สเต็ปเปอร์มอเตอร์(STEPPER MOTOR)

 





   
 

                           
 1.  การทำงานของสเต็ปเปอร์มอเตอร์

                    สเต็ปเปอร์มอเตอร์มีความแตกต่างจากมอเตอร์ทั่วๆไป    โดยเมื่อป้อนกำลังไฟฟ้าให้กับมันๆจะหมุนเพียงล็กน้อยตามเส้นรอบวงและหยุดในขณะที่มอเตอร์ทั่วๆไปจะหมุนทันทีและหมุนตลอดเวลาตราบเท่าที่ยังมีพลังงานจ่ายให้แก่ตัวมอเตอร์    สเต็ปเปอร์มอเตอร์สามารถกำหนดตำแหน่งของการหมุนได้อย่างละเอียด   โดยการใช้คอมพิวเตอร์เป็นตัวกำหนดและจัดเก็บเลขข้อมูลของการหมุนเหล่านั้นไว้
                    สเต็ปเปอร์มอเตอร์สามารถใช้งานในระบบเปิด(OPEN SYSTEM) นั่นคือมันสามารถทำงานได้โดยไม่ต้องการการป้อนกลับ(FEEDBACK)แต่ในการกำหนดตำแหน่งให้ถูกต้องจำเป็นที่จะต้องมีการป้อนกลับข้อมูล กลับไปยังระบบควบคุมให้รับรู้เพื่อตรวจสอบว่าตำแหน่งถูกต้องหรือเกิดการผิดพลาด(ERROR)หรือไม่วิธีหนึ่งที่ใช้กันโดยทั่วไปคือการใช้ลิมิตสวิตช์(LIMIT SWITCH)โดยติดตั้งไว้ที่ตำแหน่งที่ต้องการตรวจจับ   เมื่อสเต็ปเปอร์มอเตอร์เริ่มหมุนและหมุนจนกระทั่งถึงตำแหน่งของสวิตช์ตรวจจับสัญญาณก็จะถูกป้อนกลับเข้าสู่ระบบ    ทำให้ทราบการทำงานของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ได้ตลอดเวลา   ซึ่งโดยปกติในวงจรควบคุมจะมีการกำหนดจุดอ้างอิง(REFERENCE  POINT)ไว้ด้วย    เพื่อให้การทำงานไม่ผิดพลาด    ตัวอย่างง่ายๆ   เช่น ถ้าเริ่มจ่ายกำลังไฟฟ้าให้กับฟลอปปี้ดิสก์ไดรฟ์จะได้ยินเสียงของมอเตอร์กำลังเคลื่อนที่เพื่อหาจุดอ้างอิงที่กำหนด หลังจากนั้นวงจรไดรฟ์คอนโทรลเลอร์จะเริ่มทำงานได้  โดยมันจะทราบถึงทุกๆสเต็ปที่ทำการขับเคลื่อนหัวอ่าน/เขียนไปยังแต่ละแทร็กบนดิสก์
                    เช่นเดียวกับมอเตอร์ทั่วไป การที่จะทำให้เกิดการหมุนของโรเตอร์(ROTOR)ได้ต้องมีการกระทำของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์(STATOR)  ซึ่งขึ้นอยู่กับการจัดวางขั้วแม่เหล็ก(POLE)  การหมุนทำได้แบบทั้งต่อเนื่องและกลับทิศทางไปมาโดยกระบวนการทางไฟสลับ,การจัดวางแปลงถ่าน,การจัดแยกคอมมิวเตเตอร์ และการทำการสวิตชิ่งพลังงานไฟฟ้าเพื่อให้เกิดแรงดึงดูดของแม่เหล็ก( MAGNETIC  ATTRACTUON )ที่ขั้วแม่เหล็กสร้างและหยุดสลับกัน  ผลก็คือเกิดสนามแม่เหล็กเกิดบนสเตเตอร์โดยการจ่ายกำลังไฟฟ้าทีละคู่ของขั้วแม่เหล็กในทิศทางตรงกันข้ามไปตลอดเวลา   และเมื่อต้องการให้หยุดหมุนทำได้โดยการหยุดการเกิดขั้วแม่เหล็กที่จุดหนึ่งโดยหยุดการสวิตชิ่งในลำดับต่อไปเสีย   การหมุนกลับทิศทางก็ทำได้เช่นเดียวกับที่กล่าวมาแล้วเพียงแต่ทำการสวิตชิ่งกำลังไฟฟ้าให้เกิดสนามแม่เหล็กหมุนในทิศทางกลับกัน   หรือกลับลำดับการสวิตช์ของมัน
                    โครงสร้างของขั้วแม่เหล็กบนสเตเตอร์ประกอบขึ้นจากแผ่นเหล็กวงแหวนที่มีซี่ยื่นออกมา   แต่ละซี่เหล่านั้นจะมีคอยล์พันสวมอยู่  ดังนั้นเมื่อป้อนกระแสไฟฟ้าผ่านคอยล์ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นด้านตรงข้ามของขั้วแม่เหล็กจะได้รับกระแสไฟฟ้าในเวลาเดียวกันแต่ว่าจะไหลวนในทิศทางตรงกันข้ามดังแสดงในรูปที่ 2.5(ก)  ดังนั้นถ้าเพิ่มจำนวนของขั้วแม่เหล็กมากขึ้นจะเป็นการเพิ่มจำนวนของสเต็ปต่อรอบมากขึ้นตามไปด้วย
                    อย่างไรก็ตามผู้ใช้งานสามารถเพิ่มจำนวนของสเต็ปได้อีกวิธีหนึ่งโดยไม่ต้องปรับเปลี่ยนโครงสร้างภายในโดยทำการจ่ายกำลังไฟฟ้าไปยังขั้วแม่เหล็ก 2 ขั้วที่อยู่ใกล้กันในเวลาเดียวกัน  ซึ่งจะทำให้โรเตอร์หยุดหมุนอยู่ระหว่างกลางของ 2 ขั้วแม่เหล็กนั้น  หรือเคลื่อนที่ไปครึ่งสเต็ปเท่านั้นและวิธีการนี้ยังช่วยให้เกิดแรงบิด(TORQUE)มากขึ้นด้วย ดังแสดงในรูปที่ 2.5(ข)






รูปที่  2.5 (ก)  แสดงสเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่มีการต่อวงจรขดลวดภายในเพื่อกระตุ้นให้เกิดขั้วแม่เหล็ก      
                       1ขั้วในทิศทางตรงกันข้าม  ส่วนขดลวดอื่นๆจะไม่ถูกกระตุ้นเลย






รูปที่  2.5(ข)  แสดงการต่อวงจรขดลวดแบบกระตุ้นให้เกิดขั้วแม่เหล็กพร้อมกัน 2 ขั้วที่อยู่ใกล้กัน
                     ทำให้โรเตอร์เคลื่อนที่มาหยุดอยู่ระหว่างขั้วแม่เหล็กทั้งสอง




                     สเต็ปเปอร์มอเตอร์โดยทั่วไปมีจำนวนของขั้วแม่เหล็กหรือจำนวนสเต็ปต่อรอบเป็นจำนวนมาก   ปกติอยู่ที่ประมาณ  100-400  สเต็ปต่อรอบ    การมีจำนวนสเต็ปมากๆนี้ไม่ได้เพิ่มที่จำนวนขั้วแม่เหล็กไฟฟ้าที่สเตเตอร์  แต่ทำได้โดยเพิ่มจำนวนซี่ขั้วแม่เหล็กที่โรเตอร์  จำนวนสเต็ปต่อรอบทั้งหมดจะได้จากการคูณจำนวนขั้วแม่เหล็กบนสเตเตอร์และจำนวนซี่ที่โรเตอร์   ดังเช่น  ถ้ามีขั้วแม่เหล็ก 3 ขั้วบนสเตเตอร์  และ 8 ซี่ขั้วแม่เหล็กบนโรเตอร์ สเต็ปเปอร์มอเตอร์ตัวนี้จะทำงานที่ 24 สเต็ปต่อรอบหรือหมุนเป็นมุม 15 องศาต่อสเต็ป[7]
                    การใช้วงจรดิจิตอลคอนโทรลเลอร์กำหนดการจ่ายกำลังไฟฟ้าเข้าสู่ขดลวดบนสเตเตอร์แบบซีเควนเชียลทำให้สามารถควบคุมการเคลื่อนที่ทุกสเต็ปได้   เช่นเดียวกับการควบคุมวงจรดีซีเซอร์โว (DC  SERVO)  แต่การควบคุมด้วยดิจิตอลไม่จำเป็นต้องมีการป้อนกลับ  การเคลื่อนที่ทุกเต็ปได้จากการคำนวณจำนวนรอบหรือมุมในการหมุนที่ต้องการ   แล้วจึงส่งข้อมูลที่ได้ไปควบคุมการหมุนของมอเตอร์  อาทิ  ความเร็ว,มุมในการเคลื่อนที่,ตำแหน่งของเพลาถูกกำหนดจากข้อมูลที่ส่งมาควบคุม


   



  2. ชนิดของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ 

                    สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบ่งตามพื้นฐานได้เป็น 3 ชนิด คือ วาริเอเบิลรีลักแตนซ์(VARIABLE  RELUCTANCE :VR), เพอร์มาเนนต์แม็กเนต(PERMANANT MAGNET :PM) และแบบไฮบริด (HYBRID)
                    ชนิดวาริเอเบิลรีลักแตนซ์มีโครงสร้างของโรเตอร์แบบมัลติทูธ(MULTI-TOOTH)  ทำจากเหล็กอ่อน   การทดสอบเพื่อให้ทราบว่าเป็นมอเตอร์ชนิดนี้ทำได้ง่ายมากคือ   ใช้นิ้วหมุนเพลาของมอเตอร์   มอเตอร์ชนิดนี้ที่โรเตอร์จะไม่เกิดปรากฏการณ์ทางแม่เหล็ก(MAGNETISM)  มันจึงหมุนได้ตลอดโดยไม่ติดขัด  แตกต่างจากชนิด PM และชนิดไฮบริดซึ่งมีสนามแม่เหล็กที่โรเตอร์   เมื่อหมุนจะรู้สึกขัดๆเหมือนเป็นฟันเฟือง   สเต็ปเปอร์มอเตอร์ชนิดนี้มีจุดด้อยในเรื่องของความถูกต้องของตำแหน่งและทำงานได้ไม่ดีนักเมื่อมีสเต็ปในการหมุนสูง
                    ชนิดเพอร์มาเนนต์แม็กเนตมีโครงสร้างของโรเตอร์แบบเรียบไม่มีซี่ขั้วแม่เหล็ก    บนโรเตอร์จะเป็นแบบแม่เหล็กถาวรการควบคุมทำได้โดยป้อนกระแสกระตุ้นที่ขดลวดบนสเตเตอร์  ยกตัวอย่างถ้าเป็นสเตเตอร์แบบ 4 เฟส  จะมีขั้วแม่เหล็กอยู่ 4 ขั้ว  ซึ่งมีคอยล์พันอยู่แยกจากกัน   ขั้วแม่เหล็กถาวรบนโรเตอร์จะถูกแรงดึงดูดจากขั้วแม่เหล็กบนสเตเตอร์นั้นถึงแม้ว่าจะไม่ป้อนกระแสไฟฟ้าอีกต่อไป  ทำให้เกิดเป็นแรงยึดหน่วงขึ้น    สเต็ปเปอร์มอเตอร์ชนิดนี้มีข้อดีในเรื่องของความถูกต้องของตำแหน่งเมื่อเปรียบเทียบกับชนิดอื่น
                    ชนิดไฮบริดเป็นชนิดที่นิยมใช้งานกันมากที่สุด  โดยเฉพาะนำมาใช้ในอุปกรณ์ที่ใช้ในเครื่องคอมพิวเตอร์   สเต็ปเปอร์มอเตอร์ชนิดนี้มีโครงสร้างภายในคือ  สเตเตอร์เป็นชนิดวาริเอเบิลรี-ลักแตนซ์   ส่วนโรเตอร์เป็นชนิดเพอร์มาเนนต์แม็กเนตนำมาประกอบเข้าด้วยกัน  จึงทำให้เป็นมอเตอร์ชนิดที่มีแรงยึดหน่วงสูง  มีแรงบิดดึงและผลักดี  และยังคงทำงานได้ดีแม้ว่าจะมีจำนวนของสเต็ปต่อรอบในการหมุนสูงก็ตาม
                    ยังมีสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบใหม่อีกชนิดหนึ่งเป็นชนิดที่ปรับปรุงมาจากชนิดเพอร์มา-เนนต์แม็กเนตนั่นคือ ชนิดแรเอิร์ทเพอร์มาเนนต์แม็กเนต( RARE EARTH PERMANANT  MAGNET ) หรือที่เรียกกันว่าชนิดดิสก์แมกเน็ตสเต็ปเปอร์มอเตอร์(DISC MAGNET STEPPERS)ซึ่งโครงสร้างของโรเตอร์ของมอเตอร์ชนิดนี้มีลักษณะเป็นแผ่นซึ่งยึดกับเพลาของมอเตอร์  การทำงานของมอเตอร์ยังคงเป็นเช่นเดิม  แต่ด้วยโครงสร้างแบบใหม่นี้ช่วยทำให้เกิดโมเมนต์ของความเฉื่อยต่ำมาก,มีอัตราเร่งสูง มอเตอร์ชนิดนี้จึงจัดเป็นมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงทั้งในด้านแรงบิดดึง,กำลังทางกลที่ได้ของมอเตอร์,ความถูกต้องของตำแหน่งสูงมาก  และความเร็วในการเริ่มหมุนและหยุดสูงอีกทั้งยังมีความสูญเสียของกำลังงานต่ำ
                    การพันขดลวดหรือคอยล์บนสเต็ปเปอร์มอเตอร์มีอยู่ 2 วิธีคือ แบบไบโพลาร์(BIPOLAR) และแบบยูนิโพลาร์(UNIPOLAR) ดังแสดงในรูปที่ 2.6








รูปที่  2.6  แสดงการพันขดลวดบนสเต็ปเปอร์มอเตอร์ในลักษณะต่างๆ ทางซ้ายเป็นแบบไบโพลาร์
                     ส่วนที่เหลือเป็นแบบยูนิโพลาร์




                    สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบไบโพลาร์มีการพันขดลวด   1   ขด        บนแต่ละขั้วแม่เหล็กของสเตเตอร์   ขั้วแม่เหล็กที่เกิดขึ้นบนสเตเตอร์ถูกกำหนดโดยทิศทางของกระแสไฟฟ้า และสามารถทำให้เกิดขั้วแม่เหล็กในทิศทางตรงกันข้ามได้โดยการกลับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า     ซึ่งการกำหนดทิศทางการไหลและการกลับทิศทางของกระแสไฟฟ้าทำได้       โดยการใช้วงจรสวิตชิ่งกลับขั้วไฟฟ้า
                    สำหรับยูนิโพลาร์จะมีการพันขดลวด 2 ขดบนแต่ละขั้วแม่เหล็กของสเตเตอร์  ซึ่งแต่ละขดจะทำให้เกิดขั้วแม่เหล็กเปลี่ยนไปมาทำได้โดยการสวิตชิ่งกระแสไฟฟ้าจากขดลวดขดหนึ่งไปยังอีกขดหนึ่งเท่านั้น  โดยปกติขดลวดทั้งสองจะมีการเชื่อมต่อกันหรือมีจุดร่วมเพื่อลดจำนวนของสายไฟที่ต่อจากมอเตอร์  วงจรจ่ายกำลังไฟฟ้าของมอเตอร์แบบยูนิโพลาร์ทำได้ง่ายกว่าชนิดไบโพลาร์เพราะมันต้องการเพียงสวิตช์ธรรมดาในการเปิดและปิดกำลังไฟฟ้าให้กับขดลวดบนสเตเตอร์ในทิศทางที่ต้องการให้หมุนได้ทันที รูปที่ 2.7 แสดงวงจรจ่ายกำลังไฟฟ้าซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นตัวสวิตชิ่งให้กับสเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่มีการพันขดลวดทั้ง 2 แบบ จะเห็นได้ว่าในแบบของยูนิโพลาร์เป็นวงจรที่ง่ายและไม่มีความซับซ้อนเลย












