[F.Abdelaziz]

المنفذات Actuators والقدرة الكهربية Power
المنفذات Actuators هى أجهزة كهربائية أو الكترونية والتى تقوم بإحداث تغير فى الكميات الطبيعية . هذه الكميات يمكن أن تكون درجة الحرارة temperature أو السرعة speed أو الضغط pressure أو الإضاءة light أو الرطوبة humidity أو الموضع الزاوى angularأو الخطى linear وغيرها . يمكن تشغيل المنفذات بواسطة التيار المتردد AC أو التيار المستمر DC . منفذات التيار المستمر تتضمن محركات التيار المستمر DC motors ومحركات السرفو servo motors والمصابيح المتوهجة والسلونويدات solenoids والريلايات relays وغيرها . منفذات التيار المتردد تتضمن محركات التيار المتردد AC motors والمصابيح المتوهجة والسخانات الكهربائية وغيرها .
القدرة هى كمية القدرة الكهربائية المطلوبة لمهمة معينة . وتعرف القدرة الكهربية كما يلى :



حيث Pe هى القدرة الكهربائية بالوات watts و V هو فرق الجهد عبر مقاومة الحمل الكهربائى R ، ومن ثم يمكن حساب التيار I . فى حالة استخدام الميكروكونترولر فى التحكم فى القدرة فغالبا ما يحتاج المنفذ لجهد وتيار أكبر من الذى توفره أطراف الميكروكونترولر . جهد خرج الميكروكونترولر هو 5 volts دائما والتيار يمكن أن يكون فى حدود قليل من الملى أمبير .

منفذات التيار المستمر DC Actuators :
منفذات التيار المستمر تتطلب تيار يمر دائما فى نفس الاتجاه . استخدام هذه المنفذات يستلزم نوعين من الأجهزة ، ترانزستورات القدرة power transistors أو الريلايات relays . الترانزستورات يمكن أن تكون "ترانزستورات ثنائية القطبية" BJT أو ترانزستورات موسفيت MOSFET . يتميز ترانزستورBJT بالتحكم فى التيار من خلال تيار آخر . فى ترانزستورات الموسفيت MOSFET يتم التحكم فى مرور التيار من خلال التحكم فى فرق الجهد . يعمل الترانزستور فى ثلاثة مناطق تعرف بمنطقة القطع cutoff ومنطقة التشبع saturation والمنطقة الفعالة active . المنطقة الفعالة هى الشائعة الاستخدام فى أنظمة تكبير الإشارات amplification . لكن فى حالة المنفذات يكون المطلوب فى معظم الحالات أن تكون إما فى حالة تفعيل activated أو فى حالة عدم تفعيل deactivated ، بمعنى أن يكون لها سلوك التحويل ON, OFF . وبعبارة أخرى تستخدم الترانزستورات فى الوصل والفصل . تحت هذه الشروط تعمل الترانزستورات كمفاتيح للتيار فى منطقة القطع وفى منطقة التشبع . الشكل التالى يبين رمز الترانزستور فى برنامج إيزيس :



فى الترانزستور MOSFET يتم التحكم فى مرور التيار بين المنبعsource S والمصب drain D عن طريق فرق الجهد الكهربائى للبوابة gate G .
فى الترانزستور BJT يتم التحكم فى مرور التيار بين المجمع collector C والمشع emitter E عن طريق التيار المار خلال القاعدة base B .
استخدام الأحمال الحثية inductive loads مثل المحركات والريلايات والسلونويدات له خاصية تخزين الطاقة فى شكل مجال كهرومغناطيسى ، وهذا يعنى أنه عند فصل الأحمال الحثية ، فإن طاقتها المخزنة يتم إعادتها عن طريق تيار عكسى ، هذه الظاهرة يمكن تسبب تلف ترانزستورات أنظمة التحكم ، لتجنب هذه المشكلة يتم استخدام ثنائى منحاز عكسيا لتفريغ الأحمال الحثية ، هذا الترتيب مبين فى الشكل التالى :



الريلايات Relays
الريلايات الكهروميكانيكية هى أجهزة بها مغناطيس كهربائى electromagnet والذى عن طريقه يتم غلق أو فتح الدائرة الكهربية عن طريق تلامس أو أكثر . الريلايات نموذجية لعزل دوائر القدرة عن مرحلة التحكم الالكترونى . فى نفس الوقت ، هى أجهزة ذات أداء منخفض ، حيث لا يمكنها إجراء تغيرات سريعة فى حالتها ومع استمرار الاستخدام تتآكل التلامسات الكهربائية مع الزمن . الشكل التالى يبين المظهر الخارجى ورمز برنامج إيزيس لهذه الأجهزة :



أخيرا يجب أن يتم استخدام هذه الأجهزة فى شكلها النهائى كما هو مبين بالدائرة الكهربية التالية والتى بها حمل يعمل على الجهد 120V AC :

[F.Abdelaziz]

محركات التيار المستمر DC Motors :
محركات التيار المستمر ذات طبيعة حثية وبالتالى تستحق أن تعامل بنفس طريقة الريلاى .
فى المثال التالى يمكن للميكروكونترولر أن يتحكم فى تغيير سرعة محرك التيار المستمر ، لهذا الغرض يتم التنفيذ بوحدة (موديول) PWM والميكروكونترولر 16F628A بمذبذب 4MHz . كود البرنامج كما يلى :

void main( void )
{
	unsigned short CD=0;
	OPTION_REG = 0;     	//Activate the pull-up resistors.
	PWM1_Init( 500 );   	//PWM module starts at 500 Hz
	PWM1_Set_Duty(CD);
	PWM1_Start();
	while(1)          	//Infinite Loop.
	{
		//loop to increment PWM  when Bttton RB1 pressed.
		while( Button( &PORTB, 1, 10, 0 ) )
		{
			CD++; if( CD==0 )CD=255;
			PWM1_Set_Duty(CD);
			delay_ms(10);
		}
		//loop decrement PWM  when Bttton  RB0 pressed
		while( Button( &PORTB, 0, 10, 0 ) )
		{
			CD--; if( CD==255 )CD=0;
			PWM1_Set_Duty(CD);
			delay_ms(10);
		}
	}
}

لمحاكاة هذا البرنامج ببرنامج إيزيس يلزم جلب الأجهزة الآتية :
16F628A, BUTTON, RES, 2N3904, 1N4001, MOTOR ACTIVE لبناء الدائرة الكهربية التالية :




تبعا لشدة التيار المطلوب يمكن تغيير الترانزستور لتحسين أداء النظام . الترانزستور 2N3904 يمكنه التحكم فى تيار حتى 200m Amps والترانزستور TIP31 يمكنه التحكم فى تيار حتى 3 amps تبعا لنظام العمل ومنحنى الخواص .

[F.Abdelaziz]

القنطرة(الجسر) إتش H Bridge
القنطرة H هى ترتيب (تنظيم) من الترانزستورات والذى يسمح بعكس قطبية الحمل الكهربائى عند توفير مصدر جهد مفرد (أحادى القطبية) single source . يمكن بناء القنطرة H باستخدام ترانزستورات منفصلة discrete أو باستخدام موديولات متكاملة والمتاحة تجاريا . هذا الترتيب يتضمن إشارتين تحكم للتمكين من اختيار القطبية الموجبة والقطبية السالبة . الشكل التالى يبين الدائرة الكهربائية للترتيب المنفصل :




لتفعيل القطبية الموجبة يتم تفعيل خط التحكم الأول control 1 ، بينما يتم فصل خط التحكم الثانى control 2 ، ولتفعيل القطبية السالبة يتم عكس حالة أطراف التحكم . مع الوضع فى الاعتبار أن خطى التحكم لن يتم أبد التحكم فيهما فى نفس الوقت ، حيث أن هذا الفعل ينتج عنه دائرة قصر short بين الجهد الموجب Vcc والأرضى ، مما يتسبب فى أضرار جسيمة بالترانزستورات .
المثال التالى يبين التحكم فى دوران محرك تيار مستمر DC motor عن طريق الميكروكونترولر 16F628A

void main( void )
{
     OPTION_REG = 0; //Activate the pull-up resistors.
     TRISB = 0x0F; //Configuring port B  as output and input .
     PORTB = 0;
     
     while(1) //Infinite Loop.
     {
              //Loop for detecting the rotation to the left button .
              while( Button( &PORTB, 0, 10, 0 ) )
              {
                     PORTB = 0; 	//Turn off the control pins.
                     PORTB.F7 = 1; 	//Activates the control pin 1.
              }
              
              //Loop for detecting the stop button.
              while( Button( &PORTB, 1, 10, 0 ) )
              {
                     PORTB = 0; 	//Turn off the control pins.
              }
              
              //Loop for detecting the rotation  to the right button.
              while( Button( &PORTB, 2, 10, 0 ) )
              {
                     PORTB = 0; 	//Turn off the control pins.
                     PORTB.F6 = 1; 	//Activates the control pin 2.
              }
     }
}

يتم تنفيذ المحاكاة ببرنامج إيزيس بعد بناء الدائرة الكهربية المبينة بالشكل الآتى :

[F.Abdelaziz]

تشغيل محرك التيار المستمر باستخدام القنطرة H Bridge :
القنطرة H Bridge هى دائرة الكترونية بسيطة والتى تمكننا من تطبيق الجهد إلى الحمل فى أى من الاتجاهين ، وهى شائعة الاستخدام فى تطبيقات الربوتات للتحكم فى محركات التيار المستمر . باستخدام هذه القنطرة يمكننا تشغيل محرك التيار المستمر للدوران مع عقارب الساعة أو الدوران عكس عقارب الساعة . كما تستخدم هذه الدائرة أيضا فى إنتاج الأشكال الموجية المترددة فى العواكس (الإنفرترات) inverters .

