Motor and Logical control ( Improve On Dec 23 )

Servo Link 1
Servo Link 2
Servo Link 3

• กฎของเเรงดึงดูดคือทำทุกวัน มีกำลังใจ เราทำได้ เราคู่ควร ทำอย่างสม่ำเสมอประกาศเจตนารมณ์ทุกวัน

เซอร์โวมอเตอร์ (Servo Motor)

เซอร์โวมอเตอร์ (Servo Motor) เป็นมอเตอร์ที่มีการควบคุมการลักษณะเคลื่อนที่ของตัวเเปรควบคุม (State of movement) ไม่ว่าจะเป็น ตำเเหน่ง ความเร็ว Torque with Feedback control loop  Servo Motor เป็นอุปกรณ์ที่สามารถควบคุมเครื่องจักรกล หรือระบบการทํางานต่างให้เป็นไปตามความต้องการ 

• ควบคุมความเร็ว  (Speed)
• ควบคุมแรงบิด (Torque)
• ควบคุมแรงตําแหน่ง (Position) ระยะทางในการเคลื่อนที่(หมุน / Angle)

การที่มี close loop control ทำให้ได้เปรียบเรื่องความเเม่นยำเเละมีความเเม่นยำของการปรับตำเเหน่งเมื่อโหลดเปลี่ยนไปขนาดของ Servo Motor จะมีหน่วยในการบอกขนาดเป็นวัตต์ (Watt) เช่น Servo Motor ของ Panasonic จะมีขนาดตั้งแต่ 50W-15kW ทําให้ผู้ใช้งานมีความหลากหลายในการใช้งาน

รูปที่ 1 เซอร์โวมอเตอร์ (Servo Motor)

ประเภทของเซอร์โวมอเตอร์ โดยทั่วจะมีทั้งดีซี (DC) และเอซีเซอร์โว (AC) ในเครื่องจักรรุ่นเก่าๆเราจะพบว่า DC Motor มีการใช้เครื่องจักรกลอุตสาหกรรมมากกว่า AC Servo Motor เนื่องจากช่วงที่ผ่านมาการควบคุมกระแสสูงๆนั้นจะต้องใช้ SCRs ( คืออะไร) แต่ปัจจุบันทรานซิสเตอร์หรือสารกึ่งตัวนำได้พัฒนาขีดความสามารถให้ตัดต่อกระแสสูงและใช้งานที่ความถี่ได้สูงๆขึ้น จึงทำให้ระบบควบคุมทางเอซีและระบบเซอร์โว (Pulse Control) ได้ถูกนำมาใช้งานมากขึ้น ซึ่งสามารถแยกประเภทของเซอร์โวได้ดังนี้

1.มอเตอร์ชนิดที่มีแปรงถ่าน : เซอร์โวมอเตอร์ชนิดนี้ที่สเตเตอร์จะเป็นแม่เหล็กถาวร ส่วนโรเตอร์ยังใช้แปรงถ่านและคอมมิวเตอร์เรียงกระแสเข้าสู่ขดลวดอาร์เมเจอร์ เหมือนกับดีซีมอเตอร์ทั่วไป

2.เซอร์โวมอเตอร์ชนิดที่ไม่มีแปรงถ่าน :เซอร์โวมอเตอร์ในกลุ่มนี้ประกอบด้วยดีซีเซอร์โว (DC Brush less Servo ่โรเตอร์ทำด้วยแม่เหล็กถาวร) เอซีเซอร์โว (AC Servo) ซึ่งมีทั้งแบบซิงโครนัสเซอร์โว อะซิงโครนัสเซอร์โว  (การนำอินดัคชั่นมอเตอร์มาใช้ทำเป็นระบบขับเคลื่อนเซอร์โวมอเตอร์) และ สเตปปิ้งเซอร์โวมอเตอร์

โครงสร้างของเซอร์โวมอเตอร์

ข้อจำกัดอย่างหนึ่งของระบบควบคุมเซอร์โว ก็คือการใช้งานจะต้องเป็นแบบ  closed loop เท่านั้นการใช้งานระบบควบคุมเซอร์โวไม่สามารถเลือกควบคุมเป็นแบบ open loop ได้เหมือนกันระบบขับเคลื่อนเอซี (AC drives) การตอบสนองของระบบเซอร์โว เช่น อัตราเร่ง แรงบิด และตำแหน่งที่ควบคุม จะไม่เป็นไปตามวัตถุประสงค์หากไม่มีสัญญาณป้อนกลับไปยังชุดขับเคลื่อนเซอร์โว การควบคุมการทำงานในระบบนี้อุปกรณ์ป้อนกลับหรือเอ็นโค๊ดเตอร์ (encoder) จะมีบทบาทความสำคัญอย่างยิ่งเสมือนกับเป็นของคู่กันชนิดที่เรียกว่าขาดซึ่งกันและกันไม่ได้ ในทางปฎิบัติจึงทำเซอร์โวมอเตอร์และเอ็นโค๊ดเตอร์ ถูกออกแบบและผลิตสร้างขึ้นมาคู่กันในลักษณะเป็นแพ็คเกจ (Package ) ซึ่ง มี Encoder ติดอยู่ที่ส่วนท้ายของมอเตอร์ ดังรูป

รูปที่ 3 โครงสร้างของ AC servo Motor

โครงสร้างของ AC servo motor จะคล้ายกับมอเตอร์ 3 เฟสทั่ว ๆ ไป ซึ่งจะประกอบด้วย 2 ส่วนที่สำคัญ คือ สเตเตอร์และโรเตอร์  โดยสเตเตอร์จะประกอบด้วยขดลวด 3 ชุด  ขดลวดภายในจะต่อเป็นแบบสตาร์ (Star หรือ WYE) และมีสายต่อมาที่ขั้วต่อสายด้านนอก 3 เส้น (จุดนิวทรอลจะอยู่ด้านใน) ส่วนโรเตอร์ทำด้วยแม่เหล็กถาวร (Permanent magnet) ไม่มีขดลวดพัน,ไม่มีคอมมิวเตเตอร์ และไม่มีแปรงถ่าน (brush-less) โครงสร้างที่ไม่มีขดลวดพันไม่และแปรงถ่าน จะทำให้ประสิทธิภาพของมอเตอร์สูงขึ้น ไม่มีการสูญเสืยในขดลวดทองแดง ไม่ต้องบำรุงรักษาเนื่องจากแปรงถ่าน ไม่เกิดประกายไฟเนื่องจากการเรียงกระแสจากแปรงถ่านผ่านคอมมิวเตอร์ไปยังขดลวดทองแดงที่พันอยู่ในตัวโรเตอร์ สำหรับวัสดุที่นำมาสร้างแม่เหล็กถาวรนี้จะแตกต่างกันไป โดยขึ้นอยู่กับราคาและเทคโนโลยีของบริษัทผู้ผลิดนั้นๆ ซึ่งมีตั้งแต่ชนิดทีราคาถูกเช่น เซรามิก (เฟอไรต์) จนถึงการใช้วัสดุที่มีราคาแพงอย่างเช่น ซามาเรียม โคบอลต์ หรือ นีโอไดเมียม เป็นต้น  (ปัจจุบันเอซีเซอร์โวมอเตอร์ส่วนใหญ่จะใช้วัสดุสารแม่เหล็กแบบ นีโอไดเมียม  เนื่องจากมีคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็ก และความเหมาะสมเรื่องราคาดีกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุสารแม่เหล็กแบบอื่นๆ)

รูปที่ 4 แสดงวัสดุที่นำมาสร้างแม่เหล็กถาวร

หลักการทำงานของเซอร์โวมอเตอร์ 
การทำงานของเซอร์โวมอเตอร์ชนิดนี้จะคล้ายกับการทำงานของซิงโครนัสมอเตอร์ 3 เฟส กล่าวคือเมื่อมีการควบคุมให้คอนโทรลเลอร์จ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าไปยังขดลวดที่สเตเตอร์  แกนเหล็กของสเตเตอร์จะกลายเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า และหมุนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่แปรผันตามความถี่ ซึ่งเรียกว่า ความเร็วซิงโครนัส (synchronous speed) หรือความเร็วสนามแม่เหล็กหมุน และจะดูดให้โรเตอร์ซึ่งเป็นแม่เหล็กถาวรหมุนเคลื่อนที่ตาม

จากลักษณะโครงสร้างของโรเตอร์และหลักการทำงานที่เหมือนกับซิงโครนัสมอเตอร์ซึ่งเป็นมอเตอร์แบบเอซี  แต่ไม่มีแปรงถ่าน
Brush-less) ไม่มีซี่คอมมิวเตอร์ จึงทำให้มอเตอร์ชนิดนี้มีชื่อเรียกขานแตกต่างกันออกไปเช่นเรียกทับศัพท์ว่า permanent Magnet synchronous motor(PMSM) ซึ่งหมายถึงซิงโครนัสมอเตอร์ที่ไม่มีแปรงถ่าน บ้างก็เรียกว่าเอซีเซอร์โวมอเตอร์ (AC Servo motor) หรือบ้างก็เรียกสั้นๆย่อๆว่า AC Brush-less หรือ Brushless Motor เป็นต้น

