| sw |
|
أنظمة التحكم الالكترونى فى المحركات
التشغيل الفعال والحماية الضرورية
مع التقدم المتسارع على صعيد الثورة الرقمية الجارية عرفت أنظمة التحكم الالكترونى أو التحكم الذكى فى المحركات طريقها للتطور الذى أصبح من السمات الملحوظة لوحدات هذا التحكم أو ( MCU ) .
كما عرف التحكم الذكى فى المحركات طريقة الملكى مع هذه العملية التاريخية ليتبوأ موقع الصداره فى الأتمتة الصناعية الشاملة التى أثمرتها الثورة الرقمية على الصعيد المعلوماتى وأيضاً على صعيد الاتصالات .
مفجراً أقصى ما يمكن منن طاقات كامنة فى ذلك الاختراع التاريخى الذى ارتكزت عليه الثورة الصناعية برمتها : المحرك الكهربائى . وبالطبع ما كان يمكن أن نحصل على هذا الانجاز الكبير مجاناً فلقد أصبحت على الفور مشاكل MCU مؤثرة مباشرة فى عمل المحرك بالاضافة الى المؤثرات الأصلية التى كانت تعوق الأداء كالحرارة والرطوبة والأتربة الخ بل يمكن القول أن الاخفاق أو العطل الذى قد يلحق بأنظمة التحكم الالكترونى فى المحركات يهدد بأضرار خطيرة تفوق الأضرار التى كانت تترتب على الأعطال القديمة ولقر أصبحت كيفية حماية المتحكم ( MCU ) تقود الى نظام تحكم أفضل وثوقية لأن المتحكم عادة يقوم بمعظم وظائف نظام التحكم أن لن يقم بها جميعاً مع كل الادراك الواجب لأهمية حماية العناصر الالكترونية الأخرى ان نظام قيادة المحرك قد يتعطل لأسباب متعددة .
انقطاع توصيلات القدره أو توصيلات الحساس ( بسبب من عدم احكام التوصيلات أو نتيجة لارتخاء الأسلاك أو الكابلات)
عكس توصيلات منبع التغذية .
قصر فى الترانزستور بسبب من عزل حرارى سئ أولأى سبب آخر .
خطأ حسابى فى برنامج وحدة التحكم نتيجة لخلل برمجى غير ملحوظ .
تعرض العناصر الفعالة فى النظام لتفريغ أستاتيكى ESD .
تعطل مساند المحرك ( Motor-Bearing ) للسرعة العالية جداً أو للتشحيم السئ .
كبح محور المحرك نتيجة لخطأ ميكانيكى خارجى ( استعمال خاطئ ) .
أو أخطاء أخرى .
ولكن يظل معظم هذه الأعطال الواردة أقل خطراً وارباكاً بالنسبة للمصمم من عطب المتحكم ذاته والبديهى أن وحدات التحكم الالكترونى فى المحرك أكثر تعرضاً من غيرها من أنظمة التحكم الالكترونى فى أية أجهزة أخرى فاذا نظرنا مثلاً فى المقابل الى الأجهزة الحاسوبية المكتبية ( الكمبيوترات ) نجد أنها تستخدم وحدات تغذية ذات تنظيم جيد وتعمل فى بيئة عمل معتدلة وقد تكون معالجة تصميمياً فيما يخص مسائل التشويش الكهرومغناطيسى EMI بينما يتعرض أى متحكم يقود حمل حثى بشكل مباشر أو غير مباشر للجهد العكسى لذلك الحمل الحثى وابسط مثال فان مصباح اشارة مدمج فى نظام تحكم الكترونى فى المحرك سيبدو وكأنه تتصميم أمن ولكن المشكلة البسيطة أن هذا المصباح معرض للمس وبالتالى التسبب فى حث تفريغ كهروستاتيكى كاف بين التوصيلات السلكية الراجعة الى المتحكم وهو ما قد تتعرض له أيضاً بطارية المتحكم. كما يمكن للأخيرة أن تتعرض للتشويش الكهرومغناطيسى المتولد من الأجهزة الكهربائية والالكترونية القريبة ومن عكس أقطاب البطارية وحتى من الحرارة والرطوبة الزائدة .
ومن هنا فان مصممى وحدات التحكم الالكترونى فى المحركات عليهم أن يضعوا فى اعتبارهم عدة مصادر رئيسية لأعطال هذه الوحدات منها .
أولاً : الجهود الحثية العكسية المتولدة من الحقول المغناغطيسية التى تنشأ عند قطع التيار عن الأحمال الحثية بطول يتعلق بحث تيار مقاومة الملف وقيمة التيار الذى كان يمر فيه قبل أن ينقطع .
ثانياً : الجهود العكسية الناشئة عن استخدام الحاكمات Realays عند سرعة تبديل عالية يمر بها المتحكم وهى جهود قد تصل الى رقم تفوق ( 20000V ) عند سرعة تتبديل ( 50ns50ns ) وبخصوص الحاكمات فانه عندما يتم تبديل تيار الملف بواسطة خط خرج المتحكم من نوع مجمع مفتوح أى ترانزستور ثنائى القبطية أو تمن نوع مصرف مفتوح أى ترانزستور ( Mosfet ) فان الجهد العكسى الذى ينشأ على المف يمكن أن يتجاوز بسهولة جهد انهيار الترانزستور ويتسبب بالتالى فى عطل انهيار ثانوى ولكن عندما يدخل الترانزستور الانهيار الثانى سينقص جهد الحجز لديه وستحدث الطاقة الباقية ثقباً حقيقياً داخل شريحة السليكون .
ثالثا: تصميم لوحات الدوائر المطبوعة يتم من خلال عدة برامج تحتوى على أداة اليه تحدد كيفية الوصول الى المسارات ولكن هذه البرامج لا تعمل بشكل جيد الا فى الدوائر ذات التيار والتردد المنخفضين وفى حاله التيار والتردد العاليين فان تشويشا كهرومغناطسيا سينشا ويمكن التغلب عاى ذلك من خلال .
قصر وعرض المسارات ما امكن .
2- ان لا يقل عرض المسار عن ثلث طوله .
خطوة التردد العالى تكون باللقرب من
تقليل ميل جبهات التبديل قدر الامكان
تنحيس خطوة المبدل بعنايه حتى لاتختلط اقطابه مع مسارات التيار الخاصه بمنع التغذيه .
الانتباه لمكان وزمان حدوث التشويش الكهرومغناطيسى .
وضع شبكه او غطاء معدنى حول المتحكم وعناصرة
استقلال وعزل خط التغذيه المتحكم حتى لا يمر تيار ذات تردد عالى .
مكان وقيمه مكثفات خط التغذيه هامه الى حد ما ويجب ان تكون قرب قطبى المتحكم .
رابعا : تشكيل الاخطاء البرمجيه احد مصادر الاعطال من عدة زوايا :
ان نبضه جهد شوكيه خارجية تغير المنطق الداخلى للمتحكم .
الاخطاء غير المكتشفه الموجودة فى البرامج تقود الى عطل ما .
ضغط البرامج لتقليل حجم الذاكرة وهو ما يفضل عادة من اجل زيادة سرعه تنفيذ البرنامج … قد يؤدى الى الاعطال
وجود شيفرة فحص ذاتى داخل البرنامج يؤدى الى تجاهل المتحكم برنامج المستخدم وتنفيذ برنامج الفحص الذاتى الذي يتضمنه ومن المفترض ان يتم فحص المتحكم من قبل الشركة المصنعه للتحقق من كيفية عمل نمط الفحص الذاتى وضمان عدم اثناء حالة العمل الطبيعى من التطبيقات العملية وعلميا يتضح الخبراء بفحص كل من خطوات الدخل هامه للحساس ةحطوات التحكم بمرحلة التشغيل وفى بعض التطببيقات يمكن تخصيص متحكم وظيفة انجاز هذه المهنه فى كافة الاوقات .
تدرج هبوط الجهد المنخفض
يصعب على بعض المتحكمات استعادة نشاطها او عملها بشكل جيد اذا تعرض لانخفاض جهد مصدر التغذيه بشكل متدرج .
ومن هنا فمن الضرورى اجراء عمليه فحض دقيق لتحديد ما اذا كان المتحكم يتعرض لحالة توقف جزئى وذلك من خلال تشغيل المتحكم عند جهدة الطبيعى ثم انقاص جهد ببطء الى قيمته الطبيعية فاذا لم يتم استرداد او متابعة البرنامج فان ذلك يتطلب تصميم دائرة مراقبه للتغذية .
بيئة عمل المتحكم
مع الوقت فان اغلب العناصر الالكترونية الفعاله التى تستخدم فى اى نظام تحكم فى المحركات فتأثر بدرجات الحرارة والصدمات الحراريه والرطوبه وذلك من الضرورى اختبار المتحكم بالنسبه لدرجة الحرارة لتحديد نقاط التعطل او الاخطاء بالنسبة لهذة الدرجات فان كانت درجة حرارة نقاط التعطيل قريبة .من درجات التشغيل الاكثر سوءا فالارجح احتياج المتحكم الى اعادة التصميم فدرجات الحرارة العاليه تزيد من تيارات تسريب عناصر المتحكم من أشباه المواصلات من النوع بينما تقلل درجة الحرارة المنخفضة من ازمة تأجير الانشار الداخلى والتبديل لهذه العناصر .
ولذلك على المصمم مراعاة أن المنتج يعمل تحت اسوا درجات حرارة ويصمم وفقا لها .
( مجال درجات حرارة التشغيل المتوقعة والمقبولة للعديد من الاجهزة من 40-
والان اذا كانت هذه العناصر الستة هى المصادر الرئسية للأعطال فما هى اشكال الحماية الضرورية المتعددة التى تحتاجها انظمة التحكم الالكترونى فى المحركات ؟
أولا : الحمايه ضد نبضات الضجيج الشوكية :
أن تعرض أى خط للتحكم لنبضات شوكيه متولدة خارجيا يمكن ان يسبب عمل خاطى للمتحكم فقد يتوقف عن العمل وقد يدمر نهائيا ويمكن ان تتغير حالة تسجيل اتجاه المعطيات أو ربما يحدث تصفير او تغيير فى قيمة المؤقتات فمن المهم جدا التفكير فى الحمايه من نبضات الضجيج الشوكى واحدى الاختبارات السريعة التى ينصح بها الخبراء التشويش الكهرومغناطيسى هى تشغيل هاتف محمول أو موبايبل مرسل مستقبل عالى القدرة بالقرب من التصميم الاولى لدائرة المتحكم فأذا توقف عن العمل أو ارتبك نشاطة فيجب الاخذ فى الاعتبار فحص كما أن تشعيل التصميم الاولى للمتحكم
بالقرب من نظام الاشعال المؤقت لسيارة ما يمكن أن يؤدى اللغرض وكشف حدود يتم اللجوء الى مولدات اختبار خاصة بالتفريغ الكهروستاتيكى من أجل تطبيق تفريغ على الاسلاك الخارجيه والمفاتيح ولوحة التحكم الخ للتحقيق من وجود نبضات ضجيج شوكى .
ثانيا : الحماية ضد نبضات الجهد الزائد الشوكية
أشباه الموصلات تعمل بصورة فعاله وقوية ضمن بارامتراتها القياسيه ولكن البيئه التى تعمل فيها دوائر التحكم بالمحركات الكبيرة جدا يمكن تسبب مستويات عالية الجهد الكهربائى تحدث اعطالا فاجعة أثناء مرحلة التشعيل ما لن تتخذ الاجراءات اللازمة كما أنه اذا انقطع ديور المسار الحر فان ترانزستور سيتعرض لنبضة جهد شوكية كبيرة جدا
ويكون البحث عن نبضات الجهد الشوكيه دائما من خلال راسم ذى مفتاح قاعدة زمنيه يمكنه اظهار من 10 حتى 50 وبشكل موثوق .
بينما يمكن لرواسم الاشارة الرقميه مسك اشارات الحوادث الوحيدة والسريعة .
ثالثا : حماية خطوط الدخل
يمكن لنبضات الجهد الشوكية ( غير الحثيه ) أن تتنقل بواسطة اللسعات الطفيلية الى خطوط متحكم نظام التحكم بالمحرك كالتالى
من لوحات الدائرة المطبوعة
- أو عند العزل غير الكافى بين خطوط المتحكم
- أو وضع المتحكم قريب جدا من منطقة او حقل ذى جهد عالى
أن نقطة البدء فى الحمايه الضرورية ضد هذه النبضات ضد يجب ان تفترض ان جميع خطوط التحكم معرضه لها بطول موجى كبير مماثل لطول كبير مستويات الجهد الاسواء التى تنشأ فى النظام او التطبيق الحاول على المتحكم .
الشكل 1 يوضح طريقة حماية خطوط المتحكم والتى من ابسطها اضافة ديودات زينر لتثبيت الجهد ومقاومات تسلسلية لتحديد التيار أما المكثفات فتستخدم ايضا لتشكيل مرشح كى يقلل من مرور الجهود ذات التردد الراديوى ويمكن ان يسبب التقارن المغناطيسى مشكلة اذا كانت خطوط المتحكم نقفسة قريب من منبع ذي مجال مغناطيسى كثيف كما فى محولات اللقدرة العاليه أو نواقل التيار العالى ويمكن فى هذه الحاله الستخدام العلب المعدنيه لتقليل هذا التقارن .
رابعا : حمايه خطوط المعطيات التسلسليه احيانا تحتاج خطوات المعطيات التسلسلية التى تعمل فى بيئة ذات تشويش كهربائي الى دائرة متكاملة قائدة ذات زوج من الاسلاك المجدولة والى مستقل كما يوضح الشكل 2 حيث يصمم المستقبل ذو كى يمنع تاثير التشويش المشترك العالى ويعمل بمانعة منخفضة وهذا التصميم مناسب للعديد من التطبيقات التى تعمل فى بيئه ذات تشويش كهربى مشترك كما حاله حساس الوضعية الزاوية وحساس السرعه لمحرك ما ويلاحظ انه تتم برمجة بعض المتحكمات كى تستجيب للمقاطعات الخارجيه تسبب مقاطعة ما .
خامسا : الحماية ضد الاخطاء البرنامجية وذلك بتثبيت اى منفذ خرج غير مستخدم على حالته عندما يحدث الخطأ أو الحادثه الخارجيه مثلا بفرض أن اشاره خارجيه ذات طبيعه نبضيه استخدمت لقيادة عداد داخلى للمتحكم تؤثر قيمته على انجاز بعض الحاسبات عندها يكون هاما معرفة ان نبضه الداخل العداد مرة واحدة فقط
لانه قد تسبب نببضة دخل تشويشيه زيادة المؤقت بشكل خاطى .
فاذا تم توليد نبضة خرج مع كل زيادة بقوم بها المتحكم عندئذ يمكن استخدام راسم أشارة خارجى للتحقق من العمل .
وفى خلا بعض الاحيان قد يتم تشغيل المؤقت من خلال وجود روتين برمجى خاطى ومدخل غير مناسب للنبضات .
ويمكن للمتحكم أن يساعد ايضا فى تحديد مناطق الاعطال أذا لن تتوافر الادوات من أجل المتحكم والتى تعمل بزمن حقيقى .
سادسا : الحمايه الخاصة بخطوط الخرج العام
يتعطل احيانا عنصر التشغيل الذى يتحكم بالمحرك بسبب الحمايه غير الكافيه له من حالات أو بسبب الاعطال الاخرى للحمل .
وأذا كان تصميم هذا العنصر لا يحد من جهد للمحرك أولا يحمل من نبضات الجهد قد يدمر نفسه ويسبب أنتشار مستويات عاليه من الطاقة عبر المتحكم الذى يعتبر احد أكثر العناصر كلفة واحد أكثر العناصر صعوبة فى التبديل .
وتوجد عدة طرق للمحايه من حالات --- احدها يستلزم اختيار هنصر تبديل شبه موصل ذى معدل كاف لانهيار الجهد وبالتالى فأن العنصر لن يدخل ابدأ فى حالة الانهيار الثانوى .
وأذا حدث تعطل ترانزستور --- الاستطاعى يسبب قصر المصرف مع البوابه فأن خط خرج المتحم سيتعرض لكامل جهد مصرف ترانزستور --- والذى يمكن أن يكون عدة مئات من الفولتات .
ويوضح الشكل 3 طريقة لحماية خط خرج المتحكم من حالات الجهود العابرة الساليه والموجبه الزائدة
وتتوفر عدة دوائر متكامله لترانزستور ---- وذلك من أجل ملائمه خط خرج المتحكم لقيادة ترانزستورات --- أو أى عناصر متشابهه كما توجد عدة دوائر متكامله مخصصه لقيادة المصابيح والحاكمات والمقومات الضوئيه ولوحات الاظهار والتى يمكن ملائمتها بسهولة مع المتحكم
سابعا : الحمايه من التشويش الكهرومعغناطيسى يوشح الشكل 4 دائرة تبديل يقود فيها متحكم مرحلة تشغيل بسيطة حيث يظهر التشويش الكهرومغناطيسى الناتج عن هذه العمليه ولقد تم اختيار ترانزستور يحقق عدة متطلبات اسايه منها : قيمه جهدة القصوى أعلن من جهد التغذية , وقيمة تيارة اعلى من مستوى تيار العمل للملف وجهدة تشغيله منخفض لتقليل فقد القدرة ( للعمل بدون مبرد ) والقدرة على قيادتة بمنطقة الخاص بالمتحكم الحثى
ويتم الحصول على الجهد العكسى للمحاكمة - حسب معدل انهاير قدرة عنصر ---
لخرج المتحكم والذى يتحكم بترانزستور والجهد العكسى الذى يسبب انهيار ترانزستور تولدان ايضا قيما لا يمكن تجاهلهما من التشويش الكهرومغنماطيسى .
ويمكن حماية ترانزستور من الانهيار باضافة مقوم على التوازى مع ملف الحاكمه ولكن نقليل التشويش الكهرومغناطيسى يتم خلال ابطاء سرعه تبديل اشاره خرج المتحكم - لان ازمنه التبديل للاخير ليست كبيرة حتى تصل الى مجال الترددات الراديويه .
ولابطاء اشاره قيادة المتحكم تضاف مقاومات تسلسلية ومكثفه بين البوابه والمتبع وهذا مماثل لدائرة مرشح المجهز لخطوط داخل المتحكم .
وتحتاج المتابعه الدقيقه للحمايه من التشويش الكهرومغناطيسى الى مقال مستقل سنعمل على توفيره فى العدد القادم .
ثامنا : حمايه خطوط المبدل التناظرى الرقمى
تقليل اخطاء للتحكم عملع هامه وخصوصا فى التطبيقات التى يكون فيها مداخل مبدل مراقبه باستمرار من أجل أدنى التغيرات .
وترجع معظم أخطاء - الى عدة اسباب مثل :
التصميم السى للدائرة المطبوعة حيث المسأله الاهم فى تصميم اللوحة المطبوعة هى تجنب عمليه مزج اراضى لمبدل .
A/D وجهد التغذية VCC للمبدل مع المسارات التى تنقل تيارات نبضية عاليه . ويوضح الشكل 5 كل من التصميم الجيد والسئ للوحة المطبوعة بالنسبة لاشارات المتحكم الخاصة بالمبدل .
عدم كفاية مكثفات الترشيح
فنسيان ان كل الخطوط والمسارات والأسلاك وأقطاب العنصر الداخلية تكون دائماً أثر تحريضى يولد ضجيجاً للجهد VCC وضجيج للأرضى اذا لم تستخدم مكثفات ترشيح ذات نوع محدد وقيم كافية .
الوضع الخطئ لمكثفات الترشيح فمكثفات التمرير للترددات العالية المطلوبة يجب أن توضع أقرب ما يكون من مصدر التشويش ذو التردد العالى .
High Frequency jNoise
ويعنى ذلك وضع مكثفات بالقرب من أقطاب تغذية للتحكم VSS و VCC بالاضافة الى وضعها بالرب من أقطاب دخل وخرج منئم الجهد .
الممانعه الزائده لمنبع مبدل AC حيث تؤدى عملية التبديل الى تسريب تيار طفيف وهذا يعنى أنه للمحافظة على دقة خانة واحدة لأى قناة من مبدل AC يجب أن تكون مقاومة الدخل الكلية فى حدود معينة .. لذا يلزم دائماً مراجعة نشرة المعطيات الخاصة بالمتحكم .
تاسعاً : حماية خطوط المتحكم بالعزل MCU فوصل خطوط دخل أو خرج متحكم الى مرحلة تشغيل عالية الجهد يتطلب استخدام عناصر عزل ممتازة كالعوازل الضوئية التى تعطى درجة عالية للعزل من أمواج الجهد العالية التى يمكن أن تتواجد فى دوائر قيادة المحركات الكبيرة أو معدات ربط خطوط القدره .
ويجب أن تراعى كمية السعة الداخلية بين دخل وخرج العازل الضوئى بحيث لا تكون تكبيرة بما يسمح بمرور طاقة كافية عبر العازل الضوئى الى خط ما من خطوط المتكم لتسبب له بعض المشاكل .
واذا كان من الممكن جعل المتحكم فى حالة عائمة عند وجود ممر للجهد العالى من أجل خفض التكاليف الا أن أشكال عزل مداخل تشغيل المستخدم تظل ضورية حتى لا يشكل وصل مجسات فحص توصيلات المتحكم أى مصدر خطر مميت لعمال الصيانة .
عاشراً : الحماية ضد عكس قطبية منبع التغذية .
حيث يجب عدم العبث فى أى تمن توصيلات التغذية وكذلك فيما يتعلق بمفتاح التغذية نظراً لأن استقرار عمل المتحكم متوقف على جهد منبع التغذية .
أما عكس أقطاب التغذية VCC و VSS لأى متحكم فانه يكون عادة شديد الخطورة على شريحة المتحكم السليكونية ويظهر الشكل 6 بعض الطرق البسيطة تللحماية من جهود التغذية المعكوسة وتذبذب التغذية بحيث يكون جهده القصوى أقل من جهد التشغيل القصوى للمتحكم تعتبر طريقة حماية تجيدة من قصر المنظم أو أى حادث مفاجئ يؤدى الى جعل جهد تغذية المتحكم مرتفع .
وهناك مبدأ جيد يجب اتباعه عند وصل أو تتصميم منبع تغذية المتحكم وهو يعتمد على تثبيت مستوى تيار الخرج القصوى للمنبع باستخدام منصهرات ( فيوزات ) صغيرة وفى بعض الحالات يمكن استخدام منصهرين بحجمين مختلفين احداهما كبير من أجل دوائر التحكم الرقمى .
كما أن اضافة مقاومة تسلسلية على دخل منظم منبع التغذية سيحد أيضاً من مستويات تيار القمة القصوى .
حادي عشر : الحماية ضد ارتفاعات درجة الحرارة .
قد تخضع دوائر التحكم بالمحركات أحياناً لاجهدات حرارية تتجاوز +85Oc فاحدى مشاكل هذه الدوائر خصوصاً مع المحركات الكبيرة ان حجمها الفيزيائى سيحتفظ بالحرارة لعدة دقائق الأمر الذى سيسبب بعض الأضرار .
ان توقف المحرك بسبب الحمولة الزائدة يرفع من درجة حرارة المحرك مع كل اقلاع جديد ولا تقتصر الأضرار بالطبع على التبريد الحرارى فى ( مودول التشغيل ) بل ان الترانزستورات أو مقومات المسار الحر FWP فى هذه المودولات التشغيلية سوف تتعطل خلال عدة ثوانى اذا كان التحكم بالحرارة معطوباً ولذلك يستخدم للحماية حساس لمراقبة درجة حرارة صفيحة القاعدة والتى تتبع درجة حرارة متصل شريحة ترانزستورات IGBT ويمكن لاشارة خرج ذات خطوتين تقديم تحذير مبكر حول مشاكل تبديد الحرارة وشيك الحدوث ويمكن استخدام اشارة خرج ثالثة تسمح لدائرة التحكم بمعايرة حساس الحرارة ومراقبة تغيرات الحرارة مع الزمن وهكذا يمكن التنبؤ بالفترة الزمنية التى يستطيع فيها المودول ان يستمر بالعمل حتى تظهر درجة حرارة المتصل الخطرة .
|
|
الأبواب الثابتة
|
