مقدمه؛ تفاوت موتور BLDC و DC چیست؟

موتورهای DC و BLDC هر دو با استفاده از انرژی الکتریکی جریان مستقیم، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی و حرکت دورانی تبدیل می‌کنند؛ اما تفاوت اصلی آن‌ها در ساختار و روش ایجاد میدان مغناطیسی دوار است. در موتور DC جاروبک‌دار (Brushed DC)، کموتاتور و جاروبک‌ها وظیفه تغییر جهت جریان سیم‌پیچ‌های روتور را بر عهده دارند. در مقابل، موتور BLDC یا Brushless DC فاقد جاروبک و کموتاتور مکانیکی است و تغییر جریان سیم‌پیچ‌های استاتور توسط یک مدار الکترونیکی به نام درایور موتور انجام می‌شود.

حذف جاروبک‌ها در موتور BLDC باعث کاهش استهلاک مکانیکی، کاهش نیاز به تعمیر و نگهداری و امکان دستیابی به سرعت‌های بالاتر می‌شود. از طرف دیگر، این موتورها برای کارکرد صحیح به درایور الکترونیکی نیاز دارند و طراحی سیستم کنترل آن‌ها پیچیده‌تر است. بنابراین انتخاب بین موتور DC و BLDC به عواملی مانند نوع کاربرد، محدوده سرعت، گشتاور موردنیاز، هزینه، شرایط کاری و دقت کنترل بستگی دارد.

در این مقاله، ابتدا ساختار و نحوه عملکرد هر دو موتور را بررسی می‌کنیم، سپس روش‌های کنترل آن‌ها را توضیح می‌دهیم و در نهایت با مقایسه ویژگی‌ها، مزایا و محدودیت‌ها، به شما کمک می‌کنیم موتور و درایور مناسب کاربرد خود را انتخاب کنید.

موتور DC چیست و چگونه کار می‌کند؟

موتور DC یا موتور جریان مستقیم، ماشینی الکتریکی است که انرژی الکتریکی جریان مستقیم را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. در این مقاله، منظور از موتور DC در مقایسه با BLDC، موتور DC جاروبک‌دار با تحریک آهنربای دائم (PMDC) است؛ هرچند موتورهای DC انواع دیگری نیز دارند.

ساختار موتور DC جاروبک‌دار

ساختار داخلی یک موتور دی سی جاروبک‌دار در شکل۱ نشان داده شده است:

شکل۱: ساختار داخلی موتور دی سی جاروبکدار

مهم‌ترین اجزای یک موتور DC جاروبک‌دار عبارت‌اند از:

1. استاتور (Stator): بخش ثابت موتور است که میدان مغناطیسی را ایجاد می‌کند. این میدان می‌تواند توسط آهنربای دائم یا سیم‌پیچ میدان تولید شود.
2. روتور یا آرمیچر (Rotor/Armature): بخش چرخان موتور است که سیم‌پیچ‌های آرمیچر روی آن قرار دارند.
3. کموتاتور (Commutator): مجموعه‌ای از قطعات مسی عایق‌شده است که به سیم‌پیچ‌های روتور متصل می‌شوند و جهت جریان سیم‌پیچ‌ها را هنگام چرخش تغییر می‌دهند.
4. جاروبک‌ها (Brushes): معمولاً از جنس گرافیت یا ترکیبات کربنی هستند و جریان الکتریکی را از مدار خارجی به کموتاتور منتقل می‌کنند.
5. محور و یاتاقان‌ها: وظیفه نگهداری محور و انتقال حرکت مکانیکی را بر عهده دارند.

نحوه عملکرد موتور DC

با اعمال ولتاژ DC به دو سر موتور، جریان از طریق جاروبک‌ها و کموتاتور وارد سیم‌پیچ‌های روتور می‌شود. عبور جریان از سیم‌پیچ‌هایی که در میدان مغناطیسی استاتور قرار دارند، نیروی الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند. این نیرو باعث تولید گشتاور و چرخش روتور می‌شود. با چرخش روتور، موقعیت سیم‌پیچ‌ها نسبت به میدان مغناطیسی استاتور تغییر می‌کند. در همین زمان، کموتاتور به کمک جاروبک‌ها جهت جریان سیم‌پیچ‌های آرمیچر را تغییر می‌دهد تا گشتاور در جهت موردنظر باقی بماند. در نتیجه، موتور می‌تواند به‌صورت پیوسته بچرخد.

برای درک بهتر نحوه‌ی عمکرد موتور DC شکل ساده زیر را در نظر بگیرید. در شکل۲ از یک استاتور ساده تنها با یک قطب N و S استفاده شده است(قطب N با رنگ قرمز و قطب S با رنگ آبی). همچنین روتور را به صورت یک تک سیم پیچ در نظر گرفته‌ایم. با اتصال سیم پیچ روتور به یک منبع تغذیه دی سی جریان از طریق جاوربکها وارد کموتاتور شده و سپس وارد سیم پیچ روتور می‌شود. عبور جریان از سیم پیچ روتور باعث تولید یک آهنربا با دو قطب N و S در روتور می‌شود. اکنون روتور شروع به حرکت می‌کند به گونه‌ای که قطب N روتور به سمت قطب S استاتور و قطب S روتور به سمت قطب N استاتور حرکت خواهد کرد.

در مرحله۲ روتور نزدیک به ۹۰ درجه چرخیده اما همچنان جهت جریان در سیم پیچ تغییر نکرده است. دقیقا در حالتی که روتور ۹۰ درجه بچرخد میدان مغناطیسی روتور و استاتور هم راستا شده و گشتاور صفر می‌شود. اکنون باید روتور متوقف شود و حرکت نکند. اما نقش کلیدی و مهم را اکنون سیستم جاروبک-کموتاتور ایفا خواهد کرد. به خاطر انرژی جنبشی روتور، روتور اندکی بیشتر از ۹۰ درجه خواهد چرخید! به محض عبور زاویه روتور از ۹۰ درجه جهت جریان در سیم پیچ به کمک سیستم جاروبک-کموتاتور عوض شده و در نتیجه جهت قطب N و S در روتور نیز عوض خواهد شد. اکنون حرکت ادامه می‌یابد و از آنجایی که قطب N روتور مقابل قطب N استاتور قرار گرفته نیروی دافعه باعث ادامه حرکت خواهد شد. این فرآیند تکرار شده و یک حرکت پیوسته ایجاد می‌کند.

شکل۲: نحوه‌ی عملکرد موتور DC جاروبکدار به صورت ساده

کنترل سرعت موتور DC چگونه انجام می‌شود؟

سرعت موتور DC جاروبک‌دار را می‌توان با تغییر ولتاژ متوسط اعمال‌شده به آرمیچر(روتور) کنترل کرد. یکی از رایج‌ترین روش‌ها، استفاده از مدولاسیون پهنای پالس یا PWM است.

برای آشنایی بیشتر به مدولاسیون پهنای پالس مقاله پالس PWM چیست؟ را مطالعه کنید.

در روش PWM، ولتاژ تغذیه با فرکانس مشخص بین دو سطح روشن و خاموش سوئیچ می‌شود. با تغییر Duty Cycle یا نسبت زمان روشن بودن کلید به دوره تناوب، ولتاژ متوسط اعمال‌شده به موتور تغییر می‌کند.

در یک مدار سوئیچینگ ساده، ولتاژ متوسط را می‌توان به‌صورت تقریبی با رابطه زیر بیان کرد:

Vavg = D × VDC

که در آن:

• Vavg: ولتاژ متوسط اعمال‌شده به موتور
• D: دیوتی سایکل، بین صفر تا یک
• VDC: ولتاژ منبع تغذیه

این رابطه برای یک ساختار ساده PWM و با فرض شرایط ایده‌آل بیان شده است. در مدارهایی مانند H-Bridge، ولتاژ متوسط موتور به روش کلیدزنی، جهت ولتاژ و مسیر گردش جریان نیز وابسته است.

موتور BLDC چیست و چگونه کار می‌کند؟

موتور BLDC مخفف عبارت Brushless DC Motor و به معنای موتور جریان مستقیم بدون جاروبک است. این موتور نوعی ماشین سنکرون آهنربای دائم است که برخلاف موتور DC جاروبک‌دار، در آن سیم‌پیچ‌ها روی استاتور قرار دارند و آهنرباهای دائم روی روتور نصب شده‌اند.

در موتور BLDC، کموتاسیون یا تغییر وضعیت جریان سیم‌پیچ‌ها به‌جای جاروبک و کموتاتور مکانیکی، توسط مدار الکترونیکی انجام می‌شود. به همین دلیل، این موتورها به یک درایور الکترونیکی نیاز دارند که زمان‌بندی و نحوه تحریک فازهای موتور را کنترل کند.

ساختار موتور BLDC

مهم‌ترین اجزای موتور BLDC عبارت‌اند از:

1. استاتور (Stator): بخش ثابت موتور است که از هسته ورقه‌ورقه آهنی و سیم‌پیچ‌های مسی تشکیل می‌شود. سیم‌پیچ‌ها معمولاً در سه فاز A، B و C قرار دارند.
2. روتور (Rotor): بخش متحرک موتور است که آهنرباهای دائم روی آن نصب شده‌اند. تعداد قطب‌های مغناطیسی روتور به طراحی موتور بستگی دارد.
3. سنسور موقعیت روتور: در موتورهای سنسوردار، معمولاً از سنسورهای Hall برای تشخیص موقعیت روتور استفاده می‌شود.
4. یاتاقان‌ها و محور: وظیفه نگهداری و انتقال توان مکانیکی را بر عهده دارند.
5. درایور الکترونیکی: مدار قدرت و کنترل است که جریان فازهای موتور را متناسب با موقعیت روتور کنترل می‌کند.

نحوه عملکرد موتور BLDC

در موتور BLDC، با عبور جریان از سیم‌پیچ‌های استاتور، میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. این میدان با میدان مغناطیسی آهنرباهای دائم روتور برهم‌کنش می‌کند و گشتاور لازم برای چرخش روتور را به وجود می‌آورد.

برای تداوم چرخش، باید جریان سیم‌پیچ‌های استاتور در زمان مناسب تغییر کند. این فرآیند که کموتاسیون الکترونیکی (Electronic Commutation) نام دارد، توسط درایور موتور انجام می‌شود.

در یک موتور BLDC سه‌فاز با روش کنترل شش‌مرحله‌ای، در هر مرحله معمولاً دو فاز به منبع مثبت و منفی متصل می‌شوند و فاز سوم بدون تحریک مستقیم باقی می‌ماند. با تشخیص موقعیت روتور، درایور وضعیت کلیدهای قدرت را تغییر می‌دهد تا میدان مغناطیسی استاتور در جهت مناسب حرکت کند.

به این ترتیب، میدان مغناطیسی دوار ایجادشده در استاتور، روتور را به دنبال خود می‌چرخاند.

تفاوت ساختار موتور BLDC و DC

مهم‌ترین تفاوت ساختاری موتور DC جاروبک‌دار و BLDC، محل قرارگیری سیم‌پیچ‌ها و آهنرباها و همچنین روش کموتاسیون آن‌ها است.

در موتور DC جاروبک‌دار، سیم‌پیچ‌ها روی روتور قرار دارند و جریان از طریق جاروبک و کموتاتور به آن‌ها منتقل می‌شود. اما در موتور BLDC، سیم‌پیچ‌ها روی استاتور قرار گرفته‌اند و روتور معمولاً از آهنرباهای دائم تشکیل شده است.

جدول مقایسه ساختار موتور DC و BLDC

نکته مهم این است که تعداد سیم‌های اتصال موتور BLDC به نوع طراحی آن بستگی دارد. برای مثال، برخی موتورها علاوه بر سه سیم قدرت، سیم‌های سنسور Hall یا سنسور دما نیز دارند.

روش‌های کنترل موتور DC

موتورهای DC جاروبک‌دار از نظر کنترل، ساختار نسبتاً ساده‌ای دارند. برای کاربردهای مختلف می‌توان از روش‌های متفاوتی استفاده کرد.

۱. کنترل سرعت با تغییر ولتاژ

یکی از ساده‌ترین روش‌های کنترل سرعت موتور DC، تغییر ولتاژ تغذیه است. با افزایش ولتاژ آرمیچر، سرعت موتور افزایش می‌یابد و با کاهش آن، سرعت کمتر می‌شود.

البته رابطه سرعت و ولتاژ کاملاً مستقل از بار نیست؛ زیرا با افزایش بار، جریان آرمیچر و افت ولتاژ مقاومت سیم‌پیچ تغییر می‌کند. به همین دلیل، برای کنترل دقیق‌تر سرعت معمولاً از فیدبک سرعت استفاده می‌شود.

۲. کنترل سرعت با PWM

در روش PWM، ولتاژ تغذیه با فرکانس مشخص به موتور اعمال و قطع می‌شود. تغییر دیوتی سایکل باعث تغییر ولتاژ متوسط و در نتیجه تغییر سرعت موتور می‌شود.

مزیت این روش نسبت به کنترل خطی ولتاژ، راندمان بالاتر مدار کنترل است؛ زیرا کلید قدرت در حالت روشن یا خاموش کار می‌کند و تلفات آن در حالت ایده‌آل کمتر است.

۳. کنترل جهت چرخش با مدار H-Bridge

برای تغییر جهت چرخش موتور DC باید جهت جریان آرمیچر تغییر کند. یکی از رایج‌ترین روش‌ها، استفاده از مدار H-Bridge است.

این مدار معمولاً از چهار کلید قدرت تشکیل می‌شود. با فعال کردن جفت کلیدهای مناسب، قطبیت ولتاژ دو سر موتور تغییر می‌کند و جهت چرخش موتور معکوس می‌شود.

مدار H-Bridge علاوه بر کنترل جهت، امکان کنترل سرعت با PWM و در برخی توپولوژی‌ها امکان ترمز الکتریکی و گردش مجدد جریان موتور را نیز فراهم می‌کند.

۴. کنترل جریان و گشتاور موتور DC

در موتور DC آهنربای دائم، گشتاور موتور در شرایط کاری متعارف تقریباً متناسب با جریان آرمیچر است:

T = Kt × Ia

که در آن:

• T: گشتاور موتور
• Kt: ثابت گشتاور موتور
• Ia: جریان آرمیچر

بنابراین با اندازه‌گیری و کنترل جریان آرمیچر می‌توان گشتاور موتور را کنترل کرد. این روش در کاربردهایی که کنترل گشتاور اهمیت دارد، مانند سیستم‌های کشش، تجهیزات صنعتی و مکانیزم‌های حرکتی، بسیار کاربردی است.

روش‌های کنترل موتور BLDC

کنترل موتور BLDC نسبت به موتور DC جاروبک‌دار پیچیده‌تر است؛ زیرا در آن وظیفه کموتاسیون بر عهده مدار الکترونیکی قرار دارد. روش کنترل انتخاب‌شده تأثیر مستقیمی بر راندمان، ریپل گشتاور، صدای موتور، عملکرد در سرعت پایین و پیچیدگی درایور دارد.

روش‌های کنترل موتور BLDC را می‌توان از چند دیدگاه بررسی کرد. برای مثال، Six-Step و FOC به روش تحریک و کنترل جریان مربوط هستند، در حالی که سنسوردار و بدون‌سنسور به روش تشخیص موقعیت روتور اشاره دارند. بنابراین این دسته‌بندی‌ها کاملاً جایگزین یکدیگر نیستند و می‌توانند با هم ترکیب شوند.

۱. کنترل Six-Step یا کموتاسیون شش‌مرحله‌ای

روش Six-Step که با نام Six-Step Commutation یا Trapezoidal Control نیز شناخته می‌شود، یکی از رایج‌ترین روش‌های کنترل موتور BLDC است.

در این روش، یک دور الکتریکی موتور به شش بخش تقسیم می‌شود. در هر بخش، وضعیت تحریک فازهای موتور تغییر می‌کند. در حالت متداول، دو فاز فعال هستند و فاز سوم بدون تحریک مستقیم باقی می‌ماند.

در یک موتور سه‌فاز، این فرآیند با استفاده از شش وضعیت مختلف کلیدهای قدرت انجام می‌شود.

ویژگی‌های کنترل Six-Step:

• ساختار کنترلی نسبتاً ساده
• نیاز محاسباتی کمتر نسبت به FOC
• پیاده‌سازی آسان‌تر در بسیاری از میکروکنترلرها
• مناسب برای بسیاری از کاربردهای عمومی و اقتصادی
• امکان ایجاد ریپل گشتاور و نویز صوتی بیشتر نسبت به کنترل سینوسی و FOC، به‌خصوص در برخی نقاط کاری

در این روش، برای تعیین زمان مناسب تغییر وضعیت فازها باید موقعیت روتور مشخص شود. این کار می‌تواند با سنسورهای Hall یا روش‌های بدون‌سنسور انجام شود.

۲. کنترل سنسوردار (Sensored Control)

در روش سنسوردار، موقعیت روتور با استفاده از سنسورهای فیزیکی اندازه‌گیری می‌شود. یکی از رایج‌ترین روش‌ها، استفاده از سه سنسور Hall است.

این سنسورها با تشخیص موقعیت قطب‌های مغناطیسی روتور، سیگنال‌هایی تولید می‌کنند که درایور با استفاده از آن‌ها زمان مناسب کموتاسیون را تشخیص می‌دهد.

مزایای کنترل سنسوردار:

• تشخیص موقعیت روتور حتی در حالت سکون
• راه‌اندازی مطمئن‌تر در سرعت‌های پایین
• امکان کنترل بهتر در شرایط بارگذاری و راه‌اندازی
• ساده‌تر شدن تشخیص موقعیت در روش Six-Step

محدودیت‌ها:

• نیاز به سیم‌کشی اضافی
• افزایش هزینه و پیچیدگی مکانیکی
• احتمال بروز خطا در سنسورها یا اتصالات آن‌ها
• محدودیت دمایی و محیطی برخی سنسورها

۳. کنترل بدون سنسور (Sensorless Control)

در روش Sensorless، برای تشخیص موقعیت روتور از سنسور فیزیکی استفاده نمی‌شود. در عوض، درایور با اندازه‌گیری ولتاژ و جریان فازها و استفاده از الگوریتم‌های تخمین موقعیت، وضعیت روتور را محاسبه می‌کند.

یکی از روش‌های رایج در کنترل Six-Step بدون سنسور، اندازه‌گیری نیروی ضد محرکه یا Back-EMF است.

هنگامی که روتور می‌چرخد، در سیم‌پیچ‌های موتور ولتاژی القا می‌شود که با نام Back-EMF شناخته می‌شود. در روش متداول Zero Crossing، عبور ولتاژ Back-EMF از نقطه مرجع تشخیص داده می‌شود و زمان کموتاسیون بعدی تخمین زده می‌شود.

مزایای کنترل بدون سنسور:

• حذف سنسورهای موقعیت
• کاهش تعداد سیم‌های اتصال
• کاهش هزینه و پیچیدگی مکانیکی
• مناسب برای بسیاری از کاربردهای با سرعت متوسط و بالا

محدودیت‌های کنترل بدون سنسور:

• راه‌اندازی در سرعت صفر دشوارتر است.
• در روش Back-EMF، تشخیص موقعیت در سرعت‌های بسیار پایین محدودیت دارد.
• در شرایط تغییر ناگهانی بار، تخمین موقعیت ممکن است دشوارتر شود.
• کیفیت عملکرد به الگوریتم تخمین و طراحی درایور وابسته است.

البته Sensorless فقط به روش Back-EMF محدود نیست. روش‌هایی مانند Sliding Mode Observer، Luenberger Observer و تخمین‌گرهای مبتنی بر PLL نیز برای تخمین موقعیت و سرعت استفاده می‌شوند. همچنین در برخی طراحی‌ها از روش تزریق سیگنال فرکانس بالا (High-Frequency Injection) برای تخمین موقعیت در سرعت‌های بسیار پایین یا نزدیک به صفر استفاده می‌شود.

۴. کنترل سینوسی (Sinusoidal Control)

در روش کنترل سینوسی، جریان فازهای موتور به‌صورت تقریبی سینوسی کنترل می‌شود. در مقایسه با Six-Step، تغییر جریان فازها نرم‌تر است و در بسیاری از شرایط می‌توان ریپل گشتاور و نویز صوتی را کاهش داد.

در این روش، درایور با توجه به موقعیت الکتریکی روتور، جریان مرجع هر فاز را تعیین می‌کند و با استفاده از PWM جریان موردنظر را در سیم‌پیچ‌ها ایجاد می‌کند.

این روش به اطلاعات مناسب از موقعیت روتور نیاز دارد و می‌تواند به‌صورت سنسوردار یا با استفاده از الگوریتم‌های تخمین موقعیت پیاده‌سازی شود.

۵. کنترل FOC یا Field Oriented Control

روش FOC یکی از پیشرفته‌ترین روش‌های کنترل موتورهای سه‌فاز سنکرون، از جمله موتورهای BLDC و PMSM است.

در این روش، جریان‌های سه‌فاز موتور با استفاده از تبدیل‌های ریاضی به یک دستگاه مختصات چرخان تبدیل می‌شوند تا کنترل مؤلفه‌های جریان به شکل مستقل‌تری امکان‌پذیر شود.

در کنترل FOC معمولاً دو مؤلفه جریان با نام‌های Id و Iq کنترل می‌شوند:

• Id: مؤلفه جریان در راستای شار مغناطیسی روتور
• Iq: مؤلفه جریان عمود بر شار مغناطیسی که در شرایط متعارف، نقش اصلی را در تولید گشتاور دارد.

در موتورهای آهنربای دائم سطحی (SPM)، در بسیاری از شرایط کاری، مقدار مرجع Id نزدیک صفر انتخاب می‌شود و گشتاور عمدتاً از طریق کنترل Iq تنظیم می‌شود. البته در موتورهای آهنربای دائم داخلی (IPM) و شرایطی مانند تضعیف میدان، کنترل Id نیز اهمیت پیدا می‌کند.

ساختار کلی کنترل FOC

یک سیستم FOC معمولاً از دو حلقه کنترلی تشکیل شده است:

1. حلقه کنترل سرعت بیرونی: سرعت واقعی موتور را با سرعت مرجع مقایسه می‌کند و مقدار مرجع جریان گشتاورساز یعنی Iq را تولید می‌کند.
2. حلقه‌های کنترل جریان داخلی: جریان‌های Id و Iq را با مقادیر مرجع مقایسه و با استفاده از کنترل‌کننده‌هایی مانند PI، ولتاژهای مرجع را تولید می‌کنند.

سپس با استفاده از تبدیل معکوس Park و Clarke، فرمان‌های سه‌فاز تولید می‌شوند و در نهایت مدولاسیون PWM یا SVPWM برای کنترل کلیدهای قدرت استفاده می‌شود.

