Fault-Tolerant Control Strategy for Robot-Joint PMSM Drives Under Encoder Faults

تعتمد الروبوتات التي تتحرك بدقة يد الإنسان على محركات سريعة للغاية واستجابية بشكل مذهل. وفي داخل مفاصل هذه الآلات، تعمل المحركات التزامنية ذات المغناطيس الدائم كعضلات، حيث تحول الطاقة الكهربائية إلى حركة سلسة ومنضبطة. وللحفاظ على استمرار هذه المحركات في التحرك تماماً حيث ينبغي لها، يحتاج النظام إلى معرفة الموضع الدقيق للعضو الدوار (الروتور) الذي يدور في كل جزء من الثانية. عادةً ما تأتي هذه المعلومات من جهاز صغير يسمى "المشفر" (Encoder)، والذي يعمل كعين رقمية تراقب العمود وترسل تدفقاً مستمراً من بيانات الموضع إلى العقل الحاسوبي. وإذا فقدت هذه العين بصرها أو بدأت ترى أشياء ليست موجودة، فقد يفقد المحرك طريقه، مما يؤدي إلى حركات متقطعة أو توقف كامل. وفي عالم الروبوتات الدقيق، حيث قد يقوم الروبوت بتجميع شريحة دقيقة أو المساعدة في عملية جراحية، فإن فقدان تغذية الموضع الراجعة ليس مجرد إزعاج؛ بل هو فشل يمكن أن يوقف الإنتاج أو يتسبب في أضرار.

يتمثل التحدي الذي يواجه المهندسين في أن هذه المحركات تعمل عبر نطاق واسع من السرعات، من السكون التام إلى آلاف الدورات في الدقيقة. عند السكون، يكون المحرك هادئاً ولا ينتج أي إشارات كهربائية طبيعية يمكن للحاسوب تتبعها بسهولة. أما عند السرعات العالية، فإنه يولد إشارات قوية، لكن الأساليب المستخدمة لتتبعه عند السرعات المنخفضة تصبح صاخبة وغير موثوقة. تقليدياً، إذا تعطل المشفر، يتوقف الروبوت. ومع ذلك، طور فريق من الباحثين في جامعة جيانغسو العادية طريقة لإبقاء المحرك يعمل حتى عندما تفشل "عينه" الأساسية. لقد ابتكروا نظاماً يستخدم تقنيتين رياضيتين مختلفتين لتخمين موضع العضو الدوار، ودمجهما معاً بحيث إذا ضعفت إحدى الطريقتين، تتولى الأخرى المهمة. وهذا يسمح للروبوت بمواصلة عمله بسلاسة، حتى بعد توقف المشفر عن العمل بشكل صحيح.

ركز الباحثون على ثلاث طرق محددة يمكن أن يفشل بها المشفر: قفزة مفاجئة في الزاوية المبلغ عنها، أو تعطل المخرجات عند قيمة واحدة، أو فقدان النبضات الذي يجعل قراءة السرعة غير منتظمة. وللتعامل مع هذه الإخفاقات، صمموا استراتيجية تحكم تشغل نظامي تقدير متوازيين في الخلفية أثناء عمل المشفر. أحد الأنظمة، المعروف باسم "الحقن عالي التردد"، يعمل عن طريق إرسال إشارة كهربائية سريعة وصغيرة إلى المحرك والاستماع إلى كيفية تفاعل البنية المغناطيسية الداخلية للمحرك معها. هذه الطريقة ممتازة لتحديد الموضع عندما لا يتحرك المحرك أو يتحرك ببطء شديد. أما النظام الثاني، المسمى "مراقب الوضع الانزلاقي"، فينظر إلى الجهد والتيار المتدفقين عبر المحرك لحساب الموضع بناءً على فيزياء المحرك الخاصة. وهذه الطريقة دقيقة للغاية عندما يدور المحرك بسرعة عالية.

