เอกสารประกอบการเรียนการสอน• วิชา: 618352 ไมโครโปรเซสเซอรและการเชื่อมตอ• เรื่องที่ 10: * การควบคุม Motor• เว็บไซตรายวิชา: http://sites.google.com/site/618352• อาจารย ดร.โสภณ ผูมีจรรยา• ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา • คณะวิศวกรรมศาสตรและเทคโนโลยีอุตสาหกรรม• มหาวิทยาลัยศิลปากร

1

หัวขอบรรยาย

2

• DC Motor• Stepper Motor• Servo Motor

มอเตอรไฟฟากระแสตรง (DC Motor)

3

มอเตอรไฟฟาเปนอุปกรณที่ทําหนาที่เปลี่ยนพลังงานทางไฟฟาเปนพลังงานทางกล ซึ่งจะถูกนํามาใชงานในการขับอุปกรณเครื่องกลตาง ๆ โดยทั่วไปแลวในระบบเครื่องกลที่มีขนาดเล็กจะใชมอเตอรไฟฟากระแสตรง เนื่องจากสามารถควบคุมทิศทางและความเร็วของมอเตอรไดโดยงาย เชน ลอรถขนาดเล็ก ที่ปดน้ําฝนของรถยนต พัดลมระบายอากาศ เปนตน

4

การควบคุมมอเตอรการใชงานไมโครคอนโทรลเลอรเชื่อมตอกับมอเตอรไฟฟากระแสตรง

เพื่อเปนตัวควบคุมความเร็วและทิศทางของมอเตอรไฟฟากระแสตรงนั้น จะตองมีสวนของวงจรขยายกระแสที่เรียกวาวงจรขับมอเตอร (Driver) เพื่อปอนกระแสใหมอเตอรสามารถทํางานได และในสวนของวงจรกลับทิศทางการหมุนของมอเตอรนั้น สามารถที่จะใชรีเลยตอวงจรสวิตซเพื่อกลับทิศทางของขั้วไฟฟากระแสตรง หรืออาจใชอุปกรณสารกึ่งตัวนําที่เปนวงจรขับกําลัง เชน ทรานซิสเตอร (PNP, NPN) เปนตน หรืออาจใชบอรดขับมอเตอรที่ออกแบบมาใหงายตอการใชงาน

5

การควบคุมทิศทางการหมุนการควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอรไฟฟากระแสงตรงนั้น สามารถ

ทําไดโดยการเปลี่ยนทิศทางการไหลของกระแสไฟฟาที่จายใหกับมอเตอร (กลับขั้วแหลงจายไฟฟา)

6

การกลับทางหมุนโดยใชรีเลยในการควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอรไฟฟากระแสตรงโดยใชรีเลย

นั้น เราสามารถใชรีเลยแบบ NO จํานวน 4 ตัว แสดงดังรูปขางลางนี้ โดยในการทํางานแตละครั้งนั้น รีเลยจะทํางานพรอมกันครั้งละ 2 ตัว เพื่อควบคุมการจายไฟใหกับมอเตอร

7

รีเลยตัวที่ 1 (RY1) และรีเลยตัวที่ 4 (RY4) จะทํางานพรอมกันเพื่อควบคุมใหขั้วดานซายมือของมอเตอรไดรับแรงดันไฟบวก และขั้วดานขวามือตอลงกราวนด

8

รีเลยตัวที่ 2 (RY2) และรีเลยตัวที่ 3 (RY3) จะทํางานพรอมกันเพื่อควบคุมใหขั้วดานซายมือของมอเตอรตอลงกราวดและขั้วดานขวามือไดรับแรงดันไฟบวก สงผลใหมอเตอรมีทิศทางการหมุนตรงกันขามกับวงจรในหนาที่แลว

9

อยางไรก็ตาม วงจรขางตนยังคงมีขอเสียอยู กลาวคือ เมื่อใดที่รีเลยตัวที่ 1 (RY1) กับรี เลย ตัวที่ 2 (RY2) หรือ รีเลยตัวที่ 3 (RY3) กับรีเลยตัวที่ 4 (RY4) เกิดทํางานพรอมกัน (ซึ่งอาจเกิดขึ้นไดจากความผิดพลาดใดก็ตาม) จะเกิดความเสียหายได เนื่องจากจะเกิดการลัดวงจรของแหลงจายไฟฟา VS โดยตรง

วิธีแกไขทําไดโดยการตอวงจรดังรูป ซึ่งรีเลย 2 (RY2) เปนแบบ 2 คอนแทค ซึ่งจะไมมีโอกาสลัดวงจรไดเลย

10

รีเลยตัวที่ 1 (RY1) ทําหนาที่ควบคุมการจายไฟใหกับมอเตอร นั่นคือ ถารีเลยตัวที่ 1 ทํางานมอเตอรจะหมุน และถา รีเลยตัวที่ 1 ไมทํางานมอเตอรจะไมหมุน

รีเลยตัวที่ 2 (RY2) ทําหนาที่ควบคุมทิศทางการจายไฟใหกับมอเตอรในกรณีที่ รีเลยตัวที่ 2 ไมทํางาน ขั้วดานซายมือของมอเตอรจะตอลงกราวดและขั้วดานขวามือจะไดรับแรงดันไฟบวก

11

ในกรณีที่ รีเลยตัวที่ 2 ทํางาน ขั้วดานซายมือของมอเตอรจะไดรับแรงดันไฟบวก และขั้วดานขวามือจะตอลงกราวด สงผลใหมอเตอรมีทิศทางการหมุนตรงกันขามกับวงจรในหนาที่แลว

12

ในการใชงานไมโครคอนโทรลเลอรเพื่อควบคุมการทํางานของรีเลยนั้น เราจําเปนตองมีวงจรขับรีเลยเพื่อใหรีเลยทํางานควบคุมมอเตอร ตามที่เราตองการ จากรูปเปนตัวอยางวงจรการใชทรานซิสเตอรในการขับรีเลย

13

จากรูปวงจรในหนาที่แลว เปนวงจรขับรีเลยโดยใชทรานซิสเตอรทําหนา ที่ขยายกระแส ดวยเหตุผลเพราะไมสามารถจะใชขา เอาตพุตของไมโครคอนโทรลเลอรปอนกระแสไฟที่ขดลวดของรีเลยโดยตรงได เนื่องจากวากระแสที่จายออกมาจากขา เอาตพุตของไมโครคอนโทรลเลอรมีคานอยเกินไป

ดังนั้น เราจึงตองมีสวนของวงจรทรานซิสเตอรเพื่อที่จะทําการขยายกระแสใหเพียงพอในการปอนใหกับขดลวดของรีเลย สวนไดโอดนํามาตอไวสําหรับปองกันแรงดันยอนกลับที่เกิดจากการเหนี่ยวนําของสนามแมเหล็กในขณะเกิดการยุบตัว ซึ่งอาจจะทําใหทรานซิสเตอรเสียหายได

จากรูปวงจรดังกลาว จะทําใหเราสามารถควบคุมการทํางานของรีเลยไดโดย ถาตองการใหรีเลยทํางานก็สั่งใหพอรตที่รีเลยนั้นเชื่อมตออยูเปนลอจิก “1” แตถาตองการใหรีเลยไมทํางานก็สั่งงานดวยลอจิก “0”

14

การกลับทางหมุนโดยใชทรานซิสเตอรนอกจากการใชรีเลยในการควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอรแลว

เรายังสามารถใชทรานซิสเตอรในการควบคุมมอเตอรไดอีกดวย ตัวอยางวงจรดังแสดงในรูปขางลางนี้

จากรูปเปนวงจรที่ประกอบไปดวยทรานซิสเตอร 4 ตัวที่ทําหนาที่ขับ และควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอร ถาหากกําหนดใหทรานซิสเตอร Q1 และ Q4 อยูในสภาวะทํางาน กระแสไฟฟาจะไหลผานทรานซิสเตอรจากซายไปขวา โดยผ านมอ เตอร กระแสตรง ทํ า ใหมอเตอรหมุนไปทางขวา

15

ในทํานองเดียวกัน ถาหากเราทําใหทรานซิสเตอร Q2 และ Q3 อยูในสภาวะทํางาน (Active) กระแสไฟฟาก็จะไหลจากทางขวาไปทางซายซึ่งจะสงผลใหมอเตอรกลับทิศทางการหมุนจากทางขวาไปทางซาย นั่นเอง

16

การควบคุมความเร็วในการหมุนการควบคุมความเร็วของมอเตอรไฟฟากระแสตรงมีหลายวิธีการดวยกัน

ซึ่งอาจจะใชวิธีการควบคุมแบบพื้นฐานทั่วไป โดยการใชวิธีการควบคุมการเปลี่ยนคาของระดับแรงดันไฟฟาที่ปอนใหกับมอเตอรไฟฟากระแสตรง แตการควบคุมความเร็วดวยวิธีการดังกลาวถึงแมวาจะควบคุมความเร็วของมอเตอรไฟฟากระแสตรงใหคงที่ได แตเมื่อความเร็วเปลี่ยนแปลงสูง-ต่ํา ก็จะสงผลใหแรงบิดที่ไดเปลี่ยนแปลงสูง-ต่ําไปดวย

17

วิธีการมอดูเลชันทางความกวางของพัลส (PWM)ดังนั้น จึงมีการควบคุมความเร็วของมอเตอรไฟฟากระแสตรงเพื่อที่จะให

แรงบิดคงที่ โดยการจายกระแสไฟฟาใหกับมอเตอรเปนชวง ๆ โดยอาศัยกระแสไฟฟาที่ปอนใหกับมอเตอรเปนคาเฉลี่ยที่เกิดขึ้นในแตละชวง ซึ่งเรียกวา วิธีการมอดูเลชันทางความกวางของพัลส PWM (Pulse Width Modulation) ในการมอดูเลชันทางความกวางของพัลส คาความถี่ของสัญญาณพัลสจะไมมีการเปลี่ยนแปลงใ ดๆ แตจะเปนการปรับเปลี่ยนที่สัดสวนความกวางของสัญญาณพัลส (ชวง ON, ชวง OFF) หรือเปนการเปลี่ยนแปลงที่คาของดิวตี้ไซเกิล (Duty Cycle) ซึ่งคาของดิวตี้ไซเคิล ก็คือชวงความกวางของพัลสที่มีสภาวะลอจิก ‘1’ (ชวง ON) โดยคิดสัดสวนเปนเปอรเซ็นตจากความกวางของพัลสทั้งหมด (ชวง ON + ชวง OFF)

18

ตัวอยางเชน ถาหากคาเปอรเซ็นต duty = 50% ก็หมายถึง ใน 1 รูปสัญญาณพัลส (Cycle) 100% จะมีชวงของสัญญาณที่เปนสภาวะลอจิก ‘1’ (ชวง ON) อยู 50% และสภาวะลอจิก ‘0’ (ชวง OFF) ก็เทากับ 50%

ในทํานองเดียวกันถาหากคาเปอรเซ็นต duty = 75% หมายความวาความกวางของพัลสที่เปนสภาวะลอจิก ‘1’ (ชวง ON) อยู 75% ดังนั้น สภาวะลอจิก ‘0’ (ชวง OFF) ก็จะมีคาเทากับ 25% สังเกตไดจากรูปในหนาถัดไป

19 20

การควบคุมมอเตอรโดยใชไอซีสําเร็จรูปปจจุบันมีไอซีควบคุมมอเตอรโดยตรงใชงาน เชน เบอร L298N ซึ่งมีโครสรางดังรูป

21

บอรด L298N เปนชุดขับมอเตอรชนิด H-Bridge ถูกนําไปใชในการควบคุมทิศทาง และความเร็วของมอเตอร โดยสามารถควบคุมมอเตอรไดทั้งหมด 2 ตัว

วงจร H-Bridge ของ L298N จะขับกระแสเขามอเตอร ตามขั้วที่กําหนดดวยลอจิกเพื่อควบคุมทิศทาง สวนความเร็วของมอเตอรนั้ น จ ะ ถู กค วบคุ ม ด ว ย สัญญาณ ( PWM Pulse Width Modulation) ซึ่งตองมีการปรับความถี่ใหเหมาะสมกับมอเตอรที่จะใชดวย

บอรดขับ Motor L298N

22

คุณสมบัติเบื้องตนของบอรดDual H bridge Drive Chip : L298Nแรงดันสัญญาณลอจิก : 5V Drive voltage: 5V-35Vกระแสของสัญญาณลอจิก : 0-36mAกระแสขับมอเตอร : สูงสุดที่ 2A (เมื่อใชมอเตอรเดียว) กําลังไฟฟาสูงสุด : 25Wขนาด : 43 x 43 x 26 มิลลิเมตรน้ําหนัก : 26 กรัม*มี Power Supply 5V ในตัว สามารถจายไฟออกจากชอง 5V (เพื่อจายใหบอรด Arduino) ไดเมื่อตอไฟเลี้ยงเขาที่ชอง 12V

23

Output A: ชองตอมอเตอร AOutput B: ชองตอมอเตอร B

12V: ชองจายไฟเลี้ยงมอเตอร 12V (ตอไดตั้งแต 5V ถึง 35V)GND: ชองตอ Ground5V: ชองจายไฟเลี้ยงมอเตอร 5V (หากมีการตอไฟเลี้ยงที่ชอง 12V แลว ชองนี้จะทําหนาที่จายไฟออก เปน 5V Outputสามารถตอไฟจากชองนี้ไปเลี้ยงบอรด Arduino ได

ENA: ชองตอสัญญาณ PWM สําหรับมอเตอร AIN1: ชองตอสัญญาณลอจิกเพื่อควบคุมทิศทางของมอเตอร AIN2: ชองตอสัญญาณลอจิกเพื่อควบคุมทิศทางของมอเตอร AIN3: ชองตอสัญญาณลอจิกเพื่อควบคุมทิศทางของมอเตอร BIN4: ชองตอสัญญาณลอจิกเพื่อควบคุมทิศทางของมอเตอร BENB: ชองตอสัญญาณ PWM สําหรับมอเตอร B 24วงจรภายในของบอรดขับ DC Motor

25

ตัวอยางการเชื่อมตอ DC Motor กับ Arduino

26

ตัวอยางการเชื่อมตอ DC Motor กับ Arduino

27

ตัวอยางการเชื่อมตอ DC Motor กับ Arduino

28

การตอเขาใชงานกับ Arduinoในการตอกับ Arduino นั้น ขา IN1,IN2,IN3 และ IN4 นั้น สามารถตอกับขา

Digital ใด ๆ ก็ได เนื่องจาก 4 ขานี้ จะใชในการควบคุมสัญญาณลอจิกบอกทิศทางใหกับมอเตอร สวน ENA และ ENB นั้น จําเปนที่จะตองตอกับขา Digital ที่รองรับ PWM เนื่องจากจะตองใชสัญญาณ PWM ในการควบคุมความเร็วของมอเตอร

การสั่งงานมอเตอรเบื้องตนในการสั่งงาน L298N ใหควบคุมมอเตอรนั้น มีหลักการพื้นฐานงาย ๆ ดังนี้

แบงขาออกเปน 2 กลุม ไดแก ENA IN1 IN2 และ IN3 IN4 ENBENA ใชสําหรับควบคุมความเร็วมอเตอร A ใชคําสั่ง analogWrite( pin ที่ตอกับขา ENA , ความเร็วมอเตอร 0-255 );IN1,IN2 ใชควบคุมทิศทางของมอเตอร A ใชคําสั่ง digitalWrite( pin ที่ตอกับขา IN1, IN2 , สถานะ HIGH , LOW );ENB ใชสําหรับควบคุมความเร็วมอเตอร B ใชคําสั่ง analogWrite( pin ที่ตอกับขา ENB , ความเร็วมอเตอร 0-255 );IN3,IN4 ใชควบคุมทิศทางของมอเตอร B ใชคําสั่ง digitalWrite( pin ที่ตอกับขา IN3, IN4 , สถานะ HIGH , LOW );

29

รูปแบบการควบคุมมอเตอร Stepper Motor

30

สเต็ปเปอร หรือ สเต็ปปงมอเตอรเปนอุปกรณเอาตพุตอยางหนึ่ง ซึ่งสามารถนําไอซีไมโครคอนโทรลเลอร มาทําการควบคุมไดสะดวก และเปนมอเตอรที่เหมาะสมสําหรับใชในงานควบคุมการหมุน ที่ตองการตําแหนง และทิศทางที่แนนอน การทํางานของ สเตปปงมอเตอรจะขับเคลื่อนทีละขั้นๆ ละ (Step) 0.9, 1.8, 5, 7.5, 15 หรือ 50 องศา ซึ่งขึ้นอยูกับคุณสมบัติแตละชนิดของสเตปปงมอเตอรตัวนั้นๆ สเต็ปปงมอเตอรจะแตกตางจากมอเตอรกระแสตรงทั่วไป (DC MOTOR) โดยการทํางานของมอเตอรกระแสตรงจะหมุนไปแบบตอเนื่อง ไมสามารถหมุนเปนแบบสเต็ปๆ ไดดังนั้น ในการนําไปกําหนดตําแหนงจึงควบคุมไดยากกวา แตในสวนใหญเราจะใชสเตปปงมอเตอรมาทําการการควบคุมโดยใชวิธีในระบบดิจิตอล เชน พรินเตอร ( Printer ) พล็อตเตอร ( X-Y Plotter ) ดิสกไดรฟ ( Disk drive ) ฯลฯ

31

สเต็ปปงมอเตอรแบบ PM จะมีสเตเตอร (STATOR) ที่พันขดลวดไวหลาย ๆ โพล โดยมีโรเตอร (ROTOR) เปนรูปทรง กระบอกฟนเลื่อย และโรเตอรทําดวยแม เหล็กถาวร เพื่อปอนไฟกระแสตรง ใหกับขดสเตเตอร จะทําให เกิดแรงแมเหล็กไฟฟาผลักตอโรเตอร ทําใหมอเตอรหมุน มอเตอรแบบ PM จะเกิดแรงฉุดยึดใหโรเตอรหยุดอยูกับที่ แมจะไมไดปอนไฟเขาขดลวด

1. แบบแมเหล็กถาวร (Permanent Magnet, PM)

สเต็ปปงมอเตอรที่พบในปจจุบันมี 3 ลักษณะดังนี้

32

สเต็ปมอเตอรแบบ VR จะมีการหมุนโรเตอรไดอยางอิสระ แมจะไมไดจายไฟใหโรเตอรทําจากสารเฟอรโรแมกเนติก กําลังออน มีลักษณะเปนฟนเลื่อย รูปทรงกระบอกโดยจะมีความสัมพันธ โดยตรงกับจํานวนโพลในสเตเตอร แรงบิดที่เกิดขึ้นจะไปหมุนโรเตอร ไปในเสนทางของอํานาจแมเหล็กที่มีคารีลักแตนทต่ําที่สุด ตําแหนงที่จะเกิดแนนอนและมีเสถียรภาพแตจะเกิดขึ้นไดหลาย ๆ จุดดังนั้นเมื่อปอนไฟเขาขดลวดตางๆ ในมอเตอรแตกตางขดกันไป ก็ทําใหมอเตอร หมุนไปตําแหนงตาง ๆ กันโรเตอรของ VR จะมีความเฉื่อยของโรเตอรนอยจึงมีความเร็วรอบสูงกวามอเตอรแบบ PM

2. แบบแปรคารีลักแตนซ (Variable Reluctance, VR)

33

สเต็ปมอเตอรแบบ H จะเปนลูกผสมของ VR กับ PM โดยจะมีสเตเตอรคลายกับที่ใชใน VR โรเตอรมีหมวกหุมปลายซึ่งมีลักษณะของสารแมเหล็กที่มีกําลังสูง โดยการควบคุมขนาดรูปรางของหมวกแมเหล็กอยางดีทําใหไดมุม การหมุนและครั้งนอยและแมนยํา ขอดีก็คือ ใหแรงบิดสูงและมีขนาดกระทัดรัด และใหแรงฉุดยึดโรเตอรนิ่งกับที่ตอนไมจายไฟ

3. แบบผสม (Hybrid, H)

34

ตัวอยางโครงสรางของ Stepping Motor แบบ 4 เฟส มีลักษณะดังรูป ซึ่งประกอบดวย ขดลวด stator 4 ขด ลอมรอบแกนหมุน หลักการทํางาน คือ เมื่อจายกระแสไฟฟาใหกับขดลวด Stator Coil a, b, c, d ไมพรอมกันนั่นคือ ถาเราจายกระแสให a กอน โดยไมจายใหขดอื่น แลวตามดวย b, c และ d เรียงตามลําดับ จะทําใหเกิดสนามแมเหล็ก หมุนวนในลักษณะทวนเข็มนาฬิกา ซึ่งสวนของ Rotor ที่เปนแมเหล็กถาวรก็จะหมุนตามสนามแมเหล็กไปดวย คือ ทวนเข็มนาฬิกา

35

ในทํานองเดียวกันถาเราจายกระแสใหขด a, d, c, b, a ..... ก็จะให สนามแมเหล็กหมุนในทิศทางตามเข็มนาฬิกา ซึ่งสงผลให Rotor หมุนตามเข็มนาฬิกาดวย การกําหนดความเร็วของ Stepping Motor ทําไดโดยการเปลี่ยนแปลง ความเร็วของการเปลี่ยนการจายกระแสจากขดลวดขดหนึ่งไปยังอีกขดหนึ่งใหเร็วขึ้น

การควบคุม Stepping Motor

36

การที่ Stepping Motor จะสามารถเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่เราตองการไดนั้นเราจะตองทาการจายกระแสไฟฟาใหกับขดลวดของ Motor เพื่อใหเกิดเปนอํานาจของสนามแมเหล็กขึ้นอยางเปนลําดับที่ถูกตองและสัมพันธกัน ซึ่งเทคนิควิธีการที่ใชในการควบคุมการเคลื่อนที่ของ Stepping Motor นั้นสามารถทําไดหลายวิธี โดยในแตละวิธีการนั้นตางก็มีขอดี/ขอเสียแตกตางกัน โดยการควบคุมการเคลื่อนที่ของ Stepping Motor สามารถแบงตามโครงสรางของขดลวดได 2 แบบ คือ

1) Stepping Motor แบบ 2 ขั้ว (Bipolar Stepping Motor)

2) Stepping Motor แบบหลายขั้ว (Unipolar Stepping Motor)

37

การควบคุม Stepping Motor แบบ 4 เฟสในการควบคุมการทํางานของ Stepping Motor สามารถแบงไดออกเปน 3 รูปแบบ คือ

- ควบคุมแบบ Full Step 1 เฟส หรือแบบเวฟ (wave)- ควบคุมแบบ Full Step 2 เฟส หรือแบบ 2 เฟส- ควบคุมแบบ Half Step หรือแบบครึ่งสเต็ป

38

ควบคุมแบบ Full Step 1 เฟส หรือแบบเวฟ (wave)ในการควบคุมการหมุนของ Stepping แบบ 4 เฟสนั้น เราจะตองกระตุนให

มอเตอรหมุนไปแตละ Step โดยจายกระแสไฟฟาใหกับ Stepping ทีละเฟสตามลําดับ หลักการคือเริ่มจากจายกระแสใหกับขดลวด Stator เฟสที่ 1 จากนั้นกระตุนเฟสที่ 2 และ เฟสที่ 3 ไปเรื่อย ๆ ตามลําดับ จากนั้นก็วนกลับมาที่ขดลวดStator เฟสที่ 1 อีกครั้งและวน Loop ไปเรื่อย ๆ ก็จะทําให Stepping Motor หมุนและในทางกลับกันถาตองการให Stepping Motor หมุนกลับทางก็ตองกระตุนขดลวด Stator เฟส 4 เฟส 3 เฟส 2 และ เฟส 1 ตามลําดับ สามารถเขียนขั้นตอนการทํางานเปนตารางออกมาไดดังนี้

39

Step เฟส 4 เฟส 3 เฟส 2 เฟส1

Step 1 ON OFF OFF OFFStep 2 OFF ON OFF OFFStep 3 OFF OFF ON OFFStep 4 OFF OFF OFF ONStep 5 ยอนกลับ Step ที่1

..... ........

รูปแบบการควบคุมแบบ Full Step 1 เฟส หรือแบบเวฟ (wave)

40

ควบคุมแบบ Full Step 2 เฟส หรือแบบ 2 เฟสในการควบคุม Stepping Motor แบบ 2 เฟสนั้น เราจะตองจายกระแสไฟฟา

เพื่อกระตุนขดลวดของมอเตอรทีละ 2 เฟส ในเวลาเดียวกันและเรียงกันไปตามลําดับซึ่งไดแสดงดังตารางในหนาถัดไป โดย Stepping Motor จะหมุนเหมือนกับการควบคุมแบบเวฟ แตการควบคุมแบบ 2 เฟสจะใหแรงบิดที่สูงกวาแบบเวฟ

41

Step เฟส 4 เฟส 3 เฟส 2 เฟส1

Step 1 ON ON OFF OFFStep 2 OFF ON ON OFFStep 3 OFF OFF ON ONStep 4 ON OFF OFF ONStep 5 ยอนกลับ Step ที่1

..... ........

รูปแบบการควบคุมแบบ Full Step 2 เฟส หรือแบบ 2 เฟส

42

ควบคุมแบบ Half Step หรือแบบครึ่งสเต็ปการควบคุม Stepping Motor แบบครึ่งสเต็ปจะทําใหเราสามารถเพิ่มความ

ละเอียดในการควบคุมการหมุนของ Stepping Motor ไดแมนยํามากขึ้นซึ่งเปนการผสมผสานระหวางการควบคุมแบบเวฟและแบบ Full Step 2 เฟสเขาดวยกัน ลักษณะการจายกระแสไฟ เพื่อกระตุนขดลวดจะแสดงดังตารางในหนาถัดไป

43

Step เฟส 1 เฟส 2 เฟส 3 เฟส4Step 1 ON OFF OFF OFFStep 2 ON ON OFF OFFStep 3 OFF ON OFF OFFStep 4 OFF ON ON OFFStep 5 OFF OFF ON OFFStep 6 OFF OFF ON ONStep 7 OFF OFF OFF ONStep 8 ON OFF OFF ONStep 9 ยอนกลับ Step ที่1

..... ........

รูปแบบการควบคุมแบบ Half Step หรือแบบครึ่งสเต็ป

44

วงจรที่ใช ในการขับสเต็ปป งมอเตอรโดยใชไอซีสําเร็จรูป และวงจรจากทรานซิสเตอร แสดงไดในรูปขวามือ โดย ไอซีสําเร็จรูปเบอร ULN2003 จะมีคุณสมบัติเปนไอซีไดรเวอรกระแสสูงแบบคอลเล็คเตอรเปด สามารถเลือกแรงดันไดกวาง 5-30 โวลท จายกระแสไดสูงถึง 500 mA ตอขา และมีไดโอดที่ปองกันกระแสยอนกลับอยูภายในไอซี สวนแอลอีดีที่ตอในวงจรเราจะตอไวเพื่อแสดงการกระตุนแตละเฟส ของแตละแบบ

45

ตัวอยางวงจรการขับสเต็ปปงมอเตอรโดยใชทรานซิสเตอร

46

บอรดขับ Stepper Motor

47สายตอใชงานของ Stepper Motor

28-BYJ48ใชไฟ 5VDC มีคา 11.25 องศา/step ทดเกียรที่ 1/64

48วงจรภายในของบอรดขับ Stepper Motor

49

ตัวอยางที่ 1 การควบคุม Stepper Motor

50

Motor จะหมุนไปในทิศทางหนึ่ง 1 รอบDelay 1000Motor จะกลับทางหมุนไปในทิศทางตรงขามหนึ่ง 1 รอบDelay 1000(ควบคุมแบบ Full Step 2 เฟส)

ผลการรันที่ได

51

Servo MotorServo เปนคําศัพทที่ใชกันทั่วไปในระบบควบคุมอัตโนมัติ มาจากภาษา

ละติน คําวา Sevus หมายถึง “ทาส” (Slave) ในเชิงความหมายของ Servo Motor ก็คือ Motor ที่เราสามารถสั่งงานหรือตั้งคา แลวตัว Motor จะหมุนไปยังตําแหนงองศาที่เราสั่งไดอยางถูกตอง

Servo motor Futaba S3003 Servo motor ใน Proteus 52

สวนประกอบภายนอกของ Servo Motor

- Case ตัวถัง หรือ กรอบของตัว Servo Motor- Mounting Tab สวนจับยึดตัว Servo กับชิ้นงาน- Output Shaft เพลาสงกําลัง- Servo Horns สวนเชื่อมตอกับ Output shaft เพื่อสรางกลไกล- Cable สายเชื่อมตอเพื่อ จายไฟฟา และ ควบคุม Servo Motor จะประกอบดวยสายไฟ 3 เสน และ ใน Servo Motor จะมีสีของสายแตกตางกันไปดังนี้ o สายสีแดง คือ ไฟเลี้ยง (4.8-6V) o สายสีดํา หรือ น้ําตาล คือ กราวด o สายสีเหลือง (สม ขาว หรือฟา) คือ สายสงสัญญาณพัลซควบคุม (3-5V)- Connector จุดเชื่อมตอสายไฟ