مبدأ عمل دائرة القنطرة H Bridge :
الشكل التالى يمثل دائرة القنطرة H Bridge :



• عندما يتم توصيل ON المفتاح S1 والمفتاح S4 ، فإن المحرك سوف يدور فى اتجاه عقارب الساعة .
• عندما يتم توصيل ON المفتاح S2 والمفتاح S3 ، فإن المحرك سوف يدور عكس عقارب الساعة .
فى الواقع العملى يتم استبدال هذه المفاتيح بترانزستورات ، والآن تتوفر هذه القنطرة فى شكل دوائر متكاملة ، مثل الدائرة المتكاملة L293 .

دائرة H Bridge المكونة من ترانزستورات :




فى هذه الدائرة يتم توصيل جميع الترانزستورات للعمل كمفاتيح .
• عندما يكون الدخل A مرتفع High والدخل B منخفض Low ، يتم توصيل الترانستوران Q2,Q3 ، ومن ثم يدور المحرك قى اتجاه عكس عقارب الساعة .
• عندما يكون الدخل B مرتفع والدخل A منخفض ، يتم توصيل الترانزستورين Q1,Q4 ، ومن ثم يدور المحرك فى اتجاه عقارب الساعة .
• الدايودات 1N4148 من النوع سريع التحويل وتسمى freewheeling diode ، وتستخدم لتجنب المشاكل الناتجة عن الجهد السالب الناتج القوة الدافعة العكسية لمحرك التيار المستمر .
• تستخدم المقاومات R1-R4 لتحديد تيار دخل الترانزستورات ويتم تصميمها بحيث يعمل الترانزستور كمفتاح .
• يتم اختيار الترانزستور تبعا للتيار المطلوب لمحرك التيار المستمر .

حسابات مقاومة الدخل :

IL = Max. Motor Current
Ib = IL/β, Minimum input current required to flow current IL through the load (active region).
Ib’ = 10xIb, To make sure that transistor works in saturation region.
Rin = (Vin – Vbe)/Ib’
Take Vbe = 0.7V

تستخدم هذه الدائرة أيضا فى الأنفرترات Inverters من أجل إنتاج تيار متردد عبر الحمل . فى إنفرترات الموجة المربعة ، يتم تطبيق الموجة المربعة إلى المداخل A,B ، وفى إنفرترات الموجة الجيبية يتم تطبيق الشكل الموجى المربع والمعدل بنظام تعديل عرض النبضة PWM إلى المداخل A,B .
يمكن الاستغناء عن الدايودات فى حالة الأحمال الأومية (مقاومة) .

الربط بين الميكروكونترولر PIC ومحرك التيار المستمر باستخدام الدائرة المتكاملة L293D :
لا يمكننا تشغيل محرك التيار المستمر مباشرة بالميكروكونترولر ، لأن محركات التيار المستمر تتطلب تيار مرتفع وجده مرتفع عن التى يتعامل معها الميكروكونترولر . الميكروكونترولر عادة يعمل على منبع +5V أو 3.3V ، وأطراف الدخل / الخرج يمكن أن توفر تيار حتى 25Ma . محركات النيار المستمر الشائعة تتطلب منبع 12V وتيار 300Ma ، علاوة على ذلك فإن ربط محركات التيار المستمر مباشرة مع الميكروكونترولر قد تؤثر على عمل الميكروكونترولر نتيجة القوة الدافعة الكهربية العكسية لمحرك التيار المستمر . لذلك من الواضح أنه ليس من الجيد ربط محرك التيار المستمر مباشرة مع الميكروكونترولر . حل هذه المشكلة هو استخدام دائرة القنطرة H-bridge المشروحة أعلاه .
الدائرة المتكاملة L293 ، تحتوى على 2 دائرة مشغل محرك على شكل قنطرة H-bridge ، وهذا يعنى أنه عن طريق استخدام دائرة متكاملة واحدة يمكننا التحكم فى محركين تيار مستمر فى كل من الاتجاهين ، اتجاه عقارب الساعة واتجاه عكس عقارب الساعة . الدائرة المتكاملة L293D يمكن أن توفر تيار تشغيل فى الاتجاهين حتى 600-mA عند جهد من 4.5V إلى 36V ، فى حين أن الدائرة المتكاملة L293 يمكن أن توفر حتى 1A عند نفس الجهود . كلا الدائرتين المتكاملتين مصمم لتشغيل أحمال حثية مثل محركات التيار المستمر ، محركات الخطوة ثنائية القطبية ، الريلايات ، والسلونويدات .
جميع مداخل هذه الدوائر المتكاملة متوافقة مع دوائر TTL ، ويتوفر داخليا فى الخرج دايودات الحماية .



