موتورهای الکتریکی که در کاربردهای رباتیک مورد استفاده قرار می‌گیرند، به طور عمده به دو دسته DC ،Step تقسیم می‌شوند. از لحاظ مدارات کنترلی، این دو دسته با یکدیگر تفاوتهایی دارند، ولی از لحاظ پیچیدگی هر دو در یک سطح قرار دارند. از لحاظ روشهای کنترلی موتورهای step را می‌توان به صورت حلقه باز کنترل نمود (به دلیل دقت ذاتی موتورها)ولی موتورهای DC چون دقیق نیستند، برای چرخش با سرعت ثابت و یا رسیدن به مکانی خاص، باید به صورت حلقه بسته کنترل شوند.(یعنی باید با استفاده از شیفت انکودر از خروجی فیدبک گرفته، و به ورودی مقایسه اعمال نمود.)این امر، برنامه نویسی و الگوریتم های کنترلی را مشکل می نماید. از لحاظ جریان مصرفی نیز، عموماً موتورهای DC جریان کمتری را مصرف می نمایند و این امر موجب صرفه جویی در مصرف باتری می‌شود .
نحوه حرکت موتورهای الکتریکی
کلید فهمیدن اینکه موتورهای الکتریکی چگونه کار می کنند فهمیدن نحوه عملکرد آهن ربای الکتریکی است، آهن ربای الکتریکی مبنای کار موتورهای الکتریکی است.
اگر سیمی حدود 10 سانتی متر بردارید و به دور میخی بپیچید و دو سر آنرا به دو سر یک باطری وصل کنید، زمانیکه جریان از سیم عبور می‌کند یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم ایجاد می‌شود و آن میخ تبدیل به آهنربا می‌شود. این میدان تا زمانیکه جریان از سیم عبور می‌کند وجود دارد، یعنی تا زمانیکه دو سر سیم به باطری متصل باشد، و زمانیکه این اتصال قطع شود، این میدان نیز از بین می رود. آن سر میخ که به قطب مثبت باطری وصل شده S و سر دیگر را که به قطب منفی باطری وصل شده N می نامیم.
حال اگر یک آهن ربای نعلی شکل بردارید و این میخ را به صورت معلق در وسط این آهن ربا قرار دهید به طوریکه میخ کامل افقی قرار گرفته و قطب N میخ در مقابل قطب N آهن ربای نعلی شکل قرار بگیرد و قطب دیگر میخ نیز به همین صورت در این وضعییت میخ 180 درجه خواهد چرخد تا قطب N میخ در مقابل قطب S آهنربا و قطب S میخ در مقابل قطب N آهن ربا قراربگیرد. همانطور که می‌دانید دو قطب متضاد همدیگر را جذب و دو قطب همسان همدیگر را دفع می کنند که حرکت میخ نیز در آهن ربای نعلی شکل به همین صورت است.
حرکت موتورهای الکتریکی نیز در واقع از همین قانون پیروی می کند، ما هر بار که در یک موتور پله ای یک سیم پیچ را تحریک میکنیم در واقع قطبهای N و S را در داخل موتور ایجاد میکنیم و روتور نیز مثل آن میخ و با استفاده از قانون جذب و دفع قطبها به حرکت در می‌آید و این حرکت همان چیزی است که ما به صورت فیزیکی از موتور مشاهده میکنیم.
ویژگی های موتور DC :
موتور های DC دارای مدارات درایور گوناگون و الگوریتم های مختلفی برای کنترل می‌باشند که در زیر به آنها اشاره ای می‌شود . از مزایای این موتورها ، ارزان بودن و ساده بودن مدارات درایور (راه انداز) آنهاست این موتورها به همراه گیربکس نیز بکار می‌روند.(جهت کم کردن سرعت و بالا بردن قدرت آنها)
انتخاب موتور :
یک پارامتر مهم در طراحی ربات انتخاب موتور هاست. موتورها باید سرعت، گشتاور و استراتژی مناسبی برای کنترل داشته باشند.
در این قسمت مطالبی در مورد مشخصات موتور های DC بیان می شود.
اصول کار موتور های DC :
علاوه بر انتخاب نوع موتورها ، قطر چرخها و نوع چرخ دنده‌هایی که برای کاهش سرعت موتورها استفاده می‌شود(گیربکس) بر عملکرد ربات تاثیر می‌گذارند.
موتورهای DC دو ویژگی بسیار مهم دارند:
1 – سرعت موتور تابعی از ولتاژ اعمال شده به دو سر آن است.
