المحرّكات: التيار المستمر، المحرّك المؤازر ومحرّك الخطوة

מנוע זרם ישר והצורך במעגל הנעה – محرّك التيار المستمر ولماذا يحتاج إلى دائرة قيادة (DC Motor)

ملف المحرّك له مقاومة صغيرة. عندما يدور المحرّك يتولّد فيه جهد يعاكس جهد المصدر، فيبقى التيار معتدلا. لكن في لحظة البدء، أو عندما نمسك المحور فيتوقّف، لا يتولّد هذا الجهد المعاكس، ويحدّ التيارَ مقاومةُ الملف وحدها. يسمى هذا التيار تيار البدء (זרם התנעה)، وهو أكبر تيار يسحبه المحرّك.

من هنا ثلاث قواعد ترافقنا في الفصل كله:

• دائرة قيادة (מעגל הנעה (דרייבר)): ترانزستور MOSFET، جسر H أو وحدة جاهزة تحمل تيار المحرّك، والمتحكّم يعطيها أمرا فقط.
• مصدر منفصل للمحرّك: المحرّك يسحب تيارا كبيرا ويولّد ضجيجا كهربائيا. لو غذّيناه من طرف 5 V في اللوحة لهبط الجهد عند البدء، وقد يُعاد تشغيل المتحكّم من تلقاء نفسه.
• أرضي مشترك (אדמה משותפת): نوصل القطب السالب لمصدر المحرّك بطرف GND في المتحكّم. بدون ذلك لا يوجد مرجع مشترك للجهد، ولا تفهم دائرة القيادة إشارة المتحكّم.

בקרת מהירות באפנון רוחב פולס – التحكّم في السرعة بتعديل عرض النبضة (PWM Speed Control)

في Arduino Uno تُنتج الدالة analogWrite(pin, x) إشارة PWM على الأطراف 3، 5، 6، 9، 10، 11 فقط (المُعلَّمة بالعلامة ~). التردّد حسب توثيق Arduino: 490 Hz (T = 2.04 ms) على الأطراف 3، 9، 10، 11، و 980 Hz (T = 1.02 ms) على الطرفين 5 و 6.

دائرة القيادة: ترانزستور MOSFET وديود الحماية – מעגל ההנעה: MOSFET ודיודת חופש:

نستخدم ترانزستور MOSFET من نوع المستوى المنطقي (Logic-level)، أي ترانزستورا يُفتح تماما بجهد 5 V على البوابة، مثل IRLZ44N. الترانزستور يعمل كمفتاح بين المحرّك والأرضي؛ ديود الحماية موصول على التوازي مع المحرّك ومهبطه نحو +V_M؛ المقاومة 220 Ω تحدّ تيار شحن البوابة، والمقاومة 10 kΩ تُبقي الترانزستور مقطوعا عندما يكون الطرف عائما أثناء بدء تشغيل المتحكّم. المقاومة المتغيرة على الطرف A0 تحدّد السرعة.

const int POT = A0;
const int MOTOR = 9;        // PWM pin, 490 Hz
const float VM = 6.0;       // motor supply [V]
unsigned long last = 0;

void setup() {
  pinMode(MOTOR, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int raw = analogRead(POT);
  int x = raw / 4;                  // 0..1023 -> 0..255
  analogWrite(MOTOR, x);
  if (millis() - last >= 500) {     // print twice a second
    last = millis();
    float duty = x * 100.0 / 255;
    float vavg = VM * x / 255;
    Serial.print("raw = "); Serial.print(raw);
    Serial.print("  x = "); Serial.print(x);
    Serial.print("  D = "); Serial.print(duty, 1);
    Serial.print(" %  Vavg = "); Serial.print(vavg, 2);
    Serial.println(" V");
  }
}

raw = 0  x = 0  D = 0.0 %  Vavg = 0.00 V
raw = 205  x = 51  D = 20.0 %  Vavg = 1.20 V
raw = 512  x = 128  D = 50.2 %  Vavg = 3.01 V
raw = 818  x = 204  D = 80.0 %  Vavg = 4.80 V
raw = 1023  x = 255  D = 100.0 %  Vavg = 6.00 V

نلاحظ أن البرنامج يقرأ المقاومة المتغيرة ويحدّث السرعة في كل دورة، ويطبع مرّتين في الثانية فقط بواسطة millis()، لكي لا يبطئ الطباعة تحكّمَنا. عند نسبة تشغيل صغيرة قد لا يبدأ المحرّك بالدوران إطلاقا، لأن الجهد المتوسّط لا يكفي للتغلّب على الاحتكاك.

