ระบบ Servo Motor คืออะไร

บทความ > ระบบ Servo Motor คืออะไร

ระบบ Servo Motor คืออะไร

ระบบ Servo Motor คือ เทคโนโลยีเซอร์โว (Servo technology) ซึ่งเป็นระบบควบคุมรูปแบบหนึ่งที่ใช้สำหรับควบคุมตำแหน่ง ความเร็ว และแรงบิดของมอเตอร์ ซึ่งประกอบไปด้วยเครื่องมือควบคุม (Servo drive or amplifier), เซอร์โวมอเตอร์ และอุปกรณ์ตอบกลับ (Feedback device) เช่น เอ็นโค้ดเดอร์(Encoder) เพื่อให้ระบบสามารถควบคุมมอเตอร์ให้หมุนตามที่ต้องการได้อย่างแม่นยำและมีความเสถียรภาพ

รูปที่ 1 ระบบ เซอร์โวมอเตอร์

เลือกอ่านตามหัวข้อ

ระบบ servo ตามนิยามของวิศววิกรรมการคอนโทรลแบบอัตโนมัติ (Automatic Control)หรือระบบการคอนโทรลอัตโนมัติแบบป้อนกลับ((Feedback Control System) สามารถจำแนกระบบควบคุมแบบลูปปิด(Closed loop control) ได้เป็นส่วนต่างๆดังนี้

รูปที่ 2 เปรียบเทียบ open loop กับ close loop

ตารางที่ 1 ระบบควบคุมแบบลูปปิด(Closed loop control)

จากตาราง ระบบเซอร์โว คือ การควบคุม เครื่องจักรกลให้ทำงานตอบสนองด้านไดนามิคส์ (Dynamic Response)เช่นความเร็ว อัตราเร่ง แรงบิด และตำแหน่งไห้ได้ดีที่สุด (Optimum Solution) และใช้เวลาน้อยที่สุด( Time Optimum)

โครงสร้างระบบควบคุมเซอร์โว

ลักษณะของการควบคุมเซอร์โวจะเป็นระบบควบคุมแบบลูบปิด(Closed loop control) ซึ่งประกอบด้วยโหมดการควบคุม 3 โหมดคือโหมดการควบคุมแรงบิด ( Torque Control Mode) ซึ่งอยู่วงรอบหรือลูปสุด โหมดการควบคุมอัตราเร่ง (Velocity Control Mode) และโหมดการควบคุมตำแหน่ง (Position Control Mode) ซึ่งอยู่ลูปด้านนอกสุดโดยมีองค์ประกอบสำคัญดังรูป

รูปที่ 3 โครงสร้างระบบควบคุมเซอร์โว

มอเตอร์ เซอร์โว คืออะไร

คืออุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลนั่นคือการหมุน ที่สามารถมีการควบคุมการเคลื่อนที่ของมัน (State) ไม่ว่าจะเป็น ระยะ ความเร็ว มุมการหมุนโดยใช้การควบคุมแบบป้อนกลับ (Feedback Control) เป็นอุปกรณ์ที่สามารถควบคุมเครื่องจักรกล หรือระบบการทำงานนั้นๆ

ให้เป็นไปตามความต้องการ เช่น ควบคุมความเร็ว (Speed), ควบคุมแรงบิด(Torque), ควบคุมแรง ตำแหน่ง(Position), ระยะทางในการเคลื่อนที่(หมุน) (Position Control) ของตัวมอเตอร์ได้ ซึ่งมอเตอร์ทั่วไปไม่สามารถควบคุมระยะเบื้องต้นได้ โดยให้ผลลัพธ์ความต้องการที่มีความแม่นยำสูง ขนาดของมอเตอร์จะมีหน่วยในการบอกขนาดเป็นวัตต์ (Watt)