2 – گشتاور خروجی موتور تابعی از مقدار جریانی است که موتورها از باتری می‌کشد. به عبارت دیگر اگر ولتاژ بیشتری به موتور اعمال شود سرعت چرخش موتور افزایش می‌یابد و اگر جریانی که از موتور می‌گذرد بیشتر باشد گشتاور بیشتری تولید خواهد‌کرد.
رابطه‌ی بین دور موتور با ولتاژ و گشتاور با جریان در رابطه‌ی زیر نشان داده شده است .(Kv ثابت سرعت موتور و Kt ثابت گشتاور موتور است)
PRM = Kv * Volts
Torque = Kt * Amps
سرعت موتور :
طبق فرمول اول سرعت موتور فقط تابعی از ولتاژ اعمال شده به دو سر آن است. اما این رابطه به صورت دقیق برای موتورهای ایده‌آل برقرار است.
هنگامی که شفت موتور زیر بار قرار می‌گیرد سرعت موتور کاهش می‌یابد و اگر مقدار بار آن افزایش یابد و گشتاور کافی به آن اعمال شود می‌توان آنرا متوقف نمود . کاهش سرعت موتور به علت تلفات ولتاژ درونی موتور است که هنگام عبور جریان از موتور ایجاد می‌شود . همه ی موتورها مقدار معینی مقاومت داخلی دارند.
ولتاژ موثری که عملاً در موتور مورد استفاده قرار می‌گیرد با (Vmotor) نشان داده می‌شود. در رابطه‌ی زیر چگونگی محاسبه‌ی این ولتاژ ارائه شده است. Vin ولتاژ ورودی موتور است که در ترمینال پایانی به موتور اعمال می‌شود. Iin جریانی است که از موتور کشیده می‌شود . R مقاومت اهمی داخلی موتور است .
Vmotor = Vin – R Iin
با جایگزین کردن Vmotor بجای Volts در رابطه‌ی قبلی، رابطه‌ی دقیق بین سرعت موتور و ولتاژ موثر بدست می‌آید. در قسمت دوم، رابطه‌ی بین سرعت موتور با ولتاژ ورودی و جریان عبوری از موتور بدست می‌آید .
PRM = Kv Vmotor = Kv (Vin – R Iin)
طبق فرمول فوق سرعت موتور با ولتاژ ورودی و جریان عبوری از موتور رابطه‌ی مستقیم دارد.
گشتاور موتور :
گشتاور موتور و جریان عبوری از آن با هم رابطه‌ی مستقیم دارد و این تناسب به شکل دقیق‌تری در رابطه‌ی زیر بیان شده است. با در نظر گرفتن انرژی مورد نیاز برای راه اندازی موتور این رابطه تغییرات جزئی خواهد داشت. هنگامی که موتور در شرایط بی باری قرار دارد (حالتی که موتور زیر بار نیست و آزادانه می چرخد) جریان کمتری از باتری کشیده می‌شود. بخشی از این جریان بخاطر مقاومت داخلی موتور و بخشی از آن صرف غلبه به اینرسی و اصطکاک داخلی موتور می‌شود. جریانی که برای غلبه بر این تلفات مورد استفاده قرار می‌گیرد جریان بی‌باری نام دارد.
موتورهای DC بطور طبیعی سرعت خود را حفظ می‌کنند. وقتی یک گشتاور خارجی بر روی شفت موتور اعمال می‌شود موتور به طور اتوماتیک جریان بیشتری را از باتری می‌کشد و سرعت اولیه خود را حفظ می‌کند. در این حالت اضافه جریان برای ایجاد گشتاور اضافی بکار می‌رود.
فرمول محاسبه‌ی مقدار جریان در رابطه‌ی زیر بیان شده است. مقدار Iin یک پارامتر مهم در انتخاب اندازه باتری و مدار درایور است.
Iin = Io + (Torque / Kt)
از ترکیب دو رابطه‌ی بالا رابطه‌ی جدیدی ایجاد می‌شود که رابطه‌ی بین سرعت چرخش موتور با ولتاژ ورودی و گشتاور را بیان می‌کند.
PRM = Kv (Vin – R (Io + (Torque / Kt))
جریان توقف :
روابط ارائه شده برای موتورهای DC معمولاً تا سقف مشخصی از جریان برقرار است. اگر موتورها بیش از اندازه در زیر بار قرار گیرند معمولاً وضعیت پیچید ای به وجود می‌آید. در شرایط کاری نامتعادل موتور، بسیاری از پارامتر ها باید مورد بازبینی قرار گیرد.
