ESP8266 WeMos D1 Simple Speed Control for 3 Phase Induction Motor

สำหรับโครงงานนี้เป็นการนำบอร์ดควบคุม ESP8266 WeMos D1 มาควบคุมความเร็วรอบให้กับมอเตอร์ 3 เฟสแบบอินดักชั่นด้วยสัญญาณไซน์เวฟพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น (Sinusoidal Pulse-width Modulation : SPWM) โดยใช้สัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลต 3 ช่อง และทำการสร้างวงจรแยกสัญญาณให้เป็นสัญญาณด้านสูง (High side) และสัญญาณด้านต่ำ (Low side) 6 ช่องในการขับมอเตอร์ ทั้งนี้ส่วนหนึ่งต้องการนำตัวประมวลผลด้วยบอร์ดตระกูล ESP8266 หรือ ESP32 มาใช้งานซึ่งตัวบอร์ดดังกล่าวมีความสามารถเด่นในเรื่องการเชื่อมต่ออินเตอร์เน็ต (IoT : Internet of Things) รวมทั้งเป็นไอเดียสำหรับการนำไปควบคุมมอเตอร์ 3 เฟส, การสื่อสารและแสดงผลผ่านอินเตอร์เน็ตได้

รูปที่ 1 แสดงลักษณะของบอร์ดควบคุม ESP8266 WeMos D1 ที่นำมาใช้ในการควบคุมความเร็วมอเตอร์ 3 เฟส ซึ่งตัวบอร์ด ESP8266 WeMos D1 จะมีขาอินพุตและเอาต์พุต (I/O) น้อยกว่าบอร์ด Arduino UNO แต่เราจะใช้วิธีการสร้างวงจรร่วมเพื่อให้สามารถนำมาควบคุมมอเตอร์ได้

รูปที่ 2 เป็นการต่อบอร์ดควบคุมและตัวต้านทานปรับค่าสำหรับปรับความถี่ในการขับมอเตอร์ โดยจะใช้ขนาด 10K(B) สำหรับทดลองและต่อเข้าที่ขา A0 กับบอร์ดควบคุม

รูปที่ 3 การใช้ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเป็นวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (RC Low-Pass Filter) เพื่อเป็นการทดสอบการสร้างสัญญาณไซน์เวฟทางด้านเอาต์พุต และเป็นการทดสอบการทำงานของโปรแกรมถึงความต่อเนื่องของการสร้างสัญญาณไซน์เวฟทางด้านเอาต์พุต (ตัวต้านทานที่ใช้มีค่า 2k ตัวเก็บประจุ 0.1uF/50V)

รูปที่ 4 แสดงลักษณะของการต่อตัวต้านทานและตัวเก็บประจุกรองความถี่ต่ำผ่านบนบอร์ด ESP8266 WeMos D1 ซึ่งจะเป็นขาสร้างสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลต 3 ช่องที่ตำแหน่งขา D5, D6 และขา D10

รูปที่ 5 การทดลองที่ 1 เป็นการวัดสัญญาณระหว่างเฟส U (CH1) เมื่อเทียบกับเฟส V (CH2) เพื่อสังเกตการเลื่อนเฟสจากกันที่ประมาณ 120 องศา

รูปที่ 6 แสดงผลการทดลองที่ 1 สัญญาณไซน์เวฟที่เกิดขึ้นระหว่างเฟส U (CH1) เมื่อเทียบกับเฟส V (CH2)

รูปที่ 7 การทดลองที่ 2 เช่นเดียวกับการทดลองที่ 1 เป็นการวัดสัญญาณระหว่างเฟส U (CH1) เมื่อเทียบกับเฟส W (CH2) เพื่อสังเกตการเลื่อนเฟสจากกันที่ประมาณ 120 องศาอีกครั้ง

รูปที่ 8 แสดงผลการทดลองที่ 2 สัญญาณไซน์เวฟที่เกิดขึ้นระหว่างเฟส U (CH1) เมื่อเทียบกับเฟส W (CH2) และเราจะสังเกตเห็นว่าสัญญาณของเฟส W จะเลื่อนมาทางด้านหลังเมื่อเทียบกับผลการทดลองที่ 1

รูปที่ 9 แสดงการวัดสัญญาณเอาต์พุตเมื่อปรับความถี่ต่ำสุดสำหรับขับมอเตอร์ โดยในรูปจะแสดงเพียงรูปสัญญาณเพียง 1 ช่อง (1 เฟส) สำหรับใช้ในการสังเกตโดยในเฟสอื่นๆ จะมีค่าเท่ากัน

รูปที่ 10 และรูปที่ 11 แสดงการวัดสัญญาณเอาต์พุตเมื่อปรับความถี่สูงสุดสำหรับขับมอเตอร์ โดยทั้ง 2 รูปจะเป็นสัญญาณเดียวกันแต่ในรูปที่ 11 จะปรับการแสดงผลให้ดูได้ง่ายขึ้นและเห็นรายละเอียดของรูปสัญญาณที่เกิดขึ้นและเป็นการวัดเพียง 1 ช่อง (1 เฟส) เช่นกัน

รูปที่ 12 เป็นการทดลองวัดสัญญาณไซน์เวฟพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น (SPWM) ที่ตำแหน่งขาของบอร์ดควบคุมโดยตรง ซึ่งเราจะเห็นลักษณะของสัญญาณไซน์เวฟพัลซ์วิดธ์มอดูเลตชั่น ก่อนที่เราจะนำมาผ่านวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (RC Low-Pass Filter) ซึ่งในรูปจะเป็นการวัดสัญญาณ 2 ช่อง

