انواع کنترل کننده‌های صنعتی و درایوهای موتور

کنترل‌کننده‌ها و درایوهای موتور، ادوات الکتریکی یا الکترونیکی هستند که سرعت، گشتاور، و شرایط خروجی‌های موتور را تنظیم می‌کنند. درایو، توان ورودی به موتور را برای دستیابی به خروجی مطلوب، اصلاح می‌کند و در صورت لزوم تغییر می‌دهد. معمولا مدارهای کنترل‌کننده با مدارهای درایو مانند یک واحد مستقل با یکدیگر ادغام شده‌اند. بنابراین کنترل‌کننده و درایو موتور مرتبا به جای یکدیگر استفاده می‌شوند. 4 نوع اصلی کنترل‌کننده درایو موتور وجود دارد:

AC و DCو  servo و stepper

هر کدام از این 4 نوع، نوعی توان ورودی قابل تنظیم برای دستیابی به خروجی مطلوب دارند تا بتوان از آن مطابق با کاربردشان استفاده کرد.

انواع کنترل‌کننده و درایو موتور

AC

درایوها و کنترل‌کننده‌های موتور نوع AC، ادوات الکترونیکی هستند که با تنظیم فرکانس، توان ورودی به موتور را اصلاح می‌کنند و این کار را برای تنظیم سرعت و گشتاور خروجی موتور انجام می‌دهند.

مشخصات اصلی این ادوات شامل موارد زیر است:

نوع موتور، نوع اینورتر، کاربرد مورد نظر، طبقه‌بندی ولتاژ، سیستم حلقه، توان نامی، رابط ارتباطی و مشخصات الکتریکی ورودی و خروجی

• کنترل‌کننده‌ها و درایوهای موتور AC در درجه‌ی اول، در فرآیند برنامه‌ها برای کنترل سرعت پمپ، فن‌ها، دمنده‌ها و… استفاده می‌شوند.

درایوهای AC با عنوان درایوهای تغییر سرعت، درایوهای تنظیم فرکانس و یا اینورترهای AC شناخته می‌شوند. کنترل کننده، معمولا با مدارهای درایو ادغام می‌شود تا سیگنال‌های کنترلی به درایو را پشتیبانی کند.

DC

کنترل‌کننده‌ها و درایوهای موتور DC، تجهیزات الکتریکی هستند که توان ورودی را با تنظیم منبع جریان ثابت به خروجی مستقیم، یا تنظیم منبع جریان متناوب به خروجی پالس، مدت زمان پالس‌های متفاوت یا فرکانس را اصلاح می‌کنند.

مشخصات اصلی این ادوات شامل موارد زیر است:

 کاربرد مورد نظر، مود عملیاتی درایو، نوع موتور، سیستم حلقه، طبقه‌بندی ولتاژ، توان نامی، نوع سیگنال خروجی، رابط ارتباطی و مشخصات الکتریکی ورودی و خروجی

کنترل‌کننده‌ها و درایوهای موتور DC در درجه اول برای کنترل سرعت موتور و گشتاور و همچنین برای ادواتی مانند پمپ‌ها و… استفاده می‌شوند. کنترل‌کننده معمولا با مدارهای درایو ادغام می‌شود تا سیگنال‌های کنترلی به درایو را پشتیبانی کند.

Servo موتور

درایوها و کنترل‌کننده‌های Servo موتور تجهیزات الکترونیکی هستند که توان ورودی را با تنظیم منبع جریان ثابت به خروجی مستقیم، یا تنظیم منبع جریان متناوب به خروجی پالس، مدت زمان پالس‌های متفاوت یا فرکانس را اصلاح می‌کنند.

• مشخصات اصلی Servo موتورها به شرح زیر است:
•  کاربرد مورد نظر، نوع موتور، مود عملیاتی درایو، سیستم حلقه (باز یا بسته)، توان نامی، نوع سیگنال خروجی، رابط ارتباطی و مشخصات الکتریکی
• کنترل‌کننده‌ها و درایوهای Servoموتور در درجه اول در کنترل حرکت کاربرد دارند که در تجهیزات دیگر برای کنترل سرعت موتور گشتاور و موقعیت و شاید درایوهای AC و DC استفاده می‌شوند.
• Servo موتورها کابردهای بسیاری از جمله  ادوات ماشینی، موقعیت‌یابی میکرو، رباتیک و…  دارند وهمچنین در انواع ادوات ماشینی مانند سیستم‌های درایو conveyors  (تسمه ای) یا spindle (میله‌گردان) استفاده می‌شوند.
• کنترل‌کننده معمولا با مدارهای درایو ادغام می‌شود تا سیگنال‌های کنترلی به درایو را پشتیبانی کند. Servo درایوها به عنوان آمپلی فایر‌های موتور Servoنیز شناخته می‌شوند.

Stepper 

• درایوها و کنترل‌کننده‌های Stepper  ادوات الکترونیکی هستند که توان ورودی را با تنظیم جریان ثابت یا متناوب به یک خروجی جریان پالس یا «stepped» اصلاح می‌کنند.
• مشخصات کلیدی استپرها به شرح زیر است:
• کاربرد مورد نظر، نوع موتور، مود عملیاتی درایو، نوع حلقه بسته سیستم، توان نامی، نوع سیگنال خروجی‌، رابط ارتباطی و مشخصات الکتریکی
•  کنترل‌کننده‌ها و درایو موتور stepper در درجه‌ی اول در کنترل حرکتی کاربرد دارند و در میان قطعات دیگر استفاده می‌شوند همچنین در کنترل سرعت، گشتاور و موقعیت موتور از آن‌ها استفاده می‌شود.
• Stepperها کاربردهای بسیاری از جمله ادوات ماشینی، موقعیت‌یابی میکرو و رباتیک دارند و در بین انواع بسیاری از ادوات ماشینی مانند تجهیزات OEM و یا conveyors استفاده می‌شوند. کنترل کننده، معمولا با مدارهای درایو برای پشتیبانی از سیگنال‌های کنترلی به درایو‌، ادغام می‌شود.

• درایوهای استپر همچنین به عنوان درایوهای پالس و آمپلی فایرهای step  و موتورهای indexer شناخته می‌شوند.
• درایوها و کنترل کننده‌های موتور- کاربردها و صنایع
• برخلاف servo  موتورها و Stepper ها، بیشتر موتورهایAC , وDC به جز ساده‌ترین استارت‌های موتور و ابزار‌های حفاظتی مشابه به درایوها یا کنترل‌کننده‌ها نیازی ندارند.
• درایوهای موتور AC هنگامی که کنترل سرعت به طور مطلوب، مد‌نظر باشد استفاده می‌شوند زیرا کنترل سرعت در موتور القایی AC معمولا انجام نمی‌شود. موتور، سرعت عملیاتی خاصی«با تعداد پل‌ها» دارد که روی پلاک موتور ذکر شده است.
•  درموتورهای DC ، فقط با تغییر ولتاژ داده شده به روتور موتور و میدان، سرعت قابل کنترل است که این کار را می‌توان با رئوستا انجام داد و بنابراین به کنترل کننده یا درایو نیازی نیست.
• موتورهای DC جدید براش‌لس«brushless »، به طور خودکار هدایت و تغییر جریان را انجام نمی‌دهند و از این رو به درایوها و کنترل‌کننده‌هایی نیاز دارند تا میدان مغناطیسی را به صورت الکتریکی تغییر دهد.
• servo  موتورها و Stepper‌ها، به علت این که ادوات موقعیت‌یابی در مقایسه با دستگاه‌های حرکتی چرخشی نیستند‌، برای این که کار کنند به کنترل‌کننده‌ها و درایوها نیاز دارند.
• درایو‌های موتورهای AC برای کنترل سرعت موتورهایی استفاده می‌شوند که فن‌ها ، پمپ‌ها و.. را به حرکت در می‌آورند و یا برای سوپاپ‌های مرسوم، یا دمپرها استفاده می‌شوند در غیر این صورت برای دریچه کنترل جریان نیز کاربرد دارند.
• درایوهای موتور برای افزایش کارایی استفاده می‌شوند تا پمپ، فن و…  را تنظیم کنند تا دقیقا با سرعتی کار کنند که مورد نیاز است.
• درایوهای موتور DC برای کنترل موتورهای DC استفاده می‌شود که با آهنربای دائمی که با منابع AC کار می‌کنند. موتورهای DC، سرعت گشتاور پایین بسیار خوبی دارند که آن‌ها را به طور خاص مناسب استفاده در وینچ‌ها و یا جرثقیل‌ها می‌کند. در این حالت، بارها بدون اجرای استارت بالا کشیده می‌شوند. قبل از پیدایش موتورهای DC، کنترل‌کننده‌های DC الکترونیکی‌، اغلب مجموعه‌ای از موتور- ژنراتور‌ها را به هم متصل می‌کردیم تا بتوانیم جریان مستقیم را با موتورهای القایی تولید کنیم.
•  کنترل‌کننده‌ها و درایوهای موتور به فیدبک وابسته هستند و از servo  موتورها برای کنترل موقعیت، سرعت، شتاب و… استفاده می‌شود. سازندگان servo  موتور معمولا از درایوهایی پشتیبانی می‌کنند که با موتورها کار می‌کنند در حالی که stepper‌ها به حلقه فیدبک نیاز ندارند و گاهی مستقل استفاده می‌شوند.
• سازندگان استپرموتور همچنین معمولا از درایوها پشتیبانی می‌کنند که برای موتورهای خاص  هستند. بیشتر سازندگان servo  موتور و استپر موتورها، چارتی برای راهنمایی کاربران از طرز کار موتورها با درایوها ارائه می‌کنند.
• ملاحظات
•  انتخاب کنترل کننده‌ها و درایوها با دانستن نوع موتور شروع می‌شود و بعد از آن زیر مجموعه‌های مربوطه با اطلاعات پایه‌، هم‌تراز می‌شوند. تصمیم‌گیری برای استفاده از درایوهای AC موتورهای القایی، اغلب به تصمیمات اقتصادی و همچنین مشخصات عملکرد در نصب‎‌های خاص وابسته است.
• همچنین این‌که چه‌طور و چه تعداد از پمپ‌ها یا فن‌ها در مقابل سوپاپ‌های کنترل جریان یا مجراهای هوا‌کش و.. اجرا می‌شوند، نیز مهم است.
• حد اقل یک تولید کننده یک حساب‌گر ارائه می‌دهد تا به تشخیص انرژی ذخیره شده درایوهای AC کمک کند که براساس سناریوی عملیاتی خاص کار می‌کنند. موتورهای طراحی شده برای استفاده با درایوهای سرعت متغیر‌، معمولا برای کار با اینورتر، ارزیابی شده‌اند.
•  ملاحظات دیگر برای درایوهای AC، کاربرعمده آن با گشتاور ثابت و گشتاور متغیر است. برای فن‌های گریز از مرکز، گشتاور متغیر با سرعت موتور نیاز است. و برای conveyor ‌ها گشتاور ثابت بدون توجه به سرعت موتور، نیاز است. درایوهای AC معمولا برای سرعت متغیر یا ثابت طراحی شده‌اند. موتورهای DC براش، جریان AC را خنثی می‌کنند که معمولا با تریستورهای مبتنی بر یک‌سوکننده‌های پل هدایت می‌شوند.همچنین جریان AC موتور را به یک جهت می‌رساند و منبع تغذیه DC را تکرار می‌کند.
• فروشندگانی مانند Baldor  کنترل DC یک‌طرفه و کاربردهای بازسازی برای موتورهای DC تا 5 اسب بخار، فراهم می‌کنند و از طریق شرکت مادر خود (ABB) درایوهای DC تا 3000 اسب بخار را ارائه می‌دهند. درایوهای یک‌طرفه معمولا به یک ترمز برای توقف موتور نیاز دارند در حالی که درایوهای بازسازی کننده می‌توانند در هر دو جهت اجرا شوند و بنابراین نیروی توقف را با حرکت معکوس ایجاد می‌کنند. موتورهای DC براش روی سیستم‌های DC مانند جک‌های پله برقی کار‌برد دارند و همچنین از آن‌ها برای تغییر سرعت و جهت استفاده می‌شود. موتورهای براش‌لس DC یا آهن‌ربای دائم، به کنترل کنندهایی نیاز دارند که به صورت الکترونیکی میدان مغناطیسی آن‌ها را هدایت کند و در صورت لزوم تغییر دهد.
• servo  موتورها را می‌توانند از نوع AC یا DC باشند که نوع DC با براش یا براش‌لس در دسترس است. در همه‌ی موارد، آن‌ها نیاز به کنترل دارند زیرا آن‌ها تجهیزات فیدبک‌دار هستند. موتورهای خطی معمولا بر اساس servo  هستند و به کنترل نیاز دارند. موتورهای stepper معمولا به فید بک نیاز ندارند اما باید «homed» شوند تا در هنگام افزایش توان موتور ، موتور بداند در کجا قرار گرفته‌اند. بعد از آن، پله‌ها را برای حفظ موقعیت می‌شمارد، بعضی از استپرها، درایوهای خورد را مستقیما روی قاب موتور سوار می‌کنند.
• ویژگی‌های مهم
• دستگاه نیمه هادی
• معمولا IGBT و SCRبرای تجهیزات ولتاژ متوسط یا ولتاژ بالا استفاده می‌شوند در حالی که MOSFET ‌ها در توان پایین کاربرد دارند.
• فاز ورودی موتور
• موتور معمولا تک فاز یا سه فار است و فاز‌ها جریان متناوب را تامین می‌کنند موتورهای استپر یک استثنا در این زمینه هستند زیرا فاز ورودی به موتورهای استپر، دو فازه یا 5 فازه است. موتورهای Oriental  توضیح خوبی در رابطه با این تفاوت فاز‌ها دارند که در زیر ذکر شده است.
• محفظه
• محفظه‌های الکتریکی، مطابق یا معیارهای NEMA یا IEC برای حفاظت در برابر عوامل نفوذ‌پذیر و محیط مشخص شده‌اند.
• مود عملیاتی درایو
•  مطابق بحث بالا، درایوهای AC، معمولا به دو صورت گشتاور ثابت یا گشتاور متغیر طراحی شده‌اند که بسته به نوع کاربرد‌، از هر کدام استفاده می‌شود.