هنگامی که گشتاور خارجی به موتور اعمال می‌شود و موتور زیر بار قرار می‌گیرد جریان بیشتری از باتری‌ها کشیده می‌شود همچنین سرعت موتور به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. اما اگر گشتاور خارجی بیش از اندازه زیاد شود موتور متوقف خواهد شد. در این حالت موتور جریان Max را از باتری می‌کشد که جریان توقف نامیده می‌شود (Istall).
با توجه به نوع موتور جریان توقف تا سقف 100 امپر افزایش می‌یابد. جریان توقف از رابطه‌ی زیر بدست می‌آید.
Istall = Vin / R
وقتی موتور متوقف شد کشیدن جریان از باتری ادامه خواهد یافت. با توجه به مقدار جریان یکی از سه حالت زیر ایجاد خواهد شد:
- تخلیه‌ی باتری
- سوختن مدار درایور موتور
3- سوختن موتور
تمام این اتفاقات در کمتر از چند ثانیه رخ می‌دهد.
مقدار جریان توقف مهمترین پارامتر انتخاب اندازه‌ی موتور، مدار درایور و جریان Max باتری‌هاست. در برخی موارد قیمت مدار درایور بیش از قیمت موتورهاست. لذا باید توانایی مدار درایور خود در راه اندازی موتور مطمئن شویم. در این حالت جریان پیک مدار درایور باید از جریان توقف موتورها بیشتر باشد. در غیر این صورت باید از یک فیوز بین مدار درایور و موتور استفاده نمود. هنگام توقف موتور و عبور جریان توقف فیوز خواهد سوخت. سوختن فیوز مانع از اسیب دیدن مدار درایور می‌گردد.
جایگزین کردن فیوز سوخته سریعتر و اقتصادی تر از مدار درایور است.
توان و بازده :
پارامتر دیگر در انتخاب موتور توان و بازده هستند. از دیدگاه مکانیکی توان موتور محصول گشتاور و سرعت شفت موتور است. از دیدگاه الکترونیکی توان محصول ولتاژ و جریان است.
بازده در حالت کلی نسبت توان خروجی به ورودی است به عبارت دیگر بازده مقدار تبدیل توان الکتریکی ورودی (Pin) به توان خروجی مفید(Pout) است.
رابطه‌ی زیر رابطه‌ی بازده با توان ورودی و خروجی را بیان می‌کند. یکای استاندارد توان در کلیه‌ی روابط وات است.
Pin = Vin Iin
Pout = (Iin – Io) (Vin – Iin R)
Efficiency = Pout / Pin
توان ورودی هیچگاه از توان خروجی بیشتر نخواهد شد. اختلاف توان ورودی و خروجی به علت تلفات دینامیکی، الکتریکی و اصطکاک است که در داخل موتور ایجاد می‌شود.
مقدار تلفات با توجه به شرایط بارگذاری تغییر می‌کند. انرژی تلف شده به گرما تبدیل شده و باعث گرم شدن موتور هنگام چرخش می‌شود.
عملکرد موتور به شرایط محیطی نیز وابسته است. جریان عبوری از موتور قابل کنترل نیست و هیچگاه نمی‌توان موتور را به ایجاد گشتاور خروجی معینی وادار کرد. تنها پارامتر قابل کنترل موتور ولتاژ ورودی آن است.
اندازه گیری مقاومت داخلی موتور:
برای محاسبه‌ی مقاومت داخلی نمی توان از اهم متر استفاده کرد و باید آنرا محاسبه کرد.
ابتدا موتور و شفت را در جای خود ثابت کنید (بگونه ای که موتور حرکت دورانی نداشته باشد ) سپس یک ولتاژ dc کوچک به موتور اعمال نمایید (1.5 تا 3 ولت) این ولتاژ باید از مقدار ولتاژ نامی کمتر و به قدری باشد که باعث چرخش شفت موتور شود. مقدار ولتاژ باید در تمامی مراحل آزمایش ثابت باشد.
آزمایش باید به سرعت انجام شود تا باعث گرم شدن موتور نگردد. موتور گرم نتیجه‌ی آزمایش را تحریف خواهد کرد زیرا مقاومت داخلی موتور بر اثر گرما تغییر می‌کند. در قسمت بعد ولتاژ و جریان موتور را در یک لحظه‌ی مشخص اندازه گیری نمایید. مقاومت داخلی از رابطه‌ی زیر قابل محاسبه است .Vin و Iin مقادیر ولتاژ و جریان اندازه گیری شده هستند.
