إزالة الغموض عن التحكم في المحركات: دليل شامل لتوليد إشارة PWM

تضمين عرض النبضة (PWM) هو تقنية قوية تُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات التحكم في المحركات حول العالم. إن تعدد استخداماتها وكفاءتها وسهولة تنفيذها جعلتها حجر الزاوية في الأنظمة المدمجة الحديثة وإلكترونيات الطاقة. يهدف هذا الدليل الشامل إلى توفير فهم عميق لتوليد إشارة PWM، ويغطي مبادئها الأساسية وطرق تنفيذها المختلفة والاعتبارات العملية والمواضيع المتقدمة ذات الصلة بالمشاريع الهندسية الدولية.

ما هو تضمين عرض النبضة (PWM)؟

PWM هي طريقة للتحكم في متوسط ​​الطاقة المُسلمة إلى حمل كهربائي عن طريق تشغيل وإيقاف مصدر الطاقة بتردد عالٍ. يشير "عرض النبضة" إلى مقدار الوقت الذي تكون فيه الإشارة في حالة 'التشغيل' (جهد عالٍ) مقارنة بالفترة الإجمالية للدورة. تُعرف هذه النسبة، المعبر عنها كنسبة مئوية، باسم دورة التشغيل (duty cycle).

على سبيل المثال، تعني دورة التشغيل بنسبة 50% أن الإشارة تكون في حالة 'التشغيل' لنصف الفترة و'الإيقاف' للنصف الآخر. تتوافق دورة التشغيل الأعلى مع توصيل طاقة أكبر إلى الحمل، بينما تتوافق دورة التشغيل الأقل مع توصيل طاقة أقل.

المعلمات الرئيسية لإشارة PWM

• التردد: المعدل الذي تكرر به إشارة PWM دورتها (مقاس بالهرتز - Hz). تؤدي الترددات الأعلى عمومًا إلى تشغيل أكثر سلاسة للمحرك ولكنها قد تزيد من خسائر التحويل.
• دورة التشغيل: النسبة المئوية للوقت الذي تكون فيه الإشارة في حالة 'التشغيل' داخل كل دورة (يُعبر عنها كنسبة مئوية أو قيمة عشرية بين 0 و 1). يتحكم هذا بشكل مباشر في متوسط الجهد المطبق على المحرك.
• الدقة: عدد مستويات دورة التشغيل المنفصلة المتاحة. توفر الدقة الأعلى تحكمًا أدق في سرعة المحرك وعزم الدوران. غالبًا ما يُعبر عن الدقة بالبت. على سبيل المثال، يحتوي PWM بدقة 8 بت على 256 (2^8) قيمة ممكنة لدورة التشغيل.

لماذا نستخدم PWM للتحكم في المحركات؟

يقدم PWM العديد من المزايا مقارنة بالطرق التناظرية التقليدية للتحكم في المحركات، مما يجعله الخيار المفضل في العديد من التطبيقات:

• الكفاءة: يعمل PWM في وضع التحويل، مما يقلل من تبديد الطاقة في أجهزة التحويل (مثل MOSFETs و IGBTs). ينتج عن هذا كفاءة طاقة أعلى مقارنة بمنظمات الجهد الخطية، التي تبدد الطاقة الزائدة على شكل حرارة. هذا مهم بشكل خاص في الأجهزة التي تعمل بالبطاريات أو التطبيقات التي يكون فيها الحفاظ على الطاقة أمرًا بالغ الأهمية.
• التحكم الدقيق: من خلال تغيير دورة التشغيل، يسمح PWM بالتحكم الدقيق في متوسط الجهد المطبق على المحرك، مما يتيح تنظيمًا دقيقًا للسرعة وعزم الدوران.
• المرونة: يمكن توليد PWM بسهولة باستخدام المتحكمات الدقيقة ومعالجات الإشارات الرقمية (DSPs) ووحدات تحكم PWM المخصصة. يوفر هذا مرونة في تصميم النظام ويسمح بالتكامل مع خوارزميات التحكم الأخرى.
• تقليل تبديد الحرارة: نظرًا لأن أجهزة التحويل تكون إما في وضع التشغيل الكامل أو الإيقاف الكامل، يتم تقليل تبديد الحرارة بشكل كبير مقارنة بطرق التحكم الخطية. هذا يبسط الإدارة الحرارية ويقلل من الحاجة إلى مشتتات حرارية ضخمة.