53

สวนประกอบภายในของ Servo Motor

1. Motor เปนสวนของตัวมอเตอร2. Gear Train หรือ Gearbox เปนชุดเกียรทดแรง3. Position Sensor เปนเซ็นเซอรตรวจจับตําแหนงเพื่อหาคาองศาในการหมุน4. Electronic Control System เปนสวนทีค่วบคุมและประมวลผล

54

เมื่อจายสัญญาณพัลซเขามายัง Servo Motor สวนวงจรควบคุม (Electronic Control System) ภายใน Servo จะทําการอานและประมวลผลคาความกวางของสัญญาณพัลซที่สงเขามาเพื่อแปลคาเปนตําแหนงองศาที่ตองการให Motor หมุนเคลื่อนที่ไปยังตําแหนงนั้น แลวสงคําสั่งไปทําการควบคุมให Motor หมุนไปยังตําแหนงที่ตองการ โดยมี Position Sensor เปนตัวเซ็นเซอรคอยวัดคามุมที่ Motor กําลังหมุน เปน Feedback กลับมาใหวงจรควบคุมเปรียบเทียบกับคาอินพุตเพื่อควบคุมใหไดตําแหนงที่ตองการอยางถูกตองแมนยํา

หลักการทํางานของ Servo Motor

55

การควบคุม Servo Motor ดวย PWMServo Motor จะถูกควบคุมตําแหนงการหมุนดวยสัญญาณในรูปแบบ PWM

(Pulse Width Modulation) โดยมุมหรือองศาที่หมุนจะขึ้นอยูกับความกวางของสัญญาณพัลซ ซึ่งโดยสวนมากความกวางของพัลซบวก (Ton ความกวางของลอจิก “1”) ที่ใชใน Servo Motor จะอยูในชวง 1-2 ms หรือ 0.5-2.5 ms และความกวางของพัลสทั้งหมด (T) อยูที่ประมาณ 20 ms

56

ยกตัวอยางเชน หากกําหนดความกวางของสัญญาณพัลซไวที่ 1 ms ตัว Servo Motor จะหมุนไปทางดานซายจนสุด (ที่ 0 องศา) ในทางกลับกันหากกําหนดความกวางของสัญญาณพัลซไวที่ 2 ms ตัว Servo Motor จะหมุนไปยังตําแหนงขวาสุด (ที่ 180 องศา) แตหากกําหนดความกวางของสัญญาณพัลซไวที่ 1.5 ms ตัว Servo Motor ก็จะหมุนมาอยูที่ตําแหนงตรงกลางพอดี (ที่ 90 องศา)

57

ดังนั้น สามารถกําหนดองศาการหมุนของ Servo Motor ไดโดยการเทียบคา เชน Servo Motor สามารถหมุนได 180 องศา โดยที่ 0 องศาใชความกวางพัลซเทากับ 1000 us ที่ 180 องศาความกวางพัลซเทากับ 2000 us เพราะฉะนั้นคาที่เปลี่ยนไป 1 องศาจะใชความกวางพัลซตางกัน (2000-1000)/180 เทากับ 5.55 us

จากการหาคาความกวางพัลซที่มุม 1 องศาขางตน หากตองกําหนดให Servo Motor หมุนไปที่มุม 45 องศาจะหาคาพัลซที่ตองการไดจาก 5.55 x 45 เทากับ 249.75 us แตที่มุม 0 องศาเราเริ่มที่ความกวางพัลซ 1ms หรือ 1000 us เพราะฉะนั้นความกวางพัลซที่ใชกําหนดให Servo Motor หมุนไปที่ 45 องศา คือ 1000 + 249.75 เทากับประมาณ 1250 us

58

ตัวอยางการเชื่อมตอ Servo motor เขากับบอรด Arduino

• servo.attach(pin)• servo.attach(pin,min,max)

ฟงกชันกําหนดตําแหนงขาพอรตสําหรับควบคุม servo motor โดย servo : ตัวแปรชนิดขอมูล Servo

pin : หมายเลขขาพอรตของ Arduino ที่เชื่อมตอกับ servo motormin : สัญญาณ pulse width ในหนวยไมโครวินาที ใชกําหนดมุมการหมุนต่ําสุด (0 องศา)

ของ servo motor (คาดีฟอลตเทากับ 544)max : สัญญาณ pulse width ในหนวยไมโครวินาที ใชกําหนดมุมการหมุนสูงสุด

(180 องศา) ของ servo motor (คาดีฟอลตเทากับ 2400)• servo.write(angle)

ฟงกชันที่ใชควบคุมตําแหนงที่ตองการให Servo motor หมุนไปยังองศาที่กําหนด โดย angle : มุมที่ตองการให servo motor หมุน จาก 0 ถึง 180 องศา

59

ไลบรารี Servo.h• servo.writeMicroseconds(us)

ฟงกชันที่ใชในการควบคุมตําแหนงที่ให servo motor หมุนไปยังตําแหนงองศาที่กําหนด โดยกําหนดเปนคาความกวางของพัลซในหนวยไมโครวินาที โดย us : คาความกวางของพัลซที่ตองการในหนวยไมโครวินาที (มีชนิดขอมูลเปน int)• servo.read()