รูปที่   2.7  แสดงตัวอย่างวงจรจ่ายกำลังไฟฟ้าให้แก่สเต็ปเปอร์มอเตอร์
(ก)สำหรับมอเตอร์แบบยูนิโพลาร์
(ข)สำหรับมอเตอร์แบบไบโพลาร์




                    อย่างไรก็ตามการพันขดลวดแบบยูนิโพลาร์ก็มีจุดด้อยตรงที่การพันแบบนี้จะทำให้เกิดแรงบิดน้อยกว่าแบบไบโพลาร์  ทั้งนี้เพราะจะมีเพียงครึ่งหนึ่งของขดลวดที่ถูกกระตุ้นให้ทำงานเท่านั้นในระยะเวลาหนึ่ง
                    การพิจารณาว่าสเต็ปเปอร์มอเตอร์ตัวใดมีการพันขดลวดแบบใดสังเกตได้ง่ายโดยถ้าเป็นแบบไบโพลาร์จะมีสายไฟต่อออกจากมอเตอร์เพียง 4 สาย และถ้าเป็นแบบยูนิโพลาร์จะมี 5 หรือ 6 สาย  หรือทราบได้โดยการอ่านจากป้าย( NAME  PLATE) ที่ติดอยู่กับมอเตอร์ก็ได้
 
   
   
 

        
  3.  การกระตุ้นและควบคุมการหมุนของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ 

                    การกระตุ้นและควบคุมการหมุนของมอเตอร์ให้เคลื่อนที่ไปแต่ละสเต็ปทำได้โดยจ่ายกำลังไฟฟ้าไปยังขดลวดแต่ละขดบนสเตเตอร์ซึ่งต้องป้อนเป็นแบบซีเควนเชียลในรูปแบบที่ถูกต้องโดยแบ่งออกได้เป็น 3 รูปแบบคือ   แบบเวฟ(WAVE),    แบบ 2 เฟส( TWO PHESE)    และแบบครึ่งสเต็ป( HALF  STEP) ทั้ง 3 แบบต่างก็มีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันออกไป
                    แบบเวฟเป็นการกระตุ้นรูปแบบที่ง่ายที่สุด   โดยทำการกระตุ้นขดลวดทีละขดในเวลาหนึ่งและเรียงถัดกันไป  ดังเช่น  ขดที่ 1,2,3,4,1 หรือ 1,4,3,2,1  ขึ้นอยู่กับทิศทางที่ต้องการให้หมุน   ดังนั้นจึงมีขดลวดเพียงขดเดียวในเวลาหนึ่งที่ถูกกระตุ้นเท่านั้น  วงจรกระตุ้นแบบเวฟจึงมีราคาถูกและง่าย   ขั้นตอนการทำงานต่างๆแสดงดังในตารางที่ 2.1




  
ตารางที่  2.1  แสดงลำดับการกระตุ้นเพื่อให้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ทำงานด้วยการกระตุ้นแบบเวฟ



สเต็ปที่	เฟสที่1	เฟสที่2	เฟสที่3	เฟสที่4


1	ทำงาน	-	-	-


2	-	ทำงาน	-	-


3	-	-	ทำงาน	-


4	-	-	-	ทำงาน





  
 แบบ 2 เฟส มีลักษณะคล้ายแบบเวฟ  แต่การกระตุ้นแบบนี้จะทำการกระตุ้นโดยจ่ายกำลังไฟฟ้าไปที่ขดลวด 2 ขดที่อยู่ใกล้กันในเวลาเดียวกัน  และเรียงถัดกันไปเช่นเดียวกับแบบเวฟคือ เริ่มจากขดลวด 1-2,2-3,3-4,4-1,1-2 หรือ 1-4,4-3,3-2,2-1,1-4   ขึ้นอยู่กับทิศทางการหมุน  การเพิ่มจำนวนของขดลวดที่ถูกกระตุ้นนี้ทำให้เพิ่มแรงบิดได้มากกว่าแบบเวฟ  โรเตอร์จะเคลื่อนที่ด้วยแรงดึงอย่างเต็มแรงจาก 2 ขดลวดที่ถูกกระตุ้นพร้อมกัน  และต่อไปด้วยแรงดึงจากอีก 2 ขดลวดถัดไป   สำหรับข้อเสียก็คือการกระตุ้นแบบนี้ต้องใช้แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้ามากขึ้น  ขั้นตอนการทำงานต่างๆแสดงดังตารางที่ 2.2






  
 ตารางที่  2.2  แสดงลำดับการกระตุ้นเพื่อให้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ทำงานด้วยการกระตุ้นแบบ 2 เฟส



สเต็ปที่	เฟสที่1	เฟสที่2	เฟสที่3	เฟสที่4


1	ทำงาน	ทำงาน	-	-


2	-	ทำงาน	ทำงาน	-


3	-	-	ทำงาน	ทำงาน


4	ทำงาน	-	-	ทำงาน






  
  แบบครึ่งสเต็ปเป็นรูปแบบที่เกิดจากการผสมผสานระหว่างการกระตุ้นแบบเวฟและแบบ 2 เฟสเพื่อเพิ่มจำนวนของสเต็ปต่อรอบอีกเท่าตัวหนึ่ง  ในระบบนี้จะทำการกระตุ้นขดลวดเรียงกันไปเป็นลำดับดังนี้ ขดลวดที่ถูกกระตุ้น  1, 1-2, 2, 2-3, 3, 3-4, 4, 4-1, 1  แรงบิดที่ได้จากการกระตุ้นแบบนี้จะเพิ่มมากขึ้นอีกเพราะช่วงสเต็ปมีระยะสั้นลง  และแต่ละสเต็ปเกิดแรงดึงจากขดลวด 2 ขดที่ถูกกระตุ้นพร้อมกัน  ความถูกต้องของตำแหน่งมีเพิ่มมากขึ้น  แต่ต้องพึงระวังไว้อีกประการหนึ่งว่าเมื่อกระตุ้นให้ทำงานในรูปแบบนี้จะต้องทำการหมุนถึง 2 สเต็ปจึงจะทำการหมุนเท่ากับ 1 สเต็ปเต็มเหมือนกับในการควบคุม 2 แบบแรก  สำหรับแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าต้องใช้เทียบเท่าแบบ 2 เฟสจึงจะเพียงพอ  ขั้นตอนการทำงานต่างๆดังแสดงในตารางที่ 2.3




  
ตารางที่  2.3  แสดงลำดับการกระตุ้นเพื่อให้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ทำงานด้วยการกระตุ้นแบบครึ่งสเต็ป



สเต็ปที่	เฟสที่1	เฟสที่2	เฟสที่3	เฟสที่4


1	ทำงาน	-	-	-


2	ทำงาน	ทำงาน	-	-


3	-	ทำงาน	-	-


4	-	ทำงาน	ทำงาน	-


5	-	-	ทำงาน	-


6	-	-	ทำงาน	ทำงาน


7	-	-	-	ทำงาน


8	ทำงาน	-	-	ทำงาน






  







                               
                               
                             


                        

                         
                  

         		
     






      

           


           




      

      
 หากใครสนใจจะแลกลิ้งค์เมล์มาได้เลยครับ.

 


 
    
    
    
 


                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         


1