Development Board Smart Power Module for 3 Phase Motor Control

โครงงานนี้เป็นบอร์ดทดลองสำหรับขับมอเตอร์ 3 เฟสทั่วไป เช่น มอเตอร์กระแสตรงแบบไม่ใช้แปรงถ่าน (BLDC Motor), มอเตอร์ 3 เฟส แบบอินดักชั่น (3 Phase Induction Motor) เป็นต้น นอกจากนั้นเรายังสามารถใช้ในการขับมอเตอร์กระแสตรง (DC Motor) การนำไปทดลองในวงจรดีซี ทู ดีซี (DC- DC Converter) หรือวงจรอินเวอร์เตอร์ ชนิด 1 เฟสก็ได้เช่นกัน ทั้งนี้จะช่วยให้เราทดลองวงจรต่างๆ ที่ต้องการเรียนรู้ได้หลายรูปแบบครับ

*** การทดลองโครงานนี้จะต้องต่อร่วมกับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงที่ใช้แรงดันสูง ผู้ทดลองจะต้องใช้ความระมัดระวังในเรื่องไฟดูด หรือการกระเด็นของเศษอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในกรณีเกิดความผิดพลาดขึ้นครับ.

รูปที่ 1 เป็นลักษณะของบอร์ดทดลองขับมอเตอร์สมาร์ทเพาเวอร์โมดูล หรือเพาเวอร์โมดูล 3 เฟสที่ออกแบบไว้ใช้งาน (บอร์ดด้านขวามือ) ซึ่งตัวบอร์ดนี้สามารถเชื่อต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ต่างๆ ได้ทันทีโดยไม่ต้องใช้วงจรปรับระดับสัญญาณเพิ่มเติม โดยในรูปจะเป็นการต่อเข้ากับบอร์ด Arduino UNO ที่หาซื้อได้ง่ายและราคาไม่แพง

รูปที่ 2 ลักษณะของตัวบอร์ดทดลองนี้ ส่วนหนึ่งออกแบบให้สามารถต่อเข้ากับมอเตอร์ 3 เฟสผ่านคอนเน็กเตอร์แบบใช้การขันสกรู และส่วนของไฟเลี้ยงจะเป็นลักษณะเดียวกันแบบเรียงแถวเพื่อความสะดวกในการทดลองต่างๆ นอกจากนี้ในส่วนของสัญญาณอินพุตเข้ามาควบคุม จะใช้คอนเน็กเตอร์แบบ Pin Header Connector สามารถช่วยให้เราเชื่อมต่อด้วยสายควบคุมแบบแพได้สะดวก

รูปที่ 3 แสดงลักษณะของสมาร์ทเพาเวอร์โมดูล Smart Power Module : SPM หรือบางครั้งเรียก Intelligent Power Module : IPM ที่ใช้ในบอร์ดทดลองนี้ ซึ่งเป็นเบอร์ FSBS10CH60 และมีจำหน่ายและสามารถสั่งซื้อในบ้านเราหรือที่บ้านหม้อ ขนาดของตัวโมดูลไม่ใหญ่มากนัก สามารถออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ให้กับเพาเวอร์โมดูลได้ง่าย

คุณสมบัติทั่วไปของบอร์ดสมาร์ทเพาเวอร์โมดูลสำหรับขับมอเตอร์ 3 เฟส คือ

• รับไฟเลี้ยงอินพุตสำหรับมอเตอร์ที่ 320Vdc
• รับไฟเลี้ยงสำหรับวงจรขับสัญญาณที่ 12V-20Vdc
• ขับกระแสให้กับมอเตอร์ได้ 10A
• มีวงจรป้องกันกระแสเกินให้กับโมดูล
• มีขาส่งสัญญาณการทำงานผิดปกติให้กับตัวควบคุมได้
• สามารถเชื่อมต่อเข้ากับไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับควบคุมได้โดยตรง
• รองรับความถี่จากบอร์ดควบคุมได้ถึง 20kHz

รูปที่ 4 เป็นการแสดงโครงสร้างภายในของสมาร์ทเพาเวอร์โมดูล (Smart Power Module) ซึ่งทำให้เราทราบถึงวงจรต่างๆ ที่เราจะต้องต่อใช้งานที่ขาต่างๆ หรือกรณีที่เราต้องการปรับปรุงวงจรที่ต่อร่วมภายนอกเพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งานที่ต้องการ โดยในส่วนนี้ถือเป็นส่วนสำคัญในการวิเคราะห์สำหรับการออกแบบ

รูปที่ 5 เป็นตัวอย่างแสดงการต่อใช้งานที่ขาส่งสัญญาณการทำงานผิดพลาดที่เกิดขึ้นกับ Smart Power Module ไปยังบอร์ดควบคุมต่างๆ ซึ่งจะช่วยให้เราเลือกใช้อุปกรณ์ได้อย่างเหมาะสมและตรวจจับสัญญาณได้ถูกต้องและรวดเร็ว

ในรูปที่ 6 แสดงการต่อตัวเก็บประจุและตัวต้านทานให้กับส่วนวงจรขับสัญญาณ และเพาเวอร์ไอจีบีที (IGBT) ภายในสมาร์ทเพาเวอร์โมดูล ในวงจรนี้ถือเป็นวงจรที่สำคัญอีกส่วนหนึ่ง ซึ่งเราต้องเลือกค่าที่เหมาะสมและสัมพันธืกับความถี่ในการสวิตชิ่งอีกด้วย

ในรูปที่ 7 เป็นตัวอย่างการต่อใช้งานสมาร์ทเพาเวอร์โมดูล ทั้งหมดเข้ากับตัวมอเตอร์ที่จะนำมาใช้งานและในส่วนของบอร์ดควบคุมไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งในโครงงานนี้อ้างอิงจากวงจรนี้เป็นหลักในการพัฒนาบอร์ดทดลองสำหรับขับมอเตอร์ 3 เฟสในครั้งนี้

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

กลุ่มของรูปที่แสดงข้างบนเป็นลักษณะของการบอร์ดทดลองนี้ในมุมต่างๆ รวมทั้งการต่อใช้งานร่วมกับบอร์ดควบคุม Arduino UNO, การต่อไฟเลี้ยงให้กับบอร์ดต่างๆ รวมทั้งการนำแผ่นระบายความร้อนมายึดเพิ่มเติมให้กับ Smart Power Module

จากรูปที่ 8 เป็นการเตรียมแผ่นระบายความร้อนสำหรับ Smart Power Module เพื่อรองรับการนำไปใช้งานที่ไฟเลี้ยงมอเตอร์แรงดันสูง และการใช้งานในระยะยาวนานและต่อเนื่อง รวมทั้งเป็นการประเมินขนาดของแผ่นระบายความร้อนที่นำมาใช้งาน

รูปที่ 9 แสดงการยึดแผ่นระบายความร้อนให้กับสมาร์ทเพาเวอร์โมดูล ซึ่งจากการทดลองใช้ขับมอเตอร์ 3 เฟส แบบอินดักชั่น ขนาด 1 แรงม้า ใช้ไฟเลี้ยงที่แรงดัน 310Vdc และไม่มีโหลดให้มอเตอร์ มีความร้อนที่ตัว Smart Power Module บ้างเล็กน้อย แต่ในที่นี้จะยึดแผ่นระบายความร้อนเพื่อเพิ่มความปลอดภัยขึ้น

โครงงานนี้เป็นโครงงานเล็กๆ ที่ทดลองสร้างขึ้นอีก 1 บอร์ด โดยใช้สมาร์ทเพาเวอร์โมดูล จากบริษัท Fairchild semiconductor ซึ่งก่อนหน้านี้เคยใช้ของบริษัท ROHM อยู่บ้างครับ ทั้งนี้เพื่อสร้างบอร์ดต้นแบบสำหรับการทดลองและนำไปใช้ในการขับมอเตอร์ 3 เฟส ชนิดต่างๆ ซึ่งจากการทดลองใช้งานทั้งสองบริษัทนี้สามารถนำมาใช้งานได้ดี ช่วยประหยัดเวลาในการทดลองและการออกแบบได้มากเลยครับ.

Reference

1. https://pdf.dzsc.com/FSB/FSBS10CH60.pdf
2. https://www.onsemi.com/products/power-modules/intelligent-power-modules-ipms/fsbs10ch60
3. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/FSBS10CH60-D.pdf
4. https://www.digchip.com/datasheets/parts/datasheet/161/FSBS10CH60-pdf.php
5. https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/103622/FAIRCHILD/FSBS10CH60.html
6. https://320volt.com/en/three-phase-motor-control-circuit-mc3phac-fsbs10ch60/