รูปที่ 14 ในการทดลองโครงงานนี้จะใช้แรงดันอินพุตที่ประมาณ 150VDC เพื่อเป็นการทดลองเบื้องต้น รวมทั้งสังเกตลักษณะของการทำงานและปรับแต่งการทำงานได้โดยไม่เป็นอัตรายมากนัก (สำหรับการทดลองโครงงานนี้ผู้ทดลองจะต้องระวังอันตรายที่อาจเกิดขึ้นในระหว่างการทดลองและควรจะมีการป้องกันกระแสเกินเพิ่มเติมครับ)

รูปที่ 15 และรูปที่ 16 แสดงลักษณะของมอเตอร์และป้ายแสดงสเปกที่ใช้กับโครงงานนี้ ซึ่งเป็นมอเตอร์ขนาด 1 แรงม้าแบบ 3 เฟส

ในรูปที่ 17 แสดงการต่อร่วมกันระหว่างบอร์ดควบคุม ESP8266 WeMos D1, วงจรแยกสัญญาณและปรับค่าเดตไทม์ (บอร์ดกลาง) และขับกำลังมอเตอร์จะเป็นเพาเวอร์โมดูล (IPM : BM64364S) สำหรับขับมอเตอร์ ในส่วนรายละเอียดของวงจรแยกสัญญาณและปรับค่าเดตไทม์นั้น ผู้อ่านสามารถดูเพิ่มเติมในโครงงานที่นำเสนอก่อนหน้านี้ครับ (Experiment of Dead-time Circuit for 3 Phase Motors)

ในรูปที่ 18 จะแสดงการทดลองโครงงานทั้งหมดและเครื่องมือที่ใช้ และในส่วนของโปรแกรมสำหรับการทดลองจะใช้ตามเว็บไซต์อ้างอิงที่ 4 หรือสามารถเข้าไปดูได้ตามลิ้งข้างล่างนี้ครับ

*** โปรแกรมสำหรับบอร์ด ESP8266 WeMos D1 ในการทดลองโครงงาน อ้างอิงจาก Ref.[4] —> https://electronics-project-hub.com/3-phase-sine-wave-generator-code-arduino

รูปที่ 19 แสดงส่วนของวงจรสร้างสัญญาณขับและควบคุม รวมทั้งวงจรแยกสัญญาณและปรับค่าเดตไทม์ที่ตำแหน่งไอซี U1-U3 (SN74HC02) โดยสัญญาณในส่วนนี้จะส่งผ่านจุดเชื่อมต่อ H1 ไปยังส่วนของการขับกำลัง

Datasheet for IPM Power IGBT BM64364S-VA

รูปที่ 20 แสดงส่วนวงจรขับกำลังให้กับมอเตอร์ ซึ่งรับสัญญาณเข้ามาผ่านจุดเชื่อมต่อ H2 และรับไฟเลี้ยง 2 ชุดคือ ส่วนแรกเป็นไฟเลี้ยงสำหรับมอเตอร์ขนาด 150VDC จากวาริแอก (Power Variac) มายังกล่องเร็กติไฟร์เออร์และวงจรฟิลเตอร์ และส่วนที่สองเป็นไฟเลี้ยงขนาด +15V สำหรับวงจรขับขาเกตภายในเพาเวอร์โมดูลและจ่ายให้กับบอร์ดควบคุม ESP8266 WeMos D1

สำหรับโครงงานนี้เป็นโครงงานเล็กอีกแบบหนึ่งครับ ที่สามารถนำบอร์ดควบคุม ESP8266 WeMos D1 มาควบคุมความเร็วให้กับมอเตอร์ 3 เฟสได้ (Variable-Frequency Drive : VFD) แต่ทั้งนี้ในตัวโครงงานยังคงเป็นการทำงานแบบเบื้องต้นของการขับมอเตอร์ ซึ่งเป็นไอเดียเล็กๆ ให้ผู้อ่านสามารถนำไปปรับใช้งานได้ตามความเหมาะสม ในส่วนท้ายจะเป็นเว็บไซต์อ้างอิงที่จะเป็นข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทดลองโครงงานนี้ครับ

Reference

1. http://www.esp8266learning.com/wemos-d1-esp8266-based-board.php
2. https://www.make-it.ca/nodemcu-arduino/nodemcu-details-specifications
3. https://create.arduino.cc/projecthub/electropeak/getting-started-w-nodemcu-esp8266-on-arduino-ide-28184f
4. https://electronics-project-hub.com/3-phase-sine-wave-generator-code-arduino
5. https://electronics.stackexchange.com/questions/203045/break-before-make-spdt-relay-out-of-2-spst-relays
6. https://sites.google.com/site/ryoung/Home/tej3m/nand-gate
7. https://www.rohm.com/products/ipm/igbt-ipm/bm64374s-va-product
8. https://en.wikipedia.org/wiki/Variable-frequency_drive
9. https://e2e.ti.com/support/microcontrollers/c2000-microcontrollers-group/c2000/f/c2000-microcontrollers-forum/598039/tms320f28335-3-phase-dc-ac-inverter-pwm-control-how-to-implement?tisearch=e2e-sitesearch&keymatch=Telecom%2520DC%252FDC%2520Module
10. https://www.semanticscholar.org/paper/Comparison-of-SVPWM%2C-SPWM-and-HCC-control-in-power-Ting-Yasa/cedfa74196e993ec30864a776bc1b3aaacaaca0a
11. https://www.researchgate.net/figure/Conventional-SPWM-generation-technique-for-three-phase-voltage-source-inverter_fig1_326212047