ค้นหาบทความที่นี่

บทความทั้งหมด

มอเตอร์ สเต็ปมอเตอร์ เซอร์โว - ตอนที่ 1 : มอเตอร์

5 ปีที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

Publish : 28 August 2020

หัวข้อในบทความนี้
- มอเตอร์ (Motor) คืออะไร
- ส่วนประกอบของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง
- การขับมอเตอร์อย่างง่าย
- การใช้รีเลย์
- การใช้ทรานซิสเตอร์-มอสเฟต
- การขับมอเตอร์แบบ PWM
- การขับมอเตอร์แบบ H-Bridge
- ข้อควรระวังในการใช้มอเตอร์

อุปกรณ์อีกอย่างที่คู่กับเราเหล่า maker มา พูดไปก็ต้องมีตัวนี้แน่นอนครับ มอเตอร์ (Motor) และ สเต็ปมอเตอร์ (Stepper Motor) นั่นเอง ตั้งแต่โปรเจคง่าย ๆ อย่างหุ่นยนต์ ไปจน Smart Farm ที่ต้องรดน้ำต้องผสมปุ๋ยน้ำ ปั๊มน้ำบางอย่างก็ใช้มอเตอร์ในการขับใบพัด เครื่องใช้หลายอย่างในชีวิตเราพัดลมนี่เห็นกันชัด ๆ หรืออย่างเครื่องพิมพ์ ใช่ครับ ปริ้นเตอร์เรานี่แหละครับ ตอนมันทำงานมันจะมีหัวพ่นหมึกวิ่งไปมาซ้ายขวาก็ใช้สเต็ปมอเตอร์มาทำงานนี้ หรือในอุตสาหกรรม สายพานการผลิตใหญ่ ๆ ก็ใช้มอเตอร์ขับเคลื่อน แม้แต่เราออกนอกบ้านขึ้นรถบิดกุญแจสตาร์ทเครื่องยนต์รถ ก็เป็นการจ่ายไฟฟ้าให้มอเตอร์(ที่เรียกกันติดปากว่าไดสตาร์ท) เพื่อหมุนเครื่องยนต์ให้เริ่มการทำงาน ฉะนั้นก็คงไม่ต้องพูดอะไรมากกว่านี้แล้วนะครับว่าเราล้วนเกี่ยวกับมอเตอร์ สเต็ปมอเตอร์ทั้งสิ้น ใครไม่ได้ใช้มาสร้างผลงานก็ต้องได้ใช้ในชีวิตประจำวันกันเป็นประจำอยู่แล้ว

ในบทความสัปดาห์นี้จะขอพูดถึงมอเตอร์กันก่อน ส่วนสเต็ปมอเตอร์จะพูดในสัปดาห์ถัดไป และต่อด้วยเซอร์โว จากนั้นตอนต่อ ๆ ไปจะเจาะลงในส่วนของโมดูลขับแต่ละตัวนะครับ และมอเตอร์ที่เราพูดถึงกันจะพูดถึงเฉพาะมอเตอร์กระแสตรง (DC Motor) เนื่องจากเป็นมอเตอร์ที่เราใช้กันส่วนใหญ่ ในส่วนของมอเตอร์กระแสสลับ (AC Motor) นั้นส่วนมากจะใช้ในอุตสาหกรรมหรืองานที่ต้องการกำลังสูงมาก ๆ ก็เอาแขวนกันไว้ก่อนละกันครับ

มอเตอร์ (Motor) คืออะไร
มอเตอร์ (Motor) หรือจะเรียกเต็ม ๆ หน่อยก็คือมอเตอร์ไฟฟ้า เป็นอุปกรณ์ที่จะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้กลายเป็นพลังงานกล โดยภายในจะมีแม่เหล็กและขดลวด เมื่อเราจ่ายไฟฟ้าเข้าไปให้ขดลวดจะเกิดการเหนี่ยวนำเป็นสนามแม่เหล็ก และสนามแม่เหล็กนี้ก็จะดูดและผลักกับแม่เหล็กที่ติดอยู่กับแกนมอเตอร์ เหมือนที่เราเรียนกันตอนเด็ก ๆ แหละครับ แม่เหล็กขั้วเดียวกันผลักกัน ต่างขั้วกันดูดกัน ทำให้มอเตอร์หมุนได้นั่นเอง โดยหากแบ่งตามกระแสไฟฟ้าที่ใช้จะมี 2 ชนิด คือมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ และมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง

ส่วนประกอบของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง
จากที่กล่าวไปว่ามอเตอร์นั้นทำงานโดยการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล โดยใช้สนามแม่เหล็ก ใส้ในของมอเตอร์ก็ต้องมีตัวละครเดิมของเราแน่นอน คือ ขดลวดและแม่เหล็ก ส่วนประกอบทั้งหมดแสดงดังรูป

หากดูองค์ประกอบของมอเตอร์จะเห็นว่ามี 2 อย่างหลัก ๆ คือส่วนที่อยู่นิ่ง เรียกว่า Stator และส่วนที่หมุน เรียกว่า Rotor หรือ Armature ซึ่งมีดังนี้
1. แม่เหล็ก (Magnetic) อยู่ในส่วน Stator ถูกติดอยู่กับตัวถังของมอเตอร์ แม่เหล็กนี้ก็คือแม่เหล็กธรรมดาของเรานี่แหละครับ โดยจะมีสองด้าน เป็นขั้วเหนือและขั้วใต้นั่นเอง
2. โรเตอร์ (Rotor) คือแกนเหล็กที่อยู่ตรงกลางของมอเตอร์ Rotor นี้จะมีขดลวดพันอยู่เพื่อเปลี่ยนไฟฟ้าเป็นสนามแม่เหล็ก ไว้ไปผลักและดูดกับแม่เหล็กที่ติดอยู่กับ Stator ทำให้ Rotor หมุนได้ โดยแกนกลางของ Rotor ก็คือแกนหมุนที่ยื่นออกมานอกตัวถังให้เราไว้ใช้งานนั่นเอง
3. คอมมูเทเตอร์ (Commutator) เป็นส่วนแผ่นตัวนำติดอยู่กับโรเตอร์ ทำหน้าที่รับกระแสไฟฟ้าจากแปรงถ่าน (Brush) ส่งต่อไปที่ขดลวดบน Rotor เปลี่ยนเป็นสนามแม่เหล็กต่อไป แผ่น Commutator นี้จะเป็นแผ่นแยกจากกัน มีมีจำนวนตามขดลวดที่พันกับ Rotor

4. แปรงถ่าน (Brush) จะอยู่ใน Stator ต่อกับสายไฟฟ้าที่เราจ่ายเข้าไป มีหน้าที่ส่งไฟฟ้าไปให้ Commutator

ขั้นตอนการทำงานอธิบายตามรูป

การขับมอเตอร์อย่างง่าย
ผู้เขียนเชื่อว่าตอนเด็ก ๆ ทุกท่านคงเคยเล่นมอเตอร์กันมาแล้ว (โดยเฉพาะเด็กผู้ชาย) ซึ่งจากตอนที่เราเล่นกันนั้นก็ต่อมอเตอร์ตรงกับถ่านไฟฉายมอเตอร์ก็จะหมุน เมื่อเราสลับสายบวกลบมอเตอร์ก็จะหมุนสวนทางเดิม
แต่เมื่อโตขึ้นเราก็เรียนรู้อะไรมากขึ้น จินตนาการตอนเด็กของเราใช้ไม่ได้อีกต่อไป เราไม่ต้องการให้มอเตอร์หมุนอยู่แบบนั้นตลอดเวลา เราต้องการการเปิดปิด ต้องการเร่งและเบารอบ การจะมานั่งถอดสายไฟ เพิ่มลดถ่านก็ไม่ได้มีเวลาขนาดนั้น เราจึงใช้การเขียนโปรแกรมเข้ามาช่วย แต่กระแสไฟฟ้าที่ออกมาจากไมโครคอนโทรลเลอร์มันช่างน้อยนิด (อย่าง Arduino เรานี่ก็ไม่เกิน 40mA ต่อขา และรวมไม่เกิน 200mA) ฉะนั้นจึงเป็นไปไม่ได้เลยที่จะขับมอเตอร์โดยการต่อตรงจากบอร์ด มอเตอร์สั่นของโทรศัพท์มือถือตัวเท่าปลายนิ้วก้อยก็กินกระแส 90mA เข้าไปแล้ว เราก็ต้องอาศัยไฟฟ้าจากภายนอกมาต่อให้กับมอเตอร์ต่างหาก แล้วใช้สัญญาณจากบอร์ดของเราไปคุมไฟฟ้าก้อนใหญ่นั้นอีกที ซึ่งสามารถทำได้หลายวิธี ได้แก่
การใช้รีเลย์
อย่างที่เรารู้กันอยู่แล้วว่ารีเลย์เป็นอุปกรณ์ตัดต่อวงจรชนิดหนึ่ง เราสามารถนำรีเลย์มาใช้เปิดปิดมอเตอร์กันตรง ๆ เลยก็ได้เช่นกัน โดยให้โมดูลคั่นสายไฟไว้เป็นสวิตช์เปิดปิด หากใช้โมดูลทั่วไปที่เป็นแบบ Active Low ก็เขียนโปรแกรมให้ Low สำหรับสั่งให้มอเตอร์ทำงาน และเขียน High ให้มอเตอร์หยุดหมุน

การใช้ทรานซิสเตอร์-มอสเฟต
ทรานซิสเตอร์และมอสเฟต เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่ใช้ขยายสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งเราสามารถนำมาใช้เป็นสวิตช์เปิดปิดการทำงานของมอเตอร์ได้เช่นกัน (เปลี่ยนจากรีเลย์มาใช้ทรานซิสเตอร์หรือมอสเฟตแทน) ส่วนเรื่องวงจร Transistor as Switch นั้นจะได้อธิบายอย่างละเอียดในภายหลังต่อไป ซึ่งก็อาจใช้โมดูลสำเร็จรูปอย่าง IRF520 MOSFET Driver หรือจะเอามอสเฟสหรือทรานซิสเตอร์เป็นตัว ๆ มาต่อวงจรก็ได้เช่นกัน

ซึ่งการเปิดปิดมอเตอร์แบบง่าย ๆ นี้ก็เขียนโปรแกรมง่าย ๆ ด้วยการใช้ digitalWrite(pin, LOW) กับ digitalWrite(pin, HIGH) พื้นฐานทั่ว ๆ ไปเหมือนกับสั่งเปิดปิดหลอดไฟ LED แหละครับ (คงไม่ต้องยกตัวอย่างเนอะ)

การขับมอเตอร์ด้วย PWM
จากตัวอย่างที่ยกมานั้นเป็นการเปิดปิดมอเตอร์เสมือนเราเปิดปิดสวิตช์ หรือการต่อแล้วถอดสายไฟ ซึ่งเมื่อไฟฟ้าถูกจ่ายเข้าสู่ตัวมอเตอร์แล้วก็จะหมุนด้วยรอบที่คงที่เท่านั้น เราไม่สามารถควบคุมให้มีรอบการหมุนมากน้อยได้ ลองคิดดูว่าหากเราสร้างรถยนต์ไฟฟ้าขึ้นมาคันหนึ่งแล้วไม่สามารถควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์ได้ เมื่อรถคันหน้าชลอความเร็วเราก็ต้องตัดไฟออกจากมอเตอร์ พอใกล้หยุดเราก็ต้องจ่ายไฟให้รถพุ่งไปข้างหน้า มันใช้งานลำบากมั๊ยครับ ฉะนั้นเราต้องควบคุมความเร็วรอบของมอเตอร์ให้ได้ วิธีก็ไม่ยากครับ ตอนเราทดลองพื้นฐาน Arduino กัน เราใช้ PWM ในการหรี่ไฟ LED หลักการเดียวกันเลยครับ ในการใช้มอสเฟต(หรือทรานซิสเตอร์ก็ได้) เราก็จ่ายสัญญาณ PWM อันน้อยนิดที่ได้จากบอร์ดของเราเข้าไปที่ขา Base เพื่อกระตุ้นให้มอสเฟตขับกระแสสูงมากน้อยตามค่า PWM ที่เราจ่ายให้ ส่งไปให้มอเตอร์หมุนเป็นรอบน้อยรอบมากตามกระแสไฟฟ้าที่ส่งไปให้นั่นเอง

วิธีการลองก็คือต่อวงจรกับโมดูลมอสเฟตตามรูปข้างบน เพียงเปลี่ยนไปใช้ขา 9 ในการควบคุมเท่านั้น มอเตอร์เราก็จะค่อย ๆ เร่งขึ้นจนถึงรอบสูงสุด จากนั้นจะค่อย ๆ เบาลงเรื่อย ๆ จน(แทบ)หยุด แล้วก็จะเร่งขึ้นอีกวนแบบนี้เรื่อย ๆ เหมือนตอนเราทดลองกับ LED และหากใครสังเกตตัวโค้ดดูดี ๆ ใช่แล้วครับ ผู้เขียนเอามาจาก Fade ที่มีอยู่ใน Examples ของ ArduinoIDE นั่นแหละ แค่มาเปลี่ยนตัวแปรเฉย ๆ เห็นมั๊ยครับว่าเหมือน LED เป๊ะ เพียงแค่มอเตอร์มันใช้กระแสเยอะก็ต้องมีอุปกรณ์ขับกระแสสูงเพิ่มขึ้นมาเท่านั้นเอง พื้นฐานง่าย ๆ ก็นำไปใช้ได้แล้วครับ

