المحرك الخادم: التعريف، مبدأ العمل، والتطبيقات

محرك الخادم: التعريف، مبدأ العمل، والتطبيقات

النقاط الرئيسية للتعلم:

تعريف محرك الخادم: يتم تعريف محرك الخادم بأنه محرك كهربائي يوفر السيطرة الدقيقة على الموضع الزاوي أو الخطي، والسرعة، والعزم باستخدام نظام حلقة ردود الفعل.

أنظمة التحكم: يستخدم محرك الخادم أنظمة تحكم متقدمة مثل PID و المنطق الضبابي لتعديل الحركة وفقًا للإشارات الواردة وإشارات الردود لتحسين الأداء.

أنواع المحركات: تشمل الأنواع المختلفة محركات الخادم التيار المتردد والتيار المستمر، مع أصناف فرعية مثل المتزامن وغير المتزامن، ذو الفرشاة ودون فرشاة، كل منها مصمم لتطبيقات محددة.

آلية الردود: استخدام المستشعرات بكفاءة مثل المقاومات المتغيرة والمُشفرات يساعد في رصد دقيق وتعديلات لمواقع المحرك، السرعات، أو العزوم.

نظرة عامة على التطبيقات: تعتبر محركات الخادم أساسية في المجالات ذات الدقة العالية مثل الروبوتات، الآلات CNC، والتصنيع الآلي بسبب قدرتها على التعامل مع الحركات والمهام المعقدة.

يُعرف محرك الخادم بأنه محرك كهربائي يسمح بالتحكم الدقيق في الموضع الزاوي أو الخطي، والسرعة، والعزم. يتكون من محرك مناسب متصل بمستشعر لمعلومات الموضع ووحدة تحكم تنظم حركة المحرك وفقًا لنقطة المرجع المرغوبة.

تعتبر محركات الخادم ضرورية في الصناعات مثل الروبوتات، الآلات CNC، والتصنيع الآلي بسبب دقتها، استجابتها السريعة، وحركتها السلسة.

في هذا المقال، سنشرح النظرية الأساسية لمحركات الخادم، كيفية عملها، كيفية التحكم فيها وما هي بعض تطبيقاتها الشائعة.

ما هو محرك الخادم؟

مقدمة عن محرك الخادم: محرك الخادم هو محرك كهربائي يقوم بضبط موقعه، سرعته، أو عزمه استجابة لإشارات الوحدة المتحكمة.

مصطلح الخادم يأتي من الكلمة اللاتينية "servus" والتي تعني الخادم أو العبد. هذا يعكس الاستخدام التاريخي لمحركات الخادم كمحركات مساعدة تساعد نظام القيادة الرئيسي.

ومع ذلك، فإن محركات الخادم الحديثة قادرة على تقديم أداء عالي ودقة كمحركات رئيسية في العديد من التطبيقات.

يتكون محرك الخادم من ثلاثة مكونات رئيسية:

محرك: يمكن أن يكون هذا محرك تيار مستمر أو محرك تيار متردد اعتمادًا على مصدر الطاقة ومتطلبات التطبيق. يوفر المحرك القوة الميكانيكية لتدوير أو تحريك عمود النقل الخارجي.

مستشعر: يمكن أن يكون هذا مقاومة متغيرة، أو مشفر، أو محلل، أو جهاز آخر يقيس موقع عمود النقل الخارجي، أو سرعته، أو عزمه ويرسل إشارات ردود إلى الوحدة المتحكمة.

وحدة تحكم: يمكن أن تكون هذه دارة آنالوج أو رقمية تقارن إشارات الردود من المستشعر بإشارات نقطة المرجع المرغوبة من مصدر خارجي (مثل الكمبيوتر أو عصا التحكم) وتوليد إشارات تحكم لضبط فولتية أو تيار المحرك وفقًا لذلك.

تستخدم الوحدة المتحكمة نظام ردود مغلق، حيث تقوم بضبط حركة المحرك لتتوافق بشكل وثيق مع نقطة المرجع المرغوبة، مما يحافظ على الدقة الصارمة.

يمكن أيضًا للوحدة المتحكمة تنفيذ خوارزميات تحكم مختلفة، مثل التحكم التناسبي-المتكامل-التفاضلي (PID)، والمنطق الضبابي، والتحكم التكيفي، وغيرها، لتحسين أداء محرك الخادم.

كيف يعمل محرك الخادم؟

يعتمد مبدأ عمل محرك الخادم الأساسي على استقبال الوحدة المتحكمة لـ نوعين من الإشارات:

إشارة نقطة المرجع: وهي إشارة آنالوج أو رقمية تمثل الموضع، السرعة، أو العزم المرغوب لعمود النقل الخارجي.

إشارة الردود: وهي إشارة آنالوج أو رقمية تمثل الموضع الفعلي، السرعة، أو العزم لعمود النقل الخارجي المقاس بواسطة المستشعر.

تقوم الوحدة المتحكمة بمقارنة هاتين الإشارتين وحساب إشارة الخطأ التي تمثل الفرق بينهما.

تتم معالجة إشارة الخطأ بواسطة خوارزمية تحكم (مثل PID) التي تولد إشارة تحكم تحدد كمية الفولتية أو التيار الذي يجب تطبيقه على المحرك.

تتم إرسال إشارة التحكم إلى مكبر للقوة (مثل الجسر H) الذي يقوم بتحويلها إلى مستوى فولتية أو تيار مناسب لتشغيل المحرك.

ثم يدور المحرك أو يتحرك وفقًا لإشارة التحكم ويقوم بتغيير موقعه، سرعته، أو عزمه، ويرسل إشارة ردود جديدة إلى الوحدة المتحكمة.

تتكرر العملية حتى تصبح إشارة الخطأ صفرًا أو ضئيلة، مما يشير إلى أن عمود النقل الخارجي قد وصل إلى نقطة المرجع المرغوبة.

أنواع محركات الخادم

يمكن تصنيف محركات الخادم إلى أنواع مختلفة بناءً على مصدر الطاقة، والبناء، وآلية الردود، والتطبيق.

محركات الخادم التيار المتردد

محركات الخادم التيار المتردد هي محركات كهربائية تعمل بالتيار المتردد (AC). لديها ستاتور ينتج مجالًا مغناطيسيًا دوارًا وروتور يتبع هذا المجال.

محركات الخادم التيار المتردد، التي تعمل بالتيار المتردد، تتميز بستاتور ينتج مجالًا مغناطيسيًا دوارًا، وروتور يتناغم مع هذا المجال للعمل بكفاءة.

يمكن تقسيم محركات الخادم التيار المتردد إلى نوعين: متزامن وغير متزامن.

محركات الخادم التيار المتردد المتزامنة تحتوي على روتور مغناطيسي دائم يدور بنفس سرعة مجال الستاتور. فهي أكثر كفاءة، دقة، واستجابة من محركات غير المتزامنة، ولكنها تتطلب وحدة تحكم أكثر تعقيدًا ومستشعر للموقع.

محركات الخادم التيار المتردد غير المتزامنة تحتوي على روتور ملفوف ينتج تيارًا ومجالًا مغناطيسيًا يتأخر عن مجال الستاتور. فهي أبسط وأرخص وأكثر متانة من محركات المتزامنة، ولكنها أقل كفاءة، دقة، وسرعة.

محركات الخادم التيار المتردد مناسبة للتطبيقات ذات الطاقة العالية التي تتطلب سرعة وعزم وموثوقية عالية. وهي شائعة الاستخدام في الآلات الصناعية، الروبوتات، الآلات CNC، وغيرها.

محركات الخادم التيار المستمر

محركات الخادم التيار المستمر هي محركات كهربائية تعمل بالتيار المستمر (DC). لديها ستاتور مغناطيسي دائم ينتج مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا وروتور ملفوف يدور عندما يتم تطبيق تيار.

يمكن تقسيم محركات الخادم التيار المستمر إلى نوعين: ذو الفرشاة ودون فرشاة.

