مفاهیم تئوری در مورد کنترل حرکت

5 (100%) 1 vote

ساده ترین راه به حرکت در آوردن روبات ها ، دستگاه های مکاترونیکی و دیگر تجهیزات اتوماسیون استفاده از یک موتور DC است.

این موتور ها ارزان ، کوچک و کارآمد بوده و از نظر اندازه ، شکل و توان های مختلف ، در گستره وسیعی یافت می شوند.

یک موتور DC متداول از مجموعه ای از سیم پیچ ها و آهن ربا ها تشکیل شده است که با استفاده از توان الکتریکی ، حرکت ایجاد می کند.

شکل زیر ساختار متداول یک موتور DC کوچک را نشان می دهد.

می توانیم از این موتور ها برای به حرکت در آوردن هر نوع مکانیزمی به صورت مستقیم یا با افزودن چرخ دنده ها (Gear) یا ریل (Track) به منظور کاهش سرعت یا افزایش نیرو استفاده نماییم ، در ادامه این بخش خواص اصلی یک موتور DC را که باید در پروژه های رباتیک و مکاترونیک مورد توجه قرار گیرد ، شرح می دهیم.

جهت

هنگامی که یک موتور DC به یک منبع تغذیه DC ( باتری یا یک منبع دیگر ) متصل شود ، حهت چرخش محور به جهت جریان DC موتور بستگی دارد.

با معکوس کردن جهت جریان ، می توانیم جهت حرکت هر دستگاهی را که توسط موتور به حرکت در می آید ، معکوس نماییم.

سرعت

سرعت یک موتور DC ، که بر حسب دور بر دقیقه ( RPM ) بیان می شود ، به جریان و بار موتور بستگی دارد.

هنگام استفاده از یک موتور DC دو حالت زیر را باید در نظر بگیریم.

در حالت اول ، موتور بدون بار ( یا با بار ثابت ) کار می کند.

در این حالت ، سرعت موتور تا مقدار ماکزیممی که به ولتاژ اعمال شده بستگی دارد ، افزایش می یابد.

در حالت دوم ، موتور با یک بار متغیر کار می کند ( یعنی موتور باید مکانیزمی را به حرکت در آورد که این مکانیزم نیرو هایی  را اعمال می کند که وابسته به آن لحظه زمانی یا عملکرد مورد نظر باشد). 

در این حالت ، سرعت یک بار بستگی دارد : توان مصرفی بیشتر = سرعت کمتر.

مشخصه ها

هنگامی که طراح به دنبال یک موتور برای یک کاربرد خاص است ، باید مشخصه های موتور را معین نماید.

موارد زیر مشخصه های مهم میباشند.

ولتاژ

موتور های DC کوچک را می توان با ولتاژ های نامی در محدوده ۱٫۵V تا ۴۸V تهیه نمود.

ولتاژ مشخص شده بر روی موتور ، ولتاژ نامی موتور را نشان می دهد که برای کارکرد معمولی موتور اعمال می شود ( یعنی تحت این ولتاژ حداکثر توان ، ایجاد شده و جریان نامی کشیده می شود).

در عمل ، ولتاژ نامی بسیار مهم می باشد ، چرا که این ولتاژ نشان دهنده حداکثر ولتاژ توصیه شده ای است که می توان به موتور اعمال نمود.

جریان

مقدار جریان عبوری از موتور ، زمانی که موتور تحت ولتاژ نامی کار می کند ، به مقدار بار بستگی دارد.

با افزایش بار مقدار جریان نیز افزایش می یابد.

این نکته مهم است که از حرکت موتور با بار بیش از حد جلوگیری کنیم.

زیرا بار بیش از حد می تواند موتور را از حرکت باز دارد.

در چنین حالتی موتور برای حریان عبوری به عنوان مثال اتصال کوتاه عمل کرده و تمامی توان اعمال شده به گرما تبدیل می شود.

در این وضعیت موتور سریعا می سوزد.

موتور های DC متداول دارای جریان های کارکرد در محدوده ۵۰mA تا بیش از ۲A می باشد.

توان

توان از حاصل ضرب ولتاژ در جریان بدست می آید.

در پروژه های مرتبط با روباتیک و مکاترونیک ، معمولا مقدار نیروی اعمال شده توسط یک موتور بر حسب گشتاور (Torque) آن ( توان چرخشی ) تعیین می گردد.

همان گونه که در شکل زیر نشان داده شده است ، گشتاور نیرویی است که توسط محور اعمال می شود و این گشتاور نه تنها به مشخصه های الکتریکی و مکانیکی موتور بستگی دارد ، بلکه به قطر محور نیز وابسته است.

این مشخصه دارای اهمیت می باشد ، زیرا نیرویی که مکانیزم متصل به موتور DC می تواند فراهم نماید ، علاوه بر خود موتور به مکانیزم کوپل شده نیز بستگی دارد.

بنابراین همانگونه که در شکل زیر مشاهده می شود ، اگر جعبه دنده به موتور اضافه شود ، می توان سرعت را کاهش داده و به همان نسبت نیرو را افزایش داد.

به عنوان مثال اگر در یک جعبه دنده از یک چرخ دنده کاهشی که قطر آن یک دهم قطر چرخ دنده متصل به موتور است استفاده شود ، سرعت ده برابر کمتر می شود ولی نیرو با ضریب ده افزایش می یابد.

در رباتیک و مکاترونیک انواع جعبه دنده ها در سایز های مختلف و با نسبت کاهش های متنوع به طور گسترده ای برای تطابق مشخصه های یک موتور با عملکرد مورد نظر استفاده می شوند.

بنابراین ، به هنگام استفاده از یک موتور ، دانستن مقدار گشتاور ضروری است ، چرا که با دانستن این عدد و آگاهی از نسبت کاهش مکانیزم مورد نظر برای حرکت ، بسادگی می توان نیرویی را که توسط یک سیستم ایجاد می شود ، بدست آورد.

سرعت

معمولا سررعت یک موتور DC در حالت باز یا بی باری ذکر می شود.

مقدار سرعت یک موتور DC متداول بسته به نوع ، اندازه و دیگر مشخصه های آن می تواند در محدوده ۵۰۰rpm تا ۱۰۰۰۰rpm باشد.

توجه داشته باشید که هنگامی که موتور تحت بار کار می کند ، مقدار این سرعت به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

بلوک های اصلی

با توجه به  این مفهوم که یک موتور DC را می توان با ولتاژ اعمالی به آن کنترل کرد و همچنین با در نظر گرفتن این که

  • جهت موتور به جهت جریان بستگی دارد.
  • مقدار سرعت به ولتاژ اعمالی یا مقدار حریان بستگی دارد.

می توان بلوک هایی را طراجی کرد که از عناصر ساده زیر استفاده می کنند.

کلید SPST :  SPST یک کلید قطع کننده تک پل (Single Pole Single Throw) ، وسیله ای است که جریان را در یک مدار قطع و وصل می کند.

این کلید در شکل زیر نشان داده شده است.

همین عمل را یک رله نیز می تواند انجام دهد.

کلید های SPST همانگونه که در شکل بالا مشاهده می کنید ، در اشکال گوناگون یافت می شوند.

کلید های نوع تفاطعی [ شکل b ] با نیروی کم فعال می شوند.

این کلید ها به سنسور ها ، متصل گردیدند.

کلید مغناطیسی یا کلید زبانه ای  [ شکل c ] توسط آهنرباهای کوچک فعال می شوند.

در شکل d یک سنسور نشان داده شده است که با استفاده از دو کنتاکت یا سیم که به عنوان SPST عمل می کنند ، ساخته شده است.

از این سنسور می توان در بسیاری از بلوک ها استفاده نمود.

کلید DPDT : در شکل زیر یک کلید تعویض دوپل  (Double Pole Duble Throw) نشان داده شده است.

با ترکیب پل های این کلید می توان حالت اتصال بار به مدار را تغییر داد.

کاربرد اصلی این کلید معکوس نمودن جهت جریان برای انتخاب حالت عملکرد موازی / سری یم بار است.

برخی رله ها نیز دارای کنتاکت هایی هستند که کار یک کلید DPDT را انجام می دهند.

کلید های تک پل چند حالته (Single Pole Multiple throw) : همان گونه که در شکل زیر میبینید ، این کلید ها به اپراتور امکان می دهند تا یکی از چند مدار متصل به یک منبع را انتخاب نماید.

این نوع کلید در اشکال متنوع از جمله کلید چرخان یافت می شود.

دیودهای نیمه هادی : در یک دیود نیمه هادی جریان گذرنده فقط می تواند در یک جهت عبور کند.

در بایاس مستقیم ، یک دیود مقاومت بسیار کمی از خود نشان می دهد و جریان می تواند عبور کند.

در بایاس معکوس ، دیود مقاومت زیادی را از خود نشان می دهد و جریان نمی تواند عبور کند.

این حالت ها در شکل زیر نشان داده شده است.

دیود ها با مقدار حداکثر جریان و ولتاژ کاری مشخص می شوند.

همچنین دیود ها با استفاده از شماره قطعه نظیر ۱N4002 که سازنده بر آن ها گذاشته ، مشخص می شوند ( این دیود در بسیاری از مدارات استفاده می شود و دارای مقدار ولتاژ و جریان ۵۰V × ۱A می باشد ).

این دیود ها را می توان برای تبدیل جریان های متناوب به جریان های مستفیم ، در مدار های منطقی و همچنین در مدارات محافظتی استفاده نمود.

دقت داشته باشید که این دیود ها جزو عناصر جهت دار ( Polarized Devices ) می باشند و نحوه جایگذاری صحیح آن ها در یک مدار باید مورد توجه قرار گیرد.

در حالت کلی ، دو سر یک دیود ( آند و کاتد ) ، همان طوری که در شکل نشان داده شده ، توسط یمک حلقه که در سر آند دیود چاپ می شود ، مشخص می گردد.

خازن ها : 

خازن ها قطعاتی هستند که برای ذخیره انرژی الکتریکی به کار می روند.

خازن ها از دو صفحه فلزی و یک دی الکتریک (عایق) ما بین این دو صفحه تشکیل شده اند.

مقدار انرژی که یک خازن می تواند ذخیره کند ، توسط مقدار ظرفیت آن بر حسب فاراد (F) مشخص می شود.

در عمل ، از خازن هایی استفاده می کنیم که بسیار کمتر از یک فاراد ظرفیت دارند.

برای نشان دادن مقادیر چنین خازن هایی از اجزای فاراد استفاده می شود.

واحد های اندازه گیری متداول عبارت اند از : میکرو فاراد (μF) برابر با ۱۰ به توان ۶- فاراد ، نانو فاراد (nF) برابر با ۱۰ به توان ۹- فاراد ، پیکو فاراد (pF) برابر با ۱۰ به توان ۱۲- فاراد.

در شکل زیر نماد های مداری و شکل ظاهری چندین نوع خازن را مشاهده می کنید.

در بسیاری زا حالت ها ، خازن ها توسط نوع دی الکتریک مورد استفاده در آن ها مشخص می شوند.

به عنوان مثال در یک خازن سرامیکی ، از یک قطعه سرامیک به عنوان دی الکتریک استفاده شده است.

مشخصه مهم دیگر برای یک خازن ، مقدار حداکثر ولتاژ قابل اعمال به دو صفحه آن است.

این ولتاژ ، ولتاژ کاری نام دارد و گاهی به صورت مخفف WVDC یا Working Voltage DC به کار می رود.

فیسبوک توییتر گوگل + لینکداین تلگرام واتس اپ کلوب

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *