Motion Control Hardware

Open loop position control
Stepper Motor
Close loop position control
Servo Motor Control
Feedback Device
Motion Conversion Device

ระบบควบุคมการเคลื่อนที่(หากยังสับสนระหว่างการควบุมตำแหน่งและการควบคุมการเคลื่อนที่ขอให้ย้อนกลับไปเรื่อง Motion control theory นะครับ)ประกอบไปด้วยส่วนประกอบมราสำคัญสองส่วนหลักๆดังนี้

ส่วนกำเนิดคำสั่งการเคลื่อนที่ (Position command generator)

สมอง

ส่วนควบคุมตำแหน่ง(Position Controller)

สำหรับหัวข้อนี้จะกล่าวถึงอุปกรณ์หรือฮาร์ดแวร์ที่ใช้ในระบบควบคุมตำแหน่งนะครับ โดยจะแบ่งออกเป็น 2 ระบบคือระบบ ที่มีและไม่มีการป้อนกลับของสัญญาณที่แสดงสภาวะของสิ่งที่เราต้องการควบคุม และสำหรับระบบควบคุมตำแหน่ง สิ่งที่ เรา ต้องป้อนกลับเพื่อใช้ในการคำนวนสัญญาณควบคุมก็คือ ตำแหน่งปัจจุบัน (นอกจากนี้บางท่านได้ อาจเคยได้ยินการ ควบคุมแรง (fource control) การควบคุมทอร์ก แต่ในที่นี้เราจะพูดถึงการควบคุมการเคลื่อน ที่แบบป้อนกลับตำแหน่ง)

Open loop position control

เป็นการควบคุมที่ไม่ต้องมีการป้อนกลับ การควบคุมในลักษณะนี้จะสามารถใช้ได้กับระบบที่เป็นอุดมคติ (หรือใกล้เคียง ความเป็นอุดมคติ) หากกล่าวง่ายๆ ระบบอุดมคติคือระบบที่สามารถรับคำสั่งและสั่งให้ระบบอยู่ในสภาวะที่ต้องการได้โดย ถูกต้อง รวมทั้งใช้เวลาในการขับบระบบเข้าใกล้ศูนย์ หากเรานึกถึงอปุกรณ์แบบนั้นเราคงนึกถึงสเตบเปอร์มอเตอร์ ซึ่ง ใช้หลักการเคลื่อนที่โดยอาศัยสัญญาณไฟฟ้าแบบ pulse ดังนั้น สำหรับระบบควบคุมการเคลื่อนที่แบบลูปเปิด จึงนิยมใช้ มอเตอร์ชนิดนี้ในการขับอุปกรณ์เคลื่อนที่ เนื่องการสั่งงานเป็นไปในลักษณะแบบขั้น แต่ละขั้นมีระยะตำแหน่งที่แน่นนอน
บางท่านอาจเคยได้ยินว่าเราสามารถควบคุมการเคลื่อนที่โดยใช้ servo driver บางตัวที่สามารถทำงานได้ในแบบลูปเปิด โดยการรับสัญญาณจากตัวควบคุมและสามารถสร้างเป็นระบบควบคุมการเคลื่อนที่ได้ ยกตัวอย่างเช่น RC SERVO หรือ แม้กระทั่ง servo drive บางยี่ห้อที่สามาถทำงานในโหมดควบคุมตำแหน่งได้ แต่หากจะพิจารณาจริงๆแล้ว ระบบนั้นเกิด จากการควบคุมแบบลูปปิดอีกทีหนึ่ง ซึ่งจะเห็นว่าเรานิยมระบบลูปปิดมากกว่า เนื่องจากมักได้ประสิทธิภาพและเสถียรภาพ ที่ดีกว่า แต่สำหรับระบบที่ไม่ต้องการความแม่นยำสูง หรือโหลดของระบบไม่มากเกินไป(สเตบเปอร์มอเตอร์ใช้พลังงาน ไฟฟ้ามากกว่ามอเตอร์กระแสตรงและมอเตอร์กระแสสลับที่โหลดเท่ากัน เนื่องจากการใช้กระแสไฟฟ้าแบบพัลส์) เราก็ นิยมใช้มอเตอร์ชนิดนี้ในการสร้างระบบควบคุมการเคลื่อน เนื่องจากควบคุมง่ายและราคาถูก

Stepper Motor

หลายท่านคงเคยเห็นและทราบวิธีการใช้งานมอเตอร์ชนิดนี้นะครับ และดังที่ได้กล่าวไปแล้วว่าสเตปเปอร์มอเตอร์ใช้ กระแสไฟฟ้าแบบพัลส์ในการสร้างสนามแม่เหล็ก โดยจะต้องสร้างสนามในลักษณะต่อกันเป็นทอดๆ เพื่อให้เกิดการ หมุนได้ ลักษณะของลำดับการสร้างพัลส์จะมีหลายรูปแบบ รายละเอียดจะไม่ขอกล่าวเนื่องจากควบคุมมอเตอร์ชนิด นี้สามารถหาแหล่งข้อมูลได้

Close loop position control

ระบบควบคุมแบบลูปปิดถือได้ว่าเป็นระบบที่นิยมและใช้กันมากที่สุด เนื่องจากความสามารถในการควบคุมซึ่งสามารถ ปรับแต่งได้ การทำงานมีประสิทธิภาพและเสถียรภาพ สามารถใช้กับงานได้หลากหลาย สำหรับระบบควบคุมตำแหน่ง ที่ใช้ระบบลูปปิดสามารถแสดงส่วนประกอบต่างๆได้ดังรูป

ในส่วนของการป้อนกลับนั้น ในบางกรณีเราสามารถละที้งบางส่วนไปได้ ยกตัวอย่างเช่น Current transducer หรือ Velocity transducer (ใช้ระบบลูปเปิดและป้อนกลับตำแหน่งเท่านั้น)เนื่องจากหากต้นทุนในการสร้างและลดความ ซับซ้อนของระบบ แต่ประสิทธิภาพอาจด้วยกว่า สำหรับตัวขยายสัญญาณควบคุม เราอาจใช้ power transister หรือ ic สำเร็จรูป แต่หากเราใช้ระบบ servo drive อุปกรณ์เหล่านี้ได้ถูกยุบรวมหรือได้สร้างไว้แล้ว โดย servo drive ในปัจจุบัน มีความสามารถค่อนข้างสูง มีโหมดการทำงานของหลายโหมดเช่น โหมดควบคุมความเร็ว โหมดควบคุมตำแหน่ง หรือ แม้กระทั่งโหมดควบคุมทอร์ก แต่สำหรับการออกแบบระบบควบคุมการเคลื่อนแล้ว เราจะไม่ใช้ฟังก์ชันเหล่านี้เท่าใด นักเนื่องจาก ต้องการให้การควบคุมทั้งหมดเกิดตัวควบคุมกลาง เนื่องจากจะง่ายต่อการออกแบบระบบมากกว่า

Servo Motor Control

หากเรากล่าวถึงการควบคุมตำแหน่งแบบลูปปิด เราย่อมต้องกล่าวถึง Servo Motor (รวมทั้ง Servo Drive) โดยอุปกรณ์ นี้มักใช้ควบคุมคู่กับการออกแบบระบบควบคุมการเคลื่อนที่ หากเป็นการสร้างเพื่อศึกษา เราอาจจะออกแบบระบบนี้เอง แต่หากเป็นการสร้างเพื่อการค้า หรือสำหรับนัก *รีโทรฟิต เครื่องจักรมักจะนิยมนำเข้าอุปกรณ์เหล่านี้จากต่างประเทศ
จากรูปภาพจะเห็นว่าถ้าแบ่งตามชนิดของมอเตอร์แล้ว เราวามารถแบ่ง servo motor ออกเป็น 2 แบบคือ AC และ DC
Drive แต่ที่นิยมใช้ในงานอุตสาหกรรมจะเป็น AC drive เนื่องจากไม่มีปัญหาเรื่องความสึกหรอ (ไม่มีแปลงถ่าน) ไม่มี ปัญหาเรื่องประกายไฟ ประหยัดไฟกว่า ถึงแม้วิธีการควบคุมความเร็วจะยากกว่าแต่เมื่อซื้อ servo motor มาแล้วเรา สามารถควบคุมได้ง่ายๆด้วยการเลือกโหมดการใช้งานที่ต้องการและส่งคำสั่งเท่านั้น

Feedback Device

หลังจากกล่าวถึงมอเตอร์ไปแล้ว เรามากล่าวถึงตัวป้อนกลับกันบ้าง ตัวป้อนกลับเป็นส่วนประกอบสำคัญของควบคุม แบบป้อนกลับ เนื่องจากเป็นตัวที่บอกสถานะของระบบซึ่งเป็นตัวแปรที่สำคัญในการคำนวนหาสัญญาณควบคุมใน ระบบควบคุม หากแบ่งตามลักษณะสัญญาณที่ได้จากตัวป้อนกลับเราสามารถแบ่งตัวป้อนกลับเป็นสองแบบดังนี้

Analog feedback device มักใช้กับระบบควบคุมแบบอนาล็อก แต่หากต้องการใช้กับระบบควบคุมแบบดิจิตอล
เราก็ำจำเป็นจะต้องใช้วงจรแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตองเพื่อให้สามาถนำไปประมวลผลได้อุปกรณ์
แบบนี้ไม่ค่อยเป็นที่นิยมเนื่องจากต้องการแปลงสัญญาณ (ระบบควบคุมส่วนใหญ่ในปัจจุบันจะเป็นแบบดิจิตอล) รวมทั้งสัญญาณรบกวนต่างๆ อย่างไรก็ตาม งานบางแบบยังมีการใช้งานอุปกรณ์เหล่านี้อยู่ อุปกรณ์แบบนี้ได้แ่ก่
1. Potentiometer
  
  ใช้หลักการของความต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ ใช้วิธีต่อแกนหมุนของมันเข้ากับแกนหมุนของมอเตอร์ และใช้วงจรแบ่งโวล์ (Voltage Divider) เข้ากับ Potentiometer ทำให้เมื่อมอเตอร์หมุนแกนของ Poten tiometer ก็จะหมุนไปด้วย นั่นคือค่าความต้านก็จะเปลี่ยนรวมทั้งความต่างศักย์ของวงจรแบ่งโวล์ก็จะ เปลี่ยนไปตามการหมุนของมอเตอร์ ส่วนใหญ่มักใช้งานควบคุมตำแหน่ง และเป็นงานทดลองมากกว่า เนื่องจากมีข้อจำกัดหลายอย่างเช่นความถูกต้องและระยะวัดน้อยเกินไป
2. Tachometer
  
  Tachometer สามารถนำมาใช้เป็นอุปกรณ์ป้อนกลับได้ โดยส่วนมากจะใช้ป้อนกลับอัตราเร็วของมอเตอร์ การทำงานใช้หลักการง่ายคือนำดีซีมอเตอร์แบบแม่เหล็กถาวรต่อเข้ากับแกนของมอเตอร์ที่ต้องการควบคุม นั่นคือหากมอเตอร์ที่เราต้องการควบคุมเกิดหมุน ดีซีมอเอตร์ก็ให้ค่าความต่างศักย์ออกมา เราสามารถนำค่า ความต่างศักย์นี้ไปใช้เป็นสัญญาณป้อนกลับให้กับระบบควบคุมได้
  
