การควบคุมสเต็ปปิ้งมอเตอร์

สเต็ปปิ้งมอเตอร์

สเต็ปปิ้งมอเตอร์ (Stepping Motor) หรือ สเต็ปมอเตอร์ (Step Motor) หรือ สเต็ปเปอร์มอเตอร์ (Stepper Motor) คือมอเตอร์ไฟตรงประเภทหนึ่งที่การหมุนแบ่งออกเป็นสเต็ปหรือขั้นย่อย ๆ ที่เท่ากัน โดยเราสามารถควบคุมให้มอเตอร์นี้หมุนได้ตามจำนวนสเต็ปที่ต้องการและยังสามารถทำให้มอเตอร์คงตำแหน่งนั้นไว้ด้วยการจ่ายกระแสไฟฟ้า ในการควบคุมตำแหน่งของมอเตอร์ประเภทนี้ มีข้อดีคือ เราไม่จำเป็นต้องใช้เซนเซอร์ตรวจจับตำแหน่งสำหรับการป้อนกลับ แต่มอเตอร์ประเภทนี้มีข้อเสียเมื่อเทียบกับมอเตอร์ไฟตรงคือ มีแรงบิดค่อนข้างต่ำ และกินกระแสสูงแม้ในขณะที่มอเตอร์ไม่หมุน

สำหรับเอกสารนี้เราจะกล่าวถึงสเต็ปปิ้งมอเตอร์ทั่วไปชนิดสองหรือสี่เฟสเท่านั้น สำหรับสเต็ปปิ้งมอเตอร์ชนิดหลายเฟสจะมีข้อดีคือมีระดับการสั่นต่ำ ประสิทธิภาพดีกว่า แต่ใช้งานได้ยากและมีราคาแพง

หลักการทำงานของสเต็ปปิ้งมอเตอร์คือ เราจะจ่ายไฟให้แก่ขดลวดที่ติดตั้งอยู่บนสเตเตอร์ (stator) เพื่อให้ส่งสนามแม่เหล็กออกมา และส่วนที่เป็นตัวหมุนหรือโรเตอร์ (rotor) จะมีแกนเป็นแม่เหล็กถาวร การจ่ายกระแสเข้าไปที่ขดลวดทำให้เกิดแรงดึงดูดจากสนามแม่เหล็ก ทำให้โรเตอร์หมุน โดยเมื่อเราทำการจ่ายกระแสให้กับขดลวดแต่ละขดอย่างต่อเนื่องจะทำให้มอเตอร์หมุนอย่างต่อเนื่อง และหากเราต้องการให้มอเตอร์หมุนไปตามจำนวนสเต็ปที่กำหนดก็สามารถทำได้โดยการจ่ายพัลส์กระแสผ่านขดลวดตามจำนวนสเต็ปที่ต้องการ รูปที่ 1 (ก) แสดงการทำงานของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ โดยเมื่อจ่ายไฟให้แก่ขดลวดชุด A-A’ ก็จะทำให้แกนหมุนถูกล็อคอยู่ที่ตำแหน่งนั้น ไม่เคลื่อนที่ไปไหนแม้มีแรงกระทำจากภายนอก ในรูปที่ 1 (ข) คือเมื่อมีการป้อนกระแสไปยังขดลวดชุด B-B’ ด้วยก็จะทำให้แกนหมุนหมุนไปตามทิศทางของสนามแม่เหล็กที่เหนี่ยวนำ โดยการหมุนในทิศตามเข็มนาฬิกาจะเกิดขึ้นเมื่อมีการป้อนกระแสให้เกิดสนามแม่เหล็กหมุนวนตามลำดับ A-B-C-D และหากต้องการให้หมุนในทิศทวนเข็มนาฬิกา ก็สามารถทำได้เช่นกัน โดยการกลับลำดับการป้อนกระแสให้แก่ขดลวดบนมอเตอร์

