อุปกรณ์ป้อนกลับ  (Feedback Device)
โดย : Admin

 

 โดย :   สุชิน  เสือช้อย 
webmaster(at)9engineer.com

        

  

 อุปกรณ์ป้อนกลับ (Feedback Device) หรือที่นิยมเรียกขานกันในแวดวงอุตสาหกรรมว่า"เอนโค๊ดเดอร์ (encoder)"  ถือได้ว่าเป็นองค์ประกอบที่สำคัญอีกส่วนหนึ่งในระบบขับเคลื่อนเซอร์โวมอเตอร์ และระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าแบบเอซีชนิดที่ควบคุมแบบโคลสลูป  (ระบบเซอร์โวไม่สามารถควบคุมได้ หากระบบปราศจากเอนโค๊ดเดอร์)

 

 เอนโค๊ดเดอร์ทำหน้าที่อะไร และมีกี่ชนิด อะไรบ้าง ?

            เอนโค๊ดเดอร์จะทำหน้าที่เสมือนกับผู้ตรวจการ โดยจะทำหน้าที่ตรวจวัดความเร็ว(speed) , ทิศทางการหมุนของมอเตอร์(Direction of Rotation ) และตำแหน่งเพลาของโรเตอร์ ( shaft position) แล้วรายงานผลกลับไปยังคอนโทรลเลอร์ เพื่อควบคุมให้ทรานซิสเตอร์กำลังในวงจรกำลังของชุดขับเคลื่อนเซอร์โวเกิดการตัด-ต่อกระแสไฟฟ้าให้สัมพันธ์กับตำแหน่งของโรเตอร์

           จากบทบาทของเอนโค๊ดเดอร์ซึ่งทำหน้าที่ตรวจวัดความเร็ว(speed) และตำแหน่ง(position) ของมอเตอร์  จึงทำให้อุปกรณ์ชนิดนี้ถูกเรียกชื่อตามบทบาทและหน้าที่ว่า speed sensor หรือไม่ก็เรียกว่า shaft Position Sensor ( ซึ่งมักนิยมเรียกในระบบเซอร์โว)  โดยประกอบด้วยชนิดต่างๆ ดังนี้

 

 

   รุปแสดงการแยกประเภทของเอนโค๊ดเดอร์ (ภาษาเยอรมัน)

 


               จากรูป   เอนโค๊ดเดอร์ (Geber=Encoder) สามารถแยกประเภทตามหลักการได้ 2 กลุ่ม คือชนิดที่ทำงานโดยอาศัยหลักการเหนี่ยวนำหรือเรียกว่าอะนาลอก เอนโค๊ดเดอร์ (Analog Geber=Analog Encoder) และชนิดที่ทำงานโดยอาศัยหลักการดิจิตอล(digital Geber=digital Encoder)

        
              ชนิดที่ทำงานโดยอาศัยหลักการเหนี่ยวนำหรือเรียกว่าอะนาลอกจะประกอบด้วยเทคโคเจนเนอเรเตอร์(TachoMaschinen = TachoGenerator) และ รีโซลเวอร์ (Resolver)      ส่วนชนิดที่ทำงานโดยอาศัยหลักการออพติคอล หรือแบบดิจิตอลจะแยกเป็นแบบ incremental encoder  และ absolute encoder ซึ่งแต่ละชนิดมีหลักการทำงานดังนี้

       

 

    เทคโคเจนเนอเรเตอร์ (TachoGenerator)

 

      นิยามของเทคโคเจน ก็คือเจนเนอเรเตอร์ขนาดเล็ก ที่ทำหน้าที่แปลงความเร็วรอบมาเป็นแรงดันไฟฟ้าสำหรับควบคุม 0-10 V. เพื่อป้อนกลับไปยังชุดไดร์ฟ (โดยทั่วไปจะใช้ในระบบดีซีไดร์ฟ)
 

 

    รีโซลเวอร์ (Resolver)

           รีโซลเวอร์เป็นเซนเซอร์ชนิดที่มีการใช้งานมากในระบบเซอร์โว เนื่องจากมีความแข็งแรงทนทาน ทนต่อสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมได้ดี เช่นแรงสั่นสะเทือน ,แรงกระแทก และอุณหภูมิรอบข้าง เป็นต้น

           รีโซลเวอร์มีลักษณะคล้ายกับหม้อแปลงตัวเล็ก ๆ (small Transformer) หรือในหนังสือบางเล่มใช้คำอธิบายในเชิงเปรียบเทียบว่า "Rotary Transformer" ซึ่งต้องการสื่อถึงหม้อแปลงไฟฟ้าแบบหมุนนั่นเอง  

 

 

 


ตัวอย่างResolver หรือ Brushless Resolver



          โครงสร้างของรีโซลเวอร์จะมีลักษณะคล้ายกับมีหม้อแปลงไฟฟ้าอยู่ 2 ชุด  โดยชุดแรก(ขวามือ )จะเป็นชุดที่รับสัญญาณอ้างอิงหรือสัญญาณกระตุ้นซึ่งมีความถี่สูงในย่าน 2-10 KHz  จากคอนโทรลเลอร์เพื่อสร้างแรงเคลื่อนเหนี่ยวนำเพื่อให้เกิดกระแสไหลไปสร้างสนามแม่เหล็กให้กับขดลวดชุดที่สอง  ส่วนชุดที่สอง(ซ้ายมือ )จะประกอบด้วย ขดลวดปฐมภูมิที่ติดกับโรเตอร์  1 ชุด และมีขดลวดทุติยภูมิ 2 ชุด (one primary and two secondary windings) วางในตำแหน่งที่ทำมุมห่างกัน 90 องศา ซึ่งเรียกว่าขดลวด sine และ cosine 
 


ความสัมพันธ์ระหว่างตำแหน่งเพลากับแรงดันค่ายอดที่เกิดขึ้นบนขดลวดแต่ละชุด

การทำงาน

       เมื่อเริ่มต้นเปิดสวิตซ์จ่ายไฟเข้าชุดคอนโทรลเลอร์หรือชุดเซอร์โวไดร์ฟ คอนโทรลเลอร์จะจ่ายสัญญาณอ้างอิงความถี่สูงเข้าไปที่ขดลวดสเตเตอร์ชุดที่หนึ่ง

      จากนั้นก็เกิดการเหนี่ยวนำ และเกิดแรงเคลื่อนเหนี่ยวนำขึ้นที่ขดลวดที่พันอยู่ที่โรเตอร์
        แรงเคลื่อนเหนี่ยวนำนี้จะทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่าย จ่ายกระแสให้กับขดลวดปฐมภูมิชุดที่สองทำให้เกิดสนามแม่เหล็กและเหนี่ยวนำข้ามไปยังขดลวดทุติยภูมิ sine และ cosine 

      สัญญาณที่ได้จากการเหนี่ยวของขดลวดทุติยภูมิ sine และ cosine  จะมีมุมต่างเฟสกัน 90 องศา ตามลักษณะของขดลวดที่วางทำมุมต่างกัน ส่วนขนาดของสัญญาณในแต่จะช่วงเวลาก็จะมีขนาดไม่เท่ากัน โดยขึ้นอยู่กับมุมของสนามแม่เหล็กจากโรเตอร์ที่ไปตัดกับขดลวดsine และ cosine ดังรูป

อินพุท
เอาท์พุท       

จากนั้นสัญญาณทั้งสอง (sine signal และ cos signal) ที่ได้ก็จะถูกป้อนกลับไปยังชุดคอนโทรลเลอร์ และถูกแปลงเป็นสัญญาณดิจิตอลโดยอุปกรณที่เรียกว่า  resolver-to-digital converter  (RDC ซึ่งเป็น IC  เพียงตัวหนึ่ง)  ซึ่งมีจำนวนอยู่ในช่วง  1000-4000  พัลส์ ต่อการหมุน  1  รอบ โดยขึ้นอยู่กับความละเอียดของ RDC ดังรูป
 

ตัวอย่างเช่น RDC 14 บิทก็จะสามารถแปลงเป็นสัญญาณดิจิตอลได้ความละเอียดเท่ากับ 16,384 พัลส์/รอบ
   โดยบิทที่12และ13 จะรายงานตำแหน่งว่าอยู่ในควอแดรนท์ใด ส่วนบิทที่0 ถึง12 จะทำหน้าที่รายงานตำแหน่งของโรเตอร์ในควอแดรนท์นั้นๆ

            

ตาราง แสดงค่าความละเอียดเป็นระบบดิจิตอลตลอด 360 องศา
Number of bit Angle in radians Angle in degrees

1

 3.1415 180
2 1.5707 90
4 0.3927 22.5
6 0.0981 5.625
8 0.02454 1.4063
10 0.00614 0.3516
12 0.001534 0.08789
16 0.000096 0.00549

    

Incremental encoder
            incremental encoder ทำงานโดยอาศัยหลักการอาศัยหลักการออพติคอล บ่อยครั้งจึงถูกเรียกตามหลักการว่า  Optical encoder  หรือบางกรณีก็จะถูกเรียกว่า digital encoder ซึ่งมีลักษณะดังรูป

          โครงสร้างจะประกอบด้วยตัวกำเนิดแสง,ตัวจับแสงซึ่งถูกคั่นกลางด้วยแผ่นจานกลมๆที่มีการทำรูเจาะไว้รอบๆแผ่น (จำนวนรูจะขึ้นอยู่กับความละเอียดของ incremental encoder ) และหน้ากากแยกช่องของสัญญาณพัลส์ A ,B และ Z


         สัญญาณพัลส์ที่ได้จากเอนโคดเดอร์ชนิดนี้จะประกอบด้วย  3  แทรค  (tracks)  คือ  A ,B และ Z ดังรูป
     
      พัลส์ที่เกิดจาก แทรค  A  และ B  จะเกิดการเหลือมกันมีความต่างเฟสกัน 90 องศา เพื่อทำหน้าที่รายงานผลของความเร็วและทิศทางการหมุนของมอเตอร์ให้คอนโทรลเลอร์ ดังนี้
       กรณีพัลส์ A  เกิดขึ้นก่อน B  คอนโทรลเลอร์จะรับรู้ว่ามอเตอร์กำลังหมุนด้วยทิศทางตามเข็มนาฬิกา
       แต่ถ้าหากพัลส์ B  เกิดขึ้นก่อน A  คอนโทรลเลอร์จะรับรู้ว่ามอเตอร์กำลังหมุนด้วยทิศทางทวนเข็มนาฬิกา
         ส่วนแทรค Z หรือพัลส์อ้างอิง จะเกิดขึ้น1พัลส์ในการหมุน 1 รอบ ทำหน้าใช้อ้างอิงตำแหน่งของโรเตอร์


      incremental encoder โดยทั่วไปจะไม่นิยมใช้กับระบบเซอร์โวที่มีการควบคุมตำแหน่ง เนื่องจากไม่สามารถจำแหน่งเดิมได้กรณีที่มีการปิดเครื่องหรือไฟดับ ซึ่งจะต้องทำการหาจุดอ้างอิงใหม่ทุกครั้ง

    
   absolute  encoder

          absolute  encoder  เป็นดิจิตอล เอนโคดเดอร์ อีกชนิดหนึ่งที่อาศัยหลักการออพติคอล คล้ายกับ incremental encoder โดยประกอบด้วยตัวกำเนิดแสง,ตัวจับแสง และจานเข้ารหัสดังรูป

       absolute  encoder 
มีโครงสร้างแผ่นดิสก์พิเศษ
ซึ่งมีลักษณะเป็น Gray  Scales  
     ความละเอียดตำแหน่งของ absolute  encoder จะขึ้นกับจำนวนบิท 


     absolute  encoder จะให้ข้อมูลตำแหน่งค่อนข้างละเอียดและสามารถรายงานบอกตำแหน่งได้ทุกๆ จุดที่โรเตอร์หมุนเคลื่อนที่ไป ไม่มีปัญหาเรื่องจุดอ้างอิงกรณีที่ไฟดับหรือปิดเครื่อง  แต่จะไม่ทนต่อสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม เช่นการสั่นสะเทือนและฝุ่นควัน นอกจากนั้นจานเข้ารหัสยังเปราะและแตกง่าย

 

 
        

 


เนื้อหาโดย: 9engineer.com (https://9engineer.com/)