طرق توليد إشارات PWM

يمكن توليد إشارات PWM باستخدام تقنيات مختلفة، تتراوح من الدوائر التناظرية البسيطة إلى الحلول المعقدة القائمة على المتحكمات الدقيقة. فيما يلي بعض الطرق الشائعة:

١. توليد PWM التناظري

يتضمن توليد PWM التناظري عادةً استخدام مقارن لمقارنة جهد مرجعي (يمثل دورة التشغيل المطلوبة) مع شكل موجة سن المنشار أو موجة مثلثة. عندما يتجاوز شكل موجة سن المنشار الجهد المرجعي، يتبدل خرج المقارن، مما ينشئ إشارة PWM.

المزايا: سهلة التنفيذ بمكونات متاحة بسهولة. السلبيات: دقة ومرونة محدودة. عرضة لتغيرات المكونات والانحراف الحراري. غير مناسبة لخوارزميات التحكم المعقدة.

مثال: استخدام مضخم عملياتي (op-amp) مُكوَّن كمقارن مع موجة سن المنشار يتم إنشاؤها بواسطة دائرة RC ومقسم جهد متغير لضبط دورة التشغيل. تُستخدم هذه الطريقة غالبًا في دوائر التحكم الأساسية للمحركات أو العروض التعليمية.

٢. توليد PWM القائم على المتحكم الدقيق

المتحكمات الدقيقة هي المنصة الأكثر شيوعًا لتوليد إشارات PWM في أنظمة التحكم الحديثة في المحركات. تحتوي معظم المتحكمات الدقيقة على وحدات PWM مدمجة (مؤقتات/عدادات) يمكن تهيئتها لتوليد إشارات PWM مع تحكم دقيق في التردد ودورة التشغيل والدقة.

المزايا: دقة عالية، مرونة، وقابلية للبرمجة. سهولة تنفيذ خوارزميات التحكم المعقدة والتكامل مع الأجهزة الطرفية الأخرى. مجموعة واسعة من الخيارات للتردد ودورة التشغيل والدقة. تتطلب الحد الأدنى من المكونات الخارجية. السلبيات: تتطلب مهارات برمجية وفهمًا للأجهزة الطرفية للمتحكم الدقيق.

خطوات التنفيذ:

1. تهيئة المؤقت/العداد: حدد وحدة مؤقت/عداد مناسبة داخل المتحكم الدقيق وقم بتهيئة وضع التشغيل الخاص بها (على سبيل المثال، وضع PWM، وضع المقارنة).
2. ضبط تردد PWM: احسب مقسم التردد المسبق (prescaler) وقيمة المقارنة المطلوبة لتحقيق تردد PWM المرغوب. يعتمد هذا على تردد ساعة المتحكم الدقيق.
3. ضبط دورة التشغيل: اكتب قيمة دورة التشغيل المطلوبة في سجل المقارنة المناسب. يقوم المتحكم الدقيق تلقائيًا بتوليد إشارة PWM بناءً على هذه القيمة.
4. تمكين خرج PWM: قم بتهيئة دبوس المتحكم الدقيق المقابل كخرج وقم بتمكين وظيفة خرج PWM.

مثال (أردوينو):

```arduino int motorPin = 9; // دبوس رقمي متصل بمشغل المحرك int speed = 150; // سرعة المحرك (0-255، تقابل دورة تشغيل 0-100%) void setup() { pinMode(motorPin, OUTPUT); } void loop() { analogWrite(motorPin, speed); // توليد إشارة PWM بدورة التشغيل المحددة delay(100); // الحفاظ على السرعة لمدة 100 مللي ثانية } ```

مثال (STM32):

يتضمن هذا تهيئة وحدة TIM (المؤقت) باستخدام مكتبة STM32 HAL.