مزایای FOC:

• کنترل دقیق‌تر گشتاور در بسیاری از کاربردها
• عملکرد نرم‌تر موتور
• کاهش ریپل گشتاور
• عملکرد مناسب در محدوده وسیعی از سرعت
• امکان کنترل پیشرفته سرعت و گشتاور
• قابلیت پیاده‌سازی الگوریتم‌های محدودسازی جریان و تضعیف میدان

محدودیت‌های FOC:

• پیچیدگی بیشتر الگوریتم کنترلی
• نیاز به پردازش محاسباتی بیشتر
• نیاز به تخمین دقیق موقعیت الکتریکی روتور
• حساسیت عملکرد به پارامترهای موتور و کیفیت اندازه‌گیری جریان
• نیاز به طراحی و تنظیم دقیق حلقه‌های کنترلی

FOC می‌تواند هم به‌صورت سنسوردار و هم بدون‌سنسور پیاده‌سازی شود؛ بنابراین نباید FOC را الزاماً معادل کنترل سنسوردار در نظر گرفت.

مقایسه روش‌های کنترل موتور BLDC

جدول زیر مهم‌ترین روش‌های کنترل موتور BLDC را از نظر ویژگی‌های عملکردی مقایسه می‌کند.

مقادیر کیفی جدول به طراحی موتور، الگوریتم کنترل، تنظیمات درایور و شرایط کاری وابسته هستند و نباید به‌عنوان مقادیر ثابت برای تمام موتورها در نظر گرفته شوند.

تفاوت کنترل موتور DC و BLDC چیست؟

تفاوت اصلی در کنترل این دو موتور به نحوه تغییر جهت جریان سیم‌پیچ‌ها مربوط می‌شود.

در موتور DC جاروبک‌دار، کموتاتور و جاروبک‌ها به‌صورت مکانیکی وظیفه تغییر جهت جریان را انجام می‌دهند. بنابراین برای کنترل سرعت، معمولاً کافی است ولتاژ متوسط آرمیچر تغییر کند. برای کنترل جهت چرخش نیز می‌توان از مدار H-Bridge استفاده کرد.

اما در موتور BLDC، کموتاسیون باید توسط درایور الکترونیکی انجام شود. درایور باید زمان مناسب تحریک فازها را تشخیص دهد و جریان سیم‌پیچ‌ها را مطابق الگوریتم انتخاب‌شده کنترل کند.

جدول مقایسه روش کنترل موتور DC و BLDC

نکته مهم: موتور DC نیز با استفاده از فیدبک سرعت و کنترل جریان می‌تواند کنترل دقیق و پیشرفته‌ای داشته باشد. بنابراین نمی‌توان گفت که BLDC در تمام کاربردها الزاماً کنترل دقیق‌تری دارد. مزیت اصلی FOC در BLDC، امکان کنترل تفکیک‌شده مؤلفه‌های جریان و مدیریت پیشرفته میدان و گشتاور است.

مقایسه مزایا و معایب موتور DC و BLDC

هر یک از این موتورها برای کاربردهای مشخصی مناسب هستند. انتخاب موتور بهتر به شرایط پروژه و اولویت‌های طراحی بستگی دارد.

مقایسه راندمان موتور DC و BLDC

راندمان موتور نشان می‌دهد چه مقدار از انرژی الکتریکی ورودی به توان مکانیکی مفید تبدیل می‌شود.

به‌طور کلی، موتورهای BLDC در بسیاری از کاربردها راندمان بالایی دارند؛ زیرا در آن‌ها تلفات ناشی از تماس جاروبک و کموتاتور وجود ندارد و می‌توان طراحی مغناطیسی و حرارتی مناسبی برای آن‌ها انجام داد.

با این حال، راندمان نهایی فقط به نوع موتور وابسته نیست. عواملی مانند مقاومت سیم‌پیچ‌ها، تلفات هسته، تلفات آهنربا، سرعت، بار مکانیکی، کیفیت یاتاقان‌ها و تلفات درایور بر راندمان سیستم تأثیر می‌گذارند.

بنابراین نمی‌توان یک درصد ثابت را برای راندمان تمام موتورهای DC یا BLDC در نظر گرفت. برای مقایسه دقیق، باید منحنی راندمان موتور در محدوده سرعت و گشتاور موردنیاز بررسی شود.

مقایسه طول عمر موتور DC و BLDC

یکی از مهم‌ترین مزایای موتور BLDC، حذف جاروبک و کموتاتور مکانیکی است. در موتور DC جاروبک‌دار، تماس مداوم جاروبک با کموتاتور باعث ایجاد اصطکاک و استهلاک می‌شود. در نتیجه، جاروبک‌ها پس از مدتی نیاز به بررسی و تعویض دارند.

در موتور BLDC این قطعات وجود ندارند و به همین دلیل نیاز به نگهداری مرتبط با جاروبک حذف می‌شود.

با این حال، حذف جاروبک به معنای عمر نامحدود موتور نیست. عواملی مانند کیفیت بلبرینگ‌ها، دمای سیم‌پیچ، کیفیت عایق، شرایط نصب، ارتعاشات مکانیکی، کیفیت آهنرباها و شرایط کاری در طول عمر موتور نقش مهمی دارند.

در نتیجه، در شرایط طراحی و کارکرد مشابه، موتور BLDC معمولاً نیاز کمتری به تعمیر و نگهداری دارد؛ اما برای مقایسه طول عمر واقعی باید مشخصات سازنده و شرایط آزمون هر موتور بررسی شود.

کاربردهای موتور DC و BLDC

هر دو نوع موتور در صنایع مختلف استفاده می‌شوند؛ اما ویژگی‌های آن‌ها باعث شده است که در برخی کاربردها یکی از آن‌ها انتخاب مناسب‌تری باشد.

کاربردهای موتور DC جاروبک‌دار

• اسباب‌بازی‌های برقی
• مکانیزم‌های حرکتی ساده
• پمپ‌های کوچک
• بالابرها و جک‌های الکتریکی
• برخی تجهیزات خودرو
• نوار نقاله‌های کوچک
• تجهیزات صنعتی با نیاز به کنترل ساده سرعت

یکی از دلایل استفاده از موتور DC جاروبک‌دار در برخی تجهیزات، سادگی کنترل و هزینه اولیه کمتر آن است.

برای آشنایی بیشتر با یک نمونه کاربردی، مقاله علت استفاده از موتور DC در تردمیل را مطالعه کنید.

کاربردهای موتور BLDC

• فن‌ها و سیستم‌های تهویه
• پمپ‌های صنعتی
• تجهیزات پزشکی
• ربات‌ها و سیستم‌های اتوماسیون
• پهپادها و تجهیزات پروازی
• خودروهای برقی
• دوچرخه‌ها و اسکوترهای برقی
• تجهیزات دقیق و سروو درایوها
• ابزارهای برقی قابل‌حمل

موتور BLDC به دلیل چگالی توان مناسب، عدم وجود جاروبک و قابلیت کنترل الکترونیکی، در بسیاری از سیستم‌های مدرن انتخاب مناسبی است.

تفاوت موتور BLDC و PMSM چیست؟

موتورهای BLDC و PMSM هر دو در گروه موتورهای سنکرون آهنربای دائم قرار می‌گیرند. در هر دو نوع، روتور معمولاً از آهنرباهای دائم تشکیل شده و میدان مغناطیسی استاتور توسط سیم‌پیچ‌های سه‌فاز ایجاد می‌شود.

تفاوت این دو نام‌گذاری در کاربرد متداول آن‌ها بیشتر به شکل نیروی ضد محرکه یا Back-EMF و روش کنترل مربوط است.

در کاربرد رایج، موتور BLDC معمولاً دارای Back-EMF ذوزنقه‌ای است و با روش کموتاسیون شش‌مرحله‌ای کنترل می‌شود. در مقابل، موتور PMSM معمولاً Back-EMF سینوسی دارد و با کنترل سینوسی یا FOC راه‌اندازی می‌شود.

البته این تفکیک مطلق نیست. موتورهای BLDC نیز می‌توانند با الگوریتم FOC کنترل شوند و مرزبندی نام‌گذاری این دو موتور در منابع و کاربردهای صنعتی همیشه یکسان نیست.

جدول مقایسه موتور BLDC و PMSM

بنابراین تفاوت BLDC و PMSM را نباید صرفاً بر اساس وجود یا عدم وجود آهنربای دائم یا نوع روتور تعریف کرد؛ زیرا هر دو در اصل از خانواده ماشین‌های سنکرون آهنربای دائم هستند.

چگونه موتور و درایور مناسب انتخاب کنیم؟

انتخاب موتور مناسب فقط بر اساس ولتاژ یا توان نامی کافی نیست. برای انتخاب درست باید ابتدا نیازهای مکانیکی و الکتریکی سیستم مشخص شوند.

مهم‌ترین پارامترهایی که باید بررسی شوند عبارت‌اند از:

1. ولتاژ نامی موتور: ولتاژ تغذیه باید با مشخصات موتور و محدوده کاری درایور سازگار باشد.
2. سرعت موردنیاز: سرعت نامی و حداکثر سرعت موتور باید متناسب با کاربرد باشد.
3. گشتاور موردنیاز: گشتاور دائم و گشتاور لحظه‌ای باید به‌درستی محاسبه شوند.
4. جریان موتور: جریان دائم و جریان راه‌اندازی یا پیک باید در انتخاب درایور لحاظ شوند.
5. نوع بار: بار می‌تواند ثابت، متغیر، اینرسی بالا یا دارای تغییرات سریع گشتاور باشد.
6. روش کنترل: باید مشخص شود که کنترل ساده سرعت کافی است یا به کنترل دقیق گشتاور و سرعت نیاز دارید.
7. نیاز به فیدبک: در صورت نیاز به کنترل دقیق موقعیت یا سرعت پایین، استفاده از سنسور مناسب ممکن است ضروری باشد.
8. شرایط محیطی: دما، رطوبت، گردوغبار، ارتعاش و محدودیت‌های نصب باید بررسی شوند.

چه زمانی موتور DC انتخاب کنیم؟

اگر هزینه اولیه پایین، سادگی راه‌اندازی و کنترل آسان اهمیت بیشتری دارد و محدودیت خاصی برای تعمیر و نگهداری وجود ندارد، موتور DC جاروبک‌دار می‌تواند انتخاب مناسبی باشد.

برای کنترل این موتورها می‌توان از درایورهای DC با ورودی PWM یا آنالوگ استفاده کرد.

برای مثال، در سایت روبوت‌میکرز دو محصول زیر برای کنترل موتورهای DC جاروبک‌دار ارائه شده‌اند:

• درایور موتور DC مدل AMD10: مناسب برای موتورهای DC با ولتاژ ۱۲ تا ۳۶ ولت، جریان دائم ۱۰ آمپر و جریان لحظه‌ای ۲۰ آمپر.
• درایور موتور DC مدل PMD60A: دارای توان نامی ۵۰۰ وات، جریان دائم ۲۰ آمپر و جریان لحظه‌ای ۴۰ آمپر.

توجه داشته باشید که این دو محصول برای موتورهای DC جاروبک‌دار هستند و نباید به‌عنوان درایور موتور BLDC استفاده شوند.

چه زمانی موتور BLDC انتخاب کنیم؟

اگر به راندمان بالا، استهلاک مکانیکی کمتر، سرعت بالا، چگالی توان مناسب و قابلیت کنترل پیشرفته نیاز دارید، موتور BLDC می‌تواند انتخاب مناسبی باشد.

در این حالت باید درایوری انتخاب کنید که از نظر ولتاژ، جریان، تعداد قطب‌ها، روش کموتاسیون و نوع فیدبک با موتور سازگار باشد.

برای مثال، اگر موتور شما دارای سنسور Hall است، درایور باید قابلیت دریافت و پردازش سیگنال‌های آن را داشته باشد؛ در حالی که برای موتور بدون‌سنسور، درایور باید از الگوریتم تخمین موقعیت مناسب پشتیبانی کند.

اگر کنترل دقیق سرعت و گشتاور موردنیاز باشد، استفاده از درایور دارای الگوریتم FOC می‌تواند گزینه مناسبی باشد.

درایور موتور BLDC چیست و چه وظیفه‌ای دارد؟

درایور موتور BLDC یک مدار الکترونیکی است که وظیفه تأمین و کنترل جریان سه‌فاز موتور را بر عهده دارد. این مدار معمولاً از یک پل سه‌فاز شامل شش کلید قدرت تشکیل می‌شود که با استفاده از آن‌ها، جریان سیم‌پیچ‌های موتور کنترل می‌شود.

درایور موتور BLDC علاوه بر مدار قدرت، شامل بخش کنترل نیز هست. این بخش می‌تواند از میکروکنترلر، پردازنده دیجیتال سیگنال (DSP) یا مدارهای کنترلی اختصاصی تشکیل شده باشد.

مهم‌ترین وظایف درایور BLDC عبارت‌اند از:

• تولید توالی مناسب کموتاسیون
• کنترل سرعت موتور
• کنترل جریان و گشتاور
• تشخیص موقعیت روتور در روش سنسوردار یا بدون‌سنسور
• کنترل راه‌اندازی و توقف موتور
• محدودسازی جریان و حفاظت در برابر اضافه‌جریان
• حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ و افت ولتاژ
• حفاظت حرارتی موتور و درایور در صورت پیش‌بینی این قابلیت‌ها

در انتخاب درایور BLDC باید به حداکثر ولتاژ باس DC، جریان پیوسته و لحظه‌ای، فرکانس PWM، نوع سنسور، روش کنترل و امکانات حفاظتی توجه کرد.

جمع‌بندی؛ موتور DC بهتر است یا BLDC؟

موتور DC جاروبک‌دار و موتور BLDC هر دو برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی استفاده می‌شوند؛ اما از نظر ساختار، روش کموتاسیون و سیستم کنترل تفاوت‌های مهمی دارند.

در موتور DC جاروبک‌دار، کموتاسیون به کمک جاروبک و کموتاتور انجام می‌شود و به همین دلیل راه‌اندازی و کنترل آن ساده‌تر است. در مقابل، موتور BLDC فاقد جاروبک بوده و کموتاسیون آن توسط درایور الکترونیکی انجام می‌شود. این ویژگی باعث کاهش استهلاک مرتبط با جاروبک و فراهم شدن امکان استفاده از روش‌های کنترلی پیشرفته مانند FOC می‌شود.

اگر سادگی و هزینه اولیه کمتر اولویت اصلی باشد، موتور DC می‌تواند انتخاب مناسبی باشد. اما اگر به راندمان بالا، نگهداری کمتر، سرعت بالا یا کنترل پیشرفته نیاز دارید، موتور BLDC گزینه قابل‌توجهی است.

در نهایت، انتخاب صحیح به مشخصات واقعی بار، سرعت، گشتاور، شرایط کاری و امکانات درایور بستگی دارد. پیش از خرید موتور یا درایور، بهتر است مشخصات فنی آن‌ها را با نیازهای پروژه مقایسه کنید.

سوالات متداول درباره موتور BLDC و DC

۱. موتور BLDC مخفف چیست؟

BLDC مخفف Brushless DC Motor و به معنای موتور جریان مستقیم بدون جاروبک است. در این موتور، کموتاسیون به‌جای جاروبک و کموتاتور مکانیکی، توسط مدار الکترونیکی انجام می‌شود.

۲. آیا موتور BLDC بدون درایور کار می‌کند؟

خیر. برای عملکرد صحیح موتور BLDC باید جریان سیم‌پیچ‌های استاتور در زمان مناسب تغییر کند. این کار توسط درایور الکترونیکی انجام می‌شود. اتصال مستقیم موتور BLDC به منبع DC باعث چرخش کنترل‌شده آن نخواهد شد.

۳. آیا موتور BLDC همان موتور DC است؟

از نظر عملکرد کلی، هر دو می‌توانند با منبع DC تغذیه شوند؛ اما از نظر ساختار و روش کموتاسیون متفاوت هستند. موتور DC جاروبک‌دار دارای جاروبک و کموتاتور مکانیکی است، در حالی که موتور BLDC از کموتاسیون الکترونیکی استفاده می‌کند.

۴. تفاوت موتور BLDC سنسوردار و بدون‌سنسور چیست؟

در موتور سنسوردار، موقعیت روتور با استفاده از سنسورهایی مانند Hall اندازه‌گیری می‌شود. در موتور بدون‌سنسور، موقعیت روتور با استفاده از اندازه‌گیری ولتاژ و جریان و الگوریتم‌های تخمین محاسبه می‌شود.

موتور سنسوردار معمولاً راه‌اندازی مطمئن‌تری در سرعت صفر و پایین دارد؛ اما موتور بدون‌سنسور به دلیل حذف سنسورها، سیم‌کشی و پیچیدگی مکانیکی کمتری دارد.

۵. کدام موتور راندمان بیشتری دارد؛ BLDC یا DC؟

در بسیاری از کاربردها، موتور BLDC به دلیل حذف تلفات جاروبک و امکان طراحی بهینه، راندمان بالایی دارد. با این حال، راندمان واقعی به طراحی موتور، شرایط کاری، بار و تلفات درایور وابسته است و نمی‌توان یک برتری مطلق برای تمام موتورها در نظر گرفت.

۶. آیا موتور BLDC نیاز به تعمیر و نگهداری دارد؟

بله، اما معمولاً نیاز به نگهداری آن کمتر از موتور DC جاروبک‌دار است. موتور BLDC جاروبک و کموتاتور مکانیکی ندارد، ولی بلبرینگ‌ها، سیم‌پیچ‌ها، آهنرباها و اتصالات آن همچنان باید در شرایط مناسب نگهداری شوند.

۷. تفاوت کنترل Six-Step و FOC چیست؟

در کنترل Six-Step، کموتاسیون موتور در شش وضعیت مشخص انجام می‌شود و معمولاً دو فاز در هر مرحله تحریک می‌شوند. این روش ساده‌تر است، اما ممکن است ریپل گشتاور بیشتری ایجاد کند.

در روش FOC، مؤلفه‌های جریان در دستگاه مختصات چرخان کنترل می‌شوند. این روش امکان کنترل دقیق‌تر و نرم‌تر گشتاور را فراهم می‌کند، اما به محاسبات و تنظیمات پیچیده‌تری نیاز دارد.

۸. آیا می‌توان موتور BLDC را با درایور موتور DC کنترل کرد؟

خیر. درایور موتور DC جاروبک‌دار معمولاً برای کنترل یک موتور با دو ترمینال طراحی شده است؛ اما موتور BLDC به توالی تحریک سه‌فاز و کموتاسیون الکترونیکی نیاز دارد. بنابراین باید از درایور سازگار با موتور BLDC استفاده شود.

۹. آیا موتور BLDC می‌تواند در سرعت صفر گشتاور تولید کند؟

بله. در صورت تشخیص صحیح موقعیت روتور و کنترل مناسب جریان، موتور BLDC می‌تواند در حالت سکون نیز گشتاور تولید کند. این قابلیت در روش‌های سنسوردار به‌سادگی قابل پیاده‌سازی است. در روش‌های بدون‌سنسور نیز به الگوریتم تخمین و راه‌اندازی مناسب نیاز است.

۱۰. آیا موتور BLDC با روش FOC کنترل می‌شود؟

بله. FOC یکی از روش‌های پیشرفته کنترل موتورهای BLDC و PMSM است. با استفاده از این روش می‌توان جریان‌های موتور را به‌گونه‌ای کنترل کرد که گشتاور و میدان مغناطیسی با دقت مناسبی مدیریت شوند.

۱۱. آیا موتور BLDC همان PMSM است؟

هر دو از خانواده موتورهای سنکرون آهنربای دائم هستند. در کاربرد رایج، BLDC معمولاً دارای Back-EMF ذوزنقه‌ای و کنترل Six-Step است، در حالی که PMSM معمولاً با Back-EMF سینوسی و کنترل FOC شناخته می‌شود. با این حال، این مرزبندی مطلق نیست و موتور BLDC نیز می‌تواند با FOC کنترل شود.

نوشته «موتور BLDC چیست و چه تفاوتی با موتور DC دارد؟» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

شکل۱: روش تولید پالس PWM

به‌طور کلی، PWM تکنیکی برای کنترل ولتاژ و توان تحویلی به بار است که در آن، با تغییر پهنای پالس‌ها (چرخه کاری)، مقدار متوسط یا مؤثر ولتاژ خروجی کنترل می‌شود. در واقع، یک سوئیچ الکترونیکی با اتصال و قطع متناوب منبع تغذیه به بار، امکان تنظیم انرژی دریافتی بار را فراهم می‌کند. برای درک بهتر این موضوع، در شکل۲ روش کنترل مقدار مؤثر ولتاژ خروجی با استفاده از سیگنال PWM  نشان داده شده است.

شکل۲: کنترل مقدار موثر ولتاژ توسط پالس PWM

مطابق شکل۲ هنگامی که مقدار سیگنال PWM برابر با یک (منطق HIGH) باشد، سوئیچ الکترونیکی در حالت روشن قرار گرفته و ولتاژ به بار اعمال می‌شود؛ در نتیجه، مقدار مؤثر ولتاژ خروجی افزایش می‌یابد. در مقابل، هنگامی که مقدار سیگنال PWM برابر با  صفر (منطق LOW) باشد ، سوئیچ خاموش شده و ولتاژ اعمال‌شده به بار قطع می‌شود؛ در نتیجه، مقدار مؤثر ولتاژ خروجی کاهش می‌یابد. برای درک بهتر مفهوم مدولاسیون پهنای پالس و نحوه عملکرد آن، به شکل۳ توجه کنید.

شکل۳: سه نمونه چرخه‌ی کاری(دیوتی سایکل)

همان‌طور که در شکل۳ مشاهده می‌کنید، سه نمونه از چرخه کاری (Duty Cycle) برای یک سیگنال PWM نشان داده شده است. برای درک بهتر این مفهوم، فرض کنید یک سیگنال PWM با حداکثر ولتاژ ۵ ولت داشته باشیم. در این صورت، با تغییر چرخه کاری، مقدار متوسط ولتاژ خروجی نیز تغییر می‌کند. برای مثال، در چرخه کاری ۵۰ درصد، ولتاژ متوسط خروجی برابر با ۲٫۵ ولت، در چرخه کاری ۲۰ درصد برابر با ۱ ولت و در چرخه کاری ۸۰ درصد برابر با ۴ ولت خواهد بود.

یکی از تفاوت‌های سیگنال موج مربعی (Square Wave) و سیگنال PWM در چرخه کاری آن‌هاست. در یک موج مربعی متقارن، زمان قرار گرفتن سیگنال در سطح منطقی یک (HIGH) با زمان قرار گرفتن آن در سطح منطقی صفر (LOW) برابر است؛ بنابراین، چرخه کاری آن همواره ۵۰ درصد است. در مقابل، در سیگنال PWM چرخه کاری می‌تواند تغییر کند و زمان روشن بودن سیگنال نسبت به زمان خاموش بودن آن قابل تنظیم است.

به عبارت دیگر، موج مربعی متقارن را می‌توان حالت خاصی از سیگنال PWM در نظر گرفت که چرخه کاری آن برابر با ۵۰ درصد است.