การขับมอเตอร์ด้วย H-Bridge
H-Bridge เป็นชื่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่ง มีการออกแบบวงเป็นรูปตัว H ตามภาพด้านล่างนี้ จึงเป็นที่มาของชื่อวงจรนี้นั่นเอง

โดยวงจร H-Bridge เป็นวงจรที่ช่วยให้เรากลับทิศการหมุนของมอเตอร์กระแสตรงได้ โดยการเปิดปิดสวิตช์แต่ละตัวเพื่อให้ไฟฟ้าเปลี่ยนทิศทางการไหล มอเตอร์จึงมีการหมุนไปตามทิศทางต่าง ๆ นั่นเอง

และเช่นเคยการที่เราต้องคอยเปิดปิดสวิตช์ทั้ง 4 ตัวย่อมเกิดความไม่สะดวก เราจึงใช้ทรานซิสเตอร์หรือมอสเฟตมาทำหน้าที่แทน รับสัญญาณจาก MCU แล้วเปิดปิดวงจร อธิบายตามภาพข้างล่างนี้ ในการใช้งานเราจะแบ่งขาเหล่านี้ออกเป็น 2 ฝั่ง คือ A-Side ซึ่งมี A และ A' และ B-Side ซึ่งมี B และ B'

ในการควบคุมมอเตอร์โดยใช้ H-Bridge นั้น เราก็ทำได้ง่าย ๆ คือการจ่ายสัญญาณเข้าไปที่คู่ A และ B' และหากต้องการให้มอเตอร์หมุนกลับทิศก็หยุดจ่ายสัญญาณ และจ่ายสัญญาณใหม่เข้าไปที่คู่ A' และ B เท่านั้นเอง โดยตัวอย่างโค้ดต่อไปนี้จะเป็นการสั่งให้มอเตอร์ทำงาน 3 วินาที หยุด 10 วินาที แล้วหมุนกลับทิศ 3 วินาที วนไปเรื่อย ๆ

และเช่นกัน เราก็สามารถควบคุมความเร็วของมอเตอร์ได้โดยการจ่ายสัญญาณ PWM เข้ามา ฉะนั้น H-Bridge นี้ทำให้เราสามารถควบคุมได้ทั้งความเร็วและทิศทางเลยทีเดียว

แต่การใช้ H-Bridge นั้นมีข้อควรระวังคือ ห้ามจ่ายไฟในด้านเดียวกันพร้อมกันเด็ดขาด สมมติเราจ่ายไฟผ่าน A และ A' ไฟฟ้าก็จะไหลผ่าน Q1 และ Q2 ทำให้เกิดความต้านทานน้อยมาก ๆ กระแสก็จะไหลมาก นอกจากมอเตอร์ไม่หมุนแล้วยังเกิดการลัดวงจร สร้างความเสียหายได้อีกด้วย

ซึ่งหากมาดูว่าถ้าเราจ่ายไฟฟ้าเข้าที่ขาต่าง ๆ จะได้ผลดังนี้

A	A'	B	B'	ผลที่ได้
1	0	0	1	มอเตอร์จะหมุน
0	1	1	0	มอเตอร์จะหมุนกลับอีกทิศหนึ่ง
0	0	0	0	ตัดไฟฟ้าออก มอเตอร์จะไหลตามแรงเฉื่อยต่อไปเรื่อย ๆ จนกว่าจะหมดแรง
1	0	0	0
0	1	0	0
0	0	1	0
0	0	0	1
0	1	0	1	มอเตอร์จะเบรก
1	0	1	0	มอเตอร์จะเบรก
X	X	1	1	ลัดวงจร
1	1	X	X	ลัดวงจร

หมายเหตุ 0 = LOW
1 = HIGH
X = ไม่สนใจ
นอกจากการต่อทรานซิสเตอร์ขึ้นเป็นวงจร H-Bridge แล้ว ก็ยังมีไอซีขับมอเตอร์สำเร็จรูปต่าง ๆ ที่ใช้วงจร H-Bridge ซึ่งแต่ละเบอร์ก็จะมีการใช้งานคล้ายกันนี้ อาจมีรายละเอียดต่างกันไปเล็กน้อย ซึ่งจะได้พูดถึงในคราวต่อ ๆ ไป และหากต้องการแค่เปิดปิด+กลับทิศทาง ไม่ได้ต้องการควบคุมความเร็วก็สามารถใช้รีเลย์มาต่อเป็นวงจร H-Bridge ได้เช่นกัน