```c // المثال يفترض استخدام TIM3 على القناة 1 (دبوس PA6) TIM_HandleTypeDef htim3; // تهيئة المؤقت void MX_TIM3_Init(void) { TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0}; TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0}; TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0}; htim3.Instance = TIM3; htim3.Init.Prescaler = 71; // تعديل مقسم التردد المسبق للتردد المطلوب htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.Period = 999; // تعديل الفترة للتردد المطلوب htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim3.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; HAL_TIM_Base_Init(&htim3); sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL; HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig); HAL_TIM_PWM_Init(&htim3); sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET; sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig); sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; sConfigOC.Pulse = 500; // تعديل النبضة لدورة التشغيل (0-999) sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_MspPostInit(&htim3); } // بدء تشغيل PWM HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); ```

٣. وحدات تحكم PWM المخصصة

تقدم دوائر التحكم PWM المخصصة (ICs) حلاً مريحًا وغالبًا ما يكون أكثر كفاءة لتوليد إشارات PWM، خاصة في تطبيقات التحكم في المحركات عالية الطاقة. تتضمن هذه الدوائر المتكاملة عادةً ميزات حماية مدمجة، مثل الحماية من التيار الزائد والجهد الزائد، وقد توفر وظائف تحكم متقدمة.

المزايا: أداء عالٍ، ميزات حماية متكاملة، تصميم مبسط، غالبًا ما تكون محسّنة لأنواع معينة من المحركات. السلبيات: مرونة أقل مقارنة بالحلول القائمة على المتحكمات الدقيقة، تكلفة أعلى مقارنة بالمكونات المنفصلة.

مثال: استخدام دائرة تشغيل البوابة (gate driver IC) DRV8301 أو DRV8305 من Texas Instruments، والتي تدمج قنوات PWM متعددة وميزات حماية مصممة خصيصًا لتطبيقات التحكم في المحركات ثلاثية الطور. تُستخدم هذه الدوائر المتكاملة بشكل شائع في مشغلات المحركات عديمة الفرش (BLDC) للروبوتات والطائرات بدون طيار والأتمتة الصناعية.

تطبيقات PWM في التحكم في المحركات

يستخدم PWM في مجموعة واسعة من تطبيقات التحكم في المحركات، بما في ذلك:

• التحكم في سرعة محرك التيار المستمر (DC): من خلال تغيير دورة تشغيل إشارة PWM المطبقة على محرك DC، يمكن التحكم في سرعته بدقة. يُستخدم هذا على نطاق واسع في الروبوتات والمركبات الكهربائية والأجهزة الاستهلاكية.
• التحكم في محرك السيرفو: تستخدم محركات السيرفو إشارات PWM للتحكم في موضعها. يحدد عرض النبضة الموضع الزاوي لعمود المحرك. تنتشر محركات السيرفو في الروبوتات والطائرات النموذجية والأتمتة الصناعية.
• التحكم في المحرك الخطوي: على الرغم من أن المحركات الخطوية يتم التحكم فيها عادةً باستخدام مشغلات محركات خطوية مخصصة، يمكن استخدام PWM للتحكم في التيار في لفات المحرك، مما يتيح الخطوات الدقيقة (microstepping) وتحسين الأداء.
• التحكم في محرك التيار المستمر عديم الفرش (BLDC): تتطلب محركات BLDC تبديلًا إلكترونيًا، والذي يتم تحقيقه عادةً باستخدام متحكم دقيق أو وحدة تحكم محرك BLDC مخصصة تولد إشارات PWM للتحكم في تيارات طور المحرك. تُستخدم محركات BLDC في تطبيقات مختلفة، بما في ذلك المركبات الكهربائية والطائرات بدون طيار والأدوات الكهربائية.
• التحكم في العاكس (Inverter): تستخدم العاكسات PWM لتوليد أشكال موجية للتيار المتردد (AC) من مصدر تيار مستمر (DC). من خلال التحكم في تبديل ترانزستورات الطاقة (مثل MOSFETs أو IGBTs) بإشارات PWM، يمكن للعاكسات إنتاج جهد تيار متردد جيبي بتردد وسعة قابلين للتعديل. تُستخدم العاكسات في أنظمة الطاقة المتجددة وإمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS) ومشغلات المحركات.