היפוך כיוון בגשר H – عكس اتجاه الدوران بجسر H (H-Bridge)

إذا فتحنا المفاتيح الأربعة يتباطأ المحرّك وحده حتى يتوقّف — توقّف حر (עצירה חופשית). وإذا أغلقنا S₂ و S₄ معا يُقصَر طرفا المحرّك فيتوقّف بسرعة — كبح (בלימה).

دائرة قيادة جاهزة: L298N و L9110 – דרייבר מוכן: L298N ו-L9110:

الشريحة L298N فيها جسران H. لكل محرّك ثلاثة أطراف تحكّم: IN1 و IN2 تحدّدان الاتجاه، و ENA تُشغّل الجسر؛ إذا أدخلنا إلى ENA إشارة PWM تحكّمنا في السرعة أيضا. جدول الحقيقة حسب ورقة البيانات:

المنطق الداخلي يحوّل حالة IN1 = IN2 إلى كبح، ولا يسمح بالحالة الممنوعة. ترانزستورات L298N من النوع ثنائي القطبية، ولذلك يهبط عليها جهد ملحوظ: يصل إلى المحرّك جهد أقل من جهد المصدر، والفرق يتحوّل إلى حرارة في الشريحة؛ لذلك نختار مصدرا أعلى قليلا من جهد المحرّك. الشريحة نفسها لا تحتوي ديودات حماية، وفي كثير من الوحدات الجاهزة تكون الديودات مركّبة على اللوحة — نتحقّق من ذلك في مخطط الوحدة. الشريحة L9110 أصغر وتناسب المحرّكات الصغيرة جدا؛ لها طرفا تحكّم فقط لكل محرّك، ونعطي PWM لأحدهما.

نكتب برنامجا يدير المحرّك إلى الأمام، يكبحه، ثم يديره إلى الخلف. لا نقفز من سرعة صفر إلى السرعة القصوى: نرفع قيمة PWM تدريجيا — تسارع تدريجي (האצה רכה) — فيكون تيار البدء أصغر، والآلية الميكانيكية لا تتلقّى صدمة.

const int ENA = 5, IN1 = 7, IN2 = 8;    // ENA: PWM 980 Hz
const int STEP = 5, STEP_MS = 20;       // ramp: +5 every 20 ms
void setup() {
  pinMode(ENA, OUTPUT); pinMode(IN1, OUTPUT); pinMode(IN2, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void ramp(int from, int to) {
  int s = (to > from) ? STEP : -STEP;
  for (int x = from; x != to; x += s) { analogWrite(ENA, x); delay(STEP_MS); }
  analogWrite(ENA, to);
}

void run(int a, int b, const char *name) {
  digitalWrite(IN1, a); digitalWrite(IN2, b);
  Serial.println(name);
  ramp(0, 255); delay(2000); ramp(255, 0);
}

void loop() {
  run(HIGH, LOW, "FWD");
  digitalWrite(IN1, LOW); digitalWrite(IN2, LOW);          // IN1 = IN2
  analogWrite(ENA, 255); Serial.println("BRAKE"); delay(1000);
  run(LOW, HIGH, "REV");
  analogWrite(ENA, 0); Serial.println("FREE"); delay(1000); // EN = 0
}

FWD
BRAKE
REV
FREE
FWD

מנוע סרוו – المحرّك المؤازر (Servo Motor)

نحدّد الزاوية بإشارة نبضات: نبضة كل 20 ms (تردّد 50 Hz)، وعرض النبضة (רוחב הפולס) هو الذي يحدّد الزاوية. القيم النموذجية: 1 ms لزاوية 0°، 1.5 ms للمنتصف و 2 ms لزاوية 180°؛ لكن محرّكات كثيرة تحتاج إلى مجال أوسع، من 0.5 ms حتى 2.5 ms تقريبا. نتحقّق في ورقة البيانات لكل محرّك.

