มอเตอร์สเต็ปเปอร์ลดความเร็วได้อย่างไร?

ในฐานะแอคทูเอเตอร์มอเตอร์สเต็ปเปอร์มอเตอร์สเต็ปเปอร์เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์หลักของเมคาทรอนิกส์ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบควบคุมอัตโนมัติต่างๆ ด้วยการพัฒนาของไมโครอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยีการผลิตที่แม่นยำ ความต้องการมอเตอร์สเต็ปเปอร์จึงเพิ่มขึ้นทุกวัน และการนำมอเตอร์สเต็ปเปอร์มาประกอบเป็นชุดเกียร์ทดรอบก็พบเห็นได้ในสถานการณ์การใช้งานที่มากขึ้นเรื่อยๆ ปัจจุบันผู้คนขนาดเล็กและทั่วไปสามารถเข้าใจกลไกการส่งกำลังแบบเกียร์ทดรอบประเภทนี้ได้ง่ายขึ้น

 

มอเตอร์สเต็ปเปอร์ลดความเร็วได้อย่างไร?

มอเตอร์สเต็ปเปอร์เป็นมอเตอร์ขับเคลื่อนที่ใช้กันทั่วไปและแพร่หลาย โดยปกติจะใช้ร่วมกับอุปกรณ์ลดความเร็วเพื่อให้ได้ผลการส่งกำลังที่เหมาะสม และอุปกรณ์และวิธีการลดความเร็วที่ใช้กับมอเตอร์สเต็ปเปอร์โดยทั่วไป ได้แก่ เกียร์ทดรอบ ตัวเข้ารหัส ตัวควบคุม สัญญาณพัลส์ เป็นต้น

 

การลดความเร็วของสัญญาณชีพจร:ความเร็วรอบของมอเตอร์สเต็ปเปอร์นั้นขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณพัลส์ที่ป้อนเข้าไป ในทางทฤษฎี เมื่อป้อนพัลส์ไปยังตัวขับ มอเตอร์สเต็ปเปอร์จะหมุนไปหนึ่งมุมขั้น (แบ่งย่อยเป็นมุมขั้นย่อย) ในทางปฏิบัติ หากสัญญาณพัลส์เปลี่ยนแปลงเร็วเกินไป มอเตอร์สเต็ปเปอร์จะเกิดการหน่วงภายในเนื่องจากศักย์ไฟฟ้ากลับทิศทาง ทำให้การตอบสนองทางแม่เหล็กระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์ไม่เป็นไปตามการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณไฟฟ้า ส่งผลให้มอเตอร์ติดขัดและหมุนไม่ครบมุม

 

การลดความเร็วด้วยเกียร์ทดรอบ:มอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่ติดตั้งร่วมกับเกียร์ทดรอบ จะให้ความเร็วสูงและแรงบิดต่ำ เมื่อเชื่อมต่อกับเกียร์ทดรอบ ชุดเฟืองทดรอบภายในเกียร์ทดรอบจะสร้างการส่งกำลังด้วยอัตราส่วนการลดรอบ ทำให้ความเร็วรอบของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ลดลง และเพิ่มแรงบิดในการส่งกำลังเพื่อให้ได้ผลการส่งกำลังที่เหมาะสม ประสิทธิภาพการลดรอบขึ้นอยู่กับอัตราส่วนการลดรอบของเกียร์ทดรอบ ยิ่งอัตราส่วนการลดรอบมาก ความเร็วรอบก็จะยิ่งน้อยลง และในทางกลับกัน

 

ความเร็วในการควบคุมเส้นโค้งแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล:เส้นโค้งเอ็กซ์โปเนนเชียล ในการเขียนโปรแกรมซอฟต์แวร์ ค่าคงที่เวลาที่คำนวณได้จะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ก่อน จากนั้นจึงเลือกใช้เมื่อทำการทำงาน โดยปกติแล้ว เวลาในการเร่งและลดความเร็วของมอเตอร์สเต็ปเปอร์จะอยู่ที่ 300 มิลลิวินาทีขึ้นไป หากใช้เวลาในการเร่งและลดความเร็วสั้นเกินไป สำหรับมอเตอร์สเต็ปเปอร์ส่วนใหญ่ จะทำให้ยากที่จะหมุนด้วยความเร็วสูง

 

การลดความเร็วด้วยการควบคุมตัวเข้ารหัส:การควบคุมแบบ PID เป็นวิธีการควบคุมที่เรียบง่ายและใช้งานได้จริง ซึ่งได้รับความนิยมอย่างกว้างขวางในการขับเคลื่อนมอเตอร์สเต็ปเปอร์ โดยอาศัยค่าที่กำหนด r(t) และค่าเอาต์พุตจริง c(t) เพื่อสร้างค่าเบี่ยงเบนการควบคุม e(t) ซึ่งเป็นค่าเบี่ยงเบนแบบสัดส่วน อินทิกรัล และอนุพันธ์ ผ่านการรวมกันเชิงเส้นของปริมาณควบคุม เพื่อควบคุมวัตถุเป้าหมาย บทความนี้ใช้เซ็นเซอร์ตำแหน่งแบบรวมในมอเตอร์สเต็ปเปอร์ไฮบริดสองเฟส และออกแบบตัวควบคุมความเร็ว PI ที่ปรับได้อัตโนมัติโดยอาศัยตัวตรวจจับตำแหน่งและการควบคุมเวกเตอร์ ซึ่งให้ลักษณะการเปลี่ยนแปลงที่น่าพอใจภายใต้สภาวะการทำงานที่แปรผัน โดยอาศัยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ได้ออกแบบระบบควบคุม PID ของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ และใช้อัลกอริธึมควบคุม PID เพื่อหาปริมาณควบคุมในการควบคุมการเคลื่อนที่ของมอเตอร์ไปยังตำแหน่งที่กำหนด สุดท้าย ได้ทำการตรวจสอบโดยการจำลองว่าการควบคุมมีลักษณะการตอบสนองแบบไดนามิกที่ดี ตัวควบคุม PID มีข้อดีคือโครงสร้างเรียบง่าย ความทนทานสูง และความน่าเชื่อถือสูง แต่ไม่สามารถจัดการกับข้อมูลที่ไม่แน่นอนในระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ

 

มอเตอร์สเต็ปเปอร์สามารถใช้ร่วมกับเกียร์ทดรอบแบบใดได้บ้าง? ในการเลือกมอเตอร์สเต็ปเปอร์และเกียร์ทดรอบนั้น จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยเหล่านี้ และควรเลือกเกียร์ทดรอบแบบใดที่สามารถใช้งานร่วมกันได้?

 

1. เหตุผลที่ใช้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ร่วมกับตัวลดเกียร์

 

มอเตอร์สเต็ปเปอร์จะสลับความถี่ของกระแสเฟสของสเตเตอร์ เช่น การเปลี่ยนพัลส์อินพุตของวงจรขับมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ เมื่อมอเตอร์สเต็ปเปอร์ทำงานด้วยความเร็วต่ำ โรเตอร์จะหยุดนิ่งขณะรอคำสั่งสเต็ป การก้าวเดินด้วยความเร็วต่ำจะทำให้ความเร็วผันผวนมาก ในกรณีนี้ เช่น การเปลี่ยนไปทำงานด้วยความเร็วสูง อาจช่วยแก้ปัญหาความเร็วผันผวนได้ แต่แรงบิดจะไม่เพียงพอ กล่าวคือ ความเร็วต่ำจะทำให้แรงบิดผันผวน และความเร็วสูงจะทำให้แรงบิดไม่เพียงพอ จึงจำเป็นต้องใช้ตัวลดความเร็ว

 

2. มอเตอร์สเต็ปเปอร์มักใช้ร่วมกับตัวลดเกียร์

 

ตัวลดเกียร์ (Reducer) คือระบบขับเคลื่อนด้วยเฟืองชนิดหนึ่ง เช่น เฟืองตัวหนอน หรือเฟือง-ตัวหนอน ซึ่งบรรจุอยู่ในตัวเรือนที่แข็งแรง มักใช้เป็นตัวลดเกียร์ระหว่างเครื่องต้นกำลังกับเครื่องทำงาน หรือระหว่างเครื่องต้นกำลังกับเครื่องทำงานหรือตัวขับเคลื่อนเพื่อปรับความเร็วและแรงบิดให้เหมาะสม ตัวลดเกียร์มีหลากหลายประเภท โดยแบ่งตามชนิดของการส่งกำลังได้เป็น ตัวลดเกียร์เฟืองตัวหนอน และตัวลดเกียร์เฟืองดาวเคราะห์ แบ่งตามจำนวนขั้นการส่งกำลังได้เป็นตัวลดเกียร์แบบขั้นเดียวและแบบหลายขั้น แบ่งตามรูปทรงของเฟืองได้เป็นตัวลดเกียร์เฟืองทรงกระบอก ตัวลดเกียร์เฟืองเฉียง และตัวลดเกียร์เฟืองเฉียง-ทรงกระบอก แบ่งตามรูปแบบการจัดเรียงการส่งกำลังได้เป็นตัวลดเกียร์แบบกางออก ตัวลดเกียร์แบบขนาน และตัวลดเกียร์แบบแกนร่วม ตัวลดเกียร์สำหรับมอเตอร์สเต็ปเปอร์ ได้แก่ ตัวลดเกียร์เฟืองดาวเคราะห์ ตัวลดเกียร์เฟืองตัวหนอน ตัวลดเกียร์เฟืองขนาน และตัวลดเกียร์เฟืองเส้นใย

 

 

แล้วความแม่นยำของตัวลดเกียร์แบบเฟืองดาวเคราะห์สำหรับมอเตอร์สเต็ปเปอร์ล่ะ?

 

 

ความแม่นยำของตัวลดเกียร์เรียกอีกอย่างว่า ระยะการคืนตัว (Return Clearance) เมื่อปลายด้านเอาต์พุตถูกตรึงไว้ และปลายด้านอินพุตหมุนตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกาเพื่อให้ได้แรงบิดที่กำหนด +-2% ที่ปลายด้านเอาต์พุต จะมีการเคลื่อนที่เชิงมุมเล็กน้อยที่ปลายด้านอินพุตของตัวลดเกียร์ และการเคลื่อนที่เชิงมุมนี้คือระยะการคืนตัว หน่วยเป็น "นาทีเชิงมุม" หรือหนึ่งในหกสิบขององศา ค่าระยะการคืนตัวโดยทั่วไปจะหมายถึงด้านเอาต์พุตของเกียร์บ็อกซ์ ตัวลดเกียร์แบบสเต็ปเปอร์มอเตอร์มีคุณสมบัติเด่นหลายประการ เช่น ความแข็งแกร่งสูง ความแม่นยำสูง (สามารถเปลี่ยนเกียร์ทีละขั้นได้ภายใน 1 นาที) ประสิทธิภาพการส่งกำลังสูง (97%-98% ต่อขั้น) อัตราส่วนแรงบิดต่อปริมาตรสูง ไม่ต้องบำรุงรักษา เป็นต้น

 

ความแม่นยำในการส่งกำลังของมอเตอร์สเต็ปเปอร์นั้นไม่สามารถปรับได้ มุมการหมุนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ถูกกำหนดโดยความยาวขั้นและจำนวนพัลส์เท่านั้น ซึ่งจำนวนพัลส์สามารถนับได้ทั้งหมด ตัวเลขดิจิทัลไม่ได้บ่งบอกถึงความแม่นยำ หนึ่งขั้นคือหนึ่งขั้น สองขั้นคือสองขั้น ความแม่นยำในปัจจุบันที่สามารถปรับให้เหมาะสมได้คือความแม่นยำของระยะห่างการคืนตัวของเฟืองในชุดเกียร์ดาวเคราะห์

 

1. วิธีการปรับความแม่นยำของแกนหมุน:การปรับความแม่นยำในการหมุนของแกนเกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์ หากความคลาดเคลื่อนในการผลิตของแกนเกียร์เองเป็นไปตามข้อกำหนดแล้ว ความแม่นยำในการหมุนของแกนเกียร์ทดรอบโดยทั่วไปจะถูกกำหนดโดยตลับลูกปืน กุญแจสำคัญในการปรับความแม่นยำในการหมุนของแกนเกียร์คือการปรับระยะห่างของตลับลูกปืน การรักษาระยะห่างของตลับลูกปืนที่เหมาะสมมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของชิ้นส่วนแกนเกียร์และอายุการใช้งานของตลับลูกปืน สำหรับตลับลูกปืนแบบลูกกลิ้ง เมื่อมีระยะห่างมากเกินไป ไม่เพียงแต่จะทำให้ภาระกระจุกตัวอยู่ที่ลูกกลิ้งในทิศทางของแรงเท่านั้น แต่ยังทำให้เกิดปรากฏการณ์การกระจุกตัวของความเค้นอย่างรุนแรงในบริเวณสัมผัสระหว่างวงแหวนด้านในและด้านนอกของตลับลูกปืน ทำให้อายุการใช้งานของตลับลูกปืนสั้นลง และยังทำให้แกนกลางของแกนเกียร์เบี่ยงเบน ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนของชิ้นส่วนแกนเกียร์ได้ง่าย ดังนั้น การปรับตลับลูกปืนแบบลูกกลิ้งจึงต้องมีการตั้งค่าแรงกดล่วงหน้า เพื่อให้เกิดการรบกวนภายในตลับลูกปืนในระดับหนึ่ง เพื่อให้เกิดการเสียรูปยืดหยุ่นในระดับหนึ่งที่บริเวณสัมผัสระหว่างลูกกลิ้งและวงแหวนด้านในและด้านนอก ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงของตลับลูกปืน

2. วิธีการปรับช่องว่าง:ในระหว่างการเคลื่อนที่ของเกียร์ทดรอบแบบดาวเคราะห์ จะเกิดแรงเสียดทาน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขนาด รูปร่าง และคุณภาพพื้นผิวระหว่างชิ้นส่วนต่างๆ รวมถึงการสึกหรอ ส่งผลให้ช่องว่างระหว่างชิ้นส่วนเพิ่มขึ้น ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องทำการปรับแต่งในช่วงที่เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างชิ้นส่วนมีความแม่นยำ

 

3. วิธีการชดเชยข้อผิดพลาด:ความผิดพลาดของชิ้นส่วนเองเกิดขึ้นจากการประกอบที่ไม่เหมาะสม เพื่อป้องกันปรากฏการณ์การเบี่ยงเบนซึ่งกันและกันในช่วงระยะเวลาการใช้งานครั้งแรก และทำให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำของวิถีการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์

 

1. วิธีการชดเชยแบบครอบคลุม:เครื่องมือที่ติดตั้งพร้อมกับตัวลดเกียร์เพื่อทำการประมวลผลนั้น ได้ถูกถ่ายโอนไปพร้อมกับการปรับโต๊ะทำงานอย่างถูกต้อง เพื่อขจัดผลลัพธ์รวมของข้อผิดพลาดด้านความแม่นยำ