اعتبارات لتوليد إشارة PWM في التحكم بالمحركات

عند تنفيذ PWM للتحكم في المحركات، يجب مراعاة عدة عوامل لتحسين الأداء وضمان التشغيل الموثوق:

١. اختيار تردد PWM

يعد اختيار تردد PWM أمرًا بالغ الأهمية ويعتمد على المحرك والتطبيق المحدد. تؤدي الترددات الأعلى عمومًا إلى تشغيل أكثر سلاسة للمحرك وتقليل الضوضاء المسموعة ولكنها تزيد من خسائر التحويل في ترانزستورات الطاقة. يمكن أن تقلل الترددات المنخفضة من خسائر التحويل ولكنها قد تسبب اهتزازات المحرك والضوضاء المسموعة.

إرشادات عامة:

• محركات التيار المستمر (DC): تُستخدم الترددات بين 1 كيلوهرتز و 20 كيلوهرتز بشكل شائع.
• محركات السيرفو: يتم تحديد تردد PWM عادةً من خلال مواصفات محرك السيرفو (غالبًا حوالي 50 هرتز).
• محركات BLDC: غالبًا ما تُستخدم الترددات بين 10 كيلوهرتز و 50 كيلوهرتز لتقليل خسائر التحويل والضوضاء المسموعة.

ضع في اعتبارك محاثة المحرك وخصائص التحويل لترانزستورات الطاقة عند اختيار تردد PWM. قد تتطلب المحركات ذات المحاثة الأعلى ترددات أقل لمنع تموج التيار المفرط. تسمح ترانزستورات التحويل الأسرع بترددات أعلى دون زيادات كبيرة في خسائر التحويل.

٢. دقة دورة التشغيل

تحدد دقة دورة التشغيل دقة التحكم في سرعة المحرك وعزم الدوران. تسمح الدقة الأعلى بتعديلات أدق وتشغيل أكثر سلاسة، خاصة عند السرعات المنخفضة. تعتمد الدقة المطلوبة على متطلبات الدقة للتطبيق.

مثال: يوفر PWM بدقة 8 بت 256 مستوى منفصلًا لدورة التشغيل، بينما يوفر PWM بدقة 10 بت 1024 مستوى. للتطبيقات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في السرعة، يُفضل عمومًا استخدام PWM بدقة أعلى.

تقدم المتحكمات الدقيقة ذات وحدات PWM عالية الدقة (مثل 12 بت أو 16 بت) أفضل أداء في تطبيقات التحكم في المحركات الصعبة.

٣. إدراج الوقت الميت (Dead Time)

في مشغلات المحركات بجسر H، من الضروري إدراج تأخير قصير (الوقت الميت) بين إيقاف تشغيل ترانزستور وتشغيل الترانزستور المقابل. هذا يمنع تيارات الاختراق (shoot-through)، التي يمكن أن تلحق الضرر بالترانزستورات. يحدث الاختراق عندما يكون كلا الترانزستورين في نفس الساق من جسر H في وضع التشغيل للحظات في نفس الوقت، مما يخلق دائرة قصر عبر مصدر الطاقة.

حساب الوقت الميت: يعتمد الوقت الميت المطلوب على سرعة تبديل الترانزستورات والمحاثة الشاردة في الدائرة. يتراوح عادةً من بضع مئات من النانوثانية إلى بضع ميكروثانية.