รูปที่ 1 การทำงานของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ (ก) ขณะล็อคให้หยุดนิ่ง
และ (ข) ขณะกำลังหมุนไปครึ่งสเต็ป

รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างภาพถ่ายลักษณะภายนอกและภายในของสเต็ปปิ้งมอเตอร์เบอร์ 28BYJ-48 ซึ่งเป็นสเต็ปปิ้งมอเตอร์ไฟตรงขนาดเล็ก (5 V) ที่มีใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยภายในตัวมอเตอร์จะมีเฟืองทดอยู่ด้วย (รูปที่ 2 (ข)) ทำให้สามารถส่งแรงบิดได้มากขึ้น โดยมอเตอร์ชนิดนี้เป็นแบบสี่เฟสแบบขั้วเดียว (unipolar) ที่มีการเชื่อมต่อหรือแท็ป (tap) ตรงกลางของขดลวดแต่ละชุด ทำให้มอเตอร์นี้มีสี่เฟส และทำให้เราสามารถควบคุมมอเตอร์ได้อย่างง่ายดายยิ่งขึ้นและมีโอกาสที่จะต่อสายไฟผิดพลาดได้น้อยลง

รูปที่ 2 ภาพถ่าย (ก) ลักษณะภายนอก (ข) ภายในส่วนของเฟืองทด และ (ค) ภายในส่วนของสเตเตอร์และโรเตอร์ของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ 28BYJ-48

การควบคุมสเต็ปปิ้งมอเตอร์

ในการใช้งานสเต็ปปิ้งมอเตอร์ เบื้องต้นเราจะต้องทราบลักษณะการพันขดลวดของมอเตอร์ที่เลือกใช้ ซึ่งเราสามารถทราบได้จากแผ่นข้อมูลของมอเตอร์นั้น ๆ โดยส่วนมากสีของสายไฟของสเต็ปปิ้งมอเตอร์จะสัมพันธ์กับการพันขดลวดตามที่ผู้ผลิตกำหนด รูปที่ 3 แสดงตัวอย่าง แสดงลักษณะการวางสายและสีของขดลวดภายในสเต็ปปิ้งมอเตอร์ 28BYJ-48 และสำหรับการหมุนของมอเตอร์นี้ เราจะกำหนดให้หมุนได้ทั้งในทิศตามเข็มนาฬิกา (clockwise, CW) และทวนเข็มนาฬิกา (counter clockwise, CCW) ขึ้นกับลำดับการส่งกระแสเข้าสู่ขดลวด

สำหรับการควบคุมสเต็ปปิ้งมอเตอร์นั้น เราจะทำได้ผ่านการสั่งการด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยเนื่องจากไมโครคอนโทรลเลอร์ไม่สามารถให้ขับกระแสขดลวดภายในมอเตอร์ได้โดยตรง เราจึงจำเป็นต้องมีบอร์ดขับ (driver) ที่ทำหน้าที่จ่ายกระแส โดย ไอซีเบอร์ที่นิยมนำมาใช้ควบคุมสเต็ปปิ้งมอเตอร์ขนาดเล็ก คือ ไอซีเบอร์ ULN2003A รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างภาพถ่ายบอร์ดขับที่ใช้ไอซีเบอร์นี้โดยมีตัวถังแบบ DIP (dual inline package) (รูปที่ 4(ก)) และแบบ SMD (surface mount device) (รูปที่ 4(ข)) โดยบอร์ดขับนี้ จ่ายกระแสสูงสุดได้ 0.5 A และสามารถรองรับแรงดันได้ในช่วง 5 - 12 V และวงจรบอร์ดขับที่แสดงนี้ ออกแบบสำหรับสเต็ปปิ้งมอเตอร์ 4 เฟส 5 สาย