الجزء الذكي في هذه الاستراتيجية الجديدة هو كيفية إدارة هذين النظامين. فبدلاً من مجرد الانتقال من أحدهما إلى الآخر مع تغير السرعة، ابتكر الباحثون مزيجاً سلساً. لقد حددوا بدقة مقدار الثقة التي يجب وضعها في طريقة السرعة المنخفضة مقابل طريقة السرعة العالية عند كل سرعة، وقاموا بتعديل قوة إشارة التردد العالي بشكل مستقل للحفاظ على كفاءة المحرك. وبينما يكون المشفر سليماً، يقارن الحاسوب باستمرار بين تقرير المشفر والتخمين المشترك لهذين النظامين. إذا بدأ المشفر فجأة في الإبلاغ عن موضع يختلف اختلافاً جذرياً عما يتفق عليه النظامان، يدرك الحاسوب أن هناك خطأ ما. إنه لا يصاب بالذعر فوراً؛ بل ينتظر لفترة قصيرة للتأكد من وجود الخلل، لضمان عدم الخلط بين خلل لحظي وفشل حقيقي.

بمجرد تأكيد العطل، يقوم النظام بعملية تسليم دقيقة. فهو يفصل المشفر المعطل فوراً عن حلقة التحكم وينتقل إلى استخدام التقدير المشترك من النظامين الرياضيين. ولمنع الروبوت من الاهتزاز أثناء هذا الانتقال، يطبق النظام تعويضاً مؤقتاً يتلاشى خلال 50 مللي ثانية فقط، مما يجعل الانتقال سلساً بحيث يستمر المحرك في الدوران دون أي عائق. اختبر الباحثون هذا النهج على نطاق واسع باستخدام محاكاة حاسوبية ومنصة اختبار فيزيائية بمحرك ووحدة تحكم حقيقية. وفي عمليات المحاكاة، أدخلوا أعطالاً متنوعة أثناء دوران المحرك بسرعات مختلفة، من 100 دورة في الدقيقة ببطء إلى 1500 دورة في الدقيقة بسرعة. وفي كل حالة، اكتشف النظام العطل في غضض 16 إلى 31 مللي ثانية وحافظ بنجاح على التحكم في الحلقة المغلقة. وكان الخطأ في زاوية المحرك بعد عملية الاستلام صغيراً بشكل ملحوظ، حيث ظل ضمن نطاق أقل من 1.5 درجة، وهو أمر يكاد لا يُلحظ في الأنظمة الميكانيكية.

أكدت التجارب الفيزيائية على منصة الاختبار أن هذه الاستراتيجية تعمل في العالم الحقيقي، وليس فقط في نموذج حاسوبي. قام الفريق بتشغيل المحرك من السكون التام حتى 3000 دورة في الدقيقة، واختبر مدى فعالية طريقتي التقدير معاً عبر نطاق السرعة الكامل. لقد قاموا بمحاكاة مشفر عالق عند سرعة صفر، وقفزة مفاجئة في الزاوية عند 800 دورة في الدقيقة، وعطل فقدان النبضات عند 3000 دورة في الدقيقة. وفي كل سيناريو، حدد النظام المشكلة، وعزل المشفر المعطل، وأبقى المحرك يعمل بسلاسة باستخدام الموضع المقدر. وحتى عندما كان المشفر عالقاً تماماً قبل بدء تشغيل المحرك، استخدم النظام طريقة الحقن عالي التردد لبدء تشغيل المحرك من السكون دون أي مساعدة خارجية. وأظهرت النتائج أن المحرك يمكنه التعافي من هذه الأعطال مع حد أدنى من الاضطراب في سرعته أو التيار الكهربائي المتدفق من خلاله.

يوضح هذا العمل أن مفاصل الروبوتات لا يجب أن تكون هشة، تعتمد على مستشعر واحد إذا تعطل أدى إلى توقف الآلة بأكملها. ومن خلال دمج طرق مختلفة لتقدير الموضع وإنشاء طريقة قوية للتبديل بينها، أظهر الباحثون أنه يمكن جعل المحركات مرنة تجاه فشل المستشعرات. يسمح هذا النهج بالتشغيل المستمر والسلس حتى بعد فشل جهاز التغذية الراجعة الأساسي، مما يضمن قدرة الروبوت على إتمام مهمته دون انقطاع. وبينما ركزت الدراسة على أنواع محددة من أعطال المشفر واستخدمت بيئة اختبار محكومة، فإن النتائج توفر مساراً واضحاً نحو أنظمة روبوتية أكثر موثوقية وقدرة على تحمل الأخطاء يمكنها العمل بأمان في البيئات المعقدة والمتطلبة.