Simple DC Motor Speed Control by IR2153
โครงงานนี้เป็นการควบคุมความเร็วมอเตอร์กระแสตรง ด้วยไอซี IR2153 ในแบบ Half-bridge DC motor drives ซึ่งเป็นเทคนิคการขับมอเตอร์อีกแบบหนึ่งนอกจากที่เราเห็นโดยทั่วไป โดยปกติจะใช้วิธีการขับมอเตอร์แบบให้ตัวขับกำลังอยู่ข้างล่าง (Low Side Drivers) โดยให้ไฟเลี้ยงขั้วบวกต่อเข้ากับมอเตอร์ด้านหนึ่งรวมทั้งใช้ไดโอดต่อขนานกับตัวมอเตอร์ (Flyback diode) เพื่อจำกัดค่าแรงดันย้อนกลับ (back EMF) ให้ลดลงอันเกิดจากการนำกระแสของตัวมอเตอร์ในช่วงก่อนหน้า จากนั้นสายอีกด้านหนึ่งของมอเตอร์จะต่อเข้ากับเพาเวอร์สวิตชิ่งขับกำลังต่างๆ เพื่อปรับความเร็วให้กับมอเตอร์โดยตรง เช่น เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์และเพาเวอร์มอสเฟตเป็นต้น
จุดเด่นของการใช้วิธีการขับมอเตอร์กระแสตรงแบบฮาร์ฟบริดจ์ไดร์ (Half-bridge DC motor drives) คือ เรื่องของความแม่นยำในการปรับความเร็วรอบการหมุน, การลดพลังงานสูญเสียให้กับไดโอดป้องกันแรงดันย้อนกลับ (Flyback diode) และการหยุดการหมุนของตัวมอเตอร์ (Active braking) ได้เร็วขึ้น แต่สิ่งที่เราจะต้องพิจารณาเพิ่มเติมคือ การออกแบบช่วงเวลาหยุดการทำงาน (Dead time) ของเพาเวอร์มอสเฟตด้านบน (High side) และด้านล่าง (Low side) ต้องมีและปรับให้ได้ระยะที่เหมาะสม ซึ่งเพาเวอร์มอสเฟตด้านบนและด้านล่างจะทำงานสัมพันธ์กัน และโครงงานนี้เป็นการพัฒนามาจากโครงงานที่นำเสนอจากเดิม (PWM Adjustment for IR2153 and Frequency setting) เพื่อให้สามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้อีกแบบหนึ่งและเข้าใจลักษณะการทำงานได้ง่าย
รูปที่ 1 เป็นอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ในการประกอบโครงงานควบคุมความเร็วมอเตอร์กระแสตรง ด้วยไอซี IR2153 ซึ่งเป็นการพัฒนาจากโครงงานเดิมและมีส่วนเพิ่มเติมได้แก่ เพาเวอร์มอสเฟต ตัวต้านทานตรวจจับกระแสค่าต่ำ และทรานซิสเตอร์ควบคุมสัญญาณพัลซ์วิดธ์มอดูเลต (PWM Signal)
รูปที่ 2 แสดงลักษณะของบอร์ดที่ประกอบอุปกณ์ต่างๆ เข้าด้วยกันแล้ว จากนั้นทำเครื่องหมายสำหรับนำบอร์ดไปต่อทดลองให้ถูกต้อง คือ ตำแหน่งสำหรับมอเตอร์ ตำแหน่งไฟเลี้ยง และตำแหน่งการวัดสัญญาณสำคัญๆ เป็นต้น
รูปที่ 3 แสดงลักษณะของตัวมอเตอร์ที่ใช้ในการทดลองสำหรับปรับความเร็ว และสังเกตผลที่เกิดขึ้นจากการควบคุมความเร็วแบบ Half-bridge DC motor drives
รูปที่ 4 แสดงลักษณะของการเริ่มต้นทดลอง การต่อไฟเลี้ยงและเครื่องมือวัดสัญญาณ เพื่อเป็นทดลองเบื้องต้น สำหรับตรวจสอบความถูกต้องของตัววงจร (โดยยังไม่ต่อมอเตอร์เข้ากับบอร์ดทดลอง)
รูปที่ 5 แสดงแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงในการทดลอง โดยในการทดลองนี้จะใช้แรงดันขนาด 12V (ปรับแรงดันให้เท่ากับมอเตอร์ที่นำมาใช้ทดลอง) และสามารถจ่ายกระแสได้ 2A ต่อเนื่อง
รูปที่ 6 เป็นลักษณะของรูปสัญญาณที่เกิดขึ้นของวงจรที่ทดลองปรับความเร็วให้กับตัวมอเตอร์ โดยสัญญาณที่ช่อง (CH1) เป็นสัญญาณที่เกิดขึ้นทางด้านบน (High side) ของการขับเพาเวอร์มอสเฟต และที่ช่อง (CH2) จะเป็นสัญญาณที่เกิดขึ้นทางด้านล่าง (Low side) ซึ่งความถี่ของสัญญาณจะกำหนดไว้ที่ 12kHz
รุปที่ 7 เริ่มต้นทดลองการทำงานทั้งหมดและต่อมอเตอร์เข้ากับบอร์ดทดลองต้นแบบ
รูปที่ 8 แสดงลักษณะของการทดลองในส่วนของเครื่องมือ, การวัดสัญญาณ, การต่อมอเตอร์และแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสำหรับการทดลอง
รูปที่ 9 เป็นวงจรที่ใช้ในการทดลอง ซึ่งทดลองออกแบบง่ายๆ และใช้อุปกรณ์ต่างๆ ที่หาซื้อได้ง่าย โดยตัววงจรจะมีลักษณะคล้ายกับวงจรสวิตชิ่งบักคอนเวอร์เตอร์ (Buck converter) ซึ่งวงจรสำหรับโครงงานนี้คงจะเป็นไอเดียให้กับท่านสามารถนำไปใช้งานได้ตามความเหมาะสม หรือประยุกต์ใช้ในลักษณะอื่นๆ ซึ่งใช้โครงสร้างของวงจรในลักษณะเดียวกันได้เพิ่มขึ้นครับ.
Reference
