بهذا المستشعر بمحطة GND بلوحة Arduino ويتم توصيل طرف الإخراج بالدبوس 12 (الإدخال الرقمي) بلوحة Arduino.

يتم توصيل دبوس الإخراج الرقمي 5 ببساطة بدبوس إدخال الإشارة لمحرك المؤازرة لقيادة المحرك
يتم إعطاء محرك مؤازر يعمل بالتيار المستمر + دبوس لمصدر 5 فولت خارجي ويتم إعطاء دبوس GND لمحرك سيرفو إلى دبوس GND في Arduino.

عمل

يستخدم جهاز التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء لأداء عمليتين 30 درجة و 60 درجة و 90 درجة ، وكذلك لزيادة / تقليل زاوية المحرك من 0 إلى 180 درجة.

يحتوي جهاز التحكم عن بعد على العديد من الأزرار مثل أزرار الأرقام (0-9) ، وأزرار التحكم في الزاوية ، وأزرار مفاتيح الأسهم ، وأزرار أعلى / أسفل ، وما إلى ذلك بمجرد الضغط على أي زر رقم من 1 إلى 5 ، ثم ينتقل محرك سيرفو التيار المستمر إلى ذلك الزاوية الدقيقة وعندما يتم الضغط على زر الزاوية لأعلى / لأسفل ، يمكن ضبط زاوية المحرك بالضبط عند ± 5 درجات.

بمجرد تحديد الأزرار ، يجب فك رموز هذه الأزرار. بمجرد الضغط على أي زر من جهاز التحكم عن بُعد ، سيرسل رمزًا واحدًا لتنفيذ الإجراء المطلوب. لفك رموز هذه الرموز البعيدة ، يتم استخدام مكتبة IR عن بعد من الإنترنت.

قم بتحميل البرنامج التالي في Arduino وقم بتوصيل مستشعر الأشعة تحت الحمراء. الآن ضع جهاز التحكم عن بعد باتجاه مستشعر الأشعة تحت الحمراء واضغط على الزر. بعد ذلك ، افتح الشاشة التسلسلية وراقب كود الزر المضغوط على شكل أرقام.

كود اردوينو

# تضمين // إضافة مكتبة IR عن بعد
# تضمين // إضافة مكتبة محركات مؤازرة
خدمة الخدمة 1 ؛
int IRpin = 12 ؛ // دبوس لمستشعر الأشعة تحت الحمراء
int motor_angle = 0 ؛
IRrecv irrecv (IRpin) ؛
نتائج decode_results ؛
الإعداد باطل()
{
Serial.begin (9600) ؛ // تهيئة الاتصال التسلسلي
Serial.println ('محرك سيرفو يتم التحكم فيه عن بعد بالأشعة تحت الحمراء') ؛ // عرض رسالة
irrecv.enableIRIn () ، // ابدأ جهاز الاستقبال
مؤازرة (5) ؛ // تعلن عن دبوس محرك سيرفو
servo1.write (motor_angle) ؛ // حرك المحرك إلى 0 درجة
Serial.println ('زاوية محرك سيرفو 0 درجة') ؛
تأخير (2000) ؛
}
حلقة فارغة()
{
while (! (irrecv.decode (& results))) ؛ // انتظر حتى لا يتم الضغط على أي زر
if (irrecv.decode (& results)) // عند الضغط على الزر واستلام الرمز
{
if (results.value == 2210) // تحقق مما إذا كان زر الرقم 1 مضغوطًا
{
Serial.println ('محرك سيرفو زاوية 30 درجة') ؛
موتور_انجل = 30 ؛
servo1.write (motor_angle) ؛ // حرك المحرك إلى 30 درجة
}
وإلا إذا (results.value == 6308) // إذا تم الضغط على زر الرقم 2
{
Serial.println ('محرك سيرفو زاوية 60 درجة') ؛
موتور_انجل = 60 ؛
servo1.write (motor_angle) ؛ // حرك المحرك إلى 60 درجة
}
وإلا إذا (results.value == 2215) // مثل الحكمة لجميع أزرار الأرقام
{
Serial.println ('محرك سيرفو بزاوية 90 درجة') ؛
موتور_انجل = 90 ؛
servo1.write (motor_angle) ؛
}
وإلا إذا (results.value == 6312)
{
Serial.println ('محرك سيرفو بزاوية 120 درجة') ؛
المحرك_انجل = 120 ؛
servo1.write (motor_angle) ؛
}
وإلا إذا (results.value == 2219)
{
Serial.println ('محرك سيرفو زاوية 150 درجة') ؛
المحرك_انجل = 150 ؛
servo1.write (motor_angle) ؛
}
وإلا إذا (results.value == 6338) // إذا تم الضغط على زر رفع الصوت
{
إذا (motor_angle <150) motor_angle + = 5 ؛ // زيادة زاوية المحرك
Serial.print ('زاوية المحرك') ؛
Serial.println (motor_angle) ؛
servo1.write (motor_angle) ؛ // وحرك المحرك إلى تلك الزاوية
}
وإلا إذا (results.value == 6292) // إذا تم الضغط على زر خفض الصوت
{
إذا (motor_angle> 0) motor_angle- = 5 ؛ // تقليل زاوية المحرك
Serial.print ('زاوية المحرك') ؛
Serial.println (motor_angle) ؛
servo1.write (motor_angle) ؛ // وحرك المحرك إلى تلك الزاوية
}
تأخير (200) ؛ // انتظر 0.2 ثانية
irrecv.resume () ؛ // مرة أخرى كن جاهزًا لتلقي الرمز التالي
}
}

يتم توفير الإمداد بمحرك سيرفو DC من 5 فولت خارجي ويتم توفير الإمداد بمستشعر الأشعة تحت الحمراء ولوحة Arduino من USB. بمجرد إعطاء الطاقة للمحرك المؤازر ، فإنه ينتقل إلى درجة 0. بعد ذلك ، سيتم عرض الرسالة على أنها 'زاوية محرك سيرفو هي 0 درجة' على الشاشة التسلسلية.