تحتوي العديد من وحدات PWM في المتحكمات الدقيقة على ميزات مدمجة لتوليد الوقت الميت، مما يبسط تنفيذ مشغلات المحركات بجسر H.

٤. الترشيح وتقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)

يمكن لإشارات PWM أن تولد تداخلًا كهرومغناطيسيًا (EMI) بسبب التبديل السريع للتيارات. يمكن استخدام تقنيات الترشيح لتقليل EMI وتحسين أداء النظام بشكل عام. تشمل طرق الترشيح الشائعة ما يلي:

• خرز الفريت: توضع على أسلاك طاقة المحرك لقمع الضوضاء عالية التردد.
• المكثفات: تستخدم لفصل مصدر الطاقة وتصفية ارتفاعات الجهد.
• الكابلات المحمية: تقلل من الانبعاثات المشعة من كابلات المحرك.

يعد التخطيط الدقيق للوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أمرًا بالغ الأهمية أيضًا لتقليل EMI. حافظ على المسارات عالية التيار قصيرة وعريضة، واستخدم مستويات أرضية لتوفير مسار عودة منخفض المعاوقة للتيارات.

٥. التحكم بالتغذية الراجعة

لتحكم دقيق في المحرك، غالبًا ما يتم استخدام تقنيات التحكم بالتغذية الراجعة. يتضمن التحكم بالتغذية الراجعة قياس سرعة المحرك أو موضعه أو تياره وتعديل دورة تشغيل PWM وفقًا لذلك للحفاظ على الأداء المطلوب. تشمل خوارزميات التحكم بالتغذية الراجعة الشائعة ما يلي:

• التحكم PID: التحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID) هو خوارزمية تحكم بالتغذية الراجعة مستخدمة على نطاق واسع تقوم بضبط دورة تشغيل PWM بناءً على الخطأ بين سرعة أو موضع المحرك المطلوب والفعلي.
• التحكم الموجه بالمجال (FOC): FOC هي تقنية تحكم متقدمة تستخدم لمحركات BLDC و AC. تتحكم في عزم دوران المحرك وتدفقه بشكل مستقل، مما يؤدي إلى كفاءة عالية وأداء ديناميكي.

يتطلب تنفيذ التحكم بالتغذية الراجعة متحكمًا دقيقًا به قدرات محول تناظري إلى رقمي (ADC) لقياس إشارات التغذية الراجعة وقوة معالجة كافية لتنفيذ خوارزميات التحكم في الوقت الفعلي.

تقنيات PWM المتقدمة

بالإضافة إلى توليد PWM الأساسي، يمكن للعديد من التقنيات المتقدمة أن تعزز أداء التحكم في المحرك بشكل أكبر:

١. تضمين متجه الفضاء (SVPWM)

SVPWM هي تقنية PWM متطورة تستخدم في مشغلات العاكس ثلاثي الطور. توفر استخدامًا محسنًا للجهد وتقليلًا للتشويه التوافقي مقارنة بتضمين PWM الجيبي التقليدي. يحسب SVPWM تسلسل التحويل الأمثل لترانزستورات العاكس لتوليف متجه الجهد الناتج المطلوب.

٢. تضمين سيجما-دلتا

تضمين سيجما-دلتا هو تقنية تستخدم لتوليد إشارات PWM عالية الدقة. تتضمن أخذ عينات زائدة من الإشارة المطلوبة واستخدام حلقة تغذية راجعة لتشكيل ضوضاء التكميم، مما ينتج عنه إشارة ذات نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية. غالبًا ما يستخدم تضمين سيجما-دلتا في مضخمات الصوت وتطبيقات التحكم في المحركات عالية الدقة.

٣. PWM العشوائي

يتضمن PWM العشوائي تغيير تردد PWM أو دورة التشغيل بشكل عشوائي لنشر طيف EMI. يمكن أن يقلل هذا من مستويات ذروة EMI ويحسن أداء التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) للنظام بشكل عام. غالبًا ما يستخدم PWM العشوائي في التطبيقات التي يكون فيها EMI مصدر قلق كبير، مثل تطبيقات السيارات والفضاء.

