การปรับค่า Motor Turning กรณีไม่ทราบข้อมูลของ Stepper Motor สำหรับโปรแกรม March3

Mini CNC 2030 คู่มือภาษาจีนและไม่บอกค่า Step per ที่ถูกต้อง

ตัวผู้เขียนได้ลองซื้อ Mini CNC 2030 จาก Website Aliexpress.com เนื่องด้วยราคาที่ถูกกว่ามากเมื่อเทียบกับ Mini CNC ที่มีจำหน่ายในบ้านเรา เมื่อของมาถึงเปิดในกล่องก็พอว่าได้ CD 1 แผ่น เมื่อเปิดดูภายในก็ได้ไฟล์เป็นภาษาจีน พร้อมกับวิธีการตั้งค่าในโปรแกรม March3

ตัวอย่างไฟล์ปรับตั้งค่าสำหรับ March3 ที่ได้จากผู้ขาย

ทุกอย่างสามารถปรับตั้งค่าได้ดี แต่ติดปัญหาเฉพาะการตั้งค่า Motor Turning เมื่อทำตามแล้วลองทดสอบเครื่องพบว่าระยะไม่ถูกต้อง แถมยังเป็นภาษาจีนอีก ตัวสำคัญที่สุดในที่นี้คือ ค่า Step per

ตัวอย่างหน้าการปรับ Motor Turning จากคู่มือ

ในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะค่า Step per เนื่องจากมีความสำคัญที่ทำให้ Stepper motor หมุนในระยะที่ถูกต้อง เช่น สั่งให้ Stepper motor แนวแกน Y เคลื่อนที่ 100 mm จากโปรแกรม หน้างานจริงก็ต้องได้ระยะที่เท่ากัน ถ้าค่า Step per มีถูกต้องกับ Stepper Motor ที่อยู่ในเครื่อง CNC แต่ถ้าไม่ถูกต้อง กรณีเราสั่ง 100 mm จากโปรแกรม หน้างานจริงอาจเคลื่อนที่ได้เพียง 95 mm เป็นต้น โดยทั่วไปแล้วทั้ง 3 แกน จะใช้ Stepper motor รุ่นเดียวกันและระยะพิท (Pitch) ของแกนหมุนขนาดเท่ากัน

ความหมายของค่า Step per ในหน้าต่าง Motor Turning

เช่น  Step per = 300  นั่นคือ ต้องสั่ง Stepper Motor ทั้งหมด 300 step ถึงจะทำให้ตัวแกนเคลื่อนที่ได้ระยะ 1 mm

การหาค่า Step per 

ผู้เขียนพยายามค้นหาวิธีแก้ ค้นใน google ลองวัดระยพิทของสกรูและข้อมูลของ Stepper motor แต่เมื่อทำตามแล้วก็ใช้ไม่ได้ผล มีความคลาดเคลื่อน จึงได้ทำการวิเคราะห์เอง และเขียนเป็นสมการดังนี้

ตัวอย่าง

ทำการใช้เวอร์เนียหรือไม่บรรทัดวัดหน้างานได้ระยะ 94 mm สามารถคำนวณหาค่า Step per ที่ถูกต้องได้ ดังนี้

ดังนั้น ค่า Step per ที่ถูกต้องมีค่าเท่ากับ 417

หมายเหตุ เพื่อความถูกต้องในการคำนวณควรทดสอบที่ระยะการเคลื่อนที่สูง ๆ เช่น > 100 mm เพื่อให้ได้เห็นค่าความคลาดเคลื่อน

ติดตามสิ่งประดิษฐ์ดีดีได้ที่ TOHighway - ทางหลวงของนักประดิษฐ์  หรือเพจ TOHighway

ช่องยูทูป Somsak Elect

                                               

การหาความซึมซับทางแม่เหล็กของแกน (Relative Magnetic Permeability) และความเหนี่ยวนำด้วยวิธีรีโซแนนท์ (Resonance Method)

       ตัวเหนี่ยวนำ (Inductor) มีคุณสมบัติไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงทันทีทันใด ซึ่งตัวของมันจะเก็บพลังงานในรูปของสนามแม่เหล็ก ค่าความเหนี่ยวนำตัวเอง (Self-inductance) ของขดลวด เกิดจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเอง 

       ค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดที่เราต้องการหา โดยส่วนใหญ่แล้วแกนของขดลวดตัวเหนี่ยวนำจะไม่ได้เป็นอากาศ อาจจะเป็นวัสดุที่เราหามาได้ หรือแกนเฟอร์ไรต์ที่ขายตามบ้านหม้อ จะไม่มี Datasheet ของแกน

      วิธีการออกแบบตัวเหนี่ยวนำโดยส่วนใหญ่จะใช้การคำนวณด้วยโปรแกรมออนไลน์บนอินเตอร์เน็ต เช่น http://coil32.net/online-calculators.html แต่เนื่องจากการคำนวณของโปรแกรมกำหนดให้ใส่ค่า Relative Magnetic Permeability (ค่าความซึมซาบทางแม่เหล็กของแกน) เมื่อไม่มี Datasheet ก็จะไม่สามารถรู้ค่า Relative magnetic permeability ได้ ดังนั้นคนส่วนใหญ่จึงใช้วิธีคาดเดาเอาเองว่าเท่าไร เมื่อออกแบบมาแล้วผลที่ได้จึงมีประสิทธิภาพต่ำ และไม่มีความแน่นอน หรือถ้าการคำนวณตัวเหนี่ยวนำบางแบบ ออกแบบการคำนวณมาเฉพาะตัวเหนี่ยวนำแกนอากาศ เราก็จะไม่สามารถใช้โปรแกรมนั้นออกแบบได้ เพราะค่าที่ได้จะคลาดเคลื่อน 

โดยที่แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำสามารถหาได้ ดังสมการข้างล่าง

ภาพจาก http://coil32.net/online-calculators/ferrite-torroid-calculator.html

       ยกตัวอย่างเช่น ตัวเหนี่ยวนำแบบโซลีนอยล์ ซึ่งเป็นแบบ Single Layer (ขดลวดชั้นเดียว)

อ้างอิงจาก http://coil32.net/theory/faq.html

       กำหนดให้เป็นค่า Inductance ที่คำนวณได้จากโปรแกรมออนไลน์ http://coil32.net/online-calculators/one-layer-coil-calculator.html ถ้าค่าตัวเหนี่ยวนำที่เราออกแบบไม่ได้ทำมาจากแกนอากาศจะได้ความสัมพันธ์ว่า

     โดยที่ค่าความเหนี่ยวนำจริงที่เกิดขึ้นจะเป็นจำนวนเท่าของตัวเหนี่ยวนำที่คำนวณได้จากโปรแกรม ดังนั้น เมื่อเรารู้ค่าความเหนี่ยวนำจริงที่เกิดขึ้นก็จะสามารถหาค่า k ได้ ซึ่งค่า k ในที่นี่คือ Relative Magnetic Permeability ของแกนที่เราใช้นั้นเอง 

     กรณีที่โปรแกรมคำนวณกำหนดให้ใส่ค่า Relative Magnetic Permeability ในขณะที่เราไม่รู้ค่าที่แท้จริง ให้ใส่ค่าเท่ากับ 1 เพื่อจะได้คำนวณค่าความเหนี่ยวนำในกรณีแกนอากาศออกมาก่อน จากนั้นจึงใช้วิธีก่อนหน้าเพื่อหาค่า Relative Magnetic Permeability ของแกนต่อไป

การหาค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดด้วยวิธีรีโซแนนท์ (Resonance Method)