ประเภทของ servo motor โดยทั่วไปจะมีทั้ง AC และDC ในเครื่องจักรรุ่นเก่าๆ เราจะพบว่า DC เซอร์โวมอเตอร์ มีการใช้เครื่องจักรอุตสาหกรรมมากกว่า AC เซอร์โวมอเตอร์ เนื่องจากช่วงที่ผ่านมาการควบคุมกระแสสูงๆ นั้น จะต้องใช้ SCRs แต่ปัจจุบันทรานซิสเตอร์ได้พัฒนาขีดความสามารถให้ตัดต่อกระแสสูงและใช้งานได้ที่ความถี่สูงขึ้น จึงทำให้ระบบเอซีเซอร์โวได้ถูกนำมาใช้งานมากขึ้น ซึ่งสามารถแยกประเภทของเซอร์โวได้ดังนี้

รูปที่ 4 ประเภทของ เซอร์โวมอเตอร์ แบ่งตาม source

มอเตอร์ชนิดที่มีแปรงถ่าน

เซอร์โวมอเตอร์ชนิดนี้ที่สเตเตอร์ (stator) จะเป็นแม่เหล็กถาวร ส่วนโรเตอร์ (rotor)ยังใช้แปรงถ่านและคอมมิวเตอร์ (commutator) เรียงกระแสเข้าสู่ขดลวดอาร์มาเจอร์ เหมือนกับดีซีมอเตอร์ทั่วไป

เซอร์โวมอเตอร์ชนิดที่ไม่มีแปรงถ่าน

เซอร์โวมอเตอร์ในกลุ่มนี้ประกอบด้วยดีซีเซอร์โว (DC Brushless Servo’ โรเตอร์ทำด้วยแม่เหล็กถาวร) (AC Servo) ซึ่งมีทั้งแบบซิงโครนัสเซอร์โว (การนำอินดักชั่นมาใช้ทำเป็นระบบขับเคลื่อนเวอร์โวมอเตอร์) และ Stepping เซอร์โวมอเตอร์

องค์ประกอบที่สำคัญในการทำงานของ เซอร์โวมอเตอร์

Controller

รูปที่ 5 servo controller

หลักการทํางานหลักๆ หน้าที่ของ Controller

Controller มีหน้าที่รับคําสั่งจากผู้ใช้งานว่าต้องการให้ เซอร์โวมอเตอร์ นั้นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าไหร่และระยะทาง ใกล้หรือไกลแค่ไหน หน้าที่ตรงจุดนี้จะเป็น Controller จะเป็นตัวกําหนดให้กับตัวเซอร์โวมอเตอร์

Servo Driver

รูปที่ 6 servo driver

หน้าที่ของ Servo Driver

Servo Driver จะรับสัญญาณมาจาก Controller และสั่งการให้กับตัว เซอร์โวมอเตอร์ เคลื่อนที่ตามที่ Controller สั่งการมา แต่ทําไม Controller ไม่สั่งการควบคุมไปที่ เซอร์โวมอเตอร์ โดยตรง ? เนื่องจาก Servo Driver จะเป็นตัวที่ปรับตั้งค่าของตัว เซอร์โวมอเตอร์ ให้ทํางานตามรูปแบบของการควบคุมไม่ว่า

จะเป็นการควบคุม ความเร็ว(Speed Control) , แรงบิด(Toucque) และ ตําแหน่ง(Position Control) ตัว Servo Driver จะเป็น ตัวกําหนดค่าตัวแปรหรือพารามิเตอร์ต่างๆ ให้กับตัว เซอร์โวมอเตอร์ ให้ทํางานได้อย่างถูกต้องและแม่นยํา เพราะฉะนั้นเมื่อใช้ Servo Motor ก็จะต้องมี เซอร์โวมอเตอร์ เสมอ