مخطط أطراف الدائرة المتكاملة L293 :
يتم تمكين المشغلات فى أزواج ، مع المشغلات 1,2 يتم التمكين من الطرف Enable 1,2 بجعلة فى الحالة المرتفعة high ، ويتم تمكين المشغلات 3,4 من الطرف Enable 3,4 بجعله فى الحالة المرتفعة .
عندما يتم تمكين المشغلات فإن مخارجها سوف تكون فعالة وفى نفس طور مداخلها . عندما تكون المشغلات غير ممكنة ، فإن مخارجها تكون مفصولة OFF وسوف تكون فى حالة معاوقة مرتفعة .
جدول الوظيقة :



الربط مع الميكروكونترولر PIC :
الدائرة الكهربية :



يمكنننا تشغيل محركين تيار مسامر باستخدام دائرة متكاملة واحدة ، فى هذا المثال سوف نساخدم فقط أو زوج من المشغلات لتشغيل محرك مستمر واحد . زوج المشغلات الأول يتم تمكينها بجعل الطرف EN1 فى الحالة المنطقية المرتفعة . يتم توصيل المداخل IN1 , IN2 إلى أطراف الميكروكونترولر RB0 , RB1 على الترتيب والتى تستخدم لتوفير إشارة تحكم لمحرك التيار المستمر . يتم توصيل محرك النيار المستمر بالأطراف OUT1 , OUT2 للدائرة المتكاملة .
إشارات التحكم وحالات المحرك :



البرنامج :

void main()
{
 TRISB = 0; // PORT B as output port
 PORTB = 1; // Set RB0 to high
 do
 {
   //To turn motor clockwise
   PORTB.F0 = 1;
   Delay_ms(2000);//2 seconds delay

   //To Stop motor
   PORTB = 0; // or PORTB = 3 
   Delay_ms(2000);//2 seconds delay

   //To turn motor anticlockwise direction
   PORTB.F1 = 1;
   Delay_ms(2000);//2 seconds delay

   //To Stop motor
   PORTB = 0; // or PORTB = 3 (3 = 0b00000011)
   Delay_ms(2000); // 2 seconds delay

 }while(1);
}

التحكم فى سرعة محرك التيار المستمر باستخدام تعديل عرض النبضات PWM مع الميكروكونترولر PIC :
باستخدام تعديل عرض النبضات PWM يمكننا بسهولة التحكم فى القدرة المتوسطة التى تصل إلى الحمل ومن ثم يمكننا بسهولة التحكم فى سرعة محرك النيار المستمر .
قد يكون هناك تساؤل ، لماذا لا نستخدم مقاومة متغيرة على التوالى مع المحرك للتحكم فى سرعته ؟
هناك ثلاثة أسباب تجعل من خيار استخدام المقاومة خيار غير جيد للتحكم فى سرعة محرك التيار المستمر :
• المشكلة الرئيسية هى أن المحرك هو حمل كهربائى متغير ، لذلك فالمقاومة لا يمكنها القيام بهذه المهمة . فالمحرك يحتاج لقدرة أكثر خلال حالة البدء عنها قى حالة الدوران . المحرك يسحب تيار أكثر أيضا عن تطبيق حمل ميكانيكى على عامود المحرك .
• المقاومة تستهلك مزيد من الطاقة على شكل حرارة ، ومن ثم تكون غير مناسبة للأجهزة التى تعمل بالبطاريات .
• كلنا نعلم أم المحرك يتطلب تيار كبير ، لذلك سوف تكون المقاومة ذات مقنن قدرة مرتفع وتحتاج لمزيد من الطاقة المفقودة .
فى هذا المثال يتم ربط محرك تيار مستمر مع الميكروكونترولر PIC باستخدام الدائرة المتكاملة L293 (مشغل محرك) . يتم توفير 2 مفتاح ضاغط للتحكم فى سرعة المحرك . هنا سوف نستخدم محرك تيار مستمر 12V ويمكن تغيير قيمة متوسط الجهد المستمر الواصل إلى المحرك عن طريق تغيير نسبة دورة الخدمة لإشارة تعديل عرض النبضات . متوسط جهد التيار المستمر لدورة خدمة 0% يكون 0V ، ولدورة خدمة 25% يكون 3V ، ولدورة خدمة 50% يكون 6V ، ولدورة خدمة 75% يكون 9V ولدورة خدمة 100% يكون 12V .

