محرك سيرفو (تحكم لاسلكي)

المحركات المؤازرة (وتسمى أيضًا محركات التحكم عن بعد المؤازرة ) هي محركات مؤازرة صغيرة ورخيصة يتم إنتاجها بكميات كبيرة أو محركات أخرى تستخدم للتحكم اللاسلكي والروبوتات صغيرة الحجم .

معظم المحركات المؤازرة هي محركات دوارة، مع وجود أنواع أخرى متاحة. تُستخدم المحركات الخطية أحيانًا، إلا أن استخدام المحرك الدوار المزود بذراع ناقل الحركة وقضيب الدفع هو الأكثر شيوعًا. بعض الأنواع، التي كانت تُستخدم في الأصل كرافعات أشرعة لليخوت النموذجية ، قادرة على الدوران بشكل مستمر.

يتكون المحرك المؤازر النموذجي من محرك كهربائي صغير يُشغّل سلسلة من تروس التخفيض. ويتم توصيل مقياس الجهد بعمود الإخراج. وتوفر بعض الدوائر الإلكترونية البسيطة آلية مؤازرة ذات حلقة مغلقة .

يُقاس موضع الخرج بواسطة مقياس الجهد، ويُقارن باستمرار بالموضع المطلوب من وحدة التحكم (أي جهاز التحكم اللاسلكي). أي اختلاف يُولّد " إشارة خطأ " في الاتجاه المناسب، مما يدفع المحرك الكهربائي إما للأمام أو للخلف، ويحرك عمود الخرج إلى الموضع المطلوب. عندما يصل المحرك المؤازر إلى هذا الموضع، تقل إشارة الخطأ حتى تصبح صفرًا، وعندها يتوقف المحرك عن الحركة.

إذا تغير موضع المؤازرة عن الموضع المطلوب، سواء كان ذلك بسبب تغير الأمر، أو بسبب دفع المؤازرة ميكانيكيًا من موضعها المحدد، فستظهر إشارة الخطأ مرة أخرى وتتسبب في قيام المحرك بإعادة عمود إخراج المؤازرة إلى الموضع المطلوب.

معظم المحركات المؤازرة الحديثة هي محركات مؤازرة تناسبية ، حيث يمكن أن يكون الموضع المطلوب في أي مكان ضمن نطاق الحركة. أما المحركات المؤازرة القديمة، وجهاز سابق يُسمى آلية الإفلات ، فكانت قادرة فقط على التحرك إلى عدد محدود من المواضع المحددة.

تُوصَّل محركات التحكم اللاسلكي عبر وصلة ثلاثية الأسلاك قياسية: سلكان لتزويدها بالطاقة بتيار مستمر، وسلك للتحكم يحمل إشارة تعديل عرض النبضة (PWM). لكل محرك وصلة منفصلة وإشارة PWM من مستقبل التحكم اللاسلكي. يمكن توليد هذه الإشارة بسهولة باستخدام دوائر إلكترونية بسيطة، أو وحدات تحكم دقيقة مثل أردوينو . هذا، بالإضافة إلى تكلفتها المنخفضة، أدى إلى انتشار استخدامها على نطاق واسع في مجال الروبوتات والحوسبة الفيزيائية .

تستخدم محركات التحكم عن بُعد (RC) مقبسًا ثلاثي الأطراف بمسافة 0.1 بوصة (أنثى) يتصل بأطراف مربعة قياسية 0.025 بوصة. الترتيب الأكثر شيوعًا هو: إشارة، جهد موجب، أرضي. الجهد القياسي هو 4.8 فولت تيار مستمر، ولكن يُستخدم أيضًا 6 فولت و12 فولت في بعض المحركات. إشارة التحكم هي إشارة PWM رقمية بمعدل 50  هرتز. ضمن كل 20 مللي ثانية، تتحكم نبضة رقمية عالية الفعالية في الموضع. يتراوح عرض النبضة عادةً من 1.0 مللي ثانية إلى 2.0 مللي ثانية، مع كون 1.5 مللي ثانية دائمًا هي منتصف النطاق. يمكن استخدام عروض النبضات خارج هذا النطاق لـ "تجاوز الحركة" - أي تحريك المحرك خارج نطاقه الطبيعي.

يوجد نوعان رئيسيان من تعديل عرض النبضة (PWM). يحدد كل نوع قيمة يستخدمها المحرك المؤازر لتحديد موضعه المتوقع. النوع الأول هو "المطلق"، ويُحدد القيمة بناءً على عرض نبضة الجهد العالي مع فترة جهد منخفض طويلة. أما النوع الثاني فهو "النسبي"، ويُحدد القيمة بناءً على النسبة المئوية لوقت جهد التحكم العالي مقارنةً بوقت الجهد المنخفض. يسمح النوع "المطلق" لما يصل إلى ثمانية محركات مؤازرة بمشاركة قناة اتصال واحدة من خلال تعدد إرسال إشارات التحكم باستخدام إلكترونيات بسيطة نسبيًا، وهو أساس محركات التحكم عن بُعد الحديثة. أما النوع "النسبي" فهو الاستخدام التقليدي لتعديل عرض النبضة، حيث يقوم مرشح تمرير منخفض بسيط بتحويل إشارة تعديل عرض النبضة "النسبية" إلى جهد تناظري. كلا النوعين هما تعديل عرض النبضة لأن المحرك المؤازر يستجيب لعرض النبضة. مع ذلك، في الحالة الأولى، قد يكون المحرك المؤازر حساسًا أيضًا لترتيب النبضات.

يتم التحكم في المحرك المؤازر بثلاثة أسلاك: الأرضي، والطاقة، والتحكم. يتحرك المحرك بناءً على النبضات المرسلة عبر سلك التحكم، والتي تحدد زاوية ذراع التشغيل. يحتاج المحرك المؤازر إلى نبضة كل 20 مللي ثانية للحصول على معلومات دقيقة حول الزاوية. يحدد عرض نبضة المحرك المؤازر نطاق حركته الزاوية.

عادةً ما تُضبط نبضة المؤازرة بعرض 1.5 مللي ثانية المؤازرة على وضعها "المحايد" (عادةً نصف النطاق الكامل المحدد)، بينما تُضبط نبضة بعرض 1.0 مللي ثانية على 0 درجة، ونبضة بعرض 2.0 مللي ثانية على 90 درجة (للمؤازرة بزاوية 90 درجة). تختلف الحدود الفيزيائية وتوقيتات أجهزة المؤازرة بين العلامات التجارية والموديلات، ولكن الحركة الزاوية الكاملة للمؤازرة العامة تتراوح بين 90 و180 درجة، ويكون الوضع المحايد (45 أو 90 درجة) دائمًا تقريبًا عند 1.5 مللي ثانية. هذا هو "وضع المؤازرة النبضي القياسي" المستخدم في جميع المؤازرات التناظرية المستخدمة في الهوايات.

يتم التحكم في محرك السيرفو الرقمي للهواة بنفس نبضات "وضع السيرفو النبضي القياسي" المستخدمة في محرك السيرفو التناظري. ^{[ 1 ]} يمكن ضبط بعض محركات السيرفو الرقمية للهواة على وضع آخر يسمح لوحدة تحكم الروبوت بقراءة الموضع الفعلي لعمود السيرفو. كما يمكن ضبط بعض محركات السيرفو الرقمية للهواة على وضع آخر و"برمجتها" بحيث تتمتع بخصائص وحدة التحكم PID المطلوبة عند تشغيلها لاحقًا بواسطة مستقبل RC قياسي. ^{[ 2 ]}

تُغذّى محركات التحكم عن بُعد عادةً بواسطة جهاز الاستقبال، الذي بدوره يُغذّى بواسطة بطاريات أو وحدة تحكم إلكترونية بالسرعة (ESC) مزودة بدائرة إلغاء بطارية مدمجة أو منفصلة . وتُستخدم عادةً بطاريات من نوع نيكل-كادميوم ( NiCd) أو نيكل-معدن هيدريد ( NiMH ) أو ليثيوم أيون بوليمر (LiPo). وتختلف قيم الجهد، ولكن معظم أجهزة الاستقبال تعمل بجهد 5 فولت أو 6 فولت.

يستخدم مصنّعو وموزّعو محركات المؤازرة لهواة التحكم عن بُعد عادةً اختصارًا خاصًا لوصف الخصائص الميكانيكية لهذه المحركات. ويُذكر عادةً رقمان: السرعة الزاوية لدوران عمود المحرك وعزم الدوران الميكانيكي الناتج على هذا العمود. تُعبّر السرعة عن الفترة الزمنية التي يحتاجها المحرك لتدوير العمود بزاوية 60 درجة. أما عزم الدوران، فيُعبّر عنه بالوزن الذي يمكن للمحرك رفعه إذا عُلّق من بكرة ذات نصف قطر مُحدّد مُثبّتة على العمود.

على سبيل المثال، إذا وُصف نموذج محرك سيرفو بأنه "0.2  ثانية / 2  كجم"، فيُفسَّر ذلك على أنه "يدير هذا المحرك عمود الدوران بزاوية 60 درجة في 0.2  ثانية، وهو قادر على سحب  وزن 2 كجم باستخدام  بكرة نصف قطرها 1 سم". أي أن هذا النموذج من محركات السيرفو يُدير عمود الدوران بسرعة زاوية (2π / 6) / 0.2  ثانية = 5.2 راديان /ثانية، بينما يُنتج قوة مقدارها 2 كجم × 9.81 م/ث² ⁼ 19.6 نيوتن عند مسافة 1 سم، أي أنه يُنتج عزم دوران مقداره 19.6 نيوتن × 0.01 م = 0.196 نيوتن متر.        

على الرغم من أنها لا تتوافق مع نظام الوحدات الدولي أو الإمبراطوري، إلا أن التدوين المختصر مفيد للغاية في الواقع، حيث أن أوامر دوران العمود بزاوية 60 درجة،  وأذرع العمود بطول 1 سم، بالإضافة إلى "قوى" قضيب التحكم في نطاق قوة الكيلوغرام هي أمور نموذجية في عالم هواية التحكم عن بعد.

محركات المؤازرة ذات الدوران المستمر هي محركات لا تملك زاوية حركة محدودة، بل يمكنها الدوران باستمرار. يمكن اعتبارها محركًا وعلبة تروس مزودة بوحدات تحكم في مدخلات المؤازرة. في هذه المحركات، تُنتج نبضة الإدخال سرعة دوران، وتُمثل  القيمة المركزية النموذجية البالغة 1.5 مللي ثانية وضع التوقف. تؤدي القيمة الأصغر إلى دوران المحرك في اتجاه عقارب الساعة، بينما تؤدي القيمة الأكبر إلى دورانه عكس اتجاه عقارب الساعة.

كان أول شكل من أشكال المحركات التسلسلية (وإن لم تكن تناسبية) للتحكم اللاسلكي هو آلية الإفلات . ^{[ 3 ]} وكما هو الحال في الساعات، تتحكم هذه الآلية في إطلاق الطاقة المخزنة في نابض أو شريط مطاطي. كل إشارة من جهاز الإرسال تُشغّل ملفًا لولبيًا صغيرًا يسمح بدوره بتدوير ذراع ذي فصين أو أربعة فصوص. يحتوي الذراع، كما في الساعة، على جزأين بحيث لا يمكنه الدوران إلا بمقدار موضع فص واحد لكل نبضة إشارة. تُمكّن هذه الآلية جهاز إرسال بسيطًا مزودًا بمفتاح من توفير تحكم تسلسلي، أي الاختيار بين عدد من المواضع المحددة في النموذج.

يُصمّم نظام ميزان الساعة رباعي الفصوص، المستخدم عادةً للتحكم في الدفة، بحيث يكون الوضعان الأول والثالث "للاتجاه الأمامي"، بينما يُمثّل الوضعان الثاني والرابع "للاتجاه الأيسر" و"للاتجاه الأيمن" على التوالي. نبضة واحدة من الوضع الأول (للاتجاه الأمامي) تُتيح تحريك الميزان إلى اليسار، بينما تُتيح ثلاث نبضات تحريكه إلى اليمين. نبضة واحدة أخرى تُعيده إلى الوضع الأمامي. ^{[ 4 ]} يُعدّ هذا النظام صعب الاستخدام، إذ يتطلب من المُشغّل تذكّر وضع الميزان، وبالتالي تحديد ما إذا كانت الدورة التالية تتطلب نبضة واحدة أو ثلاث نبضات من الوضع الحالي. وقد تطوّر هذا النظام ليُصبح نظام الميزان ثنائي الفصوص، حيث يُمكن استخدام الضغط المُستمر على زر الإرسال (وبالتالي تثبيت ذراع الملف اللولبي في مكانه) لاختيار أوضاع الدوران بنفس تسلسل الضغط، بغض النظر عن الوضع السابق. ^{[ 4 ]}

كانت آليات الإفلات منخفضة الطاقة وخفيفة الوزن، ولذلك كانت أكثر شيوعًا في الطائرات النموذجية منها في القوارب النموذجية. ^{[ 3 ]} عندما يحتوي جهاز الإرسال والاستقبال على قنوات تحكم متعددة (مثل جهاز استقبال القصبة ذي مفتاح التردد )، يمكن استخدام آليات إفلات متعددة معًا، واحدة لكل قناة. ^{[ 3 ]} حتى مع أجهزة الراديو أحادية القناة، يمكن أحيانًا توصيل سلسلة من آليات الإفلات على التوالي. تحريك آلية إفلات واحدة يُنتج نبضات تُحرك بدورها آلية إفلات ثانية أبطأ. ^{[ 4 ]} بدأت آليات الإفلات بالاختفاء من أجهزة التحكم اللاسلكي، لصالح المحركات المؤازرة، بحلول أوائل سبعينيات القرن العشرين. ^{[ 3 ]}

يمكن استخدام آلية غراوبنر الحركية للتحكم في الدفة والمحرك الكهربائي بقناة واحدة. نبضات قصيرة للمحرك: للأمام - توقف - للخلف - توقف، وهكذا. ونبضات طويلة للدفة: للأمام مباشرة - انعطاف لليسار - للأمام مباشرة - انعطاف لليمين - للأمام مباشرة، وهكذا.

تم تقديم مشغل الكرة الطائرة إلى نماذج التحكم عن بعد في عام 1951 بواسطة برايتون بول، ^{[ 5 ]} ويتكون من محرك كهربائي ومنظم طرد مركزي متصل بمحور حر الحركة، والذي يمكنه، أثناء تشغيل المحرك، سحب قضيب التحكم في الدفة بدرجات متفاوتة. عند استخدامه مع نظام راديو مزود بمفتاح، يسمح هذا النظام ببعض التحكم في موضع الدفة عن طريق تغيير توقيت الضغط على المفتاح. يتم سحب الدفة للخلف بواسطة نابض عندما تنخفض سرعة المحرك.

• موصل JST

• أساسيات محركات السيرفو للهواة