Servo Motor

รูปที่ 7 เซอร์โวมอเตอร์

หน้าที่ของ เซอร์โวมอเตอร์

เซอร์โวมอเตอร์ มีหน้าที่ขับเคลื่อนอุปกรณ์ของเครื่องจักรกลหรือระบบของการทํางานนั้นๆ ให้เป็นไปตามรูปแบบที่ ได้รับคําสั่งจากตัว Servo Driver พร้อมกับส่งสัญญาณป้อนกลับให้กับตัว เซอร์โวมอเตอร์ ว่าตอนนี้ เซอร์โวมอเตอร์ เคลื่อนที่ด้วย ความเร็วเท่าไหร่และระยะทางในการเคลื่อนที่เป็นระยะทางเท่าไหร่แล้ว ด้วยสัญญาณของตัว Encoder ที่อยู่ภายในตัว เซอร์โวมอเตอร์ ทําให้การเคลื่อนที่ของ เซอร์โวมอเตอร์ นั้นมีความแม่นยําสูง

การนำ เซอร์โวมอเตอร์ ไปใช้งาน

ควบคุมตำแหน่ง (Position control)

Servo ทั่วไปใช้สำหรับการควบคุมไฟฟ้า ไฮดรอลิกส์ หรือนิวเมติก โดยทำงานอาศัยพื้นฐานการป้อนกลับแบบลบ คือตำแหน่งอินพุตเทียบกับตำแหน่งที่แท้จริงของระบบเครื่องกล ที่วัดได้โดยตัวแปลงสัญญาณต่าง ๆ แล้วหาค่าความแตกต่างระหว่างค่าจริงและค่าที่ต้องการ (เรียกว่าสัญญาณผิดพลาด Error signal)

เมื่อได้ค่านี้แล้วก็ทำการขยายหรือแปลงเพื่อใช้ขับเคลื่อนระบบในตำแหน่งที่ต้องการ เพื่อลดหรือขจัดข้อผิดพลาด ขั้นตอนนี้เป็นทฤษฎีการควบคุมที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย servo ทั่วไปจะให้ผลลัพธ์เชิงมุม (angular) หรือเชิงเส้น (linear output)

ควบคุมความเร็ว

การควบคุมความเร็วเป็นอีกรูปแบบหนึ่งของระบบ เซอร์โว เครื่องจักรไอน้ำใช้ระบบนี้ ในสมัยก่อนคือการควบคุมกังกหันน้ำ ก่อนสงครามโลกครั้งที่สอง ใบพัดความเร็วคงที่ได้รับการพัฒนาเพื่อควบคุมความเร็วของเครื่องบิน การควบคุมน้ำมันเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์กังหันแก๊ส ในระบบไฮดรอลิกส์ และระบบอิเล็กทรอนิกส์

เซอร์โว ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในการควบคุมการดับไฟของทหาร การนำทางทางทะเล ในปัจจุบันใช้ในระบบอัตโนมัติ เช่น เสาอากาศดาวเทียมติดตามเครื่องบินควบคุมระยะไกล ระบบนำทางอัตโนมัติบนเรือและเครื่องบิน ระบบควบคุมปืนกล

ตัวอย่างอื่น ๆ เช่น ระบบ fly-by-wire ในเครื่องบินใช้คอมพิวเตอร์ควบคุมเซอร์โวเพื่อบังคับการบินแทนระบบเดิมทำให้การบินมีความปลอดภัยมากขึ้น การควบคุมรถบังคับวิทยุซึ่งใช้เซอร์โวในการควบคุม กล้องออโต้โฟกัสยังคงใช้ระบบเซอร์โวเพื่อปรับเลนส์ให้คมชัดและแม่นยำ

ฮาร์ดดิสไดรฟ์มีระบบเซอร์โวแบบแม่เหล็กที่มีความแม่นยำในระดับไมโครเมตร และถูกใช้งานในระบบที่มีการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนและอื่น ๆ อีกมากมาย

บทสรุป

จากที่ได้กล่าวมาเป็นเพียงหลักการทำงานเบื้องต้นและการนำไปใช้งานระบบ เซอร์โวมอเตอร์ เท่านั้น หากท่านสนใจอุปกรณ์เพิ่มเติม สามารถดูรายละเอียดจากคู่มือของผู้ผลิต เช่น Mitsubishi, Panasonic, Yaskawa, Omron, Delta, Siemens, Fuji เป็นต้น

ขอขอบคุณข้อมูล : siam-automation.com, 9engineer.com