الدائرة الكهربية :



يتم توصيل المفاتيح الضاغطة إلى الأطراف RD0 , RD1 والتى تستخدم للتحكم فى دورة الخدمة لإشارة PWM . الضغط على المفتاح UP يؤدى إلى زيادة دورة الخدمة ، مما يؤدة إلى زيادة سرعة المحرك ، فى حين أن الضغط على المفتاح DOWN يؤدى إلى تناقص دورة الخدمة ، مما يؤدى إلى تناقص سرعة المحرك . هنا سوف نستخدم الموديول CCP1 للميكروكونترولر PIC16F877A لتوليد PWM ويتم توصيلها طرف التمكين للدائرة المتكاملة L293 . يمكن التحكم فى اتجاه دوران المحرك باستخدام الأطراف RB0 , RB1 .

البرنامج :

void main()
{
  short duty  = 0; //initial value for duty

  TRISD = 0xFF; //PORTD as input
  TRISC = 0x00; //PORTC as output
  TRISB = 0x00; //PORTB as output
  PORTB = 0x02; //Run motor in anticlock wise

  PWM1_Init(1000);  //Initialize PWM1
  PWM1_Start();  //start PWM1
  PWM1_Set_Duty(duty); //Set current duty for PWM1

  while (1)        // endless loop
  {
     if (!RD0_bit && duty<250) //if button on RD0 pressed      
     {       
        Delay_ms(40);       
        duty = duty + 10;  //increment current_duty     
        PWM1_Set_Duty(duty);  //Change the duty cycle      
     }     
     if (!RD1_bit && duty >0) //button on RD1 pressed
     {
       Delay_ms(40);
       duty = duty - 10;  //decrement duty
       PWM1_Set_Duty(duty);
     }
    Delay_ms(10);      // slow down change pace a little
  }
}

[F.Abdelaziz]

محركات الخطوة Step Motors
محركات الخطوة هى أجهزة كهروميكانيكية تقوم بالدوران المتقطع (المجزء) فى شكل خطوات وكل خطوة بقيمة معينة من الدرجات . يوجد نوعان من محركات الخطوة هما الأحادى القطبية unipolar والثنائى القطبية bipolar .
المحرك أحادى القطبية له أربع ملفات حيث يتم تنشيط ملف أو اثنين فى نفس الوقت ، ودائما تكون بنفس القطبية ( أحادى القطبية) .
محركات الخطوة ثنائية القطبية لها ملفان فقط حيث يتم تنشيطها فى نفس الوقت بقطبية متناوبة (ثنائى القطبية) .
هذا التأثير يولد تسلسل قطبية بالملفات . بالتحكم فى سرعة التتابع يتم التحكم فى سرعة دوران المحرك بينما ترتيب التسلسل يتحكم فى اتجاه دوران المحرك .
الشكل الآتى يبين المظهر الطبيعى ورموز برنامج إيزيس لهذه المحركات :



المحركات أحادية القطبية unipolar :
المحركات أحادية القطبية unipolar ، عموما لها خمسة أو ستة أطراف والتى تناظر أربع أطراف للملفات ، وطرف أو اثنين مشتركة .
الشكل التالى يبين دائرة ملفات المحرك أحادى القطبية :




تسلسل التنشيط للمحركات أحادية القطبية يمكن أن يكون فى أحد شكلين :
• تنشيط دخل واحد فقط .
• تنشيط دخلين فى نفس الوقت .
عندما يتم تنشيط دخلين فى نفس الوقت يتم زيادة عزم الدوران torque للمحرك ولكن فى نفس الوقت يكون التيار أكبر .
الجدول التالى يبين طريقة تسلسل التفعيل فى الحالتين :



المثال التالى يبين طريقة التحكم فى محرك إحادى القطبية بالميكروكونترولر PIC16F628A مع استخدام ساعة بتردد 4MHz ، لهذا الغرض يتم حفظ تسلسل المحرك فى مصفوفة ، شكل البرنامج كما يلى :

//Constants with sequence of steps.
const unsigned short STEPS[4] =
{
      0b00000001,
      0b00000010,
      0b00000100,
      0b00001000
};

void main( void )
{
     //Declaration of variables.
     unsigned short STEP=0;
     //Port  initiation
     TRISB = 0xF0;
     PORTB = 0;
     OPTION_REG = 0; //Activation of the pull-up resistors.
     while(1)//Infinite Loop.
     {
          //While loop to rotate in clockwise
          //through pin  RB6
          while( Button( &PORTB, 6, 100, 0) )
          {
              PORTB = STEPS[STEP];
              STEP++;
              if( STEP==4 )STEP=0;
          }
          //While loop to rotate in a counterclockwise
          //through pin RB7
          while( Button( &PORTB, 7, 100, 0) )
          {
              PORTB = STEPS[STEP];
              STEP--;
              if( STEP==255 )STEP=3;
          }
     }
}

لمحاكاة هذا التدريب ببرنامج إيزيس تحتاج للأجهزة الآتية :
MOTOR-STEPPER, BUTTON, ULN2003A وبناء الدائرة الآتية :