محركات الخادم التيار المستمر ذات الفرشاة تحتوي على مبدل وفرش تغير اتجاه التيار في ملفات الروتور. فهي بسيطة ومنخفضة التكلفة وسهلة التحكم، ولكنها أقل كفاءة، عمرًا، وسرعة بسبب الاحتكاك والارتداء للفرش.

محركات الخادم التيار المستمر دون فرشاة تحتوي على وحدة تحكم إلكترونية تقوم بتغيير اتجاه التيار في ملفات الستاتور. فهي أكثر كفاءة، متانة، وسرعة من محركات ذات الفرشاة، ولكنها تتطلب وحدة تحكم أكثر تعقيدًا ومستشعر للموقع.

محركات الخادم التيار المستمر مناسبة للتطبيقات ذات الطاقة المنخفضة التي تتطلب دقة عالية، استجابة سريعة، وحركة سلسة. وهي شائعة الاستخدام في المشاريع الهواة، السيارات اللعب، أجهزة CD/DVD، وغيرها.

محركات الخادم الخطية

محركات الخادم الخطية هي محركات كهربائية تنتج حركة خطية بدلاً من الدورانية. لديها جزء ثابت يسمى القوة الأولية أو الابتدائي الذي يحتوي على ملفات أو مغناطيسات، وجزء متحرك يسمى القاعدة الثانوية أو الثانوي الذي يحتوي على مغناطيسات أو نوى الحديد.

يمكن تقسيم محركات الخادم الخطية إلى نوعين: ذو نوى الحديد ودون نوى الحديد.

محركات الخادم الخطية ذات نوى الحديد تحتوي على نوى الحديد في القاعدة الثانوية التي تتفاعل مع مجال الستاتور. لديها كثافة قوة عالية، صلابة، ودقة، ولكنها أيضًا تتميز بقوة التروس العالية، الوزن، وإنتاج الحرارة.

محركات الخادم الخطية دون نوى الحديد لا تحتوي على نوى الحديد في القاعدة الثانوية، بل فقط مغناطيسات. لديها قوة تروس منخفضة، وزن، وإنتاج حرارة، ولكنها أيضًا تتميز بكثافة قوة منخفضة، صلابة، ودقة.

محركات الخادم الخطية مناسبة للتطبيقات التي تتطلب سرعة عالية، تسريع، ودقة على مسافات طويلة. وهي شائعة الاستخدام في تصنيع الأشباه الموصلات، القياس، القطع بالليزر، وغيرها.

كيفية التحكم في محرك الخادم؟

يعتمد التحكم في محرك الخادم على نوع المحرك، آلية الردود، ومتطلبات التطبيق.

بشكل عام، هناك نوعان من إشارات التحكم التي يمكن استخدامها للتحكم في محرك الخادم: آنالوج ورقمي.

إشارات التحكم الآنالوج هي إشارات فولتية أو تيار مستمرة تتغير بشكل تناسبي مع نقطة المرجع المرغوبة. وهي غالبًا ما تُستخدم لأنظمة الخادم البسيطة أو ذات التكلفة المنخفضة التي لا تتطلب دقة عالية أو دقة. على سبيل المثال، يمكن استخدام مقاومة متغيرة لتوليد إشارة تحكم آنالوجية لمحرك خادم الهواة.

إشارات التحكم الرقمية هي نبضات أو بتات متقطعة تمثل نقطة المرجع المرغوبة بشكل مرمّز. وهي غالبًا ما تُستخدم لأنظمة الخادم المعقدة أو ذات الأداء العالي التي تتطلب دقة عالية، دقة، أو اتصال. على سبيل المثال، يمكن استخدام إشارة تعديل عرض النبضة (PWM) لتوليد إشارة تحكم رقمية لمحرك خادم التيار المستمر دون فرشاة.

يمكن أن تكون وحدة تحكم محرك الخادم جهازًا خارجيًا أو دائرة متكاملة داخل المحرك. تستقبل الوحدة المتحكمة إشارات التحكم من مصدر خارجي (مثل الكمبيوتر أو عصا التحكم)، وإشارات الردود من المستشعر وتوليد الإشارات المناسبة للتحكم في المحرك.