پارامترهای اصلی سیگنال PWM

برای آشنایی با روش کار PWM ابتدا باید چهار پارامتر تعیین کننده خروجی PWM را مورد بررسی قرار داد. این چهار پارامتر عبارتست از:

• اندازه پالس (Amplitude)
• پریود (Period)
• چرخه‌ی کاری یا دیوتی سایکل(Duty Cycle)
• فرکانس (Frequency)

حال به بررسی این چهار مورد می‌پردازیم.

اندازه پالس (Amplitude)

اندازه‌ی سیگنال در واقع بیشترین سطح ولتاژ منبع تغذیه مدار در زمانی است که سیگنال در حالت روشن قرار دارد. برای مثال، در شکل۳، چون ولتاژ منبع تغذیه مدار ۲۴ ولت است، لذا در زمان روشن بودن سیگنال، اندازه سیگنال برابر با حداکثر ولتاژ منبع (در اینجا ۲۴ ولت) و در حالت خاموش، صفر خواهد بود. به خاطر داشته باشید که سیگنال‌های دیجیتال تنها دو وضعیت روشن (On) و خاموش (Off) داشته و حالت دیگری برای آنها وجود ندارد. بنابراین تا زمانی‌که سطح ولتاژ تغذیه مدار ثابت باشد، اندازه سیگنال در وضعیت روشن و برابر ولتاژ تغذیه بوده و تغییر نخواهد کرد. در شکل۳ اندازه پالس (Amplitude) نمایش داده شده است.

شکل۴: نمونه اندازه پالس ۲۴ ولت

پریود (Period)

پریود سیگنال در واقع، زمانی است که شکل موج دوباره تکرار می‌شود. به بیانی دیگر مجموع زمان روشن و خاموش بودن سیگنال، پریود سیگنال می‌باشد. در شکل۵ پریود یک سیگنال PWM نشان داده شده است.

شکل۵: پریود یک سیگنال PWM

چرخه‌ی کاری

بخش اصلی PWM، یک سیگنال کنترلی با یک پالس به شکل موج مربعی است، به‌طوری‌که چرخه‌ی کاری (Duty cycle) پالس‌ها، در هر سیکل، قابل تنظیم است. و اما چرخه‌ی کاری چیست: چرخه‌ی کاری، نسبت مدت High بودن موج مربعی به دوره‌ی تناوب آن است، و بر حسب درصد (%) بیان می‌شود. چرخه‌ی کاری طبق فرمول زیر بیان می‌گردد:

به طور مثال چنانچه چرخه‌ی کاری موج مربعی پنجاه درصد باشد، در ۵۰ درصد از هر دوره‌ی تناوب، بار به منبع توان وصل است و در باقی آن، قطع می‌گردد. در این حالت، مقدار متوسط توان تحویلی به بار، برابر با ۵۰% توان کل منبع خواهد بود. در شکل۶ سه نمونه از سیگنال PWM با چرخه‌ی کاری متفاوت نشان داده شده است.

شکل۶: چند نمونه‌ی سیگنال PWM با چرخه کاری متفاوت

فرکانس (Frequency)

در الکترونیک، تعداد تکرار یک سیکل در مدت زمان یک ثانیه، فرکانس نامیده می‌شود و با واحد هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود. در شکل۶ سیگنال به طور کامل ۱۰ بار در زمان یک ثانیه تکرار شده است بنابراین فرکانس قطع و وصل سیگنال ۱۰ هرتز خواهد بود.

شکل۷: فرکانس سیگنال PWM

تفاوت بین چرخه کاری(Duty Cycle) و فرکانس یک سیگنال PWM چیست؟

گاهی ممکن است چرخه کاری (Duty Cycle) و فرکانس یک سیگنال PWM را با یکدیگر اشتباه بگیریم. برای درک تفاوت این دو مفهوم، ابتدا باید با ساختار سیگنال PWM آشنا شویم.

سیگنال PWM یک شکل موج پالسی است که در آن، سیگنال به‌صورت متناوب بین دو حالت روشن (ON) و خاموش (OFF) تغییر می‌کند. مجموع زمان روشن بودن و خاموش بودن سیگنال در هر چرخه، دوره تناوب (Period) نامیده می‌شود. معکوس دوره تناوب نیز فرکانس (Frequency) است که تعداد دفعات تکرار این چرخه در هر ثانیه را نشان می‌دهد.

در مقابل، چرخه کاری (Duty Cycle) نسبت زمان روشن بودن سیگنال به کل دوره تناوب است که معمولاً به‌صورت درصد بیان می‌شود. به زبان ساده، فرکانس نشان می‌دهد که سیگنال PWM با چه سرعتی روشن و خاموش می‌شود، در حالی که چرخه کاری مشخص می‌کند سیگنال در هر دوره تناوب چه مدت در حالت ON قرار دارد.

همان‌طور که گفته شد، فرکانس سیگنال PWM تولیدشده توسط میکروکنترلر، بسته به تنظیمات و کاربرد آن، می‌تواند مقادیر متفاوتی داشته باشد. برای مثال، در برخی کاربردهای کنترلی ممکن است از فرکانس‌هایی در حدود ۵۰۰ هرتز استفاده شود؛ در حالی که در تجهیزات الکترونیک قدرت، مانند اینورترها و مبدل‌های سوئیچینگ، معمولاً از فرکانس‌های بالاتری استفاده می‌شود. از سوی دیگر، همه کاربردها به فرکانس‌های بالا نیاز ندارند. برای مثال، سرووموتورهای متداول RC معمولاً با سیگنال کنترلی دارای دوره تناوب حدود ۲۰ میلی‌ثانیه (معادل فرکانس ۵۰ هرتز) کنترل می‌شوند. بنابراین، فرکانس سیگنال PWM در بسیاری از میکروکنترلرها، از طریق تنظیمات نرم‌افزاری و سخت‌افزاری قابل تغییر است.

یک سؤال مهم در این مرحله این است: با ثابت بودن چرخه کاری، تغییر فرکانس چه تأثیری بر عملکرد سیستم دارد؟

از نظر نسبت زمان روشن بودن به کل دوره تناوب، چرخه کاری تغییری نمی‌کند؛ اما تغییر فرکانس می‌تواند بر عملکرد واقعی بار تأثیر بگذارد. برای مثال، هنگام کنترل شدت نور LED، اگر فرکانس PWM بیش از حد پایین باشد، چشم انسان ممکن است خاموش و روشن شدن LED را به‌صورت سوسو زدن (Flicker) تشخیص دهد. در مقابل، هنگام کنترل موتور، انتخاب فرکانس نامناسب می‌تواند باعث افزایش ریپل جریان، ایجاد صدای صوتی، کاهش کیفیت کنترل یا افزایش تلفات سوئیچینگ شود. البته اثر دقیق فرکانس به نوع موتور، مدار درایور و مشخصات بار نیز بستگی دارد.

یکی از مهم‌ترین مزایای روش PWM، امکان کنترل توان متوسط تحویلی به بار با تلفات نسبتاً کم است. برای درک بهتر این موضوع، روش کنترل توان با استفاده از یک مقاومت متغیر (پتانسیومتر) را در نظر بگیرید. در این روش، با افزایش مقاومت، بخشی از انرژی الکتریکی در مقاومت تلف شده و به گرما تبدیل می‌شود.

اما در روش PWM، به‌جای محدود کردن پیوسته جریان یا کاهش ولتاژ با استفاده از یک مقاومت، منبع تغذیه در بازه‌های زمانی مشخص به بار متصل و از آن جدا می‌شود. به این ترتیب، توان متوسط تحویلی به بار از طریق تغییر چرخه کاری کنترل می‌شود. از آنجا که کلید الکترونیکی در حالت ایده‌آل یا کاملاً روشن است یا کاملاً خاموش، توان تلف‌شده در آن بسیار ناچیز خواهد بود.

البته در مدارهای واقعی، تلفات ناشی از مقاومت روشن کلید، فرآیندهای روشن و خاموش شدن و مدار راه‌انداز نیز وجود دارد. با این حال، در صورت طراحی مناسب، روش PWM می‌تواند در مقایسه با روش‌های مقاومتی، بازده انرژی بسیار بالاتری داشته باشد.

مزایای مدولاسیون عرض پالس

• قیمت ساخت آن ارزان است.
• مصرف برق پایینی دارد.
• راندمان بالا تا ۹۰٪ را ارائه می کند.
• سیگنال و نویز را می توان به راحتی جدا کرد.
• ظرفیت انتقال قدرت بالایی دارد.
• می‌تواند از فرکانس بسیار بالا استفاده کند.
• میزان اتلاف انرژی در کار از طریق گرما کم است.
• تداخل نویز در آن کم است.
• هنگامی که از آن برای تبدیل ولتاژ استفاده می‌شود، بسیار کارآمد است.
• دامنه و فرکانس را می توان به طور مستقل کنترل کرد.

معایب مدولاسیون عرض پالس

• مدار آن پیچیده است.
• در آن جهش ولتاژ رخ می‌دهد.
• این سیستم به یک دستگاه نیمه‌هادی با زمان‌های کم روشن و خاموش نیاز دارد. از این رو بسیار گران هستند.
• تداخل فرکانس رادیویی در آن‌ها اتفاق می‌افتد.
• نویز الکترومغناطیسی در آن وجود دارد.
• پهنای باند باید برای ارتباطات زیاد باشد.
• قدرت لحظه ای فرستنده ثابت نیست.

موارد کاربرد

• کنترل دقیق عملگرها و سلونوئیدهای الکتریکی، برای کنترل سرعت موتورهای DC یا کنترل شیرهای پروپرشنال هیدرولیک
• تهیه خروجی سیگنال از سنسورهای موقعیت نظیر سنسور جابجایی حرکت جک‌ها، سنسور جابجایی دریچه گاز و …
• اضافات
• کنترل میزان توان انتقالی به بار
• کنترل تعداد ضربات سوئیچ در مدارات کلیدزنی
• کنترل منابع تغذیه سوئیچینگ
• کنترل توان در آمپلی فایرها
• کنترل سطح روشنایی و تغییر رنگ در مانیتورهای مبتنی بر ال ای دی
• کنترل دور موتورهای الکتریکی
• انتقال دیتا و ده‌ها کاربرد دیگر

خلاصه مطلب

مدولاسیون پهنای پالس (Pulse Width Modulation) که به اختصار PWM نامیده می‌شود، یک تکنیک پرکاربرد در الکترونیک برای کنترل ولتاژ و توان الکتریکی است. PWM روشی بسیار مؤثر برای تنظیم ولتاژ خروجی و توان تحویلی به بار، با استفاده از یک منبع تغذیه با ولتاژ ثابت است.

در این تکنیک، با استفاده از یک سیگنال دیجیتال و کنترل زمان روشن و خاموش بودن یک سوئیچ الکترونیکی، می‌توان مقدار متوسط ولتاژ خروجی را تنظیم کرد. اساس عملکرد PWM بر تکرار سریع فرآیند قطع و وصل منبع تغذیه است؛ به‌گونه‌ای که با تغییر پهنای پالس‌ها (چرخه کاری)، مقدار متوسط یا مؤثر ولتاژ خروجی تغییر می‌کند.

در صورت نیاز، با استفاده از یک فیلتر پایین‌گذر می‌توان سیگنال پالسی PWM را به یک ولتاژ آنالوگ تقریباً پیوسته تبدیل کرد. از این تکنیک در صنایع مختلف، از جمله کنترل سرعت موتورها، تنظیم شدت نور LEDها، کنترل توان گرم‌کن‌های الکتریکی و بسیاری از کاربردهای الکترونیک قدرت استفاده می‌شود.

برای درک بهتر این مقاله فیلم‌ آموزشی زیر را مشاهده نمایید.

نوشته «پالس PWM چیست؟» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

سی‌ان‌سی (سیستم کنترل عددی کامپیوتری) یک فناوری است که به وسیله آن، ماشین‌های صنعتی کنترل می‌شوند. این فناوری با استفاده از برنامه‌های کامپیوتری، به ماشین‌ها در انجام عملیات‌های دقیق و متنوع کمک می‌کند. ماشین‌های سی‌ان‌سی قادر به انجام وظایفی مانند حکاکی، حفر و برش در مواد مختلف هستند. استفاده از سی‌ان‌سی در کارخانه‌ها به بهبود فرآیندهای تولید، افزایش کیفیت قطعات، کاهش زمان و هزینه تولید کمک می‌کند. بهبود عملکرد سی‌ان‌سی در تولید قطعات پیچیده و دقیق، از مزایای اصلی این تکنولوژی است.

این فناوری، یک فرایند تولیدی است که در آن، کامپیوتر دستگاه را با استفاده از کدنویسی‌های کامپیوتری برای تولید یک محصول برنامه‌ریزی و هدایت می‌کند. این دستگاه در صنایع مختلف مانند هوافضا، پزشکی، بهداشت و لوازم الکترونیکی کاربرد دارد.

ماشین CNC به کمک یک رابط به منوی روی یک کامپیوتر کنترل می‌شود. دستگاهی که می‌تواند به کمک یک رایانه روی چوب و فلز تغییراتی ایجاد کند. در تصویر زیر، قسمت‌های مختلف دستگاه سی‌ان‌سی را مشاهده می‌کنید.

اجزای مختلف یک دستگاه CNC

در حوزه صنعت و تولید، سیستم کنترل عددی کامپیوتری (CNC) به عنوان یک فناوری بسیار حیاتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فناوری امکان انجام عملیات‌های دقیق و متنوع را به وسیله ماشین‌های صنعتی فراهم می‌کند. ماشین‌های CNC قادر به انجام وظایفی مانند حکاکی، حفر و برش در مواد مختلف هستند. استفاده از سی‌ان‌سی در کارخانه‌ها به بهبود فرآیندهای تولید، افزایش کیفیت قطعات و کاهش زمان و هزینه تولید کمک می‌کند. بهبود عملکرد CNC در تولید قطعات پیچیده و دقیق، از مزایای اصلی این تکنولوژی است.

در این مقاله، به شما راهنمایی کاملی برای ساخت یک دستگاه CNC ارائه خواهیم داد. از انتخاب قطعات و مواد مناسب تا مراحل ساخت و برنامه‌ریزی، تمام جنبه‌های مربوط به ساخت یک دستگاه CNC را پوشش خواهیم داد. با استفاده از این راهنما، شما قادر خواهید بود یک دستگاه CNC بسازید که به نیازهای خاص شما پاسخ دهد.

مراحل ساخت دستگاه سی‌ان‌سی

طراحی و برنامه‌ریزی:

قبل از هر چیز، باید دستگاه CNC خود را طراحی کنید. این کار شامل انتخاب اندازه و ابعاد، نوع حرکت محورها (مانند XYZ)، نوع موتورها و سیستم کنترلی که قصد دارید استفاده کنید، می‌باشد. همچنین، برنامه‌ریزی نرم‌افزاری مربوط به عملیاتی که می‌خواهید دستگاه CNC انجام دهد، نیز لازم است. نمودارهای X، Y و Z را در شکل ۱ مشاهده می‌کنید.

شکل ۱- نمودارهای دستگاه سی‌ان‌سی

تهیه مواد و قطعات:

برای ساخت دستگاه CNC خود، شما نیاز به قطعات مختلفی مانند اسلایدرها، موتورها، بردهای کنترلی، ریل‌ها و غیره دارید. بسته به بودجه و نیازهای خود، باید مواد و قطعات مورد نیاز را تهیه کنید.

ساخت سازه:

پس از تهیه قطعات، باید سازه اصلی دستگاه CNC را بسازید. این شامل ایجاد سازه‌های پایه، نصب اسلایدرها، موتورها و سیستم کنترلی است. در این مرحله، دقت و صحت ساختار دستگاه بسیار مهم است.

نصب و اتصالات:

پس از ساخت سازه، باید قطعات و موتورها را به دستگاه CNC متصل کنید. اتصالات باید صحیح و استحکام کافی داشته باشند.

تست و عیب‌یابی:

قبل از استفاده از دستگاه CNC، باید آن را تست و عیب‌یابی کنید. اطمینان حاصل کنید که همه قطعات به درستی کار می‌کنند. در ادامه به طور کامل این فرایند را توضیح خواهیم داد.

انواع دستگاه سی‌ان‌سی

دستگاه CNC فرزکاری

یکی از رایج‌ترین ماشین‌های CNC، دستگاه فرز است. کنترلرهای کامپیوتری این دستگاه‌ها می‌توانند با کمک برنامه G-Code، مجموعه‌ای از اعداد و حروف را ترجمه کنند. این دستگاه‌ها قادر به انجام عملیات‌های فرزکاری مانند فرز سطحی، فرز شانه‌ای، ضربه‌زنی، سوراخ‌کاری و چرخش هستند.

فرزکاری با سه تا شش محور انجام می‌شود و از یک چرخ ثابت برای برش قطعه مورد نیاز استفاده می‌کند. این ابزار دورانی و چندنقطه‌ای برای تولید رزوه‌های داخلی و خارجی به کار می‌رود.

شکل ۲- یک نمونه دستگاه فرز CNC

دستگاه CNC برش پلاسما

برش پلاسما یک روش ماشین‌کاری است که برای برش مواد مقاوم مانند فولاد به کار می‌رود. در این روش، یک قوس الکتریکی از طریق جریان گازی با سرعت بالا ایجاد می‌شود که باعث تولید پلاسما در نقطه برش می‌شود. این پلاسما باعث می‌شود که مواد در نقطه برش ذوب شوند. مزیت برش با پلاسما، قابلیت برش مواد مقاوم مانند فولاد و استفاده برای برش قطعات دوبعدی است. اما، برای برش قطعات سه‌بعدی، نیاز به روش‌های دیگر مانند برش لیزری یا آب‌بری است.

شکل ۳- یک نمونه CNC برش پلاسما

دستگاه CNC چاپگر سه‌بعدی

چاپگرهای سه‌بعدی کاربردهای گسترده‌ای در علم پزشکی دارند، به‌ویژه در زمینه اهدای عضو و بازسازی اندام‌ها. با استفاده از این فناوری، می‌توان اندام‌های مختلفی مانند قلب، کلیه و کبد را چاپ کرد. این اندام‌ها با استفاده از ترکیبی از سلول‌های زنده و ژل‌های پلیمری، لایه به لایه ساخته می‌شوند. استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی می‌تواند به صرفه‌جویی در زمان، هزینه و مواد کمک کند.

شکل ۴- دستگاه سی‌ان‌سی چاپگر سه بعدی

دستگاه CNC تخلیه الکتریکی

تخلیه الکتریکی یک فرایند است که در آن مواد اضافی از روی قطعه‌ای که روی آن کار می‌شود، جدا می‌شوند. این فرایند با استفاده از تخلیه الکتریکی متوالی بین دو الکترود انجام می‌شود. تخلیه الکتریکی منجر به ایجاد پلاسما در سیال دی‌الکتریک شده و مواد اضافی را بخار می‌کند. هنگامی که پلاسما شکل می‌گیرد، انرژی الکتریکی به صورت گرما و نور تولید می‌شود. این فرایند در فرایندهای ماشین‌کاری مختلفی مانند برش، حکاکی و جوشکاری و همچنین، در برخی صنایع دیگر نیز مانند صنعت الکترونیک، به کار می‌رود.

فناوری سی‌ان‌سی به منظور کنترل مکانیزم ربات صنعتی استفاده می‌شود. این فناوری به‌عنوان یک سیستم کنترل، به ربات‌ها در تکمیل وظایف و انجام عملیات کمک می‌کند. با استفاده از کنترل عددی، می‌توان به‌طور موثر عملکرد ربات‌های صنعتی را بررسی و سیستم‌های حسگر را نظارت کرد. در صورت مشاهده هرگونه مشکل در عملکرد، می‌توان به صورت خودکار گزارش داد.

شکل ۵- یک نمونه دستگاه تخلیه الکتریکی سی ان سی

دستگاه CNC برای Pick and Place

دستگاه Pick and Place برای مونتاژ قطعات SMD به کار می‌رود. این دستگاه قطعات را از یک طرف برد دریافت و برد مونتاژ شده را به طرف دیگر منتقل می‌کند. برای اجسام مقاوم مانند فلز و سنگ گرانیت، سیستم واترجت کاربرد دارد. این دستگاه از انرژی آب با فشار بسیار بالا استفاده می‌کند. در برخی موارد، برای افزایش مقاومت، از ترکیب آب با شن یا ماده‌ای به نام ابرسیو (Abrasive) نیز استفاده می‌شود. این ماده دارای خاصیت سایندگی است و در موارد سخت به کار می‌رود. البته، سایندگی آب به نوع پمپ نیز بستگی دارد.

شکل ۶- دستگاه سی‌ان‌سی pick and place

دستگاه CNC واترجت

سیستم واترجت زمانی به کار می‌رود که نیاز به برش بر روی اجسامی است که توانایی تحمل گرمای بالای CNC را ندارند. این سیستم برای برش‌های تمیز و در مواردی که گرما باعث تغییر شکل مواد می‌شود، مناسب است. در سیستم واترجت، فشار آب به میزان قابل قبولی افزایش یافته و می‌تواند سرعتی تا ۹۰۰ متر بر ثانیه داشته باشد.

شکل ۷- نمونه‌ای از CNC واتر جت

مراحل ساخت دستگاه سی‌ان‌سی

برای ساخت یک دستگاه CNC، مراحل طراحی و ساخت را می‌توان به صورت زیر توصیف کرد:

طراحی دستگاه CNC:

ابتدا باید ابعاد و نوع دستگاه CNC را براساس نیازهای صنعتی خود مشخص کنید. اگر قطعات مورد استفاده کوچک هستند، باید ابعاد کوچکتری برای دستگاه در نظر بگیرید و در صورت قطعات بزرگ‌تر، ابعاد بزرگتری را انتخاب کنید. سپس می‌توانید با استفاده از نرم‌افزارهای طراحی مثل CAD، SolidWorks، CATIA و غیره، طراحی بدنه اصلی دستگاه را آغاز کنید.

برنامه‌نویسی برای ساخت دستگاه سی‌ان‌سی:

برای کنترل عملکرد دستگاه CNC، باید از کدهای برنامه‌نویسی استفاده کنید. برای مثال، برای اجرای برش یا حکاکی با استفاده از CNC خود، باید کدهای مربوط به حروف و اعداد را در نرم‌افزار Arduino بنویسید. در مراحل طراحی باید این کدها را به طراحی اضافه کنید.

تبدیل طرح به G-Code برای دستگاه سی‌ان‌سی:

بعد از اتمام طراحی، باید طرح ساخته شده را به فایل G-Code تبدیل کنید. این فایل شامل دستورات حرکتی و عملیاتی برای دستگاه CNC است.

انتقال G-Code به دستگاه CNC:

پس از تبدیل طرح به G-Code، باید از طریق نرم‌افزار CNC، فایل G-Code را به دستگاه CNC انتقال دهید. با این کار، دستگاه قادر خواهد بود طرح مورد نظر را روی قطعه ایجاد کند.

بارگذاری کد GRBL به آردوینو:

برای انتقال کدهای نوشته شده GRBL به آردوینو، می‌توانید از برنامه Xloader استفاده کنید. این برنامه به شما امکان می‌دهد کدهای GRBL را به آردوینو بارگذاری کنید.