لإجراء التمرين مع التسلسل الثنائى ببساطة يتم تغيير ترتيب التسلسل فى نفس البرنامج ونستخدم نفس دائرة المحاكاة . الترتيب الجديد يكون كما يلى :

//Constants with the sequence of steps.
const unsigned short STEPS[4] =
{
    0b00000011,
    0b00000110,
    0b00001100,
    0b00001001
};

المحركات ثنائية القطبية Bipolar motors :
التنفيذ بمحركات الخطوة ثنائية القطبية يتم من خلال قنطرة إتش H-bridge مزدوجة ، بحيث تسمح بتسلسل ثنائى القطبية . الشكل التالى يبين توزيع القدرة لهذه المحركات :



التحكم فى هذه المحركات يتطلب تسلسل قطبية بالشكل المبين بالجدول التالى :



إجراء التدريب بهذا المحرك يتم بنفس المتبع فى برنامج المحرك أحادى القطبية مع تغيير ترتيب التتابع ، فى الترتيب الجديد يفترض أن المنطق logic 1 هو + V والمنطق logic 0 هو –V . بهذه الطريقة نحصل على الترتيب التالى :

//Constants with sequence of steps.
const unsigned short STEPS[4] =
{
	0b00000101,
	0b00001001,
	0b00001010,
	0b00000110
};

البرنامج :

 //Constants with the sequence of steps.
const unsigned short STEPS[4] =
{
0b00000101,
0b00001001,
0b00001010,
0b00000110
};

void main( void )
{
     //Declaration of variables.
     unsigned short STEP=0;
     //Port  initiation
     TRISB = 0xF0;
     PORTB = 0;
     OPTION_REG = 0; //Activation of the pull-up resistors.
     while(1)//Infinite Loop.
     {
          //While loop to rotate in clockwise
          //through pin  RB6
          while( Button( &PORTB, 6, 100, 0) )
          {
              PORTB = STEPS[STEP];
              STEP++;
              if( STEP==4 )STEP=0;
          }
          //While loop to rotate in a counterclockwise
          //through pin RB7
          while( Button( &PORTB, 7, 100, 0) )
          {
              PORTB = STEPS[STEP];
              STEP--;
              if( STEP==255 )STEP=3;
          }
     }
}

للمحاكاة بواسطة برنامج إيزبس نحتاج لدائرة بها محرك ثنائى القطبية ومشغل H-bridge فى شكل دائرة متكاملة . هذه الدائرة المتكاملة هى L293D والتى تتضمن بداخلها 2 قنطرة إتش فى نفس الغلاف ، وميزتها أنها نموذجية لهذا النوع من المحركات .
المحاكاة ببرنامج إيزيس يحتاج للأجهزة الآتية :
16F628A, BUTTON, MOTOR-BISTEPPER, L293D وبناء الدائرة الكهربية التالية :

[F.Abdelaziz]

محرك السرفو Servo Motor :



ما هو محرك السرفو ؟
محرك السرفو هو فى الأساس محرك تيار مستمر عالى الجودة مزود بتروس ودائرة إلكترونية للتحكم فى اتجاه الدوران وموضع عامود محرك التيار المستمر .
يستخدم محرك السرفو إشارة تعديل عرض النبضات PWM للتحكم فى محرك التيار المستمر ، على خلاف PWM الذى يستخدم عادة فى محرك التيار المستمر العادى ، فإن إشارة PWM هذه لا تستخدم فى التحكم فى سرعة الدوران ، فبدلا من ذلك قإنها تستخدم فى التحكم فى اتجاه أو موضع المحرك . مغظم محركات السرفو تعمل على تردد 50 Hz لإشارة PWM ، هذا يعنى أن أشارة PWM يجب أن يكون زمنها الدورى 20ms . الدائرة الإلكترونية الموجودة داخل محرك السرفو سوف تستجيب لعرض نبضة إشارة PWM ، عرض نبضة PWM بالقيمة من 0.7ms إلى 1ms سوف يجعل محرك السرفو يدور مع عقارب الساعة CW ، وعرض نبضة PWM بالقيمة من 1.7ms إلى 2ms سوف يجعل محرك السرفو يدور عكس عقارب الساعة CCW . فى محرك السرفو القياسى عرض إشارة PWM بقيمة 1.5ms سوف يجعل محرك السرفو يدور لوضع المنتصف Center .
ميزة محرك السرفو تكمن فى حركته الزاوية الدقيقة . بعبارة أخرى ، يمكنك تحريك المحرك لأى زاوية تريدها ، على سبيل المثال إذا أردت تحريك المحرك 30 درجة ، يمكنك القيام بذلك بغاية السهولة ، وهذا مستحيل مع محرك التيار المستمر أو محرك الخطوة .
علاوة على ذلك ، محرك السرفو له ثلاثة أسلاك فقط ، الأول هو الأرضى GND ، والثانى للجهد الموجب Vcc والثالث ، وهو الأوسط فى الغالب ، لغرض إشارة التحكم . بمجرد تطبيق إشارة التحكم على الطرف الأوسط يبدأ المحرك فى الحركة . كمية الحركة سوف تعتمد على طول هذه الإشارة .