รูปที่ 3 (ก) ภาพลักษณะการวางสาย สี และ (ข) ภาพลักษณะการพันขดลวดของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ 28BYJ-48 ชนิดสี่เฟสแบบขั้วเดียวที่มีแท็ปตรงกลางของขดลวดและเชื่อมต่อกัน

รูปที่ 4 บอร์ดขับสเต็ปปิ้งมอเตอร์ที่ใช้ไอซีเบอร์ ULN2003A แบบ (ก) DIP และ (ข) SMD

การเชื่อมต่อของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ที่ใช้ไอซีเบอร์ ULN2003A และสเต็ปปิ้งมอเตอร์เบอร์ 28BYJ-48 ทำได้โดยง่ายและมีลักษณะวงจรดังรูปที่ 5 โดยเนื่องจากลักษณะของสัญญาณขาออกจากไอซีเป็นแบบกลับขั้ว ดังนั้นจึงมีการจ่ายไฟ VCC ให้แก่ขดลวดของมอเตอร์นี้เพื่อที่จะทำให้ เมื่อวงจรได้รับสัญญาณขาเข้าที่เป็นลอจิก HIGH แล้ว จะเกิดกระแสไหลผ่านขดลวดภายในมอเตอร์ (จาก VCC ไปยังกราวด์ ผ่านไอซี) และมอเตอร์จะทำงาน

รูปที่ 5 ภาพลักษณะวงจรขับสเต็ปปิ้งมอเตอร์โดยไอซีเบอร์ ULN2003A และสเต็ปปิ้งมอเตอร์เบอร์ 28BYJ-48

สำหรับสัญญาณที่ใช้ในการควบคุมการหมุนของมอเตอร์ 4 เฟส (ให้ชื่อเป็น A, B, C, และ D) นั้น จะมีลักษณะดังรูปที่ 6 นั่นคือ เราจะสั่งการให้จ่ายกระแสไปยังขดลวดทีละขดตามลำดับ เพื่อให้มอเตอร์หมุนตามที่ต้องการ โดยสำหรับรูปที่ 6(ก) คือการสั่งการให้มอเตอร์หมุนตามเข็มนาฬิกา โดยจะมีการกลับโลจิกจาก HIGH เป็น LOW ที่ไอซี ULN2003A เพื่อให้กระแสไหลในขดลวดที่ต่ออยู่ และรูปที่ 6(ข) คือการสั่งการให้มอเตอร์หมุนทวนเข็มนาฬิกา ซึ่งเป็นเพียงการกลับลำดับการสั่งการ สำหรับการสั่งการให้มอเตอร์หมุนเร็วหรือช้านั้น เราสามารถทำได้โดยการควบคุมความกว้างของพัลส์สัญญาณที่ป้อนให้แก่บอร์ดขับ (ค่า T ในรูปที่ 6(ก)) โดยค่านี้จะต้องมีค่าไม่น้อยเกินไป เพราะมอเตอร์ซึ่งเป็นอุปกรณ์ทางกลอาจตอบสนองไม่ทันกับสัญญาณไฟฟ้าที่ป้อนให้แก่ขดลวด สำหรับความเร็วในการตอบสนองสูงสุดของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ทั่วไปนั้นจะอยู่ในระดับ 1-10 มิลลิวินาที ต่อการป้อนกระแสแต่ละเฟส ซึ่งทำให้เราจะต้องใช้คำสั่งหน่วงเวลาในโปรแกรมเพื่อให้สามารถควบคุมมอเตอร์ได้ตามที่ต้องการ

รูปที่ 6 ลักษณะสัญญาณที่ต้องป้อนให้แก่สเต็ปปิ้งมอเตอร์เพื่อให้มอเตอร์หมุน (ก) ตามเข็มนาฬิกา และ (ข) ทวนเข็มนาฬิกา

การทดลองควบคุมสเต็ปปิ้งมอเตอร์

วัตถุประสงค์

1. สามารถต่อบอร์ด Node MCU v.3 กับบอร์ดขับสเต็ปปิ้งมอเตอร์และสเต็ปปิ้งมอเตอร์ได้

2. สามารถเขียนโปรแกรมให้ NodeMCU ควบคุมทิศทางการหมุนของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ได้

3. สามารถเขียนโปรแกรมให้ NodeMCU ควบคุมการหมุนของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ผ่านพอร์ตอนุกรมได้

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง

1. เครี่องคอมพิวเตอร์ที่มีระบบปฏิบัติการ Windows (ตั้งแต่ Windows 7 ขึ้นไป)
พร้อมติดตั้งโปรแกรม Arduino IDE 1.8.8 IoT 1 เครื่อง

2. NodeMCU v.3 1 บอร์ด

3. NodeMCU Base Ver 1.0 1 บอร์ด

4. บอร์ดขับมอเตอร์ที่ใช้ไอซีเบอร์ ULN2003A 1 บอร์ด

5. สเต็ปปิ้งมอเตอร์ 28BYJ-48 พร้อมสาย 1 ตัว

6. อะแด็ปเตอร์ 9 V 1 ตัว

7. สาย USB 1 เส้น

8. สายต่อวงจร (สายจัมพ์ เมีย-เมีย) 6 เส้น

วิธีการทดลอง

ตอนที่ 1 การควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอร์

1. ต่อวงจรดังรูปที่ 7

2. เขียนโปรแกรมดังที่แสดงในโค้ดหน้าถัดไป จากนั้นจึงอัปโหลดลง NodeMCU v.3 แล้วสังเกตทิศทางการหมุนของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ โดยหากมอเตอร์ไม่หมุน เนื่องจากไฟเลี้ยงจาก USB ไม่เพียงพอ ก็ขอให้ใช้อะแด็ปเตอร์ร่วมในการจ่ายไฟไปยังบอร์ดขับมอเตอร์

รูปที่ 7 การเชื่อมต่อ NodeMCU v.3 กับบอร์ดขับสเต็ปปิ้งมอเตอร์และสเต็ปปิ้งมอเตอร์ โดยในกรอบสี่เหลี่ยมสีเขียวคือการต่อสายในกรณีที่ไฟเลี้ยงจากพอร์ต USB นั้นไม่เพียงพอ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121

// Control 4-Phase Step Motor with ULN2003A // // 5-V Step Motor is 28BYJ48 // Pin 1-4 = (Blue, Pink, Yellow, and Orange) // Pin 5 = VCC (Red) int motorPin1 = D1; int motorPin2 = D2; int motorPin3 = D3; int motorPin4 = D4; int motorDelay = 5; //variable to set motor speed //Long delay = slow speed (8*motorDelay per 1 rev) void setup() { pinMode(motorPin1, OUTPUT); pinMode(motorPin2, OUTPUT); pinMode(motorPin3, OUTPUT); pinMode(motorPin4, OUTPUT); } void loop() { // Rotate CW for(int i=0; i < 100; i++) { motorCW(); // Rotate 1 rev. CW } delay(1000); // Rotate CCW for(int i=0; i < 100; i++) { motorCCW(); // Rotate 1 rev. CCW } delay(1000); } void motorCW() { digitalWrite(motorPin1, HIGH); digitalWrite(motorPin2, LOW); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin4, LOW); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin1, HIGH); digitalWrite(motorPin2, HIGH); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin4, LOW); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin1, LOW); digitalWrite(motorPin2, HIGH); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin4, LOW); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin1, LOW); digitalWrite(motorPin2, HIGH); digitalWrite(motorPin3, HIGH); digitalWrite(motorPin4, LOW); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin1, LOW); digitalWrite(motorPin2, LOW); digitalWrite(motorPin3, HIGH); digitalWrite(motorPin4, LOW); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin1, LOW); digitalWrite(motorPin2, LOW); digitalWrite(motorPin3, HIGH); digitalWrite(motorPin4, HIGH); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin1, LOW); digitalWrite(motorPin2, LOW); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin4, HIGH); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin1, HIGH); digitalWrite(motorPin2, LOW); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin4, HIGH); delay(motorDelay); } void motorCCW() { digitalWrite(motorPin4, HIGH); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin2, LOW); digitalWrite(motorPin1, LOW); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin4, HIGH); digitalWrite(motorPin3, HIGH); digitalWrite(motorPin2, LOW); digitalWrite(motorPin1, LOW); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin4, LOW); digitalWrite(motorPin3, HIGH); digitalWrite(motorPin2, LOW); digitalWrite(motorPin1, LOW); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin4, LOW); digitalWrite(motorPin3, HIGH); digitalWrite(motorPin2, HIGH); digitalWrite(motorPin1, LOW); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin4, LOW); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin2, HIGH); digitalWrite(motorPin1, LOW); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin4, LOW); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin2, HIGH); digitalWrite(motorPin1, HIGH); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin4, LOW); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin2, LOW); digitalWrite(motorPin1, HIGH); delay(motorDelay); digitalWrite(motorPin4, HIGH); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin2, LOW); digitalWrite(motorPin1, HIGH); delay(motorDelay); }