  ดีซีมอเตอร์แบบแม่เหล็กถาวรขนาดเล็กนิยมนำมาใช้เป็นตัวป้อนกลับอัตราเร็วของระบบเซอร์โวโดยจะต้อง มีการชดเชยความคลาดเคลื่อนจากอุณหภูมิรวมทั้งใช้ silver เป็นคอมมิวเตเตอร์เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือเมื่อ ใช้งานที่อัตราเร็วต่ำๆหรือกระแสต่ำๆ ดังนั้นรับบเซอร์โวจึงนิยมติด Tachometer (Small permanent magnet DC motor) เข้ากับระบบเลย ดังรูป
Digital feedback device
อุปกรณ์แบบนี้จะป้อนสัญญาณป้อนกลับที่มีค่าแบบดิจิตอล(แบ่งระดับสัญญาณด้วยเลขจำนวนเต็ม) โดยอาจอยู่ใน รูปแบบของสัญญาณต่างๆเช่น square wave, sine wave หรือค่าตำแหน่งเลย แต่หากผ่านการถอดรหัสแล้วค่าป้อน กลับจะเป็นเลขจำนวนเต็มที่แน่นนอนเราจึงเรียกว่าเป็นอุปกรณ์ป้อนกลับแบบดิจิตอล อุปกรณ์เหล่านี้ได้แก่
1. Optical Encoder ในระบบควบคุมตำแหน่งที่ซึ่งต้องการการป้อนกลับตำแหน่งที่แม่นยำได้มีการใช้อุปกรณ์ ป้อนกลับที่ใช้หลักการต่างเช่น magnetic, contact,resistive, และ optical อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ที่นิยมใช้ โดยทั่วไปคืออุปกรณ์ที่ใช้หลักการแสง (optical) หลักการทำงานแสดงดังรูป แผ่น grating จะเคลื่อนที่ (หมุน) ระหว่างตัวกำเนิดแสงและตัวรับแสง เมื่อแสงกระทบส่วนของ grating ที่โปร่งแสง ตัวรับแสงก็จะได้รับแสงนั้น เพื่อให้ได้ความละเอียดมากขึ้น ตัวกำเนิดแสงจะเป็นแบบแสง ขนาน (collimate) และ มีการ mask ระหว่าง grating และตัวรับแสงซึ่งจะทำงานคล้ายกับชัตเตอร์ของ กล้องถ่ายรูป การออกแบบแหล่งแสงและการ mask จะขึ้นกับรูปแบบของเอ็นโคเดอร์ โดยทั่วไปแล้ว optical encoder มี 2 ประเภดังนี้
  - Absolute encoder เป็นอุปกรณป้อนกลับตำแหน่งที่ให้สัญญาณออกมาที่แต่ละตำแหน่งของแกน เป็นค่าเฉพาะเจาะจงของตำแหน่ง(แกน)นั้นๆ โดยค่าสัญญาณจะแบ่งเป็นลอจิก 1 และศูนย์เมื่อ แสงสามารถผ่าน grating ได้และไม่ได้ ค่าลอกจิกที่ได้จะแทนลำดับการนับของแต่ละหลักในเลข ฐานสอง เพื่อให้เข้าใจยิ่งขึ้นขอให้พิจารณภาพ ความละเอียดของเอนโคเดอร์ชนิดนี้ขึ้นกับจำนวน track เ่ช่น หากเอนโคเดอร์มี 10 track นั่นคือ จะมีความละเอียด 2 ยกกำลัง 10 หรือ 1024 ตำแหน่งต่อหนึ่งรอบการหมุน ค่าตำแหน่งที่ได้สามารถ อ่านเป็นค่าตำแหน่งได้เลย รูปแบบของโค๊ดส่วนมากจะเป็น binary code บางครั้งอาจเป็น grey code
    
    บางท่านอาจมองเห็นจุดอ่อนของเอนโคเดอร์ชนิดนี้ นั่นคิอค่าตำแหน่งที่จำักัดหรือมีค่าตำแหน่ง สำหรับหนึ่งรอบการหมุนเท่านั้น แต่เราสามารถแก้ปัญหานี้โดยการเพิ่มจำนวนดิส (grating) ซึ่ง ทำให้ได้ระยะตำแหน่งที่เพิ่มขึ้น
    
    ข้อดีของเอนโคเดอร์ชนิดนี้ได้แก่ ไม่ต้องมีการหาตำแหน่งโฮม (home) เนื่องจากเปิดเครื่องแล้ว ตำแหน่งจะยังคงเป็นตำแหน่งเดิม สัญญาณรบกวนจะไม่มีผลเนื่องจากตำแหน่งที่เปลี่ยนไปจะขึ้น กับการหมุนเท่านั้น แต่เอนโคเดอร์ประเภทนี้มักมีราคาแพง
  - Incremental Encoder* เนื่องจากต้นทุนการผลิตมักเป็นตัวแปรสำคัญในงานอุตสาหกรรม โดย เราจะเห็นว่า Absolute encoder จะมีข้อได้เปรียบหลายข้อก็ตามแต่ก็ยังไม่เป็นที่นิยมเนื่อง จากราคาค่อนข้างแพงเพราะการออกแบบระบบดิสค่อนข้างซับซ้อน จึงได้มีการออกแบบ เอนโคเดอร์อีกชนิดหนึ่ง นั่นคือ Incremental Encoder
    