لماذا تحتاج إلى محرك السرفو؟
لأن محركات السرفو تسمح بتحديد المواقع الزاوي الدقيق لعامود الخرج ، فهي تستخدم على نطاق واسع في الروبوتات والسيارات التي يتم التحكم فيها لاسلكيا ، بموجات الراديو ، والطائرات والقوارب للتحكم فى حركة الأجزاء مختلفة.
يتم استخدام محركات السرفو في مجموعة واسعة من الروبوتات والآلات وتطبيقات الروبوتية العامة ، بما في ذلك : أذرع الروبوتات ، لعب السيارات ، والطائرات والمروحيات والآلات الصناعية والعديد من التطبيقات . هناك العديد من الأسباب التي تجعل محركات السرفو شائعة جدا : سهولة التحكم بها ، ومتطلبات طاقة منخفضة (الكفاءة) ، وعزم دوران مرتفع ، مستوى جهد تحكم من نوع TTL ، وحتى الخصائص الفيزيائية : فمحركات السرفو صغيرة الحجم نسبيا ولها وزن منخفض .

كيف يعمل محرك السرفو؟
يتم التحكم في محركات السرفو عن طريق إرسال إشارة رقمية إلى سلك التحكم في المحرك. الفكرة العامة هي إرسال إشارة موجة مربعة إلى المحرك ، حيث يحدد طول الموجة الزاوية التي سوف يتحركها المحرك.
على سبيل المثال ، عند إرسال شكل موجى مربع بنبضة عرضها 1ms إلى المحرك، فإنه سوف يتحرك إلى زاوية الحد الأدنى ، وهى صفر درجة 0 degrees ، وعند إرسال شكل موجى مربع بنبضة عرضها 1.5ms إلى المحرك ، فإنه سوف يتحرك الزاوية المتوسطة وهى 90 درجة 90 degrees . وعند إرسال شكل موجى مربع بنضة عرضها 2ms إلى المحرك ، فإنه سوف يتحرك إلى أكبر زاوية وهى 180 درجة 180 degrees .






التعامل مع برمجة محرك السرفو :



إذا أردت التحكم فى محرك السرفو من خلال الميكروكونترولر ، ينبغى اتباع ما يلى :
1- تطبيق حالة منطق مرتفع على طرف التحكم .
2- الانتظار مابين 1 إلى 2 ملى ثانية 1-2ms .
3- تطبيق حالة منطق منخفض على طرف التحكم .
4- كرر العملية بضع عشرات من المرات كل ثانية .
تذكر :



• التردد المطلوب لعمل محرك السرفو هو 50Hz وأن الزمن الدورى هو 0.02 second أو 20ms . الدالة PWM1_Init() فى مترجم الميكروسى سوف لا تتهىء بالتردد 50Hz . فعليا نحن سوف لا تكون فى حاجة لدوال الميكروسى فى عمل محرك السرفو . يمكننا عمل ذلك يدويا .
• إذا استخدمنا نبضة بعرض "أقل من أو تساوى واحد ملى ثانية 1ms " ، فإن المحرك يدور إلى "وضع الصفر 0 degree " .
• إذا استخدمنا نبضة بعرض " يساوى 1.5ms أو 1500 us " ، فإن المحرك يدور إلى "وضع 90 degree " .
• إذا استخدمنا نبضة بعرض " يساوى 2 ms أو 2000us " ، فإن المحرك يدور إلى "وضع 180 degree " .
• هذا يعنى أن الموضع الزاوى لعامود محرك السرفو يتحدد بإشارة PWM ، إشارة بعرض 1500us تضع الغامود فى وضع التعادل (المنتصف) ، وإشارة بعرض أقل 1500us تجعل العامود يعود إلى زاوية معينة ، عكس عقارب الساعة ، وإشارة بعرض أكبر من 1500us تجعل العامود يتحرك مع عقارب الساعة إلى زاوية معينة بناء على قيمة غرض الإشارة .