3. ตรวจสอบการหมุนของมอเตอร์ จากนั้นทดลองแก้ไขค่า motorDelay จาก 5 เป็น 10 จากนั้นจึงอัปโหลดโปรแกรมใหม่ แล้วสังเกตการหมุนของมอเตอร์

ตอนที่ 2 การควบคุมการหมุนของมอเตอร์ผ่านพอร์ตอนุกรม

1. ต่อวงจรดังรูปที่ 7 (เหมือนการทดลองตอนที่ 1)

2. เขียนโปรแกรมโดยมีโค้ดดังที่แสดงในกรอบด้านล่าง โดยนำฟังก์ชัน motorCW() และ motorCCW() จากการทดลองตอนที่ 1 มาใส่ลงในโปรแกรมนี้ด้วย จากนั้นจึงอัปโหลดลง NodeMCU v.3

3. เปิด Serial Monitor (Ctrl+Shift+M) และป้อนคำสั่ง ‘1’ หรือ ‘2’ แล้วสังเกตการหมุนของมอเตอร์

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44

// Control 4-Phase Step Motor with ULN2003A // by Serial Data // // 5-V Step Motor is 28BYJ48 // Pin 1-4 = (Blue, Pink, Yellow, and Orange) // Pin 5 = VCC (Red) int motorPin1 = D1; int motorPin2 = D2; int motorPin3 = D3; int motorPin4 = D4; int motorDelay = 5; //variable to set motor speed // Long delay = slow speed(8*motorDelay per 1 rev) char inchar; // Input control character void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(motorPin1, OUTPUT); pinMode(motorPin2, OUTPUT); pinMode(motorPin3, OUTPUT); pinMode(motorPin4, OUTPUT); } void loop() { inchar = Serial.read(); if(inchar == '1') { for(int i=0; i < 20; i++) { motorCW(); } delay(100); } if(inchar == '2') { for(int i=0; i < 20; i++) { motorCCW(); } delay(100); } }

แบบฝึกหัดท้ายการทดลอง

จงต่อวงจรดังรูปที่ 8 และเขียนโค้ดโปรแกรมที่ทำให้ ผู้ใช้สามารถควบคุมสเต็ปปิ้งมอเตอร์ให้หมุนตามทิศที่กำหนดได้เมื่อมีการกดปุ่มกด

รูปที่ 8 การเชื่อมต่อ NodeMCU v.3 กับบอร์ดขับสเต็ปปิ้งมอเตอร์ สเต็ปปิ้งมอเตอร์ และปุ่มกดสองปุ่มเพื่อควบคุมการทำงานของมอเตอร์ด้วยปุ่มกด