كيف تحقق المحركات الكهربائية الخطية حركة خطية دقيقة من خلال التحكم في الموضع؟

كجهاز قيادة رئيسي في مجال الأتمتة الصناعية ، تتمثل الوظيفة الأساسية للمشغلات الكهربائية الخطية في تحويل الإشارات الكهربائية إلى حركة خطية عالية الدقة. يتم استخدامها على نطاق واسع في التحكم في الصمام ، وضع الذراع الآلي ، تنظيم السوائل وغيرها من السيناريوهات. يعتمد سير العمل الخاص به على مبدأ التحكم في الموقف. من خلال تعاون الحلقة المغلقة لمعالجة الإشارات ، وحساب الانحراف الديناميكي ، ومحرك المحرك ، وملاحظات الموضع ، فإنه يدرك التحكم الدقيق في مسار الحركة للمشغل. لا يدمج هذا النظام الفني فقط التحكم في المحرك ، ونقل الميكانيكية ، وتكنولوجيا الاستشعار الإلكترونية ، ولكن أيضًا يعكس المتطلبات الشاملة للصناعة الحديثة للاستجابة الديناميكية ودقة المواقع واستقرار النظام.

يبدأ سير عمل المشغلات الكهربائية الخطية بالإشارة التناظرية المرسلة بواسطة نظام التحكم. عادةً ما يتم استخدام الإشارة الحالية 4-20MA كتعليمات التحكم. لا يضمن نطاق الإشارة الكهربائية الموحدة هذا فقط قدرة مضادات التداخل على انتقال الإشارة ، ولكنها توفر أيضًا مساحة تعديل ديناميكية كافية للنظام. عندما يقوم نظام التحكم بإخراج قيمة تيار معينة ، يحتاج المشغل إلى تحويله إلى إزاحة خطي محدد. تعتمد هذه العملية على الدور الأساسي لموقع الموضع. أخذ لوحة التحكم PM-2 كمثال ، يمكن أن يحول دائرة التحويل التناظرية إلى الرقمية المدمجة داخليًا إلى حد كبير الإشارة الحالية إلى كمية رقمية ، مع تلقي إشارة التغذية المرتدة في الوقت الفعلي من مستشعر الموضع. تصبح قيمة الانحراف التي تشكلها المقارنة بين الاثنين معلمة الإدخال لخوارزمية التحكم اللاحقة.

يكمن جوهر حساب الانحراف في إدخال خوارزمية PID. تقوم الخوارزمية بضبط كثافة الإخراج لتيار محرك الأقراص ديناميكيًا من خلال مزيج خطي من النسبة (P) ، والتكامل (I) ، والتمايز (D). يستجيب المصطلح النسبي مباشرة للانحراف الحالي ، ويزيل المصطلح المتكامل الخطأ المتراكم على المدى الطويل ، ويتوقع المصطلح التفاضلي اتجاه تغيير الانحراف. يعمل الثلاثة معًا لإبطاء المشغل عند الاقتراب من الوضع المستهدف لتجنب تجاوز التذبذب. على سبيل المثال ، عندما يتطلب نظام التحكم من المشغل الانتقال من الموضع الأولي إلى 10 مم ، سيستمر محدد الموضع في مقارنة الانحراف بين الموضع الفعلي والقيمة الهدف ، وضبط تيار محرك المحرك ديناميكيًا من خلال خوارزمية PID حتى يقترب الانحراف صفر. لا تتطلب هذه العملية فقط كفاءة الخوارزمية ، ولكن أيضًا قدرة الاستجابة في الوقت الفعلي لنظام الأجهزة.

كمصدر للطاقة للمشغل ، يحدد أداء المحرك مباشرة الخصائص الديناميكية للنظام. أصبح محرك DC بدون فرش هو الخيار السائد للمشغلات الكهربائية الخطية بسبب عزم الدوران العالي وخصائص تذبذب السرعة المنخفضة. مدفوعًا بالتيار الكهربائي ، يخرج المحرك حركة الدوران ، لكن السيناريوهات الصناعية غالبًا ما تتطلب إزاحة خطيًا ، لذلك يجب تحقيق تحويل نموذج الطاقة من خلال آلية نقل المخفض والبرغي. يقلل المخفض من السرعة ويزيد عزم الدوران من خلال الانتشار ، بينما يحول المسمار الحركة الدورانية إلى حركة خطية. على سبيل المثال ، يمكن أن يحقق المسمار الكرة دقة تحديد المواقع على مستوى الميكرون بسبب احتكاكه المنخفض وكفاءته العالية ؛ في حين أن المسمار شبه المنحرف يستخدم وظيفة قفل الذات للحفاظ على وضع المشغل دون تغيير عند إيقاف الطاقة ، وهو مناسبة للسيناريوهات التي تتطلب قوة عقد ثابتة.

يجب أن يأخذ تصميم آلية الإرسال في الاعتبار كل من الدقة والموثوقية. ستؤثر دقة الرصاص ، وتعديل التحميل المسبق وطريقة تزييت المسمار الكرة على تكرار النظام وعمر الخدمة. تستخدم بعض المحركات الراقية هيكلًا مزدوجًا مسبقًا للتخلص من الخلوص المحوري من خلال عناصر مرنة ، مما يؤدي إلى تحسين تصلب النقل. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن تجاهل مستوى حماية سلسلة الإرسال ، خاصة في البيئات المتربة والرطبة ، حيث يمكن لتصميم الختم والطلاء المضاد للتآكل تمديد عمر المعدات بشكل فعال.

مستشعر الموضع هو "عين" نظام الحلقة المغلقة ، وحدد دقته واستقراره الأداء النهائي للمشغل. تعكس أجهزة قياس الجهد البلاستيكية الموصلة معلومات الموضع من خلال التغييرات في قيمة المقاومة ، ولها مزايا بنية بسيطة وتكلفة منخفضة ، ولكن بعد الاستخدام طويل الأجل ، قد تنخفض الدقة بسبب التآكل. تدرك المشفرات الرقمية غير الملامسة اكتشاف الموضع من خلال المبادئ الكهروضوئية أو المغنطيسية ، ولها خصائص عالية الدقة والحياة الطويلة ، والتي هي مناسبة بشكل خاص لسيناريوهات الحركة المتبادلة عالية السرعة والتردد. على سبيل المثال ، تحدد المشفرات المتزايدة النزوح النسبي عن طريق حساب النبض ، في حين يمكن لعمليات الترميز المطلقة إخراج رموز الموضع الفريدة مباشرة لتجنب مشكلة فقدان الموضع بعد انقطاع التيار الكهربائي.

يجب تنسيق معالجة إشارات التغذية المرتدة بشكل وثيق مع خوارزمية التحكم. بعد استلام إشارة المستشعر ، يحتاج موقع موضع الموضع إلى تصفيةها وتخطيها للتخلص من تداخل الضوضاء والأخطاء غير الخطية. على سبيل المثال ، يمكن لخوارزمية مرشح Kalman قمع إشارات الاهتزاز عالية التردد بشكل فعال وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء للكشف عن الموضع. في الوقت نفسه ، يحتاج تردد أخذ العينات لإشارة التغذية المرتدة إلى مطابقة دورة التحكم لضمان استجابة النظام للاضطرابات الخارجية في الوقت المناسب.

خصائص الحلقة المغلقة المحركات الكهربائية الخطية امنحهم قدرات قوية لمكافحة التداخل. عندما يتغير الحمل الخارجي بشكل مفاجئ أو يتقلب جهد إمداد الطاقة ، يؤدي انحراف الموضع إلى التعديل الديناميكي لخوارزمية PID. على سبيل المثال ، في سيناريو التحكم في الصمام ، قد تتسبب الزيادة المفاجئة في ضغط خط الأنابيب لزيادة عزم الدوران في تحميل المشغل. في هذا الوقت ، ستدافع إشارة انحراف الموضع إلى المحرك لزيادة تيار الإخراج للتعويض عن تغيير الحمل. يشكل مفتاح حد عزم الدوران وجهاز حد السفر طبقة حماية الأجهزة لمنع التحميل الزائد الميكانيكي الناجم عن فشل البرنامج.

تنعكس القدرة التكيفية للنظام أيضًا في إعداد المعلمات. يجب تحسين معامل كسب خوارزمية PID وفقًا لخصائص المشغل وسيناريوهات التطبيق. على سبيل المثال ، في الحركة المتبادلة عالية التردد ، يجب زيادة وزن المصطلح التفاضلي لقمع التجاوز ؛ وفي ظل ظروف التحميل العالي ، يجب زيادة تأثير المصطلح المتكامل للقضاء على الأخطاء الثابتة. تدعم بعض المشغلات وظيفة الضبط الذاتي للمعلمة ، والتي تدرك تكوين معلمة التحكم الأمثل عن طريق تحديد نموذج النظام تلقائيًا.