    ข้อดีของ Absolute encoder ที่เหนือกว่า Incremental Encoder ที่เห็นอย่างที่ชัดคือวิธีการ หาตำแหน่งอ้างอิง แต่ราคาของ Incremental Encoder มักถูกมาก โดยหลักการทำงานที่ต่าง กันอย่างชัดเจนคือการออกแบบดิสและสัญญาณที่ได้ ดิสของ Incremental Encoder แสดงดังรูป
    Incremental Encoder จะให้สัญญาณสองช่อง (บางครั้งอาจประกอบด้วยสัญญาณ Z ซึี่งใช้ใน การตำแหน่งอ้างอิง) สัญญาณคือ A และ B ทิศทางการหมุนจะแทนด้วยการนำหรือตามของ สัญญาณทั้งสอง ส่วนค่าตำแหน่งจะใช้วิธีสุ่มสัญญาณทั้งสองโดยอาจนับขึ้นหรือนับลงขึ้นกับทิศ ทางการหมุน ยกตัวอย่างเช่นนับขึ้นสำหรับการหมุนตามเข็มหรือนับลงสำหรับการหมุนทวนเข็ม นาฬิกา ความละเอียดของการนับขึ้นอยู่กับความละเอียดของเอนโคเดอร์ซึ่งจะระบุโดยผู้ผลิต อย่างชัดเจน นอกจากนี้การออกแบบวงจร (หรือ software)ถอดรหัสก็สามารถเพิ่มความละเอียด ของการนับได้ (จะกล่าวต่อไปในภายหลัง)
    
    ข้อดีอย่างเห็นได้ชัดก็คือเอนโคเดอร์ชนิดนี้ไม่มีข้อจำกัดเรื่องขอบเขตการนับ นั่นคือสามารถนับขึ้น ลงจนกระทั่งตัวควบคุมของเราไม่สามารถนับได้เนื่องการโอเวอร์โฟลว์ของระบบซอฟแวร์ ซึ่งเป็นที่ มาของชื่อ Incremental encoder รวมทั้งราคาเนื่องจากจะเห็นว่าดิสไม่ซับซ้อน แต่ข้อเสียก็คือ ต้องมีกระบวนการหาตำแหน่งอ้างอิงนั่นเอง

Motion Conversion Device

หัวข้อนี้เราจะกล่าวถึงอุปกรณ์ที่ใช้แปลงการเคลื่อนที่แบบ Rotation (มอเตอร์) ไปเป็นการเคลื่อนที่ในแบบที่เราต้องการ โดยส่วนมากเรามักจะต้องการเคลื่อนที่แบบ Translation และอาศัยการทำโคออดิเนตเพื่อให้ได้การเคลื่อนที่แบบเส้นโค้ง ซึ่งในการเคลื่อนที่เพื่อให้ได้เส้นโค้งแบบ 2 มิติ เราจำเป็นต้องอาศัยการเคลื่อนที่แบบ Translation ของ 2 แกนร่วมกัน ดังนั้นในระบบเครื่องจักรกล เราจำเป็นต้องมีเครื่องมือในการแปลงการเคลื่อนที่แบบ Rotation เป็นการเคลื่อนที่แบบ Translation หรือ Rotation เป็น Rotation สำหรับการแปลงการเคลื่อนที่แบบ Translation เป็น Rotation จะไม่กล่าว ถึง เนื่องจากอุปกรณ์ขับระบบแมคคานิคส่วนมากเป็นมอเตอร์ (หมุน) สำหรับ linear motor นั้นก็ไม่มีความจำเป็นในการแปลง เท่าไดนัก เนื่องจากมอเตอร์ชนิดนี้ถูกออกแบบมาเพื่อใช้งานแบบ Translation อยู่แล้ว
หมายเหตุ รายละเอียดของอุปกรณ์จะไม่ขอกล่าว

Rotary-to-rotary motion conversion
1. Gear trains
2. Belt and chain systems
3. Backlash
Rotary-to-translatory motion conversion
1. Rack-and-pinion
2. Pulley or sprocket assembly
3. Lead & Ball screws

*Retrofit การปรับปรุงเครื่องจักรโดยการเปลี่ยนระบบการทำงานหรืออุปกรณ์บางตัวเพื่อให้ได้การทำงานที่ต้องการ *Incremental Encoder มีชื่อเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Quadrature Encoder เนื่องจากใช้การสุ่มสัญญาณ A และ B 4 ครั้ง แต่จริงๆแล้วเราสามารถเพิ่มความละเอียดของการนับได้โดยการใช้วงจรถอดรหัสที่สุ่มสัญญาณ 8 ครั้ง
Back to Top