       วิธีนี้เป็นวิธีที่ผู้เขียนพัฒนาขึ้นมาเองจากหลักการของวงจรรีโซแนนท์ เพื่อหาค่าความเหนี่ยวนำจริงของขดลวด จากความถี่รีโซแนนท์ของวงจร (Resonance frequency) หาได้จาก

     

เขียนวงจรโดยโปรแกรม PSIM 

       

      ซึ่งการจะเกิดรีโซแนนท์ได้นั้นวงจรต้องมีช่วงเวลาที่เป็น Source Free นั่นหมายถึง มีอิสระจากแหล่งจ่าย กระแสไฟฟ้าสามารถไหลกลับไปกลับมาระหว่างตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ ในการจำลองเราได้ใช้แหล่งจ่ายที่เป็นแบบ Pulse (มีเฉพาะค่าบวก) ขนาด 12Vpeak-peak (สูง 12V) ซึ่งกำหนดความถี่ให้สอดคล้องกับวงจรรีโซแนนท์ และค่า R = 5 Ohms เป็นความต้านทานที่เกิดขึ้นเนื่องจากค่าความต้านทางของขดลวดที่่ใช้พันตัวเหนี่ยวนำ เราสามารถต่อเพิ่มเข้าไปได้ เพื่อลดกระแสรีโซแนนท์ แต่ค่าที่ต่อเข้าไปต้องเป็นค่าต่ำๆ เพื่อไม่ให้รบกวนการรีโซแนนท์ 

      ที่ความถี่รีโซแนนท์ค่าแรงดันที่ตกคร่อมอุปกรณ์ในวงจรจะมีค่าสูงสุด โดยต้องวัดหลังจากที่วงจร Steady State แล้ว (เห็นสัญญานมีค่ายอดคงที่) อุปกรณ์ที่ใช้วัดต้องเป็น Oscilloscope หรือมัลติมิเตอร์แบบ True RMS เพื่อจะได้วัดสัญญานได้ถูกต้อง 

ผลการจำลองวงจรโดย PSIM ที่ความถี่วงจรเท่ากับ 1000 Hz 12Vp-p

     จากกราฟเป็นการจำลองที่ความถี่รีโซแนนท์ พบว่าแรงดันยอดที่ตกคร่อมอุปกรณ์พบว่าตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุจะมีค่ายอดสูงที่สุด (54.11 V) ดังนั้นจึงแนะนำให้วัดแรงดันยอดที่ตกคร่อมตัวต้านทาน ซึ่งขณะนี้มีค่าเท่ากับ 7.637 V เพื่อป้องกันเครื่องมือวัดเสียหายจากแรงดันเกิน

      

ผลการจำลองวงจรโดย PSIM ที่ความถี่วงจรเท่ากับ 900 Hz 12Vp-p

      จากกราฟเป็นการจำลองที่ความถี่ไม่ตรงกับความถี่รีโซแนนท์ของวงจร พบว่าค่ายอดแรงดันที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุจะเท่ากับ 38.2587 V ตัวเหนี่ยวนำเท่ากับ 26.3799 V และตัวต้านทานจะเท่ากับ 4.769 V ซึ่งมีค่าต่ำกว่ากรณีความถี่รีโซแนนท์

      จากหลักการดังกล่าวจึงนำไปสู่การหาค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดในวงจร โดยเราต้องทราบค่าความเหนี่ยวนำมาจากโปรแกรมออนไลน์ก่อน เพื่อจะได้กำหนดขอบเขตความถี่ขั้นต่ำที่สุดในการหา โดยจะเริ่มจากเพิ่มความถี่ไปเรื่อยๆ จนกระทั่งพบความถี่ที่ทำให้วงจรเกิดการรีโซแนนท์ จากนั้นจึงนำมาแทนค่าในสมการ เพื่อหาค่าความเหนี่ยวนำที่แท้จริง เมื่อได้ค่าความเหนี่ยวนำที่แท้จริงแล้ว จึงนำไปแทนในสมการ เพื่อหาค่า Relative Magnetic Permeability ของแกน