อิเล็คทรอนิกส์ 7 มี.ค. 2548

เครื่องทดสอบเซอร์โว บทนำ ผมไม่ได้เขียนโครงงานอิเล็คทรอนิกส์มานานพอสมควรแล้ว และช่วงนี้มีเพื่อนๆหลายคนอยากได้เครื่องมือสำหรับทดสอบการทำงานของเซอร์โว รวมทั้งมีเพื่อนๆหลายคนได้ส่งวงจรมาให้ ซึ่งก็มีทั้งสร้างได้ง่ายและยาก ผมขอขอบคุณไว้ ณ ที่นี้ด้วย ดังนั้นผมก็เลยทำการศึกษาเพิ่มเติมจากทั้งตำราต่างๆและจาก Internet จากนั้นก็มาทำการออกแบบและทดลองสร้างเครื่องทดสอบเซอร์โวต้นแบบขึ้นมา ผมก็พบปัญหาและอุปสรรค์พอสมควร ผมก็เลยทำการปรับปรุงแก้ไขจนได้วงจรที่ไม่ซับซ้อน มีอุปกรณ์น้อยชิ้น ทำให้สร้างได้ง่ายและสามารถทำงานได้ดีระดับหนึ่ง ซึ่งคิดว่าเหมาะกับเพื่อนๆที่เพิ่งเริ่มต้นกับอิเล็คทรอนิกส์เป็นอย่างดี และที่สำคัญคือผมได้แทรกทฤษฎีการทำงานของวงจรเข้าไปด้วยเพื่อให้เพื่อนๆมีความรู้ ความเข้าใจเกี่ยวกับอิเล็คทรอนิกส์ดีขึ้น ผมหวังว่าเพื่อนๆจะได้ความรู้ ความสนุกสนาน และประโยชน์จากโครงงานเครื่องทดสอบเซอร์โวนี้บ้าง เซอร์โวคืออะไร เซอร์โว (Servo) เป็นอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ประกอบด้วยวงจรอิเล็คทรอนิกส์และเครื่องกลไก ทำหน้าที่แปลงสัญญานควบคุมไฟฟ้าจากเครื่องรับวิทยุไปเป็นการเคลื่อนที่ เพื่อนำไปควบคุมอุปกรณ์บังคับการบินต่างๆ เช่น บังคับ Aileron หรือ Rudder เพื่อเลี้ยว เป็นต้น โดยที่เซอร์โวจะมีแกนหมุนติดอยู่ แกนหมุนนี้จะสามารถเปลี่ยนตำแหน่งได้ด้วยการส่งสัญญาณควบคุมเข้าไปที่เซอร์โวและเซอร์โวจะยังคงตำแหน่งของแกนหมุนไว้จนกว่าสัญญาณควบคุมจะมีการเปลี่ยนแปลงไป มุมของแกนหมุนนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 0-210 องศา แต่โดยทั้วไปจะใช้งานอยู่ในช่วง 0-180 องศา สายสัญญาณที่ต่อเข้าไปที่เซอร์โวจะมีสามเส้นคือ สายสีดำจะต่อกับไฟลบ สายสีแดงจะต่อกับไฟบวก และสายสีขาวเป็นสายสัญญาณควบคุม (สีของสายไฟสำหรับเซอร์โวยี่ห้อ FUTABA ถ้าเป็นยี่ห้ออื่นจะแตกต่างจากนี้) คำศัพท์ที่ควรรู้ pulse เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาสั้นๆ ตัวอย่างเช่น ถ้าเราเปิดสวิทช์ไฟ (มีสถานะเป็น 1) เป็นเวลาหนึ่งวินาที แล้วปิดสวิทช์ไฟ (มีสถานะเป็น 0) อีกหนึ่งวินาที สลับกันไปเรื่อยๆก็จะเป็นการสร้างสัญญาณ pulse ที่มีช่วงเวลาเปิดและปิดรวมเป็น 2 วินาที หรือเรียกว่ามีคาบเวลาเท่ากับ 2 วินาที เป็นต้น ดังนั้นการวัดคาบเวลาของ pulse (ใช้สัญลักษณ์ T) จะเริ่มวัดตั้งแต่ช่วงของการเปิดสวิทช์ไฟครั้งแรกจนถึงการเปิดสวิทช์ไฟครั้งต่อไป คาบเวลายังมีความสัมพันธ์กับความถี่ (ใช้สัญลักษณ์ f) ของการเปิดและปิดไฟด้วย โดยเราสามารถคำนวณหาความถี่ของ pulse ได้จากสูตร f = 1/T duty cycle จะวัดