STEPPER MOTOR

RESUME
  1. ชนิดของมอเตอร์
    • แบบแม่เหล็กถาวร ( PM = Permanent Magnet )
    • แบบแปรค่ารีลักแตนซ์ ( VR = Variable Reluctance )
    • แบบลูกผสม ( H = Hybrid )
  2. การควบคุมการหมุนของสเต็ปมอเตอร์
    • HALF DRIVE
    • FULL STEP
    • HALF STEP
  3. ซัพเฟรสเซอร์
  4. วงจรขับสเต็ปมอเตอร์
    • แบบไบโพลาร์ ( Bipolar )
    • แบบยูนิโพลาร์ ( Unipolar )
  5. ตัวอย่างวงจรและโปรแกรมที่ใช้ควบคุมสเตปมอเตอร์


สเตปเปอร์มอเตอร์ (Stepper Motor)


สเตปเปอร์มอเตอร์มีความแตกต่างจากมอเตอร์โดยทั่วๆ ไป คือเมื่อป้อนให้กับมันๆจะหมุนเพียงเล็กน้อย ตามเส้นรอบวงและหยุด ซึ่งแตกต่างจากมอเตอร์โดยทั่วไป ที่จะหมุนโดยทันทีและตลอดเวลาที่จ่ายไฟฟ้าสเตปเปอร์ มอเตอร์ยังสามารถกำหนดตำแหน่งของการหมุนด้วยตัวเลข ได้อย่างละเอียด โดยการใช้คอมพิวเตอร์เป็นตัวกำหนดและ จัดเก็บตัวเลขเหล่านั้นไว้

ชนิดของสเตปเปอร์มอเตอร์ (TOP)
  1. แบบแม่เหล็กถาวร (PM = Permanent Magnet)
    สเตปเปอร์มอเตอร์ แบบ PM นั้นจะมีสเตเตอร์ที่พัน ขดลวดไว้หลายๆโพลโดยมีโรเตอร์เป็นรูปทรงกระบอก ฟันเลื่อยและโรเตอร์ทำด้วยแม่เหล็กถาวร เพื่อป้อนไฟ DCให้กับขดลวดสเตเตอร์ จะทำให้เกิดแรงดูดต่อ Rotorหยุดกับที่เมื่อไม่ได้ป้อนไฟฟ้าเข้าขดลวด

  2. แบบแปรค่ารีลักแตนซ์(VR=Variable Reluctance)
    แบบ VR นั้นจะมีการหมุนโรเตอร์ได้อย่างอิสระแม้ไม่ ได้จ่ายไฟให้โรเตอร์ของมันทำจากสารฟอร์สโร แมกเนติก ขนาดกำลังอ่อนและมีลักษณะเป็นฟันเลื่อยรูป ทรงกระบอก โดยจะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับจำนวนโพลใน สเตเตอร์และจึงทำหน้าที่กำหนดมุมที่หมุนไป แต่ละ ครั้งเพื่อป้อนไฟเข้าขดลวดสเตเตอร์ VR จะมีความเฉื่อย ของโรเตอร์น้อย จึงมีความเร็วสูงกว่ามอเตอร์แบบ PM การสังเกตว่าเป็น มอเตอร์แบบ VR ทำได้โดยการหมุนที่เพลาของมอเตอร์จะไม่รู้สึก ติดขัด เพราะไม่เกิดปรากฎการทางด้านแม่เหล็กเหมือน แบบ PM และ H

  3. แบบลูกผสม (H=Hybrid)
    สำหรับ H จะเป็นลูกผสมของ VR กับ RM โดยจะมีสเตเตอร์ คล้ายกับที่ใช้ใน VR สำหรับโรเตอร์ซึ่งมีลักษระของสาร แม่เหล็กที่มีกำลังสูงโดยการควบคุมขนาดรูป ร่างของหมวกแม่เหล็กอย่างดีทำให้ได้มุมการหมุนแต่ ละครั้งน้อยและแม่นยำ ข้อดีก็คือให้แรงบิดสูง มีขนาดกระทัดรัด และให้แรงยึดฉุดโรเตอร์นิ่งกับ ที่ตอนไม่จ่ายไฟ

http://elec.elecnet.chandra.ac.th/tipntrick/stepping/

โครงสร้างภายในของสเตปเปอร์มอเตอร์แบบหลายขั้ว

http://elec.elecnet.chandra.ac.th/tipntrick/stepping/

โครงสร้างจำลองของสเตปเปอร์มอเตอร์ชนิด4เฟส และ ตำแหน่งของโรเตอร์ขณะจ่ายกระแสไฟฟ้าแก่ 01 และ 02

ตารางลักษณะของมุมโรเตอร์หมุนกระแสไฟฟ้าที่ป้อนให้ แก่เฟสต่างๆ

เฟสที่จ่ายกระแสไฟ010102020203030304040401
ตำเหน่งของ rotor

การสั่งให้สเตเปอร์มอเตอร์หมุน (TOP)
    เราสามารถสั่งให้สเตปเปอร์มอเตอร์หมุนได้ 3 อย่าง คือ
  1. แบบจ่ายกระแสไฟฟ้าให้เฟสเดียววนเวียนกันไปเรียก One-Excitation หรือ Half Drive คือ 01,02,03,04 การ Excitation แบบนี้แรงบิดจะน้อย
  2. แบบจ่ายกระแสไฟฟ้าให้พร้อมกันทีเดียว 2 เฟส เรียก Two-Excitation หรือ Full Step คือ 0102,0203,0304,0401 หมุนเวียนกันไป
  3. แบบจ่ายกระแสให้ทีละ 1 เฟส สลับกับ 2 เฟสเรียก One-Two Excitation หรือ Half Step เหมือนรูปแสดงมุมของโรเตอร์ในตารางแต่ แบบนี้จำนวน Step จะเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่าของแบบแรก แต่แรง บิดเฉลี่ยจะน้อย
จากการจ่ายกระแสไฟฟ้าทั้ง 3 อย่าง เราสามารถสั่งให้สเตปเปอร์มอเตอร์ หมุนทวนเข็ฒได้โดยมองการจ่ายกระแสให้เฟสย้อนกลับ เช่นตามเข็มนาฬิกาแบบ Full Step ตารางการจ่ายกระแสไฟให้กับ สเตปเปอร์มอเตอร์แบบ Full Step

04030201
1
0
0
1 		0
0
1
1 		0
1
1
0 		1
1
0
0

หมุนตามเข็มนาฬิกา จะเป็น 0104,0102,0203,0304
หมุนทวนเข็มนาฬิกา จะเป็น 0403,0302,0201,0104

ซัพเพรสเซอร์ (TOP)

ซัพเพรสเซอร์ หมายถึง การแยกหรือกำจัดสัญญาณที่ไม่พึงปราถนา ออกจารวงจร เช่น วงจรกรองความถี่ (Filler) จะทำหน้าที่กำจัด สัญญาณซึ่งมีความถี่ที่สูงหรือต่ำเกินไปออกจาก วงจรโดยให้ความถี่ที่ไม่ต้องการนั้นลงbr วงจร กรองความถี่จึงเรียกได้ว่าเป็นวงจรที่ใช้ซัพเพรสเซอร์ แบบหนึ่งเมื่อทรานซิสเตอร์(Transistor)ในภาพ หยุดนำกระแสหลังจากสั่ง ให้นำกระแสแล้วจะทำให้เกิดแรงดัน E.M.F.ซึ่งแรงดัน ชนิดนี้อาจจะเป็นอันตรายแก่ทรานซิลเตอร์ได้ วิธี ป้องกันทำได้โดยต่อไดโอดซัพเพรสเซอร์ดังภาพ


ภาพ ไดโอดซัพเพรสเซอร์

กระแสไหลหมุนเวียน (Circulation) จะเริ่มไหลหลังจากทรานซิสเตอร์หยุด นำกระแสและแรงดันคอลเล็กเตอร์ (Collector) จะเท่ากับ แรงดันของแหล่งจ่าย ข้อเสียคือกระแสหมุนเวียนอยู่นาน และ จะทำให้เกิดแรงดันบิดห้ามล้อ (Breaking torque) ขึ้นพลังงาน ส่วนใหญ่สูญเสียในความต้านทานของขดลวด ซึ่งมีปัญหา เรื่องการระบายความร้อน

วงจรขับสเตปเปอร์มอเตอร์ (Driver Stepper Motor Circuit) (TOP)


ก. แบบไบโพลาร์


ข. แบบยูนิโพลาร์ทั้งแบบ 5 สาย, 6 สาย

ภาพการพันขดลวดบนสเตเตอร์ ของสเตปเปอร์ มอเตอร์

การพันขดลวดหรือคอยล์บนสเตปเปอร์มอเตอร์ มี 2 วิธีคือ แบบไบโพลาร์ (Bipolar) และแบบยูนิโพลาร์ (Unipolar) ดังรูป
  • สเตปเปอร์มอเตอร์แบบไบโพลาร์มีการพันขด ลวด 1 ขด บนแต่ละขั้วแม่เหล็กของสเตเตอร์ถูกกำหนด โดยทิศทางของกระแสไฟฟ้าและสามารถทำให้เกิดขั้ว แม่เหล็กในทิศทางตรงกันข้ามได้โดยการกำหนดทิศทางการไหล และการกลับทิศทางของกระแสไฟฟ้าทำได้โดยการ ใช้วงจรสวิทช์ชิ่งกลับขั้วไฟฟ้า
  • สำหรับยูนิโพลาร์จะมีการพันขดลวด 2 ขด บน แต่ละขั้วแม่เหล็กของสเตเตอร์ ซึ่งแต่ละขดจะทำ ให้เกิดขั้วแม่เหล็กในทิศทางตรงกันข้ามกัน การก ลับขั้วแม่เหล็กเปลี่ยนไปมาทำได้โดยการสวิทช์ชิ่ง กระแส ไฟฟ้าจากขดลวดหนึ่งไปยังอีกขดลวดหนึ่งแทน เท่านั้น โดยปกติขดลวดทั้งสองจะมีการเชื่อมต่อกัน หรือ มีจุดร่วมเพื่อลดจำนวนของสายไฟที่ต่อจาก มอเตอร์ วงจรจ่ายกำลังไฟฟ้าของมอเตอร์แบบยูนิโพลาร์ทำ ได้ง่ายกว่าชนิดไบโพลาร์ เพราะมันต้องการเพียงสวิตช์ ธรรมดาในการเปิดและปิดกำลังไฟฟ้า ให้กับขดลวดบน สเตเตอร์ในทิศทางที่ต้องหมุนได้ทันที
    รูปแสดงวงจรจ่ายกำลังไฟฟ้าซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์ทำ หน้าที่เป็นสวิตช์ชิ่งให้กับสเตปเปอร์มอเตอร์ที่มีการ พันขดลวดทั้ง 2 แบบจะเห็นได้ว่าในแบบของยูนิ โพลาร์เป็นวงจรที่ง่ายและจะไม่มีความซับซ้อน
    อย่างไรก็ตามการพันขดลวดแบบยูนิโพลาร์ ก็มีจุดด้อยตรงที่การพันแบบนี้ จะทำให้เกิด แรงบิดน้อยกว่าแบบโพลาร์เพราะจะมีเพียงครึ่ง หนึ่งของขดลวดที่ถูกกระตุ้นให้ทำงานเท่านั้นในระยะเวลาหนึ่ง

ภาพวงจรจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับสเตปเปอร์มอเตอร์ ทั้ง 2 แบบ
ก. สำหรับชนิดยูนิโพลาร์ใช้ทรานซิสเตอร์ตัวเดียว ต่อ 1 คอยล์
ข. สำหรับชนิดไบโพลาร์ใช้ทรานซิสเตอร์สวิตช์ 4 ตัวต่อ 1 คอยล์


ตัวอย่างวงจรและโปรแกรมที่ใช้ควบคุมสเตปมอเตอร์ (TOP)

  1. ตัวอย่างวงจรขับสเตปมอเตอร์แบบไบโพลา




  2. ตัวอย่างวงจรขับสเตปมอเตอร์แบบยูนิโพลา






ตัวอย่างโปรแกรมการควบคุมการหมุนของสเตปมอเตอร์ โดยเราสามารถดัดแปลงข้อมูลการหมุนได้ โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงโปรแกรมและจากโปรแกรมนี้สามารถควบคุมสเตปได้สองตัวพร้อมกัน ( อ้างอิงจากการทดลองบน ET-8032 MCS-51 SINGLE BOARD ) 
		ORG

	ST:	MOV	A,DATA
		MOV	DPTR,ADDR
		MOVX	@DPTR,A
		MOV	R7,DATA
		MOV	R1,DATA
	LOOP:	MOV	A,@R1
		MOV	DPTR,ADDR
		MOVX	@DPTR,A
		LCALL	DELAY:
		INC	R1
		DJNZ	R7,LOOP:
		LJMP	ST:
	DELAY:	PUSH	R1
		MOV	R0,DATA
	DELAY2:	MOV	R1,DATA
	DELAY1:	DJNZ	R1,DELAY1:
		DLNZ	R0,DELAY2:
		POP	R1
		RET

  1. การใช้งานกับการหมุนแบบ HALF DRIVE

    จากที่ได้กล่าวมาในข้างต้นการสั่งงานแบบนี้จะสั่งครั้งละเฟส โดยเราจะเก็บข้อมูลการหมุนที่มี R1 ชี้อยู่ดังนี้
    โดยที่ R1 = #10H และกำหนดโดยจำนวนสเตปต่อรอบ R7 = #04H 

    		10==#88H
		11==#44H
		12==#22H
		13==#11H
  2. การใช้งานกับการหมุนแบบ FULL STEP

    จากที่ได้กล่าวมาในข้างต้นการสั่งงานแบบนี้จะสั่งครั้งละสองเฟส โดยเราจะเก็บข้อมูลการหมุนที่มี R1 ชี้อยู่ดังนี้
    โดยที่ R1 = #10H และกำหนดโดยจำนวนสเตปต่อรอบ R7 = #04H 

    		10==#0CCH
		11==#66H
		12==#33H
		13==#99H
  3. การใช้งานกับการหมุนแบบ HALF STEP

    จากที่ได้กล่าวมาในข้างต้นการสั่งงานแบบนี้จะสั่ง 1 เฟสสลับกับ 2 เฟส โดยเราจะเก็บข้อมูลการหมุนที่มี R1 ชี้อยู่ดังนี้
    โดยที่ R1 = #10H และกำหนดโดยจำนวนสเตปต่อรอบ R7 = #08H 

    		10==#0CCH
		11==#44H
		12==#66H
		13==#22H
		14==#33H
		15==#11H
		16==#99H
		17==#88H

กรุณาแนะนำมาที่นี่ครับ



REFERENCE

รวมโครงงานอิเล็กทรอนิกส์ ไมโครคอมพิวเตอร์,บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด (มหาชน)
http://elec.elecnet.chandra.ac.th/tipntrick/stepping/
บริการตัดคำสำหรับโฮมเพจภาษาไทย
อื่นๆ