R = Vin / Iin
مدارات درایور موتور:
ساده‌ترین روش کنترل موتور استفاده از یک کلید برای روشن و خاموش کردن موتور است. با قرار دادن یک کلید بین باتری و موتور می‌توان قدرت موتور را کنترل نمود. اگر چه کلیدها با این ساختار برای کنترل موتور بکار نمی‌روند . اما اصول کلی کنترل موتور این است.
ترتیب کلید ها و عملکرد موتور :
جدول منطقی شکل زیر عملکرد موتور را با توجه به عملکرد کلیدها بیان می‌کند. کلیدها 16 حالت مختلف را می‌پذیرند که این حالت ها باعث ایجاد 5 نوع عملکرد مختلف در موتور می‌شود.
جدول منطقی شکل زیر عملکرد موتور را با توجه به عملکرد کلیدها بیان می‌کند. کلیدها 16 حالت مختلف را می‌پذیرند که این حالت ها باعث ایجاد 5 نوع عملکرد مختلف در موتور می‌شود.
| عملکرد موتور | D | C | B | A |
| چرخها آزاد | ||||
| چرخها آزاد | 1 | |||
| چرخها آزاد | 1 | |||
| ترمز | 1 | 1 | ||
| چرخها آزاد | 1 | |||
| اتصال کوتاه | 1 | 1 | ||
| حرکت معکوس | 1 | 1 | ||
| اتصال کوتاه | 1 | 1 | 1 | |
| چرخها آزاد | 1 | |||
| حرکت مستقیم | 1 | 1 | ||
| اتصال کوتاه | 1 | 1 | ||
| اتصال کوتاه | 1 | 1 | 1 | |
| ترمز | 1 | 1 | ||
| اتصال کوتاه | 1 | 1 | 1 | |
| اتصال کوتاه | 1 | 1 | 1 | |
| اتصال کوتاه | 1 | 1 | 1 | 1 |
- حالت ترمز (brake): در این حالت موتور بسرعت کند می‌شود و متوقف می‌گردد و در برابر چرخش از خود مقاومت نشان می‌دهد.
- حالت چرخها آزاد (free wheel): در این حالت موتور سرعت خود را کند می‌کند اما در برابر نیروی محرکه‌ای که از طرف شفت موتور به آن اعمال می‌شود مقاومتی از خود نشان نمی‌دهد.
- حالت مستقیم (Forward) و معکوس(Reverse): که به معنی چرخش ساعتگرد و پاد ساعتگرد است.
- اتصال کوتاه (Short circuit): حالتی که همواره باید از آن اجتناب کرد و به معنی اتصال باتری به زمین است.
از نتایج فوق فقط حالت مستقیم و معکوس مورد نظر ماست و بقیه غیرکاربردی و مخرب هستند. از ترکیب حالت‌ها 6 مورد اتصال کوتاه ایجاد می‌کند که همانطور که گفته شد معمولاً شرایط خطرناکی را ایجاد می‌کند و باعث خراب شدن مدار درایور، باتری و… می‌شود.
برای طراحی مدار درایور از رله، ترانزیستور، آی سی و یا ترکیبی از آنها استفاده می‌شود.
- کنترل با رله
کنترل با رله یک راه ساده و ارزان قیمت است که در شکل زیر نشان داده شده است. در این روش با استفاده از یک سطح منطقی و با ولتاژ پایین، موتورهایی که با ولتاژ بالا کار می‌کنند کنترل می‌شوند. ولتاژ پایین برای خاموش و روشن کردن رله بکار می‌رود و رله با انتقال نیروی محرکه از باتری به موتور آنها را راه اندازی می‌نماید.
- کنترل با ترانزیستور
کلید مکانیکی رله ها معمولاً با قطعه‌های الکترونیکی دیگر از جمله ترانزیستور‌ها کنترل می‌شوند. زیرا سیم پیچ رله های مینیاتوری معمولی به جریانی دست کم 20 تا 100 میلی آمپر برای راه اندازی نیاز دارند. از آنجایی که اکثر میکروکنترولرها نمی‌توانند این جریان را تامین کنند، از یک ترانزیستور برای کنترل رله استفاده می‌شود.
توضیحات تکمیلی را بصورت PDF از لینک زیر دانلود کنید :
منبع: میکرودیزاینرالکترونیک