يمكن أيضًا للوحدة المتحكمة تنفيذ خوارزميات تحكم مختلفة لتحسين أداء محرك الخادم. بعض الخوارزميات الشائعة هي:

التحكم التناسبي-المتكامل-التفاضلي (PID): وهو خوارزمية تحكم تعتمد على الردود تقوم بضبط إشارة التحكم بناءً على المصطلحات التناسبية، المتكاملة، والتفاضلية لإشارة الخطأ. وهو شائع الاستخدام لأنظمة الخادم التي تتطلب استجابة سريعة ودقيقة.

التحكم بالمنطق الضبابي: وهو خوارزمية تحكم تعتمد على القواعد تقوم بضبط إشارة التحكم بناءً على المجموعات الضبابية والمتغيرات اللغوية. وهو مفيد لأنظمة الخادم التي تتعامل مع عدم اليقين أو اللاخطية.

التحكم التكيفي: وهو خوارزمية تحكم ذاتية التسوية تقوم بضبط معلمات التحكم بناءً على التغيرات في ظروف نظام الخادم. وهو مفيد لأنظمة الخادم التي تواجه اضطرابات أو تغيرات.

تطبيقات محركات الخادم

لدى محركات الخادم مجموعة واسعة من التطبيقات في مجالات وصناعات مختلفة. بعض التطبيقات الشائعة هي:

الروبوتات: تستخدم محركات الخادم لتوفير حركة وقوة دقيقة للأذرع، الأرجل، المفاصل، الأيدي، وغيرها. تمكن الروبوتات من تنفيذ مهام مثل التقاط، وضع، لحام، تجميع، وغيرها.

آلات CNC: تستخدم محركات الخادم لدفع محاور آلات CNC مثل الخراطات، الطواحين، الروترات، وغيرها. تمكن آلات CNC من تنفيذ عمليات التشغيل الدقيقة والمعقدة مثل القطع، الحفر، النقش، وغيرها.

التصنيع الآلي: تستخدم محركات الخادم للتحكم في حركة وموقع المكونات والأجهزة في أنظمة التصنيع الآلي، مثل الناقلات، المغذيات، المحملات، المفاصيل، وغيرها. تمكن أنظمة التصنيع الآلي من تحقيق إنتاجية وجودة عالية.

المعدات الطبية: تستخدم محركات الخادم لتشغيل الأجهزة والأدوات الطبية مثل الروبوتات الجراحية، الماسحات، المضخات، أجهزة التنفس، وغيرها. تمكن المعدات الطبية من تنفيذ عمليات ومعالجات دقيقة وآمنة.

الخاتمة

في هذا المقال، تعلمنا عن تعريف محركات الخادم، مبدأ العمل، الأنواع، التحكم، والتطبيقات.

لقد رأينا أن محركات الخادم هي محركات كهربائية تسمح بالتحكم الدقيق في الموضع الزاوي أو الخطي، والسرعة، والعزم. تتكون من محرك، مستشعر، ووحدة تحكم تشكل نظام ردود مغلق.

لقد رأينا أيضًا أن محركات الخادم يمكن تصنيفها إلى أنواع مختلفة بناءً على مصدر الطاقة، البناء، آلية الردود، والتطبيق. بعض الأنواع الشائعة هي محركات الخادم التيار المتردد، محركات الخادم التيار المستمر، ومحركات الخادم الخطية.

لقد رأينا أيضًا أن محركات الخادم يمكن التحكم فيها بواسطة إشارات آنالوج أو رقمية تمثل نقطة المرجع المرغوبة. يمكن أيضًا للوحدة المتحكمة تنفيذ خوارزميات تحكم مختلفة لتحسين أداء محرك الخادم.

لقد رأينا أيضًا أن محركات الخادم لها نطاق واسع من التطبيقات في مجالات وصناعات مختلفة، مثل الروبوتات، آلات CNC، التصنيع الآلي، المعدات الطبية، وغيرها.

نتمنى أن يكون هذا المقال مفيدًا ومفيدًا لك. إذا كان لديك أي أسئلة أو تعليقات، فلا تتردد في مشاركتها معنا. شكراً لقرائتك!