في Arduino نستخدم المكتبة Servo: الدالة attach(pin, min, max) تربط المحرّك بطرف وتحدّد عرض النبضة عند 0° وعند 180° بالميكروثانية، والدالة write(angle) تحوّل الزاوية إلى عرض نبضة بالدالة map(). بدون القيمتين تستخدم المكتبة 544 µs و 2400 µs. نأخذ هنا المجال الآمن 1000–2000 µs، ونوسّعه بحذر حسب المحرّك.

#include <Servo.h>

const int POT = A0;
const int SERVO_PIN = 9;
Servo servo;
unsigned long last = 0;

void setup() {
  servo.attach(SERVO_PIN, 1000, 2000);   // pulse at 0 and 180 deg [us]
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int raw = analogRead(POT);
  int angle = map(raw, 0, 1023, 0, 180);
  servo.write(angle);
  if (millis() - last >= 500) {
    last = millis();
    Serial.print("raw = "); Serial.print(raw);
    Serial.print("  angle = "); Serial.print(angle);
    Serial.print("  pulse = "); Serial.print(servo.readMicroseconds());
    Serial.println(" us");
  }
}

raw = 0  angle = 0  pulse = 1000 us
raw = 256  angle = 45  pulse = 1250 us
raw = 512  angle = 90  pulse = 1500 us
raw = 700  angle = 123  pulse = 1683 us
raw = 1023  angle = 180  pulse = 2000 us

حلقة مغلقة داخل المحرّك – חוג סגור בתוך הסרוו:

المحرّك المؤازر مثال جاهز لنظام تحكّم في حلقة مغلقة كما تعلّمنا في الفصل الأول. عرض النبضة هو القيمة المطلوبة، والمقاومة المتغيرة على المحور تقيس القيمة الفعلية للزاوية — هذه هي التغذية الراجعة. الدائرة الداخلية تقارن بينهما، وتدير المحرّك في الاتجاه الذي يصغّر الخطأ، وتوقفه عندما يصبح الخطأ صفرا. إذا دفعنا الذراع بأيدينا يظهر خطأ، فيقاوم المحرّك ويعيدها.

מנוע צעד – محرّك الخطوة (Stepper Motor)

في الجزء الثابت ملفات، وفي الدوّار مغناطيس دائم. عندما نمرّر تيارا في ملفين متجاورين يتّجه المغناطيس إلى ما بينهما. ننقل التيار إلى الزوج التالي فيتبعه المغناطيس خطوة. في الرسم المبسّط أربع خطوات فقط في الدورة؛ في المحرّك الحقيقي أسنان كثيرة ومسنّنات، فتكون الخطوة صغيرة جدا.

هذا هو تسلسل الخطوة الكاملة (צעד מלא): ملفان يعملان في كل خطوة، فيكون العزم كبيرا. في نصف الخطوة (חצי צעד) نُدخل بين كل خطوتين حالة فيها ملف واحد فقط، فيتضاعف عدد الخطوات في الدورة وتصبح الحركة أنعم. لعكس الاتجاه نمرّ على الجدول من اليسار إلى اليمين.

المحرّك 28BYJ-48 مع دائرة القيادة ULN2003 – 28BYJ-48 עם ULN2003:

المحرّك الصغير الشائع في المختبر هو 28BYJ-48 (لجهد 5 V)، وفيه مسنّنات داخلية. في الخطوة الكاملة يحتاج محور المخرج إلى 2048 خطوة لدورة كاملة، وفي نصف الخطوة إلى 4096 (قيمة نموذجية حسب ورقة البيانات). مقاومة كل ملف نحو 50 Ω (قيمة نموذجية حسب ورقة البيانات)، فيمر في الملف 100 mA — أكثر بكثير مما يعطيه الطرف. لذلك نقود الملفات بالشريحة ULN2003: سبعة مفاتيح ترانزستورية، كل منها يحتمل حتى 500 mA، وديودات الحماية في داخلها.