الآن على جهاز التحكم عن بعد ، بمجرد الضغط على الزر 1 ، سينتقل محرك سيرفو DC بمقدار 30 درجة. وبالمثل ، بمجرد الضغط على أزرار مثل 2 أو 3 أو 4 أو 5 ، سيتحرك المحرك بالزوايا المرغوبة مثل 60 درجة أو 90 درجة أو 120 درجة أو 150 درجة. الآن ، ستعرض الشاشة التسلسلية موضع زاوية محرك سيرفو كـ 'زاوية محرك سيرفو xx درجة'

بمجرد الضغط على زر رفع الصوت ، ستزداد زاوية المحرك بمقدار 5 درجات ، مما يعني أنه إذا كانت 60 درجة ، فسوف ينتقل إلى 65 درجة. لذلك ، سيتم عرض موضع الزاوية الجديدة على الشاشة التسلسلية.

وبالمثل ، بمجرد الضغط على زر خفض الزاوية ، ستنخفض زاوية المحرك بمقدار 5 درجات ، مما يعني أنه إذا كانت الزاوية 90 درجة ، فسوف تنتقل إلى 85 درجة. يتم استشعار الإشارة من جهاز التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء بواسطة مستشعر الأشعة تحت الحمراء. لمعرفة كيف يستشعر وكيف يعمل مستشعر الأشعة تحت الحمراء انقر فوق هنا

لذلك ، سيتم عرض موضع الزاوية الجديدة على الشاشة التسلسلية. لذلك ، يمكننا التحكم بسهولة في زاوية محرك سيرفو DC باستخدام جهاز التحكم عن بعد Arduino & IR.

لمعرفة كيفية توصيل DC Motor بوحدة تحكم 8051 ، انقر فوق هنا

مزايا محرك سيرفو DC

ال مزايا محركات DC المؤازرة تشمل ما يلي.

• عملية محرك سيرفو DC مستقرة.
• هذه المحركات لديها طاقة خرج أعلى بكثير من حجم ووزن المحرك.
• عندما تعمل هذه المحركات بسرعات عالية ، فإنها لا تصدر أي ضوضاء.
• عملية المحرك هذه خالية من الاهتزاز والرنين.
• تتميز هذه الأنواع من المحركات بنسبة عزم دوران عالية إلى نسبة القصور الذاتي ويمكنها التقاط الأحمال بسرعة كبيرة.
• لديهم كفاءة عالية.
• يعطون ردود سريعة.
• هذه محمولة وخفيفة الوزن.
• تشغيل أربعة أرباع ممكن.
• في السرعات العالية ، هذه هادئة بشكل مسموع.

ال عيوب محركات DC المؤازرة تشمل ما يلي.

• آلية التبريد لمحرك سيرفو DC غير فعالة. لذلك يتلوث هذا المحرك بسرعة بمجرد تهويته.
• يولد هذا المحرك أقصى طاقة خرج عند سرعة عزم دوران أعلى ويحتاج إلى تروس منتظمة.
• يمكن أن تتلف هذه المحركات بسبب الحمل الزائد.
• لديهم تصميم معقد ويحتاجون إلى جهاز تشفير.
• تحتاج هذه المحركات إلى ضبط لتحقيق الاستقرار في حلقة التغذية الراجعة.
• يتطلب صيانة.

تطبيقات محرك سيرفو DC

ال تطبيقات المحركات المؤازرة DC تشمل ما يلي.

• تُستخدم محركات مؤازرة DC في أدوات الآلات لقطع وتشكيل المعادن.
• تستخدم هذه في تحديد موضع الهوائي ، والطباعة ، والتعبئة ، والنجارة ، والمنسوجات ، وتصنيع الخيوط أو الحبال ، و CMM (آلات قياس الإحداثيات) ، ومواد المناولة ، وتلميع الأرضية ، وفتح الأبواب ، وطاولة X-Y ، والمعدات الطبية ، وغزل الرقاقات.
• تُستخدم هذه المحركات في أنظمة التحكم في الطائرات حيث تتطلب قيود المساحة والوزن محركات لتوفير طاقة عالية لكل وحدة حجم.
• هذه قابلة للتطبيق عندما يكون عزم الدوران المرتفع ضروريًا مثل محركات المراوح والمراوح.
• تستخدم هذه أيضًا بشكل أساسي في الروبوتات ، وأجهزة البرمجة ، والمشغلات الكهروميكانيكية ، وأدوات الآلات ، ووحدات التحكم في العمليات ، وما إلى ذلك.

وبالتالي ، هذه نظرة عامة على العاصمة محرك سيرفو - يعمل مع التطبيقات. تُستخدم محركات المؤازرة هذه في صناعات مختلفة لتوفير الحل للعديد من الحركات الميكانيكية. ميزات هذه المحركات ستجعلها فعالة وقوية للغاية. هنا سؤال لك ، ما هو محرك سيرفو AC؟