لطفاً توجه داشته باشید که این توصیف مراحل کلی است و هر مرحله ممکن است جزئیات و مراحل فنی بیشتری داشته باشد که بسته به نوع دستگاه CNC و نیازهای شما متفاوت خواهد بود. در ادامه برای یک نمونه خاص از ماشین سی ان سی را به شما خواهیم گفت.

ساخت یک نمونه دستگاه سی ان سی

برای طراحی بدنه اصلی دستگاه CNC، می‌توانید از آلومینیوم استفاده کنید. آلومینیوم سبک، قابل حمل و قابل خم شدن است و همچنین ضد زنگ و هموار است. برای قسمت پایه نیز می‌توان از آلومینیوم استفاده کرد.

دستگاه CNC برای کارکرد به سه محور X، Y و Z نیاز دارد. محورهای X و Y تصاویر دو بعدی را ایجاد می‌کنند و روی یک تکه کاغذ پیاده‌سازی می‌شوند. این محورها به فاصله ۹۰ درجه از یکدیگر قرار دارند. در واقع، یک نقطه روی سطح با مقادیر مشخصی از X و Y تعریف می‌شود. سپس کامپیوتر مختصات مناسب را تولید کرده و از طریق درگاه USB به میکروکنترلر ارسال می‌کند و آن را تفسیر می‌کند. سپس موقعیت موتورها را برای ایجاد تصویر کنترل می‌کند.

در این مقاله، نرم‌افزار آردوینو به عنوان میکروکنترلر استفاده شده است.

سیم‌کشی مدار برای ساخت دستگاه CNC

برای سیم‌کشی مدار شیلد درایور موتور L293D روی برد آردوینو UNO، مراحل زیر را دنبال کنید:

• قرار دادن شیلد درایور موتور L293D بر روی برد آردوینو UNO.
• دو موتور پله‌ای را به هم وصل کنید. در اینجا توجه کنید که پین GND باید بدون اتصال بماند، زیرا موتورها از نوع دو قطبی هستند.
• می‌توانید یک مینی سرو موتور را به پین Servo  متصل کنید.
• یک منبع تغذیه با ولتاژ ۷٫۵ تا ۹ ولت را به پورت برق شیلد درایور وصل کنید.

تنظیمات آردوینو در ساخت دستگاه سی‌ان‌سی

برای استفاده از کد آردوینو و پراسسینگ برای تست، مراحل زیر را دنبال کنید:

• ابتدا باید موتورهای استپر را تست کنید تا مطمئن شوید که صحیح وصل شده‌اند. برای این کار، نیاز به نصب کتابخانه AFmotor دارید. نام کتابخانه را به حروف بزرگ تغییر دهید. در صورتی که آردوینو در سیستم شما باز است، آن را ببندید و مجدداً باز کنید.
• در برنامه آردوینو، در قسمت “Tools”، پورت و برد صحیح را انتخاب کنید.
• سپس کد را در برد آردوینو بارگذاری کنید.
• حالا برخی از حرکات را باید در موتور پله‌ای مشاهده کنید.

قطعات مورد نیاز برای ساخت دستگاه CNC

برای ساخت یک دستگاه CNC، قطعات زیر لازم است:

ورق آلومینیوم با ابعاد ۷۱۰×۷۱۰ میلی‌متر:

برای ساخت بدنه اصلی دستگاه، آلومینیوم به عنوان ماده‌ای سبک و محکم راه‌حل مناسبی است.

درایور موتور:

می‌توانید از درایورهای دی‌وی‌دی رایانه‌های قدیمی استفاده کنید.

شیشه:

شیشه ممکن است برای محافظت از بخش‌های حساس دستگاه مورد نیاز باشد.

برد آردوینو:

برد آردوینو استفاده می‌شود تا بتوانید دستگاه را کنترل کنید و دستورات حرکت را ارسال کنید.

شیلد درایور موتور L293D:

این شیلد برای کنترل موتورهای مختلف استفاده می‌شود و به شما امکان می‌دهد دستگاه را به طور همزمان به حرکت درآورید.

مینی سرو موتور:

این موتور برای کنترل حرکت قلم یا قطعات کوچک دیگر در دستگاه CNC استفاده می‌شود.

برای طراحی بدنه اصلی دستگاه، می‌توانید از ورق آلومینیوم با ابعاد ۷۱۰×۷۱۰ میلی‌متر استفاده کنید. این ورق آلومینیوم باید استحکام کافی داشته باشد و همچنین قابلیت حمل و نقل را نیز داشته باشد. آلومینیوم انتخاب خوبی است زیرا سبک، مقاوم و قابل خم شدن است و همچنین مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون دارد.

برای مونتاژ محورهای X، Y و Z می‌توانید از چوب چاپگر استفاده کنید. هر بخش شامل یک موتور پله‌ای و یک مکانیزم درایو Belt است که برای حرکت کارتریج به داخل و خارج استفاده می‌شود. همچنین برای محور Z نیاز به یک مینی‌­سرو موتور است که با استفاده از چسب روی محور Y نصب می‌شود و برای جابجایی قلم به صورت عمودی استفاده می‌شود. در اینجا، مکانیزم حرکت آزاد سرو موتور بسیار مهم است تا قلم بتواند به راحتی جابجا شود.

ابعاد مورد نیاز برای ساخت دستگاه CNC

در یک دستگاه CNC کوچک، ابعاد قسمت‌های مختلف ممکن است متفاوت باشد و بسته به نیازها و طراحی شما متغیر باشد. اما در زیر ابعاد برخی از قسمت‌های مهم را برای شما ذکر می‌کنیم:

۱- بدنه اصلی:

ممکن است از ورق آلومینیوم با ابعاد تقریبی 710×710 میلی‌متر استفاده شود. این ابعاد می‌تواند تنظیم شود و بسته به نیازها و اندازه کلی دستگاه متغیر باشد.

۲- محور X و Y:

این محورها ممکن است از قطعات چوب چاپگر ساخته شوند. ابعاد آنها بسته به نیاز و طراحی شما متفاوت خواهد بود، اما معمولاً طول محور X بین ۲۰۰ تا ۵۰۰ میلی‌متر و طول محور Y بین ۲۰۰ تا ۴۰۰ میلی‌متر است.

۳- محور Z:

برای محور Z می‌توان از یک مینی سرو موتور استفاده کرد. ابعاد محور Z بستگی به طراحی و نیازهای شما دارد، اما معمولاً طول محور Z بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ میلی‌متر است.

۴- دستگاه اسپیندل (Spindle):

ابعاد دستگاه اسپیندل ممکن است متغیر باشد و بسته به نیازها و قدرت مورد استفاده تعیین می‌شود. این ابعاد می‌تواند برای اسپیندل‌های کوچک حدود ۵۰×۵۰×۱۰۰ میلی‌متر باشد.

۵- میزکار (Worktable):

ابعاد میزکار به نوع کارهایی که قرار است روی آن انجام شود بستگی دارد. میزکار ممکن است به ابعاد تقریبی ۲۰۰×۲۰۰ میلی‌متر باشد، اما می‌تواند تغییر کند.

لطفاً توجه داشته باشید که این ابعاد ممکن است برای دستگاه‌های CNC کوچک متفاوت باشد و باید با توجه به نیازها و طراحی خاص خودتان تعیین شود.

برای ساخت دستگاه سی‌ان‌سی باید آن را طراحی کرد. ابعاد دلخواه که با توجه به نوع CNC که می­خواهید بسازید دارد. با این کار خیال شما از اندازه­‌های دقیق و برخورد نداشتن اتصالات با یکدیگر راحت خواهد بود زیرا به صورت اصولی مراحل شبیه سازی و طراحی را پشت سر گذاشته‌اید.

اگر دستگاه را برای متن نوشتن و یا طراحی روی کاغذ، کارتن، چوب و… می‌­خواهید کار سختی در پیش نخواهید داشت ولی اگر برای برش، حفر و … می­‌خواهید کار کمی سخت­‌تر می­‌شود و احتیاج به دقت بیشتر در طراحی و همچنین موتور­های قوی­تری برای محور­هایش می‌­خواهد. بعد از اتمام این گام باید ابتدا پروفیل­‌های آلومینیومی را به ابعاد مورد نیاز، ابعادی که می­‌خواهید بدنه دستگاه­تان داشته باشد برش دهید. ابعادی که ما می‌­خواهیم در این مقاله به آن بپردازیم ۵۰×۵۰ است. بعد از این مرحله باید قسمت­هایی که قرار است به هم پیچ شود را سوراخ کنید. برای این کار باید محل‌­های مورد نظر را علامت بزنید و سپس با دریل سوراخ را ایجاد کنید. باید مطمئن باشید که مطابق با علامتی که گذاشته‌­اید است. این کار را باید برای هر چهار طرف آن انجام دهید.

حال باید با پیچ و مهره پروفیل‌­ها را به یکدیگر متصل کنید. از مهره­‌های T برای این کار باید استفاده کنید آن را در شیار آلومینیوم مقابل قسمتی که باید پیچ شود قرار دهید و پیچ را که بهتر است با پیچ گوشتی برقی بسته شود، سفت کنید. لازم است یادآوری کنم از ابتدا پیچ­ها را سفت نبندید نیمه سفت کنید. سپس بعد از اینکه همه پیچ­ها را قرار دادید به صورت ضربدری سفت و محکم کنید. تا در حین کار با دستگاه مشکلی پیش نیاید حال باید محور X و Y را تشکیل دهیم.

برای تشکیل محور Y از نگه دارنده‌­های پلاستیکی که گفته شد برای نصب بلبرینگ درون آن­ها استفاده می‌­کنیم. برای هر محور آن دو بلبرینگ نیاز است که آن­ها را درون محفظه نگه دارنده می‌گذاریم و شفت را داخل آن قرار می­‌دهیم. این کار به نیروی زیادی احتیاج دارد، بهتر است با گیره­‌های فلزی انجام دهید. شفت باید حرکت روانی داشته باشد و به راحتی بدون کوچک­ترین اصطکاکی جا­به­‌جا شود، زیرا اگر اینطور نباشد دستگاه شما حین کار به مشکل خواهد خورد. حالا که قطعات مورد نیاز را روی محور سوار کردیم آن را به ابتدا و انتهای بدنه متصل می‌­کنیم، و یک بار دیگر حرکت آن را چک می­‌کنیم.

لازم است یادآوری کنم قبل از بستن بدنه اصلی دستگاه تمام دریل‌کاری­‌های آن را انجام دهید و محل بستن پیچ‌­هایی که احتیاج به سوراخ کاری دارند را مشخص کنید سپس آن را ببندید. زیرا در ادامه کار بسیار مشکل می‌­شود.

اکنون می­‌توانیم محور Z را ببندیم. برای محور Z به دو عدد پیچ اسکرو، یک شفت، بلبرینگ، محفظه نگهدارنده موتور و پیچ و مهره نیاز داریم. ابتدا باید بلبرینگ­‌ها را داخل محفظه پلاستیکی که به صورت ریلی روی شفت حرکت می­‌کند مانند محور Y قرار دهید. شفت باید حرکتی روان و بدون اصطکاک داشته باشد. پیچ اسکرو­ها را به محور Y پیچ می­‌کنیم تا محکم شوند زمانی که شفت و پیچ اسکرو­ها را بستیم نوبت وصل کردن موتور استپر است. محفظه نگه دارنده موتور را در وسط محور  می­‌بندیم باید به میزان جا­بجایی یعنی بالا و پایین رفتن محور Z دقت کنید، تا هنگام بستن موتور اختلالی به وجود نیاید و به میز کار برخورد کند و از کار بیوفتد. بعد از انجام این مرحله می­‌توانید موتور را ببندید. محور X و Z  به یکدیگر نصب می­‌شوند. یعنی شما برای بستن محور Z ابتدا باید محور X را کامل کنید. برای این مرحله به دو عدد شفت و یک پیچ اسکرو نیاز است. برای هر شفت و پیچ دو عدد بلبرینگ و یک عدد نگه دارنده بلبرینگ، صفحه آلومینیومی به شکل مستطیل یا ذوزنقه­‌ای که زاویه 90 درجه داشته باشد برای طرفین چارچوب دستگاه برای نصب محور Z نیاز داریم. عرض آن ۱۰-۱۵ سانتی­متر و طول آن بسته به میزان بالا و پایین شدن سیستم در نظر بگیرید. ما در اینجا ۴۰ سانتی­متر در نظر گرفته­‌ایم. بعد از برش ورقه­‌ها باید کناره­­‌های آن را با سنباده صاف و صیقلی کنید، تا علاوه بر زیبایی کار باعث آسیب به فردی که با آن کار می­‌کند نیز نشود. روی صفحه­‌ها را برای پیچ شدن به دستگاه و سوراخ­‌هایی برای فیکس شدن شفت­‌ها و پیچ اسکرو­ها ایجاد کنید. این کار با علامت­گذاری و دریل کاری انجام می­‌شود. زمانی که دریل کاری آن تمام شد می­‌توانید آن را به چهار چوب ببندید. حالا زمان آن رسیده شفت­‌ها را از آن عبور دهید قبل اینکه کامل شفت­‌ها را از آن رد کنید، باید محور Z‌ را روی آن سوار کنید. برای محور Z احتیاج به یک چهار چوب آلومینیومی دارید که باید موتور روی آن نصب شود، و در قسمت پشت آن باید محفظه نگهدارنده از بلبرینگ­‌ها را متصل کنید تا شفت و پیچ به راحتی جا­بجا شوند. برای تهیه محور Z شما به یک محفظه پلاستیکی برای نگه دارنده موتور نیاز دارید. می­‌توانید قطعات پلاستیکی مورد نیاز را با چاپگر سه بعدی تهیه کنید و یا از سایت­های مختلف سفارش دهید. طبق مراحل قبلی بلبرینگ­‌ها را داخل محفظه قرار می­‌دهیم و شفت­‌ها را از آن عبور می­‌دهیم و دو سر آن­ها را محکم می­‌کنیم سپس مهره­‌های پیچ اسکرو را به محفظه نگهدارنده آن پیچ می­‌کنیم و سپس پیچ اسکرو را از آن عبور می­‌دهیم و در انتها مجدد آن را سفت می­‌کنیم. توجه داشته باشید ما در این مقاله محور X  و Z را به هم بستیم و محور Y را جدا، شما می­‌توانید X را جدا بگیرید و محورهای Y و Z را به هم ببندید.

بعد از بستن و تکمیل شدن محور­ها صفحه چوبی را به اندازه سطح کار دستگاه اندازه­‌گیری می­‌کنیم و برش می­‌دهیم و بر روی چهارچوب اصلی سی ان سی با پیچ و مهره می­‌بندیم. حال از دستگاه CNC خود لذت ببرید!

برای نصب مراحل برق کشی بهتر است یک جعبه چوبی تهیه کنیم و موتور­ها، درایور­ها و برد آردینو و شیلد آن را درون آن قرار دهیم. یک قسمت در دیواره­‌های جانبی جعبه برای فیش­‌ها در نظر بگیرید با این کار قسمت موتورها که سیم­‌های زیادی دارد نظم می­‌گیرد و شما سر در گم نمی­‌شوید. با وصل کردن فیش­‌های موتور به دستگاه و کامپیوتر، CNC شما آماده است. با باز کردن برنامه G-code و انتخاب طرحی که می­‌خواهید حک شود (البته حک، حفر، برش یا… با توجه به سی‌ان‌سی که ساخته­‌اید) دستگاه شروع به کار می­‌کند. جنس آن قطعه­‌ای که می­‌خواهید روی آن سی ان سی انجام دهید می­‌تواند چوب، پلاستیک،‌ آلومینیوم و یا … باشد. اول طرح مورد نظر را در برنامه G-code باز کنید و با پلی کردن آن سیستم شروع به کار می­‌کند. توجه داشته باشید در ابتدا کار امکان خطا و اشتباه از طرف سیستم و شما زیاد است. پس اگر در ابتدا کار دچار اشکال شد، مثلا یک یا چند استپ را جا گذاشت نگران نباشید می‌توانید با تغییر دادن برخی از مقیاس­‌ها و شروع مجدد کار، به نتایج بهتری برسید.

الکترونیک

قسمت الکترونیک ماشین CNC شامل قطعات زیر است:

1. 1. منبع تغذیه اصلی – ۴۸ ولت DC با جریان ۶٫۶ آمپر.
   2. ۳ درایور – Leadshine M542 V0.
   3. ۳ موتور استپر – ۳ نیوتن متر هیبریدی Nema
   4. برد کنترل (Breakout Board).
   5. رله – با خروجی ۲۵ آمپر ولتاژ ۲۳۰ ولت AC و ورودی ۴ آمپر و ۳۲ ولت DC.
   6. کلید تغذیه اصلی (Main Power Switch).
   7. منبع تغذیه برای breakout board – با ۵ ولت DC.
   8. منبع تغذیه برای فن‌های خنک‌کننده – ۱۲ ولت DC.
   9. ۲ فن خنک‌کننده (۸۰ میلی­متری).
   10. ۲ پریز برق – برای روتر Kress و مکنده آلودگی.
   11. دکمه اضطراری (E-Stop)
   12. سوئیچ‌های محدود کننده (Limit Switches)

قبل از خرید موتورهای استپر، باید ببینید که برای چه استفاده‌ای آن‌ها را می‌خواهید. اگر قصد استفاده در یک ماشین کوچک برای برش قطعات چوب و پلاستیک را دارید، موتورهایی با قدرت ۱٫۹ نیوتن متر کافی خواهد بود. اما ما ترجیح دادیم از موتورهای ۳ نیوتن متر استفاده کنم زیرا ماشینی که در حال ساخت است، به اندازه کافی بزرگ و سنگین است و در آینده قصد برش قطعات سخت مانند آلومینیوم را داریم.

اگر موتورهای شما بسیار بزرگ نیستند، می‌توانید از یک درایور ۳ محوره استفاده کنید، اما بهتر است هر موتور دارای یک درایور جداگانه باشد. درایورهای مستقل، کنترل جریان و میکرواستپ بیشتری را ارائه می‌دهند و قابلیت اطمینان بیشتری دارند و نتایج بهتری نیز به همراه دارند. درایورهایی که ما استفاده کردیم، حداکثر جریان ۴٫۲ آمپر و تا ۱۲۵ میکرواستپ را پشتیبانی می‌کنند.

منبع تغذیه اصلی با سیم به قطر ۱۴ (14 gauge) به درایورها متصل می‌شود. این سیم از طراحی اصلی برای هواپیماهای کنترل از راه دور (RC) استفاده می‌شود و دارای انعطاف بالا و کیفیت بالایی است که می‌تواند جریان بالایی را تحمل کند. منبع تغذیه ۵ ولت DC به برد کنترل (breakout board) متصل می‌شود.

برای تامین تغذیه فن‌ها، یک پریز برق در محفظه قرار داده شده است تا با استفاده از یک آداپتور ۱۲ ولت، برق مورد نیاز فن‌ها تامین شود. همچنین یک سوئیچ برای روشن و خاموش کردن منبع تغذیه اصلی نیز وجود دارد.

رله ۲۵ آمپر با استفاده از breakout board و اتصال به ترمینال‌های ورودی، توسط کامپیوتر کنترل می‌شود. ترمینال‌های ورودی رله به ترمینال‌های خروجی breakout board متصل می‌شوند. رله به دو پریز برق متصل می‌شود که برای تامین برق به روتر Kress و مکنده آلودگی (shop vac) استفاده می‌شوند. وقتی دستور M 05 در G-code اجرا می‌شود، ماشین به طور خودکار روتر Kress و مکنده آلودگی را خاموش می‌کند. برای روشن کردن آن‌ها می‌توانید دکمه F5 را فشار دهید یا در G-code، دستور M 03 را اجرا کنید.

شکل ۸- بخش الکترونیک شامل موتوها، درایورها، برد آردینو و کابل‌ها می‌باشد.

بدنه قطعات الکترونیک

برای تنظیم ماشین سی ان سی، ابتدا قطعات الکترونیک را موقتاً روی یک تکه چوب نصب کردیم. اما برای آن‌ها نیاز به ساخت یک محفظه مناسب داشتیم. در ابتدا، روی کاغذ محل قرارگیری هر قطعه و ابعاد دقیق آن را مشخص کردم. سعی کردم قطعات را به گونه‌ای بچینم که رساندن همه سیم‌ها به ترمینال‌ها به راحتی انجام شود. همچنین، از این اطمینان حاصل کردم که جریان هوا به خوبی درون محفظه جریان داشته باشد. رعایت این نکته بسیار مهم است، زیرا درایورهای استپ موتور هنگام کار بسیار سریع گرم می‌شوند.

همه کابل‌ها می‌توانند از پشت محفظه وصل شوند. استفاده از یک پلاگین چهار سیمه، به ما این امکان را می‌دهد که بدون نیاز به دست زدن به ترمینال‌ها، قسمت الکترونیک را از دستگاه جدا کنیم. همینطور، دو پریز برق برای تغذیه موتور اسپیندل و دستگاه shop vac اضافه کردم. پریزها به رله متصل می‌شوند تا بتوانند به صورت خودکار روشن و خاموش شوند. می‌توانید یک کلید در داخل محفظه قرار دهید.

پس از مشخص کردن نحوه چیدمان قطعات و ابعاد روی کاغذ، طرح آن را در برنامه کد کشیدیم. سپس با استفاده از دستگاه CNC آن را برش دادیم. با استفاده از یک تکه پلکسی گلاس، یک دستگیره را در وسط آن درست کنید و سپس تمام قطعات را درون آن قرار داده و سیم‌کشی را انجام دهید.

شکل ۹- بدنه قطعات الکترونیک

نرم افزارهای دستگاه سی‌ان‌سی

برای هدایت یک دستگاه CNC روتر، نیازمند استفاده از سه نرم­ افزار مختلف هستیم. اولین نرم افزار که احتیاج داریم، برنامه CAD است که برای طراحی قطعات استفاده می‌شود. دومی، نرم افزار CAM است که برای ایجاد مسیرهای ابزار و تولید کدهای G-code استفاده می‌شود. سومین نرم افزاری که نیازمندیم، برنامه کنترلر است که وظیفه ترجمه کدهای G-code و کنترل دستگاه را بر عهده دارد.

در ­این مقاله، از نرم افزار Cam برای ایجاد طرح‌ها و مسیرهای ابزار استفاده شده است. Cam یک برنامه ساده است که با آن کار کردن بسیار آسان است. این برنامه اکثر ابزارهای پایه CAD را داراست و در اکثر پروژه‌ها نیاز به برنامه CAD را نخواهید داشت. قبل از اینکه Cam­ بتواند مسیرهای ابزار را ایجاد کند، باید مجموعه‌ای از پارامترها را تنظیم کنید. به عنوان مثال، قطر ابزاری که استفاده می‌کنید، عمق برش، سرعت برش و غیره. پس از ایجاد مسیرهای ابزار، می‌توانید خروجی G-code را تولید کنید. در واقع، G-code یک زبان ماشین است و به دستگاه می‌گوید که چه کاری انجام دهد.

شکل ۱۰- یک نمونه از تنظیمات نرم‌افزاری دستگاه‌های CNC

تست و استفاده از دستگاه سی‌ان‌سی

بعد از ساخت دستگاه CNC، مراحل تست اولیه باید انجام شود. برای این منظور، می‌توانید از پروژه‌های کوچک و آسان شروع کنید و به تدریج به پروژه‌های بزرگ‌تر پیش­ بروید.

یکی از نکاتی که پس از انجام اولین پروژه با دستگاه CNC متوجه آن می‌شوید، تولید گرد و غبار و صدا زیاد توسط دستگاه است. برای حل مشکل گرد و غبار، می‌توانید از گردگیر استفاده کنید تا ذرات معلق در هوا جذب شده و به دستگاه فیلتر شوند. همچنین، برای کاهش سطح صدا، می‌توانید از صفحات جاذب صدا درون محفظه دستگاه استفاده کنید. که باعث کاهش قابل توجهی در سطح نویز می‌شود.

با رعایت این مسائل در پروژه‌های بعدی که با دستگاهی که ساخته‌اید کار می‌کنید، می‌توانید از لذت بیشتری برخوردار شوید. این تدابیر کمک می‌کنند تا محیط کار شما تمیزتر و سالم‌تر باشد و همچنین سطح صدا را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

همچنین، در نظر داشته باشید که برای ایمنی خود و دیگران، همواره از تجهیزات حفاظتی مناسب مانند عینک محافظ و دستکش‌های مخصوص استفاده کنید و قوانین ایمنی کار با دستگاه CNC را رعایت نمایید.

برای ساخت دستگاه سی‌ان‌سی باید آن را طراحی کرد. ابعاد دلخواه که با توجه به نوع CNC که می­خواهید بسازید دارد. با این کار خیال شما از اندازه­‌های دقیق و برخورد نداشتن اتصالات با یکدیگر راحت خواهد ­بود زیرا به صورت اصولی مراحل شبیه سازی و طراحی را پشت سر گذاشته‌اید.

اگر دستگاه را برای متن نوشتن و یا طراحی روی کاغذ، کارتن، چوب و… می­‌خواهید کار سختی در پیش نخواهید داشت ولی اگر برای برش، حفر و … می­‌خواهید کار کمی سخت­تر می‌شود و احتیاج به دقت بیشتر در طراحی و همچنین موتور­های قوی­تری برای محور­هایش می‌­خواهد. بعد از اتمام این گام باید ابتدا پروفیل­‌های آلومینیومی را به ابعاد مورد نیاز، ابعادی که می‌­خواهید بدنه دستگاه­تان داشته باشد برش دهید. ابعادی که ما می‌­خواهیم در این مقاله به آن بپردازیم ۵۰×۵۰ است. بعد از این مرحله باید قسمت‌­هایی که قرار است به هم پیچ شود را سوراخ کنید. برای این کار باید محل­‌های مورد نظر را علامت بزنید و سپس با دریل سوراخ را ایجاد کنید. باید مطمئن باشید که مطابق با علامتی که گذاشته‌­اید است. این کار را باید برای هر چهار طرف آن انجام دهید.

حال باید با پیچ و مهره پروفیل­‌ها را به یکدیگر متصل کنید. از مهره‌­های T برای این کار باید استفاده کنید آن را در شیار آلومینیوم مقابل قسمتی که باید پیچ شود قرار دهید و پیچ را که بهتر است با پیچ گوشتی برقی بسته شود، سفت کنید. لازم است یادآوری کنم از ابتدا پیچ­‌ها را سفت نبندید نیمه سفت کنید. سپس بعد از اینکه همه پیچ‌­ها را قرار دادید به صورت ضربدری سفت و محکم کنید. تا در حین کار با دستگاه مشکلی پیش نیاید حال باید محور X و Y را تشکیل دهیم.

برای تشکیل محور Y از نگه دارنده های پلاستیکی که گفته شد برای نصب بلبرینگ درون آن­ها استفاده می‌­کنیم. برای هر محور آن دو بلبرینگ نیاز است که آن­ها را درون محفظه نگه­دارنده قرار می‌­دهیم و شفت را داخل آن قرار می­‌دهیم. این کار به نیروی زیادی احتیاج دارد، بهتر است با گیره‌­های فلزی انجام دهید. شفت باید حرکت روانی داشته باشد و به راحتی بدون کوچک­ترین اصطکاکی جا­بجا شود، زیرا اگر اینطور نباشد دستگاه شما حین کار به مشکل خواهد خورد. حالا که قطعات مورد نیاز را روی محور سوار کردیم آن را به طرفین بدنه دستگاه متصل می­‌کنیم، و یک بار دیگر حرکت آن را چک می­‌کنیم.

لازم است یادآوری کنم قبل از بستن بدنه اصلی دستگاه تمام دریل کاری­‌های آن را انجام دهید و محل بستن پیچ­‌هایی که احتیاج به سوراخ کاری دارند را مشخص کنید سپس آن را ببندید. زیرا در ادامه کار بسیار مشکل می­شود.

اکنون می­توانیم محور Z را ببندیم. برای بستن محور Z به یک دروازه آلومینیومی مانند بدنه اصلی دستگاه ولی در ابعاد کوچک تر نیاز داریم. عرض آن ۱۵ سانتیمتر و طول آن با توجه به میزان بالا و پایین شدن محور بستگی دارد. دو عدد پیچ اسکرو، یک شفت، بلبرینگ، محفظه نگهدارنده موتور و پیچ و مهره نیاز داریم. ابتدا باید بلبرینگ­‌ها را داخل محفظه پلاستیکی که به صورت ریلی روی شفت حرکت می­کند مانند محور Y قرار دهید شفت باید حرکتی روان و بدون اصطکاک داشته باشد. پیچ اسکرو­ها را به محور Y پیچ می­‌کنیم تا محکم شوند. زمانی که شفت و پیچ اسکرو­ها را بستیم نوبت وصل کردن موتور استپر است. محفظه نگه­دارنده موتور را در وسط محور می­‌بندیم باید به میزان جا­بجایی یعنی بالا و پایین رفتن محور Z دقت کنید، تا هنگام بستن موتور اختلالی به وجود نیاید و از کار بیوفتد. بعد از انجام این مرحله می­‌توانید موتور را ببندید.

محور X و Z  به یکدیگر نصب می­‌شوند. یعنی شما برای بستن محور Z ابتدا باید محور X را کامل کنید. برای این مرحله به دو عدد شفت و یک پیچ اسکرو نیاز است. برای هر شفت و پیچ دو عدد بلبرینگ و یک عدد نگه دارنده بلبرینگ، صفحه آلومینیومی به شکل مستطیل یا ذوزنقه­‌ای که زاویه ۹۰ درجه داشته باشد برای طرفین چارچوب دستگاه برای نصب محور Z نیاز داریم. عرض آن ۱۰-۱۵ سانتی­متر و طول آن بسته به میزان بالا و پایین شدن سیستم در نظر بگیرید. بعد از برش ورقه‌­ها باید کناره­­‌های آن را با سنباده صاف و صیقلی کنید، تا علاوه بر زیبایی کار باعث آسیب به فردی که با آن کار می­‌کند نیز نشود. روی صفحه‌­ها را برای پیچ شدن به دستگاه و سوراخ­‌هایی برای فیکس شدن شفت‌­ها و پیچ‌اسکرو­ها ایجاد کنید. این کار با علامت گزاری و دریل کاری انجام می‌­شود. زمانی که دریل کاری آن تمام شد می‌­توانید آن را به چهار چوب ببندید. حالا زمان آن رسیده شفت­‌ها را از آن عبور دهید قبل اینکه کامل شفت­‌ها را از آن رد کنید، باید محور Z‌ را روی آن سوار کنید. برای محور Z احتیاج به یک چهارچوب آلومینیومی دارید که باید موتور روی آن نصب شود، و در قسمت پشت آن باید محفظه نگهدارنده از بلبرینگ‌­ها را متصل کنید تا شفت و پیچ به راحتی جا­بجا شوند. برای تهیه محور Z شما به یک محفظه پلاستیکی برای نگه‌دارنده موتور نیاز دارید. می‌­توانید قطعات پلاستیکی مورد نیاز را با چاپگر سه بعدی تهیه کنید و یا از سایت­های مختلف سفارش دهید. طبق مراحل قبلی بلبرینگ‌­ها را داخل محفظه قرار می‌­دهیم و شفت­‌ها را از آن عبور می­‌دهیم و دو سر آن­ها را محکم می‌­کنیم سپس مهره­‌های پیچ اسکرو را به محفظه نگهدارنده آن پیچ می­‌کنیم و سپس پیچ اسکرو را از آن عبور می­‌دهیم و در انتها مجدد آن را سفت می­‌کنیم. توجه داشته باشید ما در این مقاله محورX  و Z را به هم بستیم و محور Y را جدا، شما می­توانید X را جدا بگیرید و محورهای Y و  Z را به هم ببندید.

بعد از بستن و تکمیل شدن محورها صفحه چوبی را به اندازه سطح کار دستگاه اندازه­گیری می­کنیم و برش می­دهیم. و بر روی چهارچوب اصلی سی­ان­سی با پیچ و مهره می­بندیم. حال از دستگاه CNC خود لذت ببرید!

برای نصب مراحل برق کشی بهتر است یک جعبه چوبی تهیه کنیم و موتور­ها، درایور­ها و برد آردینو و شیلد آن را درون آن قرار دهیم. یک قسمت در دیواره­‌های جانبی جعبه برای فیش‌­ها در نظر بگیرید با این کار قسمت موتور­ها که دارای سیم­‌های زیادی است نظم می­‌گیرد و شما سر در گم نمی­‌شوید. با وصل کردن فیش‌­های موتور به دستگاه و کامپیوتر، CNC شما آماده است. با باز کردن برنامه G-code و انتخاب طرحی که می­‌خواهید حک شود، (البته حک، حفر، برش یا… با توجه به سی­ان­سی که ساخته­‌اید) دستگاه شروع به کار می­‌کند. جنس آن قطعه­‌ای که می­‌خواهید روی آن CNC انجام دهید می­‌تواند چوب، پلاستیک،‌ آلومینیوم و یا … باشد. اول طرح مورد نظر را در برنامه G-ode باز کنید و با پلی کردن آن سیستم شروع به کار می­‌کند. توجه داشته باشید در ابتدا کار امکان خطا و اشتباه از طرف سیستم و شما زیاد است. پس اگر در ابتدا کار دچار اشکال شد، مثلا یک یا چند استپ را جا گذاشت نگران نباشید می‌توانید با تغییر دادن برخی از مقیاس­‌ها و شروع مجدد کار به نتایج بهتری برسید.

نتیجه گیری و جمع‌بندی ساخت دستگاه CNC

دستگاه CNC یک فناوری پیچیده است و برای ساخت صحیح آن نیاز به مهارت‌ها و دانش فنی است. میزان موفقیت در ساخت دستگاه CNC وابسته به تجربه و مهارت سازنده است. تمام مراحل باید با دقت و صحت انجام شوند تا دستگاه به درستی عمل کند. نتیجه‌گیری از موفقیت ساخت دستگاه CNC با تست و عیب‌یابی صورت می‌گیرد. در این مرحله، دستگاه برای اجرای عملیات مختلف و برنامه‌ریزی شده تست می‌شود. در صورت عدم وجود عیب‌ها و عملکرد صحیح، دستگاه آماده برای استفاده است.

برای بهبود عملکرد دستگاه CNC و افزایش دقت و کیفیت تولید، می‌توان استفاده از فناوری‌های جدیدتر، به‌روزرسانی نرم‌افزاری و حذف عیب‌ها را در نظر گرفت.

مراحل ساخت دستگاه CNC ممکن است به تنظیمات و نیازهای خاص شما بستگی داشته باشد. برای مثال، انتخاب قطعات و تجهیزات، سازگاری با نوع موادی که قصد ماشین‌کاری آن­ها را دارید و تنظیمات نرم‌افزاری می‌تواند متفاوت باشد.

در نهایت، ساخت دستگاه CNC نیازمند تمرکز، دقت و آشنایی با مباحث فنی است. همچنین، ممکن است نیاز به راهنمایی تکنیسین‌های ماهر و متخصص در این زمینه داشته ­باشید تا به ­نتیجه مطلوب برسید.

نوشته «چگونه دستگاه CNC بسازیم؟» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

مقاومت حرارتی عبارت است از اختلاف دمای یک سازه که یک واحد انرژی گرمایی در واحد زمان از آن عبور می‌کند. به بیان ساده‌تر، مقاومت یک جسم در برابر تغییر دما را مقاومت حرارتی می‌گویند و مقدار آن در هر جسم با دیگری متفاوت است. مقاومت حرارتی با نماد R نشان داده می‌شود و یکای اندازه‌گیری آن K.m/W است. از مقاومت حرارتی می‌توان برای انتخاب جنس هیت‌سینک یا عایق استفاده کرد.

مقاومت حرارتی بسیار مورد توجه مهندسین الکترونیک قرار می‌گیرد. در دستگاه‌های الکترونیک، حرارت به دلیل وجود جریان در مقاومت‌ها و قطعات فعال مانند ترانزیستورها تولید می‌شود. این حرارت باید به طور کارآمد از سیستم کاسته شود تا عملکرد مناسب دستگاه تضمین شود. با داغ شدن بیش از حد، سیستم دچار اختلال می‌شود و از کار می‌افتد (اصطلاحاً فیل می‌شود) و برخی از قطعات به طور معمول نیاز به اقداماتی دارند که در مرحله طراحی باید انجام شود و از گرم شدن زیاد جلوگیری کند.

۲- کاربرد معادلات مقاومت حرارتی

مقاومت حرارتی می‌تواند برای حل مسائل انتقال حرارت که شامل اجزای سری و موازی یا ترکیب سری و موازی هستند، به کار رود. جریان گرما را می‌توان به صورت یک مدار الکتریکی مدل کرد که در آن، جریان گرما به جریان، دماها به ولتاژ، منابع جریان به جریان ثابت، مقاومت‌های حرارتی به مقاومت‌ها و خازن‌های حرارتی به خازن‌ها نشان داده می‌شوند.

شکل ۱. در تصویر، نحوه انتقال حرارت در جسم از قسمت گرم به قسمت سرد نشان داده شده است.

شکل ۲. یک نمونه از مدل کردن مقاومت‌های حرارتی به صورت مقاومت‌های الکتریکی

معادله ۱

در معادله فوق:

• h ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی (Convection)
• K ضریب انتقال حرارت هدایت (Conduction)
• L ضخامت ماده
• A ناحیه تماس بین اجسام
• T دمای اجسام، Ts دمای سطح و T_∞ دمای محیط را نشان می‌دهد.

معادله ۲

در این رابطه، Rt نشان‌دهنده مجموع مقاومت‌های حرارتی است.  T_∞,1 دمای قسمت گرم‌تر و T_∞,4 دمای محیط سردتر می‌باشد.

اگر بخواهیم بجای استفاده از معادلات انتقال حرارت از روش الکتریکی مسئله را حل کنیم، می‌توانیم از معادلات زیر استفاده کنیم.

معادله ۳

• در معادله، P نشان‌دهنده توان تلف شده توسط محصول،
• T نشان‌دهنده دما
• و R نشان‌دهنده مقاومت دمایی جسم می‌باشد.

اثبات فرمول:

از آنجایی که می‌دانیم طبق قانون اهم:

معادله ۴

می‌توان گفت:

معادله ۵

حال می‌خواهیم این فرمول را به کمک فرمول‌های انتقال حرارت به مقاومت حرارتی تبدیل کنیم.

در این شرایط، V نشان‌دهنده دما می‌باشد، R نشان‌دهنده مقاومت حرارتی است و I توان تلف شده از سیستم است. به صورت زیر می‌نویسیم.

معادله ۶

می‌توان گفت:

معادله ۷

T_cΔ اختلاف دمای محیط اطراف هیت‌سینک و گرمای هیت‌سینک است. نماد Σ در فرمول نشان‌دهنده مجموع مقاومت‌ها می‌باشد.

برای بهتر متوجه شدن فرمول، یک مثال کاربردی آورده‌ایم.

از آنجایی که برای ما مقدار انتقال حرارت از هیت‌سینک به محیط و خنک شدن بهتر محصول مهم است، باید ابتدا هیت‌سینک مناسب با مساحت سطح ایده‌آل انتخاب کنیم. ما در اینجا دو نمونه هیت‌سینک مختلف را مورد بررسی قرار داده‌ایم تا بتوانیم بهترین را انتخاب کنیم.

هدف از هیت‌سینک و هر یک از پره‌های آن، ایجاد سطحی تا حد امکان متعادل برای خروج گرما از محصول و جابه‌جایی آن با هوای محیط است. برای خروج گرما از نقطه اتصال نیمه‌هادی کمک گرفته می‌شود.

مقاومت حرارتی یک هیت‌سینک می‌تواند پیچیده باشد زیرا هیت‌سینک دارای پره‌های فلزی است که بر اساس میزان جابه‌جایی هوا از کنار باله‌ها با سرعت متفاوت عمل می‌کند. اگر نقطه اتصال یک نیمه‌هادی از حداکثر دمای خود بیشتر شود، باعث شکسته شدن قطعه می‌شود و به همراه آن دود حاصل می‌شود.

می‌خواهیم انتقال حرارتی که از قطعات مونتاژ شده بر روی یک برد به ماسفت‌ها و سپس به هیت‌سینک می‌رسد را محاسبه کنیم.

شکل ۳. هیت‌سینک، عایق حرارتی، ماسفت و برد الکترونیکی.

۳- حل مسئله کاربردی

در یک نمونه درایور با ماسفت IRF2807، با توان ۱۰ وات توان تلف می‌شود با هیت‌سینکی به ابعاد 15.19×15.19×6.4 میلی‌متر و مقاومت حرارتی 17.60°C/W در شرایط آب و هوایی گرم‌ترین منطقه ایران و در شرایط استاندارد، دمای هیت‌سینک را محاسبه کنید. دمای پیوند نیمه‌هادی 150°C می‌باشد.

دمای گرم‌ترین منطقه را شهر اهواز با 50°C در تابستان و شرایط استاندارد دما 25°C و فشار 1atm در نظر گرفته‌ایم.

حل:

همان‌طور که مشاهده می‌کنید، مطابق شکل ۳ و می‌دانید، قطعات به صورت سری کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و هر جسم را یک مقاومت حرارتی در‌‌نظر می‌گیریم. در مدارهای الکترونیکی، مقاومت‌های سری با یکدیگر جمع می‌شوند تا مقدار نهایی آن‌ها را بدست آورید. در این مثال نیز به همین روال است؛ باید مقاومت‌های حرارتی هر قسمت را با قسمت بعدی جمع کنیم تا ΣR_Th را بدست آوریم و در معادله قرار دهیم.

مثال بالا را به این صورت مدل کردیم.

شکل ۴. مدل شده مثال بالا به صورت مقاومت الکترونیکی

حل، باتوجه به فرمول‌هایی که در بالا گفته شد.

طبق معادله ۷،

می‌توان نوشت: معادله ۸

حال اعداد را جایگذاری می‌کنیم.

ابتدا در شرایط ۵۰ درجه محاسبه می‌کنیم. طبق معادله ۸ داریم:

دمای هیت‌سینک از دمای پیوند نیمه‌هادی بیشتر است. این نمونه هیت‌سینک در هوای خیلی گرم اهواز در تابستان مناسب نیست.

برای شرایط استاندارد محاسبه می‌کنیم. طبق معادله ۸ داریم:

دمای هیت‌سینک از دمای پیوند نیمه‌هادی بیشتر است. این نمونه هیت‌سینک در شرایط استاندارد مناسب این درایور نیست. نتیجه می‌شود باید هیت‌سینک مناسب‌تری برای درایور انتخاب کنیم.

همان شرایط بالا را برای هیت‌سینک با ابعاد 78×36×28.09 میلی‌متر و مقاومت گرمایی 3°C/W طبق داده‌های مثال قبل محاسبه می‌کنیم.

شکل ۵. مدل شده مثال برای هیت‌سینک دوم

ابتدا در شرایط هوای گرم محاسبه می‌کنیم.

دمای بدست آمده از دمای پیوند نیمه‌هادی کمتر است. نتیجه می‌شود هیت‌سینک مناسبی برای این شرایط است.

حل در شرایط استاندارد.

دمای بدست آمده از دمای پیوند نیمه‌هادی کمتر است. نتیجه می‌شود هیت‌سینک مناسبی برای این شرایط است.

پس از حل این مثال متوجه شدیم که ابعاد هیت‌سینک باعث می‌شود عدد مقاومت حرارتی کمتر شود که نشان‌دهنده بالا بودن ضریب انتقال حرارت آن است و گرما را بهتر از خود عبور می‌دهد و به خنک شدن محصول کمک می‌کند.

نکته: باید توجه داشته باشید که زمانی که ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی خیلی بزرگتر از ضریب انتقال حرارت هدایت باشد، مقاومت همرفتی صفر درنظر گرفته می‌شود و دمای جسم به دمای مرکز جسم نزدیک می‌شود.

نکته: برای اینکه متوجه شویم یک جسم انتقال حرارتی مناسب عایق دارد باید شعاع بحرانی آن را محاسبه کنیم. شعاع بحرانی پارامتری است که در آستانه حد شعاع بیرونی یک جسم که می‌تواند استوانه یا کره توخالی باشد برای کاهش انتقال حرارت تعیین می‌کند.

در مثال‌های حل شده بالا، مقاومت‌ها به صورت سری کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. اما می‌توانند به صورت موازی نیز قرار بگیرند؛ برای مثال، گرمای از دست رفته از سطح بیرونی یک جسم که از طریق همرفت، جابه‌جایی و تشعشع می‌باشد، بستگی به این دارد که اجزا داخلی آن جسم چگونه کنار یکدیگر قرار گرفته و به هم متصل شده‌اند.

مقاومت‌های سری و موازی ترکیبی، با توجه به نوع اتصال قطعات در جسم‌های مختلف، باید به این موضوع توجه شود که امکان دارد برخی از مقاومت‌ها به صورت سری و برخی دیگر به صورت موازی به یکدیگر متصل شده‌اند. هنگام مدل کردن باید دقت شود تا زمان حل به مشکل نخوریم. در این چیدمان امکان دارد از روش‌های انتقال حرارتی غیر از جابه‌جایی استفاده شده باشد، مانند تشعشع یا همرفت که باید در نظر گرفته شوند.

فرض کنید اجزای یک سیستم به صورت ترکیبی موازی و سری به یکدیگر متصل شده‌اند.

شکل ۶. ترکیب سری و موازی.

برای مدل کردن این سیستم به صورت زیر عمل می‌کنیم و هر جسم را یک مقاومت الکترونیکی در نظر می‌گیریم.

شکل ۷. مدل شده ترکیب مدار سری و موازی شکل ۶

برای مسائل آن از معادلات گفته شده می‌توان استفاده کرد فقط باید توجه کرد که مقاومت‌های ۳ و ۴ موازی هستند و برای محاسبه R_tot لحاظ شود.

۴- رسانایی حرارتی

رسانایی حرارتی معکوس مقاومت حرارتی است که یکای آن [W/m·K] است. این معیار برای سنجش توانایی ماده در انتقال گرما است.

انتقال حرارت در مواد با رسانایی پایین، نسبت به مواد با رسانایی حرارتی بالا، با سرعت کمتری انجام می‌شود. به عنوان مثال، فلزات دارای رسانایی حرارتی بیشتری در انتقال گرما هستند و کارآمدتر می‌باشند. در مقابل، موادی مانند پشم شیشه، هوا، پلاستیک و غیره، انتقال حرارت را با سرعت پایین‌تری دارند. مواد با رسانایی حرارتی بالا معمولاً برای استفاده در هیت‌سینک‌ها مناسب‌تر هستند و مواد با رسانایی حرارتی پایین برای استفاده به عنوان عایق مناسب‌تر می‌باشند.

هنگامی که قطعات پیچ و مهره می‌شوند یا به روش‌های دیگر به یکدیگر فشرده می‌شوند، دانش عملکرد انتقال حرارتی برای چنین اتصالاتی مورد نیاز است.

۵- نتیجه‌گیری

با توجه به اینکه با افزایش مساحت سطح، انتقال حرارت افزایش می‌یابد، همان‌طور که در مثال‌های گفته‌شده در این مقاله متوجه شدیم، افزایش سطح هیت‌سینک به ما این کمک را می‌کند که گرمای بیشتری از برد گرفته شود و هیت‌سینک خیلی گرم نشود و گرما را به محیط بدهد تا محصول داغ نشود؛ زیرا گرما باعث اختلال در عملکرد و در نتیجه سوختن سیستم می‌شود. پس باید بدانیم که قبل از خرید هیت‌سینک، ابتدا محاسبات آن را دقیق انجام دهیم تا بتوانیم هیت‌سینک را با بهترین عملکرد انتخاب کنیم.

با تعمیم دادن معادلات انتقال حرارت به معادلات الکترونیکی، نیازی نیست ضریب انتقال حرارت تک تک اجزا را داشته باشیم و فقط با داشتن مقاومت حرارتی و توانی که تلف می‌شود، توسط محصول می‌توان گرمایی که هیت‌سینک تولید می‌کند را محاسبه کرد و بهترین هیت‌سینک را انتخاب کرد.

باید توجه داشته‌باشیم که دمای هیت‌سینک باید از دمای پیوند نیمه‌هادی کمتر باشد؛ اگر بالاتر باشد، هیت‌سینک مناسب نیست و به جای خنک کردن، باعث گرم‌تر شدن محصول می‌شود. انتخاب هیت‌سینک بسیار مهم است.

من، شهرزاد دلفراز، کارشناس مهندسی انرژی هستم. به مبحث انتقال حرارت علاقه دارم و در این زمینه تحقیق می‌کنم. امیدوارم مطالب گفته‌شده مفید بوده و به سؤالات شما پاسخ داده باشد.

نوشته «مقاومت حرارتی چ‍گونه محاسبه می‌­شود؟» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

گیمبال، وسیله‌ای الکترونیکی-مکانیکی است که شامل مجموعه‌ای از موتورها و حسگرها می‌شود. این دستگاه برای ثابت نگه داشتن تصاویر دوربین در حین حرکت به کار می‌رود، به طوری که فیلم‌ها و عکس‌ها بدون تاری و لرزش قابل ثبت هستند. گیمبال‌ها دو یا سه محور دارند. این محورها، موسوم به Pitch، Yaw و Roll، به دوربین اجازه می‌دهند حول مرکز ثقل بچرخد. برای درک بهتر محورهای چرخش، به شکل ۱ مراجعه کنید.

شکل ۱- نشان‌دهنده محورهای گیمبال

• محور Pitch که حرکت بالا و پایین یک جسم را کنترل می‌کند، به عنوان شیب یا زمین شناخته می‌شود و برای زمانی که سوژه در حال حرکت به طبقه بالا یا پایین است یا در هنگام فیلم‌برداری از اجسام در حال سقوط مناسب است.
• محور Yaw، که به آن پان یا غلتیدن نیز گفته می‌شود، حرکت چپ به راست را پوشش می‌دهد. با استفاده از این محور، می‌توانید شخصی که در حال عبور از قاب تصویر است را عکس‌برداری کنید.
• محور Roll یا انحراف امکان فیلم‌برداری یا عکاسی زاویه‌دار از سوژه را فراهم می‌آورد.

گیمبال‌های دو محوره، به دلیل فقدان محور Roll، حرکت پهلو به پهلو را ندارند و نسبت به نمونه‌های سه محوره ارزان‌تر و سبک‌تر هستند.

۲- انواع گیمبال

گیمبال‌ها عموما به دو نوع موتوری و مکانیکی تقسیم می‌شوند. نوع موتوری، که شامل سه موتور براشلس است، رایج‌ترین و پرمصرف‌ترین است. این موتورها به حفظ سطح دوربین روی محور حرکت کمک می‌کنند.

گیمبال‌های مکانیکی، که تمام قابلیت‌های حرکتی را دارند، تنها برای چرخش حول یک مرکز ثقل مشخص طراحی شده‌اند.

گیمبال دستی (برای تلفن‌های همراه)، رایج‌ترین و ارزان‌ترین نوع است. هر فردی با گوشی هوشمند می‌تواند به کمک گیمبال تصاویری با کیفیت تصویر ۴K ثبت کند. نمونه‌ای از این نوع در شکل ۲ آورده شده است.

شکل ۲- گیمبال دستی یا تلفن همراه

دوربین GoPro، پیشرفته‌تر از مدل قبلی، برای فیلم‌برداری اکشن مناسب است. گیره‌های تعبیه‌شده بر روی این گیمبال‌ها برای نگهداری از یک نوع دوربین طراحی شده‌اند. در صورت نیاز به کار با دوربین دیگری، باید آداپتور مخصوص آن را تهیه کرد. نمونه‌ای از گیمبال GoPro را در شکل ۳ مشاهده می‌کنید.

شکل ۳- گیمبال GoPro

گیمبال‌های مناسب برای دوربین‌های DSLR بزرگ‌تر و گران‌قیمت‌تر از دو مدل قبلی هستند و عمدتا برای تولید کلیپ‌ها استفاده می‌شوند. این نوع بیشتر برای بلاگرها و یوتیوبرها مناسب است. نمونه‌ای از گیمبال DSLR را در شکل ۴ مشاهده می‌کنید.

شکل ۴- نمونه‌ای از گیمبال DSLR

مدل دیگر، گیمبال نوع پهپاد است که سه محور دارد. با تنظیم مناسب دوربین روی آن و با کنترل از راه دور پهپاد، می‌توان بدون لرزش و تاری در حین پرواز فیلم تهیه کرد. کاربردهای این نوع گیمبال در زمینه‌های مختلفی مانند ماموریت‌های جستجو و نجات، نقشه‌برداری‌های هوایی و کاربردهای نظامی متنوع است. این گیمبال برای مناطق دسترسی‌دشوار مناسب است. در شکل ۵، گیمبال پهپاد آورده شده است.

شکل ۵- گیمبال پهپاد

۳- چگونگی کارکرد گیمبال

در داخل گیمبال، مجموعه‌هایی از حسگرها و موتورها وجود دارند. موتورها، که اغلب از نوع براشلس یا سروو هستند، حرکت‌های ناخواسته را تشخیص داده و با آن‌ها مقابله می‌کنند. گیمبال‌های مجهز به موتورهای براشلس یا سروو نسبت به سایر انواع، کارآمدتر هستند زیرا علاوه‌بر وزن سبک و اندازه کوچک، بدون صدا کار می‌کنند و نیاز به تعمیر و نگهداری کمی دارند.

۴- کنترل موتور گیمبال

موتور گیمبال قابلیت کنترل موقعیت، سرعت و جریان را دارد. برای دستیابی به شرایط بهینه، ممکن است نیاز به تنظیم مجدد باشد.

دو نوع سنسور اصلی در گیمبال‌ها به کار رفته‌اند: واحد اندازه‌گیری ژیروسکوپی و واحد اندازه‌گیری اینرسی. این سنسورها برای اندازه‌گیری موقعیت سوژه و جهت‌گیری دوربین به کار می‌روند.

۵- شرایط راه‌اندازی و کار با گیمبال

برای استفاده از گیمبال، ابتدا باید مطمئن شوید که دوربین روشن است، باتری دارای شارژ کافی است و کارت حافظه داخل دوربین قرار داده شده است. سپس دوربین را روی صفحه پایه قرار دهید و آن را محکم کنید. پس از اطمینان از نصب دوربین، توزیع وزن را کالیبره کنید. گیمبال باید به گونه‌ای ثابت باشد که گویی روی سه‌پایه قرار داده‌اید. سپس دوربین و گیمبال را روشن کنید و دستورالعمل‌های لازم را انجام دهید.

۶- نتیجه‌گیری

با توجه به اطلاعات ارائه‌شده، گیمبال ابزاری است که چرخش بی‌نقص دوربین را امکان‌پذیر می‌سازد و برای ثبت فیلم‌ها و عکس‌های با کیفیت بدون لرزش و تاری ضروری است. استفاده از گیمبال‌های دو یا سه محوره می‌تواند بسته به نیاز و بودجه شما متفاوت باشد.

به منظور بهبود کیفیت پروژه‌های شما و استفاده‌ی بهینه از فناوری‌های نوین، به شما توصیه می‌کنیم از درایور PMD90 و درایور AMD10 که توسط شرکت ما (ربات سازان) تولید شده‌اند، دیدن فرمایید. این درایورها طراحی شده‌اند تا با گیمبال‌ها سازگار بوده و به شما در ثبت تصاویری شفاف و بدون لرزش کمک کنند. استفاده از این ابزارها در پروژه‌هایتان می‌تواند به افزایش کیفیت کاری و همچنین صرفه‌جویی در زمان و هزینه‌ها منجر شود.

من، شهرزاد دلفراز، کارشناس مهندسی انرژی هستم و به مبحث انتقال حرارت علاقه‌مندم. امیدوارم این مطالب برای شما مفید بوده باشد و پاسخگوی سوالاتتان باشد. همین حالا به وبسایت ربات سازان مراجعه کنید و از محصولات نوآورانه‌مان برای بهبود پروژه‌های خود بهره‌مند شوید.

نوشته «گیمبال چیست و چگونه کار می‌کند؟» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

درب اتوماتیک وسیله‌‌ای است که برای بازشدن نیاز به نیروی انسانی ندارد و با انرژی برق باز می‌شود. یک ماشین الکترومکانیکی، جرم درب را روی درب اتوماتیک حرکت می‌دهد، یک ریز پردازنده موتور را کنترل می‌کند که آن را از یک نقطه به نقطه دیگر ببرد.

اکثر درب‌های اتوماتیک دارای پشتیبان باتری، سنسورهای نیرو و سیستم‌های ضدبرخورد و همچنین سنسورهای حضور و رادارهای PIR فعال یا محرک دارند.

روی هر درب اتوماتیک یک سنسور حرکت و حضور در قسمت بیرونی و همچنین در قسمت درونی نصب شده است. این حسگر ورود و خروج افراد را تشخیص می‌دهد اگر فردی نزدیک درب باشد آن را باز می‌‌کند و زمانی که دور شد می‌بندد.

درب‌های اتوماتیک بیشتر در مکان‌های پرتردد مانند ساختمان‌های تجاری، رستوران‌ها و ادارات استفاده می‌شود. این درب‌ها برای کسانی که چمدان در دست دارند یا کالسکه بچه حمل می‌کنند، یا ویلچر حمل می‌کنند، راحتی را فراهم می‌کند، زیرا بدون دخالت دست باز می‌شود. این خاصیت همچنین برای بیمارستان‌ها و کارخانه‌های مواد غذایی بیشتر قابل استفاده است، زیرا رعایت بهداشت از اهمیت بالایی برخوردار است.

درب‌های اتوماتیک به صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش هزینه سالانه گرمایش و سرمایش نیز کمک می‌کند. از آنجایی که بطور خودکار باز و بسته می‌شود از نشت هوای بیرون و ورود گرد و خاک به درون را، به حداقل می‌رساند.

سنسورهای موجود در درب‌های اتوماتیک؛ حرکت، فشار و تصاویر را به کمک اشعه مادون قرمز (اشعه فرو سرخ) تشخیص می‌دهد. این امر باعث باز و بسته شدن درب می‌شود. به محض احساس فشار یا حرکت درب‌ها باز می‌شوند و زمانی که دیگر چیزی را حس نکنند، بسته می‌شود.

۲- انواع درب‌های اتوماتیک

الف- درب کشویی

درب های کشویی ایده‌آل برای درب‌های دوطرفه هستند. درب‌های کشویی اتوماتیک ممکن است از مسیر بالاییِ در آویزان شوند یا با ریل و غلتک‌ها نصب شوند. درب­های اتوماتیک کشویی در یک جهت یا مجموعه‌ای از دو در می‌باشد. که هر کدام در جهت مخالف از یکدیگر دور می‌شوند. درب‌های کشویی اتوماتیک مزایا زیادی در صرفه جویی و مصرف انرژی دارند. زیرا درب تنها زمانی باز می‌شود که مشتری در حال ورود یا خروج باشد. برای مکان‌هایی که افراد زیادی رفت و آمد می‌کنند مناسب است. در شکل ۱ مشاهده کنید.

شکل ۱- یک نمونه درب کشویی

ب- درب نوسانی

درب‌های نوسانی، برای ترافیک یک طرفه درب‌های چرخان اتوماتیک که به داخل یا خارج باز می‌شوند، ایده‌آل هستند. درب های نوسانی مانند درب منازل عمل می‌کند. شامل یک یا دو صفحه هستند که باز و بسته شدن را برای ورود و خروج از منطقه پارکینگ امکان می‌دهند. از این نمونه در مناطق مسکونی یا پارکینگ‌های کوچک استفاده می‌شود. شکل ۲ نمونه درب نوسانی.

شکل ۲- یک نمونه درب نوسانی

پ- درب تاشو

ایده‌آل برای ورودی‌های کوچک که فضا در آن نگران کننده است، درب‌های تاشو روی هم جمع می‌شوند و یک راهرو تشکیل می‌دهند. این گونه درب‌ها به نام دریچه آکاردئون شناخته می‌شود. در شکل ۳ می‌توان نمونه‌ای از آن را دید.

شکل ۳- یک نمونه درب تاشو

ت- درب گردان

درب های گردان برای مناطق پرتردد ایده آل هستند. درب‌های گردان اتوماتیک امکان خروج و ورود به طور همزمان، را فراهم می‌کند.

این نوع درب های اتومات، از ۳ یا ۴ درب تشکیل شده‌اند روی یک میله که در مرکز درب قرار دارند، حول این میله می‌چرخند.

درب‌های گردان به طور قابل توجهی مصرف انرژی ساختمان را کاهش می‌دهند. با این حال درب گردان به عنوان قفل هوا عمل می‌کند و افراد و هوای اطراف را وارد محوطه خود می‌کند. شکل ۴ نمونه ای از انواع درب‌های گردان را نشان می‌دهد.

شکل ۴- یک نمونه درب اتوماتیک گردان

۳- درب‌های اتوماتیک از چه موتورهایی استفاده می‌کنند؟

درب‌های اتوماتیک با موتور DC ساکت‌تر، سریع‌تر، کوچک‌تر، سبک‌تر و کارآمد تر از درب‌های اتومات با موتورهای AC هستند. بسیاری از درایورهای DC با سرعت متغییر عرضه می‌شوند. در این فناوری شروع و توقف نرم (با سرعت کم) انجام می‌شود. اما در میانه بالا رفتن یا پایین آمدن سرعت بیشتر می‌شود.

در این مکانیزم از باتری به عنوان پشتیبان می‌توان استفاده نمود. تا زمانی که برق قطع می‌شود دربازکن تا دو روز بسته به تعداد دفعات باز و بسته شدن به کار خود ادامه می‌دهد.

بطور کلی ۳ نوع  موتور اصلی برای درب‌های اتوماتیک پارکینگ وجود دارد. بنابراین برای انتخاب موتور مناسب برای درایور درب باید بهترین تصمیم را بگیرید.

الف- موتور تسمه محور

موتورهای تسمه محور دارای تسمه لاستیکی هستند که از سراسر موتور عبور می‌کند. بسیار کم‌صدا هستند و معمولا موتور در مرکز نصب می‌شود. از طریق یک اتصال که بازو نامیده می‌شود، به درب شما متصل می‌شود. به دلیل بی‌صدا بودن این نوع موتورها برای استفاده در منازل مناسب هستند. مخصوصا زمانی که نمی‌خواهید کسی متوجه آمدن شما شود.

این موتورها در اندازه‌ها و وزن‌های مختلف درب‌ها در نظر گرفته‌شده است. با این حال عیب این موتورهای تسمه محرک این است که قیمت بیشتری نسبت به بقیه موتورها دارد.

در موتورهای تسمه محور جنس تسمه می‌تواند از فایبرگلاس، پلی‌اورتان و یا پلاستیک تقویت شده با فولاد باشد. این مدل موتور از نظر طراحی شبیه موتور زنجیردار است (توضیحات موتورهای زنجیردار در بخش بعدی). با این تفاوت که تولید صدا بسیار کمی دارند ولی البته قیمت بالایی دارد.

ب- موتورهای زنجیری

موتورهای زنجیری درایور، بسیار شبیه به موتورهای تسمه محور هستند با این تفاوت که به جای تسمه از زنجیر فلزی استفاده می‌کنند. زنجیر و چرخ دنده نیز به محور اضافه می‌شوند. این نوع درایورها از خود تولید صدا دارند و مانند موتورهای تسمه محور بی‌صدا نیستند. اما از نظر قیمتی مقرون به صرفه هستند و پیدا کردن قطعات آنها راحت‌تر می‌باشد. موتور در مرکز و توسط بازو اهرمی نصب می‌شود.

اگر گاراژ در زیر اتاق خواب شما قرار دارد صدا تولید شده از تماس زنجیر فلزی با فلز اطرافش ممکن است آزار دهنده باشد. امروزه با پیشرفت درب‌های گاراژ تولید صدا به میزان حداقلی رسیده است. و زنجیرها با موتور DC و فناوری استارت و توقف نرم بطور قابل ملاحظه‌ای بی‌صداتر از مدل‌های قبلی شده است.

متاسفانه این نوع موتورها تنوع زیادی در وزن و اندازه درب‌های مختلف ندارد و چند نمونه محدود در بازار یافت می‌شود.

پ- موتورهای درایو مستقیم

تفاوت اصلی بین این نوع موتورها با مدل های قبلی این است که موتور به طور مستقیم با فنرهای پیچشی به حرکت درآورده می‌شود و هیچ تسمه یا زنجیری ندارد و موتور را می‌توان بطور ایده‌آل در داخل درب گاراژ قرار داد که فضای کافی برای نصب در سقف را به آن می‌دهد. تعداد انتخاب در مدل درایور نیز محدود است. از آنجایی که به قطعات کمی نیاز دارد؛ اگر روزی درب شما به مشکل خورد قطعات را می‌شود به راحتی پیدا کرد، و مشکل پیش آمده را رفع کرد.

معمولا از موتورهای درایور مستقیم برای درب‌های گاراژ استفاده می‌کنند.

ت- درب اتوماتیک با سیستم جک میل

این نوع درب‌ها بر روی دیوار کنار درب نصب می‌شود. یک موتور ۲۴ ولت DC، قرقره و کابل‌ها میله پیچشی را به حرکت در می‌آورد و درب گاراژ را بالا می‌برد. هنگامی که می‌خواهید درب پایین بیاید و بسته شود، کابل شل شده و درب پایین می‌آید.

این سیستم‌ها بی‌صدا و قابل اعتماد هستند و نسبت به سایر درب‌های اتوماتیک گران‌تر هستند.

۴- سیستم‌های امنیتی به‌کار رفته در درب‌های اتوماتیک

سیستم‌های امنیتی به کار رفته  در درب‌های اتومات، دارای پیچ‌های بلندی هستند که در صورت اتصال به درب وارد می‌شود  تا از ورودی اجباری جلوگیری کند. علاوه بر پیچ حسگر‌هایی برای تشخیص و اسکن در قسمت ورودی درب وجود دارد. اگر حسگر هنگام باز شدن، فردی را در آن مکان تشخیص دهد به ریز پردازنده این امکان را می‌دهد کار درب را متوقف کند.

روی هر درب اتوماتیک کشویی یک سنسور حرکت و حضور در قسمت بیرونی سر‌در وجود دارد که به کمک سنسور‌های مادون قرمز می‌تواند گرمای بدن انسان را تشخیص دهد هنگامی که عابران پیاده به سمت درب‌ها می‌روند یا از آن دور می‌شوند سنسور فعال شود. همچنین زمانی که فردی بین درب قرار گرفته باشد، حرکت متوقف می‌شود و او را در آن جا تشخیص می‌دهد.

۵- مزایا استفاده از درب اتوماتیک

الف- افزایش زیبایی و ارزش ساختمان

اولین مورد در درب اتوماتیک به چشم می‌خورد افزایش زیبایی و ارزش ساختمان می‌باشد. از نمای بیرون ساختمان بسیار شکیل و به‌روز دیده می‌شود، و از نظر بیننده چنین ساختمانی ارزش سرمایه گذاری و خرید دارد.

ب- افزایش ایمنی ساختمان

درب‌های اتوماتیک امنیت ساختمان را چند برابر می‌کند. می‌توان گفت مهم‌ترین مزایا استفاده از درب اتوماتیک همین مورد می‌باشد کاربرد یک درب اتوماتیک امنیت ورود و خروج هر ساختمانی را افزایش می دهد. مخصوصا درب‌های ریموت داری که برای ساختمان‌های مسکونی استفاده می‌شوند. موجب ارتقا امنیتی چند برابری بنا مسکونی می‌شود. سیستم امنیتی درب به سیستم امنیتی خانه متصل می‌شود و در صورت ورود افراد غیر مجاز به ماموران نیروی انتظامی بلافاصله خبر می‌دهد.

پ- کاهش هزینه‌های انرژی

درب‌های اتوماتیک دارای سیستم مدیریت انرژی هستند که بصورت خودکار درب را باز و بسته می‌کنند، و منجر به حفظ هوای داخلی ساختمان می‌شود و از نفوذ هوای سرد و گرم به داخل ساختمان جلوگیری می‌شود.

ت- افزایش راحتی و آسایش ساکنین

بدون نیاز به پیاده شدن از ماشین و فقط با استفاده از ریموت می‌توان درب را باز کرد. همچنین در ساختمان‌هایی که رفت و آمد زیادی دارد مناسب است.

ث- کاهش مسائل اقتصادی

شاید در ابتدا اینطور به نظر برسد که درب اتوماتیک هزینه‌بر می‌باشد، البته در زمان خرید، نصب، نگه داری و تعمیر اینطور است اما اگر از قطعات با کیفیت استفاده شود و اصولی نصب شود سالیان طولانی کارایی دارد.

ج- قابل استفاده برای تمامی افراد

افرادی که دچار کهولت سن یا ناتوانی جسمی هستند، کودکان و افرادی که از ویلچر استفاده می‌کنند، نیز می‌توانند از این درب‌ها استفاده نمایند. زیرا نیاز به زور بازو و محدودیت قدی ندارد. بر خلاف درب‌های سنتی نیاز به قفل کردن ندارد. با استفاده از سنسور‌ها و برنامه‌نویسی که دارد خودکار باز و بسته می‌شود.

۶- نتیجه‌گیری

با توجه به مطالبی که تا کنون گفته‌شده است می‌توان نتیجه گرفت استفاده از درب‌های اتوماتیک برای مکان‌های پر رفت و آمد و همچنین مکان‌هایی که افراد نمی‌توانند با دست درب را باز کنند یا برای رعایت بیشتر بهداشت نمی‌خواهند از دست‌هایشان استفاده کنند بسیار مناسب است. زیرا به کمک نیروی الکتریکی باز و بسته می‌شود.

از درب‌های چرخان می‌توان برای صرفه‌جویی در مصرف برق و انرژی استفاده کرد. زیرا بصورت خودکار باز و بسته می‌شوند و از نشت هوای سرد و گرم و گرد و غبار به داخل جلوگیری می‌شود.

شرکت ربات سازان ارائه دهنده انواع درایورهای موتورهای الکتریکی برای درب های اتومات یا پروژه های مشابه است. ویژگی این درایورها را در بخش محصولات وبسایت ربات سازان مشاهده کنید.

درایورهای شرکت ربات سازان برای استفاده درب‌های اتوماتیک

درایور موتور دی سی PMD90

درایور موتور دی سی PMD90 یک کنترل کننده سرعت موتورهای دی سی ۱۲ تا ۴۸ ولت و با قابلیت جریان دهی تا ۳۰ آمپر می‌باشد. این درایور بدون نیاز به انکودر قادر است سرعت موتور دی سی را در شرایطی که بار متصل به آن تغییر می‌نماید ثابت نگه دارد. درایور PMD90 با کنترل بهینه ولتاژ و جریان موتور باعث افزایش طول عمر موتور خواهد شد. همچنین ماکزیمم جریان خروجی قابل تنظیم بوده تا از صدمات احتمالی به موتور و منبع تغذیه‌ی آن جلوگیری نماید.

درایور موتور دی سی TMC50

درایور موتور دی سی TMC50، قابلیت کنترل دقیق ولتاژ، گشتاور و سرعت را با امکان اتصال به تاکو ژنراتور و انکودر افزایشی، و محافظت در برابر افزایش ولتاژ باس دارد.

درباره نویسنده:

من شهرزاد دلفراز کارشناس مهندسی انرژی هستم. به مبحث انتقال حرارت علاقه دارم و در این زمینه تحقیق می‌کنم. امیدوارم مطالب گفته شده مفید بوده و به سولات شما پاسخ داده باشد.

نوشته «آشنایی با درایورهای موتور الکتریکی برای درب‌های اتوماتیک: کاربردها و راهنمای خرید درایور مناسب» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

در علم مهندسی حرارتی، گرما از دمای بیشتر به دمای کمتر به سه روش انتقال پیدا می‌کند:

• رسانش (Conduction یا هدایت)،
• جابجایی (Convection یا همرفت)،
• و تابش (Radiation یا تشعشع).

در روش انتقال حرارت به روش هدایت، حرارت به دلیل حرکت مولکول‌ها اتفاق می‌افتد و از سمت دمای بیشتر به سمت دمای کمتر حرکت می‌کند. در روش جابجایی انتقال حرارت در حالت سیال فقط رخ می‌دهد یعنی فاز مایع و یا گاز و سیال گرم به سمت سیال سرد حرکت می‌کند. انتقال حرارت تشعشع، به صورت تابش الکترومغناطیسی رخ می‌‌دهد و می‌‌توان گفت برای حالت سیال و جامد قابل استفاده می‌باشد. برای هر دو یا چند جسم یا سیال در مجاورت یکدیگر انتقال حرارت تشعشع رخ می‌دهد. در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی برای خنک‌کاری محصولات از روش رسانش و جابجایی استفاده می‌کند.

اولین قدم برای طراحی و انتخاب هیت‌سینک تعیین میزان توان تلف شده از دستگاه‌های نیمه‌هادی می‌باشد یعنی گرمایی که زمان استفاده به هیت سینک منتقل می‌شود. در مرحله بعدی تعیین حداکثر دمای محیط است برخی محصولات الکترونیکی در محیط‌هایی با تهویه کاملاً مطبوع استفاده می‌شود، برخی در محیط باز و یا حتی نزدیک ماشین آلات گرم کار می‌کنند. بنابراین باید گرمای محیطی که محصول الکترونیکی در آن وجود دارد اندازه‌گیری شده، و با توجه به آن هیت‌سینک طراحی و اجرا شود.

۲- هیت‌سینک چیست؟

هیت سینک یک جز مکانیکی است که برای انتقال گرما از قطعه الکتریکی به قطعه الکترونیکی به محصول متصل می‌شود . جنس هیت‌سینک از مس و یا آلومینیوم و آلیاژ‌هایی از آلومینیوم می‌باشد که وسیله ماشین CNC برش داده و ساخته می‌شود. برخی از آنها دارای پره و یا پین می‌باشند و برخی مسطح هستند. وجود پره و پین باعث افزایش مساحت سطح هیت‌سینک می‌شود که می‌تواند انتقال حرارت را راحت‌تر انجام دهد علاوه بر آن جنس و ضریب انتقال حرارت نیز تاثیرگذار است. یعنی محصولاتی که هیت‌سینک دارند ضریب انتقال حرارت بیشتری دارند.

یکی از روش‌های مدیریت اتلاف انرژی استفاده از هیت‌سینک است که می‌تواند گرمای ناخواسته را از یک فرایند یا دستگاه الکترونیکی جذب یا دفع کند. هیت‌سینک‌ها در طیف وسیعی از لوازم الکترونیکی قرار دارند از CPU گرفته تا درایورهای موتور استفاده می‌شوند.

برای اتصال هیت‌سینک باید نکاتی را رعایت کنیم. زمانی که قرار است ماسفت‌ها را روی هیت‌سینک محصول قرار دهیم باید به آن خمیرهای حرارتی یا سیلیکونی بزنیم و یک عایق سیلیکونی روی آن قرار دهیم تا زمانی که بر روی هیت‌سینک بسته می‌شود هیچ فضای خالی بین ماسفت و سطح هیت‌سینک وجود نداشته باشد، و فضای خالی کاملاً پر شود. علاوه بر پر کردن فضای خالی دمای قطعه را نیز پایین نگه می‌دارد و عملکرد را بهبود می‌بخشد.

۳- انواع هیت‌سینک

هیت‌سینک‌ها به دو دسته کلی اکتیو و پسیو دسته‌بندی میشوند.

• هیت‌سینک‌‌های اکتیو برای عملیات خنک­‌سازی از پاور سیستم استفاده می­‌کند. عملکرد این گونه هیت سینک عالی است اما به دلیل داشتن قطعات متحرک مکانیکی قیمت آن بالا است و برای استفاده طولانی مدت مناسب نیستند.
• هیت‌سینک‌های پسیو دارای قطعات مکانیکی و متحرک نیستند و جنس آنها از آلومینیوم است و به راحتی گرما و حرارت را به اطراف پخش می‌کنند و نسبت به نوع اکتیو قابل اطمینان‌تر می‌باشند. برای استفاده طولانی مناسبند. در این مقاله ما فقط به هیت‌سینک پسیو می‌پردازیم.

جنس هیت‌سینک معمولا آلومینیوم یا مس است.

هیت‌سینک مسی به دلیل داشتن ضریب انتقال حرارت بالا مناسب‌ترین گزینه برای هیت‌سینک است. همچنین رسانایی بالایی دارد و با جذب سریع و کارآمد از دستگاه و مداری که می‌خواهید خنک کنید کمک می‌کند.

هیت‌سینک آلومینیومی اگر چه به خوبی مس گرما را هدایت نمی‌کند اما سبکتر و ارزان‌تر از مس است و می‌تواند ساختار قوی‌تری داشته باشد. با افزایش پین‌فین یا پره و افزایش مساحت سطح آن انتقال حرارت بهتری داشته باشد.

هیت سینک پره­‌دار

از یک بلوک فلزی جامد اکسترود شده (با فشار و حرارت زیاد سطح آن صاف و عمود شده است.) ساخته شده، با تعداد زیادی صفحه بسیار نازک پر شده، یا تکه تکه شده و با فاصله و موازی با یکدیگر از هم قرار دارند. شکل ۱ یک نمونه هیت سینک پره‌دار را نشان می‌دهد.

شکل ۱- نمونه‌ای از هیت‌سینک پره‌ای

هیت‌سینک پین شده

به این نوع پین‌فین نیز گفته می‌شود. می‌توان آن را جایگزین پره‌دار یا مسطح کرد. در پیکربندی آن بلوک هسته  با دسته ای از پین‌ها و میله‌ها ساخته می‌شود پایه آن به سمت بالا یا خارج امتداد می‌یابد. پین‌ها می‌توانند استوانه‌ای بیضی یا مربع باشند. هیت‌سینک‌های پین دار مساحت سطح بیشتری نسبت به پره‌دار دارند. در شکل ۲ می‌توانید هیت سینک پین فین را مشاهده کنید.

شکل ۲- هیت‌سینک پین‌فین

این مسئله نشان‌دهنده بهبود عملکرد قابل توجهی نیست. زیرا با توجه به شرایط محصولی که قرار است از هیت‌سینک استفاده کند و مقدار انتقال حرارت آن باید انتخاب مناسب داشته باشید. برای آشنا شدن با این موضوع می‌توانید از مقاله «مقاومت حرارتی چگونه محاسبه می‌شود؟» استفاده نمایید.

۴- هیت‌سینک چگونه کار می­‌کند؟

فرایند خنک کردن قطعات الکترونیکی توسط هیت‌سینک به سرعت انتقال حرارت و سیال عامل (منظور از سیال‌‌عامل هوا یا یک سیال غیر رسانا دیگری که محیط اطراف هیت‌سینک را شامل می‌‌شود) مربوط است. سیال‌عامل گرما را از طریق انتقال حرارت تشعشع یا هدایت از سطح دور می‌کند و به محیط اطراف می‌دهد. اگر دمای محیط خنک‌تر از هیت سینک نباشد یا به عبارتی هیت‌سینک در محیطی گرم‌تر از گرمایی که محصول تولید می‌کند قرار داشت انتقال حرارت صورت نمی‌گیرد و گرما از محصول حذف نمی‌شود و هیت‌سینک داغ‌تر می‌شود.

۵- چند دستور العمل برای انتخاب هوشمندانه هیت‌سینک

• اگر جهت جریان انتقال حرارت با جهت خنک شدن هیت‌سینک همسو نیست یا خلاف جهت آن است بهتر است از هیت‌سینک پین‌فین استفاده کنید. زیرا حساسیت کمتری به جهت جریان دارد.
• اگر با افت فشار زیاد در سراسر هیت‌سینک می‌توان به جریان هوای قابل توجهی دست پیدا کرد از هیت‌سینک پین‌فین استفاده کنید.
• برای سایر شرایط از هیت‌سینک پره‌دار استفاده کنید زیرا هزینه کمتری دارد و ساخت آن ساده‌تر است و به راحتی در طیف وسیعی از اندازه‌ها و پیکربندی‌ها در دسترس است.

۶- نتیجه گیری

برای خنک کردن قطعات الکترونیکی یک محصول الکتریکی از هیت‌سینک استفاده می‌شود، ابعاد آن می‌تواند در ابعاد کوچک قابل استفاده در CPU کامپیوتر و یا ابعاد بزرگ‌تر برای اتصال به پشت بردهای الکترونیکی باشد.

با توجه به مطالبی که تاکنون گفته شد می‌توان نتیجه گرفت آلومینیوم فلز مناسبی برای ساخت و طراحی هیت‌سینک است، به دلیل قیمت مناسب و وزن سبک‌تری که نسبت به فلز مس دارد.

بجز در شرایط خاص برای بیشتر محصولات الکتریکی می‌توان از هیت‌سینک پره‌‌دار استفاده کرد زیرا فرایند ساخت آن ساده‌تر است نسبت به پین‌فین و در مقایسه با هیت سینک مسطح مساحت سطح بیشتر و در نتیجه انتقال حرارت بهتری دارد. جریان هوا در بین پره‌های موازی آن به خوبی می‌تواند حرکت کند و گرما را از محصول به بیرون انتقال دهد.

برای اتصال قطعات به سطح هیت‌سینک حتما باید از خمیرهای حرارتی یا سیلیکونی استفاده کنید تا بطور کامل بدون هیچگونه روزنه‌ای قطعه به سطح بچسبد و فرایند خنک‌کاری بهتر صورت بگیرد.

از اتصال هیت‌سینک به قطعه‌ای که مقدار زیادی انرژی حرارتی تولید می‌کند به طور موثر سطح آن قطعه افزایش پیدا می‌کند. در ابتدا دمای آن قطعه بسیار بالا بوده اما بعد از انتقال آن به هیت‌سینک، دمای قطعه کاهش پیدا می‌کند و هیت سینک حرارت گرفته شده را به محیط اطراف انتقال می‌دهد. در نتیجه محصول خنک می‌گردد.

منبع

نوشته «انتخاب بهینه‌ترین هیت‌سینک برای کاربردهای الکترونیک قدرت» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

در اولین برخورد با یک الکتروموتور توانایی خواندن پلاک یا nameplate آن سریعترین روش اطلاع از مشخصات الکترو موتور است. بر روی یک پلاک الکتروموتور تنها مهم‌ترین اطلاعات قرار گرفته است. برای اطلاع از مشخصات کاملتر باید به دیتاشیت الکترو موتور مراجعه فرمایید. در این مقاله با نحوه خواندن پلاک الکتروموتورها آشنا خواهید شد.

۲- خواندن پلاک الکتروموتور

در شکل ۱ شکل ظاهری پلاک یک الکتروموتور نشان داده شده است. در ادامه به توضیح جزئیات آن خواهیم پرداخت.

شکل ۱: پلاک الکتروموتور

دیتای شماره ۱: در این قسمت نوع الکتروموتور مشخص شده است که در این پلاک، موتور از نوع ۳ فاز بوده و فرکانس کاری نامی آن ۵۰ هرتز می‌باشد.

دیتای شماره ۲: در این قسمت توان نامی موتور درج شده است که در این پلاک توان نامی موتور ۱۵ کیلووات می‌باشد. منظور از توان نامی توان مکانیکی می‌باشد که الکتروموتور قادر است به بار متصل به شفت خود منتقل نماید. توان مکانیکی به صورت حاصلضرب سرعت در گشتاور محاسبه می‌شود. معمولا توان نامی برروی پلاک موتور برحسب کیلووات یا اسب بخار درج می‌شود. توان نامی دارای مقادیری استاندارد به صورت جدول ۱ می‌باشد.

جدول ۱: مقادیر استاندارد توان نامی موتور

در برخی از الکتروموتورهای قدیمی‌تر توان نامی برحسب اسب بخار نیز بیان می‌شود. هر اسب بخار معادل ۷۳۶ وات می‌باشد.

1 HP = 0.736 kW

دیتای شماره ۳ و ۴: در این قسمت ولتاژ و جریان نامی در دو حالت مختلف درج شده است. موتورهای سه فاز را می‌توان به دو صورت ستاره یا مثلث راه‌اندازی کرد. مطابق با پلاک شکل ۱ چنانچه موتور را به صورت ستاره راه‌اندازی کنیم (دیتای شماره ۳) ولتاژ فاز به فاز اعمالی ۴۰۰ ولت و جریان هر فاز ۲۷٫۵ آمپر خواهد بود. اما در طرف مقابل (دیتای شماره ۴) در صورتی که بخواهیم موتور را به صورت مثلث راه‌اندازی نماییم ولتاژ فاز به فاز اعمالی ۲۳۰ ولت و جریان هر فاز ۴۸٫۷ آمپر می‌باشد.

در اولین لحظات پس از راه‌اندازی، موتور معمولا ۴ تا ۱۰ برابر جریان نامی خود جریان می‌کشد که باعث رخ دادن خطای اضافه جریان در منبع تغذیه اصلی خواهد شد. به منظور کاهش جریان راه‌اندازی مرسوم است که ابتدا موتور به صورت ستاره راه‌اندازی می‌شود. مطابق شکل ۲ جریان راه‌اندازی در حالت ستاره تقریبا یک سوم معادل آن در حالت مثلث می‌باشد. لحظاتی پس از شروع به کار موتور توسط یک سوئیچ اتصالات فازهای موتور به صورت مثلث تغییر کرده تا بتوان گشتاور بیشتری از موتور دریافت کرد.

شکل ۲: نمودار جریان و گشتاور موتور ۳ فاز در دو حالت اتصال ستاره و مثلث

دیتای شماره ۵: در این قسمت درجه حفاظت بدنه موتور در مقابل نفوذ مایعات و اجسام خارجی درج شده است. در پلاک شکل ۱ درجه حفاظت براساس استاندارد IEC 34-5 بیان شده است. این استاندارد با فرمت کلی زیر بیان می‌شود:

محافظت‌های متناظر با ارقام اول و دوم در جدول ۲ توضیح داده شده است.

جدول ۲: لیستی از محافظت‌های موجود در الکتروموتورها طبق استاندارد IEC 34-5

به عنوان مثال حفاظت IP65 که بسیار هم مرسوم است به این معناست که الکتروموتور در مقابل تماس با سیم رسانا، نفوذ گرد و خاک و ریختن آب به صورت شلنگی مقاوم می‌باشد.

دیتای شماره ۶: در این قسمت ضریب توان یا کسینوس فی درج شده است که عددی بین ۰ تا ۱ می‌باشد. ضریب توان یا کسینوس فی به صورت نسبت توان اکتیو به توان ظاهری تعریف می‌شود و نشان می‌دهد که چه بخشی از توان ورودی به الکتروموتور به توان اکتیو تبدیل شده و به شفت موتور منتقل می‌شود. به هر میزان که مقدار کسینوس فی به یک نزدیکتر باشد نشان دهنده کیفیت بهتر الکتروموتور می‌باشد.

دیتای شماره ۷: در این قسمت سرعت نامی درج شده است که سرعت موتور در ولتاژ نامی، فرکانس نامی و بار نامی می‌باشد.

دیتای شماره ۸: در این قسمت استانداردی که طبق آن پلاک الکتروموتور نوشته شده است درج شده است. معمولا دو استاندارد معروف NEMA و IEC برای نوشتن پلاک الکتروموتورها وجود دارد.

۳- سایر اطلاعات درج شده بر روی پلاک برخی از الکتروموتورها

در شکل ۳ پلاک یک نمونه الکتروموتور نشان داده شده است. اطلاعات مهم زیر علاوه بر اطلاعات مطرح شده در قسمت قبل بر روی آن درج شده است.

دیتای شماره ۱: در این قسمت بازده الکتروموتور برحسب درصد درج شده است که در این پلاک ۸۷٫۵ درصد می‌باشد. بازده به صورت نسبت توان نامی به توان الکتریکی ورودی تعریف می‌شود. بازده یک الکتروموتور را می‌توان طبق رابطه زیر محاسبه نمود.

هر مقدار بازده یک الکتروموتور بیشتر باشد تلفات آن کمتر بوده و بخش بیشتری از توان الکتریکی ورودی به توان مکانیکی در خروجی تبدیل می‌شود.

دیتای شماره ۲: در این قسمت سال ساخت الکتروموتور درج شده است که در این پلاک سال ساخت ۲۰۱۵ می‌باشد.

دیتای شماره ۳: در این قسمت وزن الکتروموتور درج شده است که در این پلاک وزن موتور ۴۴ کیلوگرم می‌باشد.

در شکل ۴ پلاک یک نمونه الکتروموتور دیگر نشان داده شده است. اطلاعات مهم زیر علاوه بر اطلاعات مطرح شده در قسمت قبل بر روی آن درج شده است.

دیتای شماره ۱: در این قسمت کلاس عایقی سیم‌پیچ‌ الکتروموتور درج شده است. کلاس عایقی توانایی مقاومت سیم‌پیچ الکتروموتور در برابر حرارت را نشان می‌دهد. مطابق جدول ۳ چهار کلاس عایقی A، B، F و H در استاندارد NEMA تعریف شده‌اند. تمامی این کلاس‌های عایقی در حداکثر دمای محیط ۴۰ درجه سانتیگراد تعریف می‌شوند. رایج‌ترین کلاس‌های عایقی کلاس F و H می‌باشند.

جدول ۳: انواع کلاس عایقی در استاندارد NEMA

همزمان با شروع به کار یک الکتروموتور دمای سیم‌پیچ آن افزایش می‌یابد. مطابق با جدول ۳ ماکزیمم دمای قابل تحمل سیم‌پیچ برحسب درجه سانتیگراد از روی ماکزیمم دمای محیط و ماکزیمم افزایش دمای مجاز محاسبه می‌شود. افزایش دمای سیم‌پیچ به بالای ماکزیمم دمای قابل تحمل آن باعث کاهش طول عمر موتور خواهد شد. به صورت تقریبی هر ۱۰ درجه افزایش دما بالای ماکزیمم دمای قابل تحمل سیم‌پیچ باعث نصف شدن طول عمر موتور می‌گردد.

دیتای شماره ۲: در این قسمت کلاس کاری یا دیوتی سایکل الکتروموتور درج شده است. منظور از کلاس کاری توانایی موتور در کار کردن به صورت پیوسته، کوتاه مدت و یا پریودیک می‌باشد. طبق استاندارد IEC هشت کلاس کاری برای الکتروموتورها تعریف شده است که از S1 تا S8 نام‌گذاری می‌شوند. در ادامه به توضیح مختصر هر یک از این کلاس‌های کاری می‌پردازیم.

کلاس کاری S1 (کلاس کاری دائم کار): موتور با این کلاس کاری بعد از مدت زمانی مشخص به دمای تعادل خود رسیده و توانایی کار به صورت دائم و طولانی مدت را دارد (شکل ۵).

شکل ۵: الکتروموتور با کلاس کاری S1

کلاس کاری S2 (کلاس کاری کوتاه مدت): موتور با این کلاس کاری قادر است تنها برای مدت زمانی مشخص تحت بار نامی خود کار کند. طی این زمان دمای موتور به ماکزیمم دمای قابل تحمل خود رسیده و موتور باید متوقف گردد. مطابق شکل ۶ مدت زمانی که طول می‌کشد تا مجدد موتور توانایی شروع به کار را بدست آورد را زمان بازیابی می‌نامند.

شکل ۶: الکتروموتور با کلاس کاری S2

کلاس کاری S3 تا S8 (کلاس‌های کاری پریودیک): موتورهایی با این کلاس کاری به صورت پریودیک کار می‌کنند. به این معنی که الکتروموتور برای یک مدت زمان مشخصی کار کرده و پس از رسیدن دمای آن به میزان مشخصی متوقف می‌شود و به مدت زمان ثابتی در حالت سکون باقی می‌ماند تا دمای آن تا میزان مشخصی کاهش یابد و این فرآیند به صورت پریودیک تکرار می‌شود. کلاس‌های کاری پریودیک انواع مختلفی دارند که تنها کلاس کاری S3 در شکل ۷ نمایش داده شده است.

شکل ۷: الکتروموتور با کلاس کاری S3

۴- جمع بندی مطلب

تقریبا ۹۰ درصد موتورهای الکتریکی مورد استفاده در صنعت الکتروموتورهای ۳ فاز می‌باشند. هنگام انتخاب یک الکتروموتور ۳ فاز مهم‌ترین اطلاعاتی که باید از روی پلاک آن متوجه شوید عبارت‌اند از: توان نامی، ولتاژ و جریان‌های نامی در حالت اتصال ستاره و مثلث، کلاس کاری، کلاس عایقی و درجه حفاظت موتور. جهت مشاوره برای انتخاب و خرید االکتروموتور خود با شرکت ربات سازان تماس حاصل فرمایید.

نوشته «خواندن پلاک الکتروموتورهای سه فاز» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

موتورهای دی سی به دلیل ساختار ساده و راه‌اندازی آسان به وفور در صنایع مختلف استفاده می‌شوند. برای اینکه موتور دی سی متناسب با کاربرد خود را به درستی انتخاب نمایید باید بتوانید دیتاشیت یک موتور دی سی را به خوبی متوجه شوید. شکل ۱ دیتاشیت موتورهای دی سی ۲۵۰ وات شرکت Maxon سوئیس را نشان می‌دهد. در این مقاله با پارامترهای موجود در دیتا شیت و روش خواندن دیتاشیت یک موتور دی‌سی بیشتر آشنا خواهیم شد.

شکل ۱: دیتاشیت یک موتور دی سی ساخت شرکت Maxon سوئیس

۲- مهم‌ترین «مشخصات الکتریکی» در هنگام خواندن دیتاشیت موتور دی‌سی

مشخصات الکتریکی دیتاشیت شکل ۱ در جدول ۱ نشان داده شده است. در ادامه این مشخصات را به صورتی کاربردی توضیح می‌دهیم.

جدول ۱: مشخصات الکتریکی موتور دی سی

ولتاژ نامی (Nominal Voltage):

به ولتاژی اطلاق می‌شود که موتور برای کار در آن ولتاژ ساخته شده است. اعمال ولتاژی کمتر از این ولتاژ باعث کاهش سرعت و گشتاور نامی موتور خواهد شد و ضرری برای موتور نخواهد داشت. ولی اعمال ولتاژی بیشتر از ولتاژ نامی باعث کاهش طول عمر موتور شده و احتمال آسیب رساندن به موتور را افزایش می‌دهد.

سرعت بی‌باری (No load speed):

در صورتی که هیچگونه باری به شفت موتور متصل نباشد با اتصال موتور به ولتاژ نامی خود موتور شروع به شتاب گرفتن تا ماکزیمم سرعت خود می‌نماید به این سرعت سرعت بی باری می‌گویند.

جریان بی باری (No load current):

به جریان عبوری از موتور زمانیکه هیچگونه باری متصل به شفت موتور نباشد جریان بی‌باری می‌گویند.

سرعت نامی (Nominal speed):

سرعت نامی سرعتی است که موتور برای کار دائم در آن سرعت بهینه شده است. سرعت نامی همواره کمتر از سرعت بی‌باری موتور می‌باشد.

گشتاور نامی (Nominal torque):

به گشتاور موتور در سرعت نامی گشتاور نامی می‌گویند.

جریان نامی (Nominal Current):

به جریان موتور در گشتاور نامی جریان نامی می‌گویند. موتور در این جریان می‌تواند به صورت دائم و طولانی مدت کار کند.

گشتاور استال (Stall torque):

به ماکزیمم گشتاور قابل تولید توسط موتور اطلاق می‌شود. این گشتاور زمانی که شفت موتور به صورت خارجی قفل شود و یا گشتاور بار به حدی افزایش یابد که موتور متوقف گردد، تولید می‌گردد. همچنین در لحظه شروع به کار موتور چون هنوز روتور حرکت نکرده در کسری از ثانیه گشتاور موتور برابر با گشتاور استال می‌شود که به آن گشتاور راه‌اندازی یا Starting torque می‌گویند.

جریان استال (Stall current):

به جریان عبوری از موتور زمانی که موتور در حالت استال است جریان استال می‌گویند. همچنین در لحظه شروع به کار موتور چون روتور بی حرکت است برای کسری از ثانیه جریان موتور با جریان استال برابر می‌شود که به آن جریان هجومی یا Inrush current می‌گویند.

ماکزیمم بازده (Maximum efficiency):

در یک موتور دی سی تمامی توان الکتریکی ورودی به توان مکانیکی تبدیل نمی‌شود بلکه بخشی از توان در اثر اصطکاک و یا به صورت اهمی در مقاومت سیم‌پیچ روتور به صورت گرما تلفت می‌شود. به نسبت توان مکانیکی خروجی به توان الکتریکی ورودی برحسب درصد بازده می‌گویند.

مقاومت سیم‌پیچ روتور (Terminal resistance):

مقدار مقاومت اهمی که از دو سر ترمینال‌های موتور دیده می‌شود. این مقاومت در واقع مقاومت اهمی سیم پیچ روتور می‌باشد.

اندوکتانس سیم‌پیچ روتور (Terminal inductance):

به مقدار سلف دیده شده از دو سری ترمینال‌های موتور اندوکتانس موتور می‌گویند.

ضریب یا ثابت گشتاور (Torque constant):

این پارامتر تعیین می‌کند که با افزایش جریان موتور با چه نرخی گشتاور افزایش می‌یابد.

ضریب یا ثابت سرعت (Speed constant):

این پارامتر تعیین می‌کند که با افزایش ولتاژ BEMF سرعت موتور با چه نرخی افزایش می‌یابد.

ثابت زمانی مکانیکی (Mechanical time constant):

هر چقدر این پارامتر کمتر باشد نشان می‌دهد که واکنش موتور به تغییر ولتاژ ورودی سریعتر می‌باشد و در اثر یک تغییر ولتاژ موتور سریعتر به سرعت خواسته شده می‌رسد.

ممان اینرسی روتور (Rotor inertia):

اینرسی روتور را تعیین می‌نماید. هرچقدر مقدار این پارامتر کمتر باشه موتور سریعتر شتاب می‌گیرد.

هنگام انتخاب یک موتور دی سی مهم ترین مشخصات الکتریکی که باید مد نظر داشته باشید عبارتند از: ولتاژ نامی، گشتاور نامی و سرعت نامی. اگر قصد استفاده از یک موتور دی سی در یک ربات متحرک را دارید از آنجاییکه اکثر باتری‌های موجود ۱۲ ولت هستن بهتر است از موتوری با ولتاژ نامی ۱۲ ولت استفاده کنید. گشتاور و سرعت نامی نیز باید متناسب با گشتاور و سرعت مورد نیاز به درستی انتخاب شوند.

۳- مشخصات «مکانیکی» در هنگام خواندن دیتاشیت موتور دی‌سی

شکل ۲: ابعاد مکانیکی یک موتور دی سی کرماس ۲۵۰ وات ساخت ترکیه

مهم‌ترین مشخصات مکانیکی که هنگام انتخاب یک موتور دی سی باید در نظر بگیرید (که در هنگام خواندن دیتاشیت باید به آن توجه کنید) عبارتند از:

• طول یا ارتفاع موتور: در مثال شکل ۲ طول موتور ۲۰۰ میلیمتر می‌باشد.
• قطر موتور: در مثل شکل ۲ قطر موتور ۹۰ میلیمتر می‌باشد.
• طول شفت موتور: در مثال شکل ۲ طول شفت موتور ۲۳ میلیمتر است.
• قطر شفت موتور: مطابق شکل ۲ موتور دارای شفتی به قطر ۱۱ میلیمتر است، همچنین ارتفاع خار موتور برابر است با ۱٫۶ میلیمتر (۱٫۶ = ۱۱ – ۱۲٫۶).
• سایز سوراخ‌ها و پیچ مورد نیاز برای نصب موتور: مطابق شکل ۲ موتور دارای ۴ عدد سوراخ متناسب با پیچ M5 می‌باشد (پیچ M5 یعنی پیچ با قطر ۵ میلیمتر).
• محل قرارگیری کابل تغذیه و انکودر: در صورتی که به محل قرارگیری کابل تغذیه و انکودر دقت نکنید ممکن است در عمل و به هنگام نصب موتور دچار مشکل شوید. در مثال شکل ۲ کابل تغذیه از انتهای موتور خارج شده است.
• وزن موتور: در کاربردهایی همانند ربات‌های متحرک وزن موتور از اهمیت بالایی برخوردار بوده و باید در انتخاب موتوری با وزن مناسب دقت کافی را داشته باشید.

۴- «تحلیل منحنی‌های مشخصات عملکردی موتور دی سی» هنگام خواندن دیتاشیت

در این قسمت میخواهیم منحنی‌های مشخصات عملکردی یک موتور دی سی را بررسی و تحلیل کنیم. جدول مشخصات این موتور به صورت جدول ۲ می‌باشد.

جدول ۲: مشخصات موتور دی سی مد نظر

شکل ۳ نمودارهای عملکردی یک موتور دی سی را نشان می‌دهد. این نمودار شامل چهار منحنی می‌باشد که در آن سرعت، جریان، توان و بازده برحسب گشتاور رسم شده‌اند. برای بررسی بهتر، هر مشخصه را به صورت جداگانه ترسیم می‌کنیم.

شکل ۳: نمودار مشخصات عملکردی یک موتور دی سی

اولین و مهم ترین مشخصه، منحنی سرعت-گشتاور می‌باشد که در شکل ۴ ترسیم شده است. با توجه به منحنی سرعت-گشتاور می‌توان گفت که در موتورهای دی سی رابطه سرعت و گشتاور به صورت خطی می‌باشد به طوریکه با افزایش گشتاور، سرعت به صورت خطی کاهش می‌یابد. محل برخورد منحنی با محور سرعت را سرعت بی‌باری یا No-Load Speed می‌گویند. به عبارتی زمانیکه هیچ گونه باری متصل به شفت موتور نباشد، موتور با ماکزیمم سرعت خود که سرعت بی‌باری نامیده می‌شود دوران می‌کند. همچنین محل برخورد منحنی با محور گشتاور را گشتاور استال یا Stall Torque می‌نامند. این حالت زمانی رخ می‌دهد که بار متصل به شفت موتور آنقدر زیاد شود تا جاییکه شفت موتور به طور کامل متوقف گردد.

شکل ۴: منحنی سرعت-گشتاور موتور دی سی مغناطیس دائم

برای رسم منحنی سرعت-گشتاور شکل ۴ به صورت عملی می‌توانیم از تست ستاپ شکل ۵ استفاده کنیم. در این تست ستاپ یک جرم با وزنی مشخص را توسط یک نخ یا تسمه از پولی متصل به موتور دی سی که بر روی یک میز قرار گرفته است آویزان می‌کنیم. سپس با اتصال موتور به منبع تغذیه و اعمال ولتاژ ی برابر با ولتاژ نامی موتور، موتور شروع به حرکت خواهد کرد. با بالا آمدن جرم به تدریج نخ یا تسمه به دور پولی پیچیده می‌شود و فاصله لبه نخ یا تسمه از مرکز پولی افزایش می‌یابد. می‌دانیم که گشتاور برابر است با حاصلضرب جرم متصل به پولی در شعاع مرکز پولی از لبه نخ یا تسمه که در شکل ۵ مشخص شده‌اند. بنابراین با ادامه حرکت موتور و افزایش شعاع r گشتاور متصل به شفت آن افزایش می‌یابد تا جاییکه گشتاور بار متصل به شفت موتور به اندازه‌ای می‌رسد که با ماکزیمم گشتاور قابل تولید توسط موتور برابر شده و موتور متوقف می‌شود. اکنون با ضرب کردن مقدار جرم وزنه در شعاع مرکز پولی از لبه نخ یا تسمه می‌توانیم گشتاور استال موتور را برحسب کیلوگرم سانتیمتر محاسبه کنیم. با تقسیم گشتاور محاسبه شده بر عدد ۱۰ گشتاور بر حسب نیوتون متر بدست خواهد آمد. مقدار گشتاور استال موتور را بر روی محور افقی یا Torque مشخص می‌کنیم!

سپس بار متصل به شفت موتور را کامل جدا کرده و اجازه می‌دهیم موتور بدون بار تا ماکزیمم سرعت خود شتاب بگیرد. این سرعت معادل سرعت بی‌باری موتور خواهد بود. سرعت بی‌باری را برحسب دور بر دقیقه بر روی محور عمودی یا Speed مشخص می‌کنیم! اکنون با وصل کردن این دو نقطه به وسیله یک خط به یکدیگر منحنی سرعت-گشتاور را ترسیم می‌کنیم.

شکل ۵: تست ستاپ لازم جهت بدست آوردن منحنی سرعت-گشتاور موتور دی سی

در شکل ۶ منحنی جریان-گشتاور رسم شده است. همانطورکه مشاهده می‌کنید رابطه جریان برحسب گشتاور نیز به صورت خطی می‌باشد. به طوریکه با افزایش گشتاور بار (گشتاوری که در نتیجه اتصال موتور به یک بار خارجی به شفت آن وارد می‌شود)، جریان مورد نیاز نیز افزایش می‌یابد. به جریان در زمانی که گشتاور صفر است جریان بی‌باری یا No-Load Current می‌گویند. همچنین به جریانی که در ماکزیمم گشتاور (Stall Torque) از موتور کشیده می‌شود جریان استال (Stall Current) یا جریان شروع به کار (Starting Current) گفته می‌شود. این جریان، جریان شروع به کار نیز نامیده شده است چون زمانیکه موتور می‌خواهد در اولین لحظات پس از اتصال تغذیه شروع به حرکت نماید از آنجاییکه سرعت موتور صفر است، موتور دارای ماکزیمم گشتاور خود می‌باشد و بیشترین جریان از آن کشیده می‌شود. به این جریان، جریان هجومی یا Inrush Current نیز می‌گویند چون به مدت بسیار کوتاه در حد چند میلی‌ثانیه در همان لحظه شروع به کار موتور از موتور عبور می‌کند.

شکل ۶: منحنی جریان-گشتاور موتور دی سی مغناطیس دائم

وظیفه یک موتور الکتریکی تبدیل توان الکتریکی به توان مکانیکی می‌باشد. توان الکتریکی ورودی برابر است با حاصلضرب ولتاژ ترمینال موتور در جریان موتور که بخشی از این توان در اثر اصطکاک و به صورت گرما در موتور تلف شده و بخش عمده آن به توان مکانیکی تبدل می‌شود. توان مکانیکی موتور از حاصلضرب سرعت موتور در گشتاور موتور بدست می‌آید. شکل ۷ منحنی توان مکانیکی موتور دی‌سی را نشان می‌دهد. مطابق شکل ۷ می‌توان دید که بیشترین توان مکانیکی در نصف گشتاور استال موتور رخ می‌دهد. به عنوان مثال در شکل ۴ گشتاور استال موتور ۰٫۸ نیوتون متر می‌باشد که مطابق شکل ۷ دقیقا بیشترین توان مکانیکی به ازای گشتاور ۰٫۴ نیوتون متر حاصل شده است.

شکل ۷: منحنی توان تولیدی موتور دی سی برحسب گشتاور

هر اندازه یک موتور دی سی به میزان بیشتری توان الکتریکی ورودی را به توان مکانیکی در خروجی تبدیل کند و مقدار کمتری از توان الکتریکی به صورت گرما در موتور تلف شود، بازده آن بیشتر خواهد بود. نمودار بازده موتور دی سی در شکل ۸ ترسیم شده است. مطابق شکل ۸ با افزایش گشتاور و افزایش جریان عبور از موتور، مقدار توان تلفاتی در موتور بیشتر شده و بازده کاهش می‌یابد.

شکل ۸: منحنی بازده موتور دی سی

۵- جمع بندی آموزش روش خواندن دیتاشیت

هنگام انتخاب یک موتور دی‌سی ابتدا با توجه به تغذیه موجود ولتاژ نامی موتور را انتخاب نمایید. سپس از روی توان مکانیکی مورد نیاز می‌توانید توان نامی موتور را انتخاب کنید (توان نامی موتور از حاصلضرب گشتاور نامی در سرعت نامی حاصل می‌شود). بهتر است ۲۰ تا ۳۰ درصد توان نامی موتور بالاتر از توان مکانیکی مورد نیاز انتخاب شود تا در عمل با مشکل مواجه نشوید. با توجه به منحنی‌های علمکردی موتور می‌توانید محاسبه کنید که در سرعت مورد نیازتان آیا موتور دارای گشتاور کافی می‌باشد یا خیر و موتوری با گشتاور و سرعت نامی متناسب با کاربرد خود خریداری نمایید. جهت مشاوره تخصصی و انتخاب موتور و درایور مناسب با شرکت ربات سازان تماس حاصل فرمایید.

نوشته «خواندن دیتاشیت موتور دی سی» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

از گیربکس در صنایع مختلف به منظور انتقال توان مکانیکی برای رسیدن از یک سرعت و گشتاور مشخص به یک سرعت و گشتاور مطلوب استفاده می‌شود. شفت موتور به یک سمت گیربکس متصل می‌شود و از طریق ترکیبی از چرخ دنده‌های مختلف که در داخل گیربکس قرار دارند، سرعت و گشتاور موتور به یک سرعت و گشتاور مطلوب در سر دیگر گیربکس تبدیل می‌شود. در این مقاله به نحوه محاسبه نسبت گیربکس، فرمول‌ها و مفاهیم آن، می‌پردازیم.

در شکل ۱ یک نمونه موتور دی‌سی گیربکس‌دار نشان داده شده است.

شکل ۱: نمونه‌ای از موتور دی سی گیربکس‌دار

۲- گیربکس چگونه کار می‌کند؟

می‌دانیم که رابطه توان مکانیکی در حالت دورانی حاصل‌ ضرب سرعت در گشتاور می‌باشد. اگر گیر بکس را ایده‌آل در نظر بگیریم و از اصطکاک بین چرخ دنده‌های آن چشم پوشی کنیم مطابق شکل ۲ طبق قانون پایستگی انرژی توان ورودی با توان خروجی برابر خواهد بود. بنابراین داریم:

در گیربکس کاهنده سرعت خروجی کمتر از سرعت ورودی می‌باشد بنابراین طبق رابطه فوق باید به همان نسبت گشتاور خروجی بیشتر از گشتاور ورودی شود تا معادله برقرار بماند. برعکس در گیربکس افزاینده سرعت خروجی بیشتر از سرعت ورودی می‌باشد بنابراین گشتاور خروجی در گیربکس افزاینده کمتر از گشتاور ورودی خواهد بود. بدین صورت گیربکس یک سرعت و گشتاور مشخص در ورودی را به یک سرعت و گشتاور مطلوب در خروجی تبدیل می‌کند. اینکه سرعت و گشتاور با چه نرخی تبدیل شوند را نسبت گیربکس تعیین می‌کند که در ادامه نحوه محاسبه آن را خواهیم گرفت.

شکل ۲: توان وردی خروجی گیربکس ایده‌آل

البته در عمل گیربکس ایده‌آل نمی‌باشد و بخشی از توان ورودی از طریق اصطکاک بین چرخ‌دنده‌ها و به صورت گرما تلف می‌شود. بنابراین همواره توان خروجی کمتر از توان ورودی خواهد بود. هر چقدر توان خروجی و ورودی به همدیگر نزدیکتر باشند گیربکس از کیفیت بهتری برخودار بوده و بازده بیشتری خواهد داشت.

۳- محاسبه نسبت گیربکس

گیربکس با دو چرخ‌دنده شکل ۳ را در نظر بگیرید. اگر چرخ دنده شماره یک (چرخ دنده آبی رنگ) به موتور متصل شود و چرخ دنده شماره دو به بار، نسبت گیربکس به صورت زیر تعریف می‌شود.

فرض کنید چرخ‌دنده شماره یک (چرخ‌دنده آبی رنگ) دارای ۳۰ عدد دندانه و چرخ‌ دنده شماره دو دارای ۶۰ عدد دندانه باشد، بنابراین نسبت گیربکس ۲ خواهد بود. طبق رابطه فوق اگر به جای نسبت گیربکس (GR) عدد ۲ را جایگزین کنیم می‌توان نتیجه گرفت که:

• سرعت چرخ دنده دوم نصف سرعت چرخ دنده اول است.
• شعاع چرخ دنده دوم ۲ برابر شعاع چرخ دنده اول است.
• گشتاور چرخ دنده دوم ۲ برابر گشتاور چرخ دنده اول است.

بنابراین با نسبت گیربکس ۲ سرعت خروجی نصف ولی گشتاور خروجی دو برابر خواهد شد! نصف شدن سرعت را به این صورت می‌شود استنباط کرد که از آنجاییکه تعداد دندانه‌های چرخ‌دنده دوم دو برابر تعداد دندانه‌های چرخ دنده اول است بنابراین باید چرخ‌دنده اول ۲ دور کامل بزند تا منجر به چرخش یک دور کامل چرخ‌دنده دوم شود (چون دندانه‌های دو چرخ‌دنده داخل هم قرار گرفته‌اند).

شکل ۳: محاسبه نسبت گیربکس با دو چرخ دنده

برای اینکه به شکلی مفهومی‌تر نحوه عملکرد گیربکس در افزایش گشتاور را متوجه شویم مکانیزم شکل ۴ را در نظر بگیرید. این مکانیزم شامل دو عدد چرخ دنده می‌باشد. فرض کنید چرخ دنده اول به یک موتور الکتریکی وصل شده باشد و خلاف عقربه‌های ساعت دوران کند. دوران موتور باعث اعمال نیرویی رو به پایین در نقطه تماس دو چرخ دنده می‌شود. این نیرو همانند یک اهرم عمل کرده و باعث چرخش گیربکس دوم و بلند کردن بار متصل به مرکز آن خواهد شد.

شکل ۴: مفهوم افزایش گشتاور در گیربکس کاهنده

حال به هر میزانی که شعاع چرخ دنده دوم را افزایش دهیم (به عبارتی نسبت گیربکس را افزایش دهیم) طول اهرم (شعاع چرخ‌دنده دوم) بیشتر شده و منجر به افزایش گشتاور می‌شود. این افزایش گشتاور به بهای کاهش سرعت خروجی حاصل شده است!

نوشته «محاسبه نسبت گیربکس» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.