التحسين المتزامن للتحكم في محركات التيار المتردد

أهمية التحسين المتزامن للتحكم في محركات التيار المتردد

تُستخدم الروبوتات الصناعية في العديد من التطبيقات، مثل المناولة والطلاء والتجميع واللحام وما إلى ذلك، حيث تعتمد كفاءة وأداء المعالج بشكل أساسي على “الاستجابة الديناميكية” لنظام القيادة الخاص به، وعادةً ما يتم طلب طاقة المحرك المطلوبة بواسطة مجموعة نقل الحركة للروبوت، والتي تتكون من ثلاثة أنظمة فرعية في كل مفصل مُشغل ومحرك مؤازر ومخفض، وذلك حسب الشكل التالي.

ونظراً لأن نظام القيادة له تأثير كبير في الاستجابة الديناميكية للمعالج؛ فإنه يمكن تحسين أداء الروبوت الصناعي من خلال تحسين التصميم والتحكم في مجموعة نقل الحركة، حيث تكون المحركات الكهربائية هي المصادر الرئيسية للحركة.

تقليدياً، يتم حل مشكلة التصميم بشكل مستقل عن تأثيرات التحكم، مما يؤدي إلى سلوك غير مثالي ومع ذلك، تتعامل طريقة النهج المتزامن مع التحسين متعدد الأهداف للتصميم والتحكم المتزامنين، والذي يوفر تكامله حلولاً عملية للمشكلات المعقدة، كما أن الحل البديل الشائع للتحسين متعدد الأهداف هو استخدام الخوارزميات التطورية، حيث تشكل مجموعة من الحلول الممكنة، مما يسمح للمصمم باختيار أحدها لتلبية الأهداف المقترحة بشكل شخصي.

وبالطريقة نفسها، أصبح تحسين التصميم المتزامن المستند إلى نموذج المحاكاة منهجية مصنّعة مهمة لتسويق منتجات الروبوت الصناعي، وهذا لأن المفارقات بين الأهداف مثل التكلفة والأداء والوزن والطاقة والتكلفة والدقة وما إلى ذلك تكون ضرورية للقرارات التي يمكن أن يسبقها تحليل استجابة نماذج المحاكاة.

وبالتالي؛ فإن النمذجة والتحسين والتصميم المؤازر والتحكم المستند إلى النموذج وتحديد الهوية تعني اختراقًا في الصناعة من أجل الاستخدام السليم للروبوتات، علاوة على ذلك؛ فإن المواد الجديدة والتقدم التكنولوجي يبقيان مفتوحين أمام تحدي أساسي للروبوتات الصناعية، وهو الاختيار الأمثل والتحكم في المحرك لتطبيق معين.

آلية اختيار نوع التحكم الخاص في محركات التيار المتردد

تستخدم معظم طرق اختيار المحرك نماذج مستوى عزم الدوران، وذلك بصرف النظر عن مدخلات التحكم وبغض النظر عن الديناميكيات الكهربائية لنظام القيادة (تحسين التصميم التقليدي)، حيث يتم تحديد المحركات المرشحة من خلال مراجع أحمال ثابتة معينة أو افتراض أن دورة العمل يجب أداؤها من قبل مجموعة نقل الحركة معروفة سابقاً.

كما يتم تحسين عزم دوران المحرك لحالة المحور المفرد بحمل ثابت بالقصور الذاتي، وذلك من خلال الاعتماد على تركيبة مثالية بين المحرك والتروس لدفع حمولة معينة، حيث تكون أسوأ حالة لدورة التحميل معروفة مسبقاً، كما تم اقتراح طريقة اختيار المحرك الأمثل لمسار معين، كما يمكن اختيار محرك مرشح من طريقة رسومية، وذلك عن طريق فصل خصائص حمل المحرك للحصول على منحنى ذي معلمات لحمل معين.

كما أنه يُقترح اختيار محرك على مستوى عزم الدوران للمتلاعبين الصناعيين، وعلى افتراض أن عزم الدوران ودورات الحركة معروفة بشكل مستقل في كل مفصل، كما يتم استخدام المتغيرات المنفصلة في التصميم لتقليل تكلفة الروبوت عن طريق اختيار علب التروس الأقل تكلفة لمحورَي مناور.

وبالمثل، تُستخدم المتغيرات المنفصلة أيضاً لتقليل وزن مجموعة نقل الحركة، حيث يتم استخدام محاكي (ADAMS) لمعرفة كل عزم دوران مفصل مطلوب، علاوة على ذلك تم تقديم امتداد معين، حيث تمت إضافة حدود جديدة لكل من محركات مؤازرة التيار المستمر والتيار المتردد، ولكن التفاعلات بين المشغلات (مثل تلك الموجودة في الذراع الآلية) لا يمكن اعتبارها في وقت واحد لهذه المنهجية.

وفيما يتعلق بأنواع المحركات الكهربائية؛ فإنه يُفضل تشغيل محركات الدعم، والتي تعمل بالتيار المتردد بدلاً من محركات التيار المستمر لدفع “الأحمال الديناميكية” العالية، ونظراً لارتفاع نسبة عزم الدوران إلى القصور الذاتي وقدرة عزم دوران الذروة الأعلى وعرض “النطاق الترددي” لسرعة عزم الدوران الأعلى.

كما أن أكثر أنواع المحركات المؤازرة المتناوبة شيوعاً للتطبيقات الصناعية هي المحركات الحثية ومحركات التيار المستمر بدون فرشات ثلاثية الأطوار (BLDC) ومحركات “تردد التبديل” والمحرك المتزامن للمغناطيس الدائم (PMSM)، ومن بين هؤلاء؛ فإنه تم اقتراح نوع محرك (PMSM) في هذا الطرح لاختيار محرك داعم، حيث تم استخدامه على نطاق واسع “للروبوتات الصناعية” ذات الدفع المباشر لتوفير متطلبات تحميل عالية وسرعة ودقة.

وبسبب التعقيد الكهربائي للمحركات الداعمة للتيار المتردد، وبالنظر إلى ذلك يتطلب تقنيات تحكم على عكس تلك الشائعة المطبقة على محركات (DC)؛ فإن القليل من الأعمال تناولت ديناميكيات الروبوت باستخدام محركات مؤازرة (PMSM) “كنظام ميكاترونيك”.

ومع ذلك، تستند التصميمات عالية الأداء إلى المعرفة الدقيقة لديناميكيات النظام، لذا؛ فإن اعتبار نظام الميكاترونيك له ميزة لتحليل الاستجابة الديناميكية التي ينطوي عليها نظام محرك الحلقة المغلقة عندما يتم تثبيت مشغلات مختلفة على مجموعة نقل الحركة والتأكد من تلبية الأهداف المرجوة للمهمة.