DC motor speed control Using Back-EMF for Feedback with MCU Arduino UNO

ทดลองอีก 1 โครงงานกับการควบคุมความเร็วมอเตอร์กระแสตรง (DC Motor) ด้วยการใช้สัญญาณค่าแรงดันย้อนกลับ (Back-EMF) ของตัวมอเตอร์ในการป้อนกลับความเร็วเพื่อให้เราสามารถควบคุมได้คงที่ และเป็นอีกหนึ่งเทคนิคของการป้อนกลับความเร็วที่ ใช้อุปกรณ์น้อย ประหยัดค่าใช้จ่ายและออกแบบได้ไม่ยากนัก

จากในรูปที่ 1 เป็นการเตรียมอุปกรณ์ที่ใช้ในการขับตัวมอเตอร์กระแสตรง ซึ่งในที่นี้จะใช้แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อเนกประสงค์เพื่อให้ประกอบวงจรได้เร็วขึ้น ใช้มอสเฟตเป็นตัวขับกำลังให้กับมอเตอร์และมีฮีตซิ้งสำหรับระบายความร้อนเล็กน้อย

รูปที่ 2 มอเตอร์สำหรับทดลองจะใช้ขนาดเล็ก (ประมาณ 36 วัตต์) เพื่อเป็นแนวความคิดเบื้องต้น และสังเกตการทำงานของระบบ รวมทั้งพฤติกรรมที่เกิดขึ้นด้วยการควบคุมความเร็วด้วยเทคนิคนี้กัน

รูปที่ 3 ประกอบในส่วนของตัวต้านทานตรสจจับกระแสขนาด 0.47R วงจรรับค่าแรงดันย้อนกลับโดยออกแบบให้เหมาะสมกับค่าแรงดันที่ป้อนให้ตัวมอเตอร์ รวมทั้งช่วงแรงดันที่เกิดขึ้นในสูงสุดและต่ำสุดสำหรับป้อนให้กับตัวประมวลผล Arduino UNO ที่ขาอะนาลอกอินพุต

จากนั้นในรูปที่ 4 ใช้สายไฟเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดขับมอเตอร์ที่เราสร้างขึ้น กับบอร์ดประมวลผล Arduino UNO เพื่อให้เชื่อต่อกันได้ง่าย ซึ่งจะประกอบด้วย สายกราวด์ (GND) สายรับสัญญาณควบคุมพัลซ์วิดมอดูเลต (PWM Drive Signal) สายรับสัญญาณแรงดันที่เกิดขึ้นจากกระแสที่ไหลผ่านตัวมอเตอร์ (Im) และสายส่งสัญญาณค่าแรงดันย้อนกลับ (Vback-emf)

รูปที่ 5 จะเป็นลักษณะการต่อวงจรเข้าด้วยกันระหว่าบอร์ดขับมอเตอร์ บอร์ดประมวลผล และตัวมอเตอร์ที่จะใช้ในการทดลอง โดยสัญญาณควบคุมพัลซ์วิดมอดูเลต PWM Drive Signal จะเข้าที่ขา 3 ของบอร์ดประมวลผล สัญญาณตรวจจับกระแสที่ไหลผ่านตัวมอเตอร์ (Im) เข้าที่ขา A0 สัญญาณค่าแรงดันย้อนกลับ (Vback-emf) เข้าที่ขา A1 และขากราวด์ต่อถึงกัน

ในรูปที่ 6 ถัดมาเป็นลักษณะของการต่อไฟเลี้ยงให้กับวงจร การใช้สายวัดสัญญาณด้วยออสซิลโลสโคปในการตรวจจับสัญญาณที่เกิดขึ้นเบื้องต้น

สำหรับในรูปสุดท้ายที่ 7 จะเป็นวงจรการต่อใช้งานทั้งหมดสำหรับโครงงานนี้ เพื่อให้เข้าใจได้ง่ายยิ่งขึ้นและสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานอื่นๆ ได้ตามความเหมาะสม

สุดท้ายนี้จะเป็นวิดีโอลักษณะการทดลองต่างๆ ที่เกิดขึ้น จากการทดลองนี้ จะเห็นลักษณะของสัญญาณและผลของการตอบสนองการทำงาน ด้วยการควบคุมความเร็ว โดยการใช้เทคนิครับค่าแรงดันย้อนกลับ (Back-EMF) แทนการใช้เอ็นโค้ดเดอร์ที่เราจะเห็นกันทั่วไป สำหรับให้ตัวมอเตอร์ปรับความเร็วตามค่าที่ต้องการควบคุมได้ถูกต้อง

Reference

1. https://www.homemade-circuits.com/constant-torque-dc-motor-speed-controller-circuit/
2. https://www.precisionmicrodrives.com/content/ab-026-sensorless-speed-stabiliser-for-a-dc-motor/
3. http://www.zen22142.zen.co.uk/Circuits/Interface/cmscontrol.htm
4. https://www.carotron.com/applications/csag-d/
5. https://forums.parallax.com/discussion/98235/motor-control-using-back-emf-techniques