على سبيل المثال ، إذا أردنا دوران المحرك إلى وضع 90 degree ، فإن الشكل الموجى يجب أن يكون 1500us ON و 18500us OFF .
تدريب 1 :

void main() {  
int i=0;  
TRISB=0x00;  
delay_ms(1000);
  
while(1){  
/////// rotate to 0 degree  
for(i=0;i<50;i++){  
PORTB.F0=1; 
delay_us(900);  //ON Time 
PORTB.F0=0;  
delay_us(19100); //OFF Time 
}
  
delay_ms(4000);  //delay for 4 sec
  
/////// rotate to 45 degree  
for(i=0;i<50;i++)  
PORTB.F0=1;  
delay_us(1250);  
PORTB.F0=0;  
delay_us(18750);  
} 
 
delay_ms(4000);
  
/////// rotate to 90 degree  
for(i=0;i<50;i++){  
PORTB.F0=1;  
delay_us(1500);  
PORTB.F0=0;  
delay_us(18500);  
}
  
delay_ms(4000);  //delay for 4 sec 
 
/////// rotate to 1350 degree  
for(i=0;i<50;i++)  
{  
PORTB.F0=1;  
delay_us(1750);  
PORTB.F0=0;  
delay_us(18250);  
}
  
delay_ms(4000);  //delay for 4 sec  

/////// rotate to 180 degree  
for(i=0;i<50;i++)  
{  
PORTB.F0=1;  
delay_us(2000);  
PORTB.F0=0;  
delay_us(18000);  
}
  
delay_ms(4000);  //delay for 4 sec 
 
}  
}

تدريب 2 :

الدائرة الكهربية :



البرنامج :
سوف نستخدم الميكروكونترولر PIC16F628A والمترجم ميكروسى برو ، وسوف نستخدم موديول المؤقت Timer0 مع قاسم تردد prescaler بنسبة 1:256 لتوليد فجوة حوالى 20ms بين نبضات PWM المتتابعة . استخدام كريستال بتردد 4.0 MHz ينتج عنه زمن دورة التعليمات بواحد ميكروثانية ، ومن ثم يتم تبسيط حسابات التأخير باستخدام المؤقت Timer0 .
مترجم الميكروسى يوفر الدالة Delay_Cyc() ، والتى تولد تأخير متغير بدورات الساعة . هذه الدالة تستخدم لتغيير غرض نبضة التحكم من 0.7ms إلى 2.3ms .
عند بداية توصيل القدرة إلى الدائرة أو عند إعادة التشغيل reset ، يتم توليد إشارة PWM بتردد 50 Hz بعرض نبضة 0.7ms بشكل مستمر على الطرف RB1 . إشارة التحكم هذه تحرك عامود محرك السرفو فى اتجاه عقارب الساعة حتى النهاية ، وهو ما يعتبر الموضع الزاوى صفر (0) .
عند الضغط على المفتاح الضاغط المتصل بالطرف RB0 ، يتم زيادة عرض النبضة بقيمة 0.2ms ، وهو ما يؤدى إلى دوران عامود المحرك عكس عقارب الساعة CCW ما يقارب 22.5° . ومن ثم فى كل مرة يتم فيها الضغط على المفتاح يتم زيادة عرض النبضة بالقيمة 0.2ms ويدور العامود أكثر فى اتجاه عكس عقارب الساعة . بعد 8 ضغطات متتابعة تصبح عرض النبضة 2.3ms ويصل الغامود إلى النهاية الأخرى ، الوضع الزاوى 180° . عند الضغطة التاسعة يعود reset عرض النبضة إلى قيمته الابتدائية وهى 0.7ms ويدور علمود المحرك فى اتجاه عقارب الساغة حتى الوضع الزاوى صفر درجة مرة أخرى .
فى البرنامج المتغير “i" يحفظ معلومات عرض النبضة (pulse width = i*10*10 microseconds) ويتغير من 7 إلى 23 بخطوة 2 . عندما يكونi=7 ، يكون عرض النبضة 7*10*10 = 700 microseconds (0.7 ms) ، وعندما يكون i=23 يكون عرض النبضة 2.3ms .

   
/*
 Pic Micro Servo Motor Control
 PIC16F628A * Ext 4.00 MHz Crystal Osc.
*/
sbit SW1 at RB0_bit;
sbit Control at RB1_bit;

unsigned short i=7, delay;

void interrupt() {
  delay = i*10;  // min 7*10*10 = 700us
  Control = 1;
  Delay_Cyc(delay);  // Generates delay equal to 10*delay clock cycles
  Control = 0;
  TMR0 = 180;        // TMR0 returns to its initial value
  INTCON.T0IF = 0;   // Bit T0IF is cleared so that the interrupt could reoccur
}

void main() {
 CMCON = 0x07;    // Disable Comparators
 TRISB = 0b00000001;
 PORTB = 0;
 OPTION_REG = 0x07; // Prescaler (1:256) is assigned to the timer TMR0
 TMR0 = 180;        // Timer T0 counts from 180 to 255 to create ~20 ms period
 INTCON = 0xA0;     // Enable interrupt TMR0 and Global Interrupts

 do{
  if(!SW1){         // Change pulse width when Switch is pressed
   Delay_ms(300);
   i = i+2;
   if(i>24) i=7; // max 24 *10 *10 = 2400us
  }
 }  while(1);
}