المعايير واللوائح الدولية

عند تصميم أنظمة التحكم في المحركات للأسواق الدولية، من المهم الامتثال للمعايير واللوائح ذات الصلة، مثل:

• IEC 61800: أنظمة تشغيل الطاقة الكهربائية متغيرة السرعة
• UL 508A: معيار لوحات التحكم الصناعية
• علامة CE: تشير إلى التوافق مع معايير الصحة والسلامة وحماية البيئة في الاتحاد الأوروبي.
• RoHS: توجيه تقييد استخدام المواد الخطرة
• REACH: تسجيل وتقييم وترخيص وتقييد المواد الكيميائية

تغطي هذه المعايير جوانب مثل السلامة والتوافق الكهرومغناطيسي (EMC) والامتثال البيئي. يوصى بالتشاور مع خبراء التنظيم لضمان الامتثال للمتطلبات المعمول بها في الأسواق المستهدفة.

أمثلة عالمية ودراسات حالة

مثال ١: التحكم في محرك السيارة الكهربائية (EV)

تستخدم السيارات الكهربائية أنظمة تحكم متطورة في المحركات تعتمد على PWM لإدارة سرعة وعزم دوران محرك الجر. غالبًا ما تستخدم هذه الأنظمة خوارزميات FOC وتقنيات PWM المتقدمة (مثل SVPWM) لزيادة الكفاءة والأداء إلى أقصى حد. تعد الشركات العالمية مثل Tesla (الولايات المتحدة الأمريكية) و BYD (الصين) و Volkswagen (ألمانيا) في طليعة تكنولوجيا التحكم في محركات السيارات الكهربائية.

مثال ٢: الروبوتات الصناعية

تعتمد الروبوتات الصناعية على التحكم الدقيق في المحركات لأداء المهام المعقدة. تُستخدم محركات السيرفو ومحركات BLDC بشكل شائع، مع استخدام PWM للتحكم في موضعها وسرعتها. تعد شركات مثل ABB (سويسرا) و Fanuc (اليابان) و KUKA (ألمانيا) من الشركات الرائدة في تصنيع الروبوتات الصناعية وأنظمة التحكم في المحركات.

مثال ٣: أنظمة الطاقة المتجددة

تستخدم العاكسات في أنظمة الطاقة الشمسية وتوربينات الرياح PWM لتحويل طاقة التيار المستمر إلى طاقة تيار متردد للاتصال بالشبكة. تُستخدم تقنيات PWM المتقدمة لتقليل التشوه التوافقي وزيادة كفاءة الطاقة إلى أقصى حد. تعد SMA Solar Technology (ألمانيا) و Vestas (الدنمارك) من اللاعبين الرئيسيين في قطاع الطاقة المتجددة، حيث يطورون أنظمة تحكم متطورة في العاكسات.

الخاتمة

يعد توليد إشارة PWM تقنية أساسية في أنظمة التحكم الحديثة في المحركات. لقد استكشف هذا الدليل مبادئ PWM، وطرق التنفيذ المختلفة، والاعتبارات العملية، والمواضيع المتقدمة ذات الصلة بالمشاريع الهندسية الدولية. من خلال فهم الفروق الدقيقة في PWM والنظر بعناية في متطلبات التطبيق، يمكن للمهندسين تصميم أنظمة تحكم في المحركات فعالة وموثوقة وعالية الأداء لمجموعة واسعة من التطبيقات في جميع أنحاء العالم. سواء كان الأمر يتعلق بوحدة تحكم بسيطة في سرعة محرك DC أو مشغل محرك BLDC متطور، فإن إتقان PWM أمر ضروري لأي مهندس يعمل في مجال التحكم في المحركات وإلكترونيات الطاقة.