ฟงกชันอานคาองศาปจจุบันของ servo motor อยูในชวง 0 ถึง 180 องศา (ตําแหนงลาสุดของ servo motor เมื่อเรียกใชงานคําสั่ง write())• servo.attached()

ฟงกชันตรวจสอบขาควบคุมวายังคงติดตอกับ servo motor อยูหรือไม• servo.detach()

ฟงกชันยกเลิกตําแหนงขาพอรตที่ติดตอกับ servo motor

60

ไลบรารี Servo.h (ตอ)

61

ตัวอยางที่ 2 ควบคุมองศาการหมุนของ servo motor

MOTOR-PWMSERVO

การกําหนดคุณสมบัติของ servo 62

ผลการรันที่ได

63

ตัวอยางที่ 3 ควบคุมความเร็วการหมุนของ servo motor

MOTOR-PWMSERVO

การกําหนดคุณสมบัติของ servo 64

ผลการรันที่ไดServo จะหมุนจากองศาที่ 0 ไปจนถึงองศาที่ 179 โดยเปลี่ยนองศาทุก ๆ 10 มิลลิวินาที จากนั้นจะหมุนกลับจากองศาที่ 180 กลับไปยังองศาที่ 1

ใหลองเปลี่ยนคา DL เปน 5 จะทําให servo หมุนเร็วขึ้นแตถาลองเปลี่ยนคา DL เปน 15 จะทําให servo หมุนชาลง

65

ตัวอยางที่ 4 ควบคุม servo motor ดวย R ปรับคาได

MOTOR-PWMSERVO

การกําหนดคุณสมบัติของ servo

POT-HG

66

ผลการรันที่ได

0%

50%

100%

67

ตัวอยางที่ 5 ควบคุม servo (00-99 องศา) ดวย keypad

68

69

โคดตอจากหนาที่แลว

70

ตัวอยางผลการรันที่ไดกดปุม “5” แลว กดปุม “9” แลว กดปุม “#” servo motor จะหมุนไปที่ 59 องศา

71

ตัวอยางที่ 6 ควบคุม servo motor 2 ตัว

72

ผลการรันที่ได

รอ 3 วินาที

73

ตัวอยางที่ 7 ควบคุมทิศทางการหมุน servo ดวย สวิตซ

74

ผลการรันที่ได- ในตอนแรก servo motor จะอยูที่ 90 องศา - ถากดสวิตซตัวขวามือ servo motor จะหมุนตามเข็มไป 5 องศา - แตถากดสวิตซตัวซายมือ servo motor จะหมุนทวนเข็มไป 5 องศา - โดยจะมีการควบคุมใหองศาอยูในชวง 0 ถึง 180 องศา

-5 องศา +5 องศา

75

ตัวอยางที่ 8 อานคาองศาของ servo มาแสดงที่ LCD

76

ผลการรันที่ได- ในตอนแรก servo motor จะอยูที่ 0 องศา - องศาจะคอย ๆ เพิ่มทีละ 10 ไปจนถึง 180 องศา- จากนั้น จะคอย ๆ ลดลงทีละ 10 องศา ไปจนถึง 0 องศา จะวนเชนนี้ไปเรื่อย ๆ- ทุกครั้งที่มีการเปลี่ยนแปลงคาองศา จะมีการใชคําสั่ง servo.read() ในการอานคาองศาปจจุบันของ servo motor มาแสดงผลที่ LCD

ตัวอยางเชน

77

เอกสารอางอิง• http://www.thaieasyelec.com/• http://www.arduitronics.com/• http://www.myarduino.net/• http://www.arduino.org/• https://www.arduino.cc/• http://commandronestore.com/learning/gy521_001.php• http://naringroup.blogspot.com/2016/03/robot-l298n-dual-h-bridge-motor.html• ประจิน พลังสันติกุล, พื้นฐานภาษา C สําหรับ Arduino, กรุงเทพ: แอพซอฟตเทค, 2553• Basic Electronic + Arduino (Pre-Lab) Workshop for Cpre, หองปฏิบัติระบบสมองกลฝงตัว (Embedded

Syatem Lab) ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟาและคอมพิวเตอร คณะวิศวกรรมศาสตร มจพ. 12 ตุลาคม 2557• เรียนรูการใชงาน Arduino เบื้องตน, ชมรม MAKER SPACE PSRU ศูนยเทคโนโลยีสารสนเทศ

มหาวิทยาลัยราชภัฏพิบูลสงคราม• Julien Bayle, C Programming for Arduino, PACKT publishing• สมชาย เบียนสูงเนิน, สรางและพัฒนาอุปกรณดวยไมโครคอนโทรลเลอร,กรุงเทพ: ทริปเพิ้ล เอ็ดดูเคชั่น,

2557• ธีรวัฒน ประกอบผล. การเขียนแอพพลิเคชันดวย Visual Basic 2010 ฉบับสมบูรณ. พิมพครั้งที่ 4.

กรุงเทพฯ: รีไววา, 2557.