รูปที่ 5 โครงสร้างและการทำงานของ AC Servo Motor

โครงสร้างของระบบควบคุมเซอร์โวมอเตอร์

ลักษณะของระบบควบคุมเซอร์โวมอเตอร์จะเป็นระบบควบคุมแบบลูปปิด(Closed loop control) ซึ่งประกอบด้วย 3 โหมดการควบคุมคือ โหมดการควบคุมแรงบิด (Torque Control Mode) ซึ่งอยู่วงรอบหรือลูปในสุด  โหมดการควบคุมอัตราเร็ว(Velocity Control Mode) และโหมดการควบคุมตำแหน่ง(Position Control Mode) ซึ่งอยู่ลูปด้านนอกสุด  โดยมีองค์ประกอบที่สำคัญๆดังรูป

รูปที่ 6  โครงสร้างของระบบควบคุมเซอร์โวมอเตอร์

1. เซอร์โวมอเตอร์ (Servo Motor) (ตำแหน่ง 4.2)

2. ชุดควบคุมการขับเคลื่อนเซอร์โว (Servo Drive,Servo Amplifierหรือบ้างก็เรียกว่า servo controller ) (ตำแหน่ง 4.4, 4.5, 4.6)

3. อุปกรณ์ป้อนกลับ (Feedback Device เช่น Speed encoder และPosition Sensor ) (ตำแหน่ง 4.3)

การทํางานเพียงตัว Servo Motor เพียงอย่างเดียวนั้นไม่สามารถทํางานได้ การที่จะให้ Servo Motor จะควบคุมลักษณะที่กล่าวมาข้างต้นนั้นต้องมีองค์ประกอบดังนี้

1.คอนโทรลเลอร์ (Controller)

หลักการทํางานหลักๆ หน้าที่ของ Controller  คือ มีหน้าที่รับคําสั่งจากผู้ใช้งานว่าต้องการให้ Servo Motor นั้นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าไหร่และระยะทาง ใกล้หรือไกลแค่ไหน หน้าที่ตรงจุดนี้จะเป็น Controller จะเป็นตัวกําหนดให้กับตัว Servo Motor

รูปที่ 7  คอนโทรลเลอร์ (Controller)

2. เซอร์โวไดรฟ์เวอร์ (Servo Driver / PID)

รับสัญญาณมาจาก Controller และสั่งการให้กับตัว Servo Motor เคลื่อนที่ตามที่ Controller สั่งการมา  แต่ทําไม Controller ไม่สั่งการควบคุมไปที่ Servo Motor โดยตรง เนื่องจาก Servo Driver จะเป็นตัวที่ปรับตั้งค่าของตัว Servo Motor ให้ทํางานตามรูปแบบของการควบคุมไม่ว่า จะเป็นการควบคุม ความเร็ว(Speed Control) , แรงบิด(Toque) และ ตําแหน่ง(Position Control) ตัว Servo Driver จะเป็น ตัวกําหนดค่าตัวแปรหรือพารามิเตอร์ต่างๆ ให้กับตัว Servo Motor ให้ทํางานได้อย่างถูกต้องและแม่นยํา เพราะฉะนั้นเมื่อใช้ Servo Motor ก็จะต้องมี Servo Driver เสมอ

รูปที่ 8  เซอร์โวไดรฟ์เวอร์ (Servo Driver)

3. เซอร์โวมอเตอร์ (Servo Motor)

หน้าที่ของเซอร์โวมอเตอร์ คือ ขับเคลื่อนอุปกรณ์ของเครื่องจักรกลหรือระบบของการทํางานนั้นๆ ให้เป็นไปตามรูปแบบที่ ได้รับคําสั่งจากตัว Servo Driver พร้อมกับส่งสัญญาณป้อนกลับให้กับตัว Servo Driver ว่าตอนนี้ Servo Motor เคลื่อนที่ด้วย ความเร็วเท่าไหร่และระยะทางในการเคลื่อนที่เป็นระยะทางเท่าไหร่แล้ว ด้วยสัญญาณของตัว Encoder ที่อยู่ภายในตัว Servo Motor ทําให้การเคลื่อนที่ของ Servo Motor นั้นมีความแม่นยําสูง

รูปที่ 9  เซอร์โวมอเตอร์ (Servo Motor)

https://www.facebook.com/1651056628450992/videos/2322543377968977/?t=6
 https://www.facebook.com/electricalpowerkmitl/videos/319964855525115/?t=7
 https://www.facebook.com/ywcth/videos/305051440119099/?t=4