const int IN_PIN[4] = {8, 9, 10, 11};       // ULN2003 IN1..IN4
const byte SEQ[4] = {0b1100, 0b0110, 0b0011, 0b1001};
const long STEPS_REV = 2048, STEP_MS = 3;   // full step, output shaft
int phase = 0;
void coils(byte p) {
  for (int i = 0; i < 4; i++) digitalWrite(IN_PIN[i], bitRead(p, 3 - i));
}
void turn(long steps, int dir) {            // dir = +1 or -1
  Serial.print(dir > 0 ? "CW  steps = " : "CCW steps = "); Serial.println(steps);
  for (long n = 0; n < steps; n++) {
    phase = (phase + dir + 4) % 4;          // next row of SEQ
    coils(SEQ[phase]); delay(STEP_MS);
  }
  coils(0);                                 // coils off: no heating
}

void setup() {
  for (int i = 0; i < 4; i++) pinMode(IN_PIN[i], OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  Serial.print("t_rev = "); Serial.print(STEPS_REV * STEP_MS / 1000.0, 2);
  Serial.println(" s");                     // time of one revolution
}

void loop() {
  turn(STEPS_REV, +1);     delay(1000);     // one revolution
  turn(STEPS_REV / 4, -1); delay(1000);     // quarter back
}

t_rev = 6.14 s
CW  steps = 2048
CCW steps = 512
CW  steps = 2048

لا نستخدم هنا مكتبة: الدالة coils() تكتب أربع خانات من التسلسل في الأطراف الأربعة، والمتغيّر phase يتقدّم أو يتراجع حسب الاتجاه. بعد الحركة نطفئ الملفات لكي لا تسخن؛ الثمن أن المحور لا يقاوم إذا دفعناه — يزول عزم التثبيت (מומנט החזקה).

محرّك الخطوة ثنائي القطب ودائرة القيادة STEP/DIR – מנוע צעד דו-קוטבי ודרייבר STEP/DIR:

المحرّكات الأقوى، مثل محرّكات الطابعة ثلاثية الأبعاد، هي محرّكات ثنائية القطب (מנוע צעד דו-קוטבי): ملفان فقط، والتيار في كل ملف يجب أن ينعكس — أي يحتاج كل ملف إلى جسر H. زاوية الخطوة في كثير منها 1.8°، أي 200 خطوة في الدورة (قيمة نموذجية). وحدات القيادة A4988 و DRV8825 تحتوي جسرين H ومنطقا كاملا، ويكفي المتحكّم طرفان: نبضة على STEP = خطوة واحدة، والمستوى على DIR = الاتجاه. وهي تقسم كل خطوة إلى خطوات دقيقة (מיקרו-צעדים): حتى 1/16 في A4988 وحتى 1/32 في DRV8825، حسب أطراف MS. وتحدّ التيار في الملفات بنفسها؛ نضبط الحدّ بالمقاومة المتغيرة الصغيرة على اللوحة حسب تعليمات صانعها.

const int STEP_PIN = 3, DIR_PIN = 4;
const long STEPS_REV = 200L * 8;        // 1.8 deg motor, 1/8 microstep
const float RPM = 60.0;
unsigned long periodUs;
int dir = HIGH;

void setup() {
  pinMode(STEP_PIN, OUTPUT); pinMode(DIR_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  periodUs = 60000000.0 / (STEPS_REV * RPM);
  Serial.print("steps/rev = "); Serial.println(STEPS_REV);
  Serial.print("period = "); Serial.print(periodUs); Serial.println(" us");
}

void loop() {
  digitalWrite(DIR_PIN, dir);
  Serial.print("DIR = "); Serial.println(dir);
  for (long n = 0; n < STEPS_REV; n++) {     // one revolution
    digitalWrite(STEP_PIN, HIGH); delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(STEP_PIN, LOW);  delayMicroseconds(periodUs - 10);
  }
  dir = !dir;                                // reverse next time
  delay(500);
}

steps/rev = 1600
period = 625 us
DIR = 1
DIR = 0
DIR = 1

في التقسيم 1/8 تصبح الدورة 200 · 8 = 1600 خطوة. البرنامج يحسب بنفسه الزمن بين نبضتين من السرعة المطلوبة RPM، فلكي نغيّر السرعة نغيّر هذا الثابت فقط.

השוואה ובחירת מנוע – مقارنة واختيار المحرّك (Choosing a Motor)

القاعدة البسيطة: إذا كان المطلوب دورانا مستمرا بسرعة متغيرة — محرّك تيار مستمر. إذا كان المطلوب زاوية في مجال محدود — محرّك مؤازر. إذا كان المطلوب موقعا دقيقا على مسافة أو دورات كثيرة، وبدون حسّاس — محرّك الخطوة.

ملخّص قوانين الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين: