بقلم لورين ناجل وتشارلز بلوان
تُستخدم المحركات الكهربائية في العديد من الأدوات والمركبات. وفي الطائرات المسيّرة والطائرات الكهربائية، غالبًا ما يتم التحكم فيها باستخدام وحدة تحكم في الخانق ووحدة تحكم إلكترونية بالسرعة (ESC).
عند زيادة الخانق في وحدة التحكم الخاصة بك، فإن ما تفعله هو زيادة كمية الطاقة الكهربائية المسحوبة من مصدر الطاقة (أي البطارية) والمغذاة إلى المحرك عبر وحدة ESC. إذا كنت تريد إبطاء المحرك، فقلّل الطاقة؛ وإذا كنت تريد تسريع المحرك، فارفعه.
ولكن ما هي الآلية الكامنة وراء التحكم في سرعة المحرك؟
سنتناول في هذا المقال:
- كيفية زيادة (أو تقليل) سرعة المحرك الكهربائي
- معادلة سرعة المحرك الكهربائي
- سرعة المحرك من حيث دورة تشغيل PWM وجهد خرج ESC
- حساب KV المحرك إلى RPM
الشكل 1: محرك Xoar T110 مثبت على جهاز اختبار قوة الدفع
كيفية زيادة (أو تقليل) سرعة المحرك الكهربائي
التحكم في سرعة المحرك الكهربائي "بسيط" مثل التحكم في كمية الطاقة الكهربائية المقدمة إلى المحرك. في المقال التالي، سنفترض أننا ننظر إلى حالة ثابتة حيث لا يوجد تسارع.
ولكن لكي نكون أكثر دقة، بالنسبة لحمل ميكانيكي معين (أو مقاومة)، فإن الزيادة في الجهد هي التي تؤدي إلى الزيادة في السرعة. وبدلاً من ذلك، يمكننا تقليل الحمل على المحرك.
معادلة سرعة المحرك الكهربائي
إذا نظرنا إلى هذه المعادلة للسرعة الزاوية:
ω = السرعة الزاوية
يمكننا أن نرى أن السرعة الزاوية، والمعروفة أيضاً بسرعة المحرك الكهربائي، والمعروفة أيضاً بـ RPM، تتناسب طردياً مع الجهد وعكسياً مع عزم الدوران.
لذلك، إذا أردنا زيادة سرعة المحرك، فيمكننا إما أ) زيادة الجهد المقدم أو ب) تقليل عزم الدوران. وبما أن تقليل عزم الدوران يتطلب تغيير تصميمك أو حمولتك، فمن الأبسط بكثير زيادة الجهد.
توضح المعادلة أيضاً أنه عند جهد ثابت، يؤدي عزم الدوران الأعلى إلى RPM أقل.
يجب أن نلاحظ أيضاً أن هناك بعض الخسائر الطفيفة داخل وحدة ESC، لذا فإن جهد الإدخال أعلى من جهد الخرج إلى المحرك، ولكن عادةً بنسبة بضع في المائة فقط.
سرعة المحرك من حيث دورة تشغيل PWM وجهد خرج ESC
يمكننا أيضاً وصف عملية تغيير سرعة المحرك هذه من حيث بروتوكولات ESC المستخدمة لتوصيل الطاقة.
مع PWM، على سبيل المثال، فإن القيمة المرسلة من وحدة التحكم (بالميكروثانية)، تقابل نسبة مئوية من الحد الأقصى للجهد الذي يمكن إرساله إلى المحرك ووحدة ESC.
ستكون قيمة PWM بالميكروثانية بين 1000 (لا يوجد خانق) و2000 (خانق كامل). جميع القيم بينهما لها طول إشارة بالميكروثانية، والتي تقابل دورة تشغيل بين 0 و100%.
عند 0%، لا يتم توصيل أي طاقة إلى وحدة ESC والمحرك. عند 100%، يتم توصيل الطاقة باستمرار إلى وحدة ESC والمحرك.
الشكل 2: محرك Xoar TA130 مثبت على منصة اختبار
هناك تباين في هذا التنفيذ بين الشركات المصنعة لوحدات ESC. ومع ذلك، فإن العلاقة بين دورة التشغيل وسرعة المحرك تكون عادةً قريبة من متوسط جهد خرج وحدة ESC.
تقوم وحدة ESC بتقريب خرج موجة جيبية على كل مرحلة. عند خرج ESC بنسبة 50%، سيكون للموجة الجيبية حوالي نصف سعة الموجة الجيبية عند خرج ESC بنسبة 100%. لاحظ أن مشغلات الإلكترونيات في معظم وحدات ESC لها حالة تشغيل/إيقاف فقط، لذا فإن الإشارة الفعلية ليست بسلاسة الموجة الجيبية المثالية.
هناك العديد من الاختلافات بين الشركات المصنعة للمحركات ووحدات ESC، ويمكن أن تؤدي الإلكترونيات إلى إدخال عدم خطية. للتطبيقات العملية، من الأفضل توصيف المحرك ووحدة ESC باستخدام جهاز دينامومتر.
مستقبل تقنية ESC
كما ذكر أعلاه، تعمل المحركات الكهربائية من خلال إشارات كهربائية تتناوب بين حالتي التشغيل/الإيقاف لتحريك الدوران. تعتمد وحدات ESC التقليدية على أشباه الموصلات القائمة على السيليكون والتي لها قيود فيزيائية متأصلة. مع زيادة ترددات التبديل عند RPM أعلى، تولد مكونات السيليكون طاقة حرارية كبيرة بسبب خسائر التبديل. تحد هذه الحرارة من الكفاءة والسرعة القصوى للنظام حيث لا يمكن للمادة تحمل الحمل الكهربائي والحراري عند RPM أعلى.
نيتريك الغاليوم (GaN) هو شبه موصل يوفر عتبة أعلى للجهد ودرجة الحرارة مقارنة بالسيليكون. لديه موصلية كهربائية أعلى مما يسمح بسرعات تبديل أسرع ومقاومة كهربائية أقل أثناء التشغيل. هذه الخصائص تسمح لوحدات التحكم القائمة على GaN بالحفاظ على أداء مستقر في البيئات التي قد يفشل فيها السيليكون بسبب الحمل الزائد الحراري أو الكهربائي الكهربائي.
إن microDRIVE LP من Hargrave Technologies هو تطبيق مبكر لهذه التكنولوجيا داخل صناعة الطائرات المسيّرة. على الرغم من أن هذه الأجهزة لا تتفوق حاليًا على وحدات ESC عالية الأداء القائمة على السيليكون، إلا أنها تمثل مجالًا متطورًا مع إمكانية زيادة كثافة الطاقة لوحدات ESC.
الشكل 3: وحدة ESC مدمجة وخفيفة الوزن قائمة على GaN (المصدر: Hargrave Technologies)
انقر هنا لمعرفة المزيد عن آلية العمل الداخلية لوحدة ESC.
تستخدم البروتوكولات الرقمية مثل Dshot وOneshot نفس مفهوم دورة التشغيل، ولكن مع توصيل إشارة أسرع بكثير وأنماط توصيل إشارة مختلفة.
قد ترى أيضًا دورة التشغيل مكتوبة كقيمة بين 0 و1024. هذا يعتمد على حقيقة أن التكنولوجيا تم تطويرها حول وحدات تحكم 8 بت. خياران (تشغيل / إيقاف) مع نظام 8 بت → 2¹⁰ → 1024.
يمكن استخدام هذا النظام أيضًا لتحديد جهد خرج وحدة ESC.
على سبيل المثال، 796 → 78% «تشغيل» بالنسبة إلى خرج 100%.
حساب KV المحرك إلى RPM
في حالة عدم وجود حمل، يمكنك استخدام قيمة KV للمحرك لتقدير سرعة المحرك بناءً على الجهد المقدم.
كما تمت مناقشته في مقالنا حول كيفية حساب KV المحرك، يمكننا استبدال القوة الدافعة الكهربائية العكسية بجهد الإدخال في هذه المعادلة لتقدير سرعة دوران محركنا الكهربائي.
دعونا نستخدم محرك MAD Components M50C35 EEE 9 KV كمثال. لديه أقصى جهد 400 V وتصنيف KV يبلغ 9 KV. بإدخال هذه الأرقام في المعادلة نحصل على أقصى سرعة:
لذلك عند الخانق الكامل، سيدور هذا المحرك بسرعة 3600 RPM. إذا طبقنا 75% فقط من الخانق، بما يعادل 300 V، فسيدور بسرعة 2700 RPM.
الخلاصة
كما هو موضح في هذا المقال، هناك عدة طرق لزيادة سرعة المحرك.
الطريقة الأكثر قابلية للتطبيق هي زيادة الجهد المقدم إلى المحرك عن طريق زيادة الخانق. يمكنك أيضًا تقليل عزم الدوران، ولكن هذا بشكل عام أكثر إرباكًا للتصميم أو الغرض من الطائرة المسيّرة.
إذا كانت لديك أي أسئلة أخرى حول كيفية عمل المحركات الكهربائية والطائرات المسيّرة، فيرجى الاطلاع على مقالاتنا الأخرى أو اترك لنا تعليقًا أدناه.