ข้อควรระวังในการใช้มอเตอร์
1. ไฟฟ้าย้อนกลับ มอเตอร์เป็นอุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลฉันใด การเปลี่ยนพลังงานกลกลับไปเป็นพลังงานไฟฟ้าก็ย่อมได้ฉันนั้นตามกฏการอนุรักษ์พลังงาน ซึ่งมอเตอร์เองก็มีคูแฝดของมันคือไดนาโม ฉะนั้นเมื่อเราตัดไฟฟ้าออกจากวงจรไปแล้วแต่มอเตอร์ยังคงหมุนไหลต่อไปอยู่ แบบนี้มอเตอร์จะเปลี่ยนหน้าที่เป็นไดนาโมทันที มันจะผลิตไฟฟ้าแล้วส่งกลับย้อนขึ้นมาที่วงจรของเราซึ่งจะทำให้วงจร H-Bridge และ MCU ของเราเสียหายได้ วิธีแก้ไขคือเพิ่มไดโอดเข้าไปที่ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวเพื่อกั้นกระแสไฟฟ้าไม่ให้ไหลย้อนกลับมา (ตัวอย่างตามภาพด้านล่าง)
2. สัญญาณรบกวน มอเตอร์หมุนได้ก็เกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นจุดที่อาจทำให้สัญญาณนั้นเดินทางย้อนขึ้นไปตามสายไฟสู่ MCU ของเรา อาจทำให้บอร์ด MCU ทำงานผิดพลาดอันเกิดจากสัญญาณรบกวนนี้ วิธีแก้ไขคือการหาตัวเก็บประจุค่าน้อย ๆ มาต่อคร่อมขนานกับมอเตอร์ก็จะช่วยกรองสัญญาณรบกวนออกไปได้ (ตัวอย่างตามภาพด้านล่าง)
3. ในช่วงที่เริ่มหมุนมอเตอร์จะใช้กระแสไฟฟ้าเป็นจำนวนมากกว่าปกติ ต้องแน่ใจว่าอุปกรณ์ที่ใช้สามารถรองรับกระแสนี้ได้

สำหรับบทนี้ ยาวมาก ๆ ครับ เหลือบดูตัวนับจำนวนคำแล้วบทความนี้ยาวกว่าปกติถึง 3 เท่าเลย แต่ก็อยากให้จบเรื่องมอเตอร์กระแสตรงธรรมดาไป สัปดาห์หน้าจะได้พูดถึงสเต็ปมอเตอร์ และบทต่อ ๆ ไปก็เป็นโมดูลขับมอเตอร์ต่าง ๆ ก็เลยหวดยาว ๆ ให้จบไปเลยไม่อยากแบ่งไว้ให้ค้างคา ยังไงก็เป็นเรื่องพื้นฐานง่าย ๆ อยู่แล้ว ซึ่งจริง ๆ แล้วมอเตอร์ไฟตรงนี้ยังมีมอเตอร์แบบ Brushless อีก ซึ่งจะมีโครงสร้างแล้การใช้งานต่างกันเล็กน้อย ขอโพสต์อิทแปะฝาบ้านไว้ก่อนละกันนะครับ
อันที่จริงที่คิดเริ่มซีรีส์นี้ก็เพราะเห็นน้อง ๆ มือใหม่หลายคนเข้ามาในวงการ เริ่มด้วยการทำหุ่นยนต์เดินตามเส้นที่ต้องมีการขับมอเตอร์ แน่นอนครับ เมื่อสมัยเราก็งง ๆ เหมือนกัน ก็ถือว่าเป็น Tutorial สำหรับมือใหม่ไป ใครเป็นมือเก่ามีประสบการณ์แล้วก็ช่วยกันตรวจสอบช่วยกันแก้ถ้ามีข้อผิดพลาดละกันนะครับ ถือว่าทวนความรู้กันไปในตัว พบกันครั้งหน้ากับเรื่องสเต็ปมอเตอร์ สำหรับวันนี้ สวัสดีครับ

มอเตอร์ สเต็ปมอเตอร์ เซอร์โว - ตอนที่ 2 : สเต็ปมอเตอร์ >>

Special THANKS :
ภาพ gif การทำงานของมอเตอร์ จาก commons.wikimedia.org

tutorial, motor, electronics, Basic, มอเตอร์, มอเตอร์ไฟฟ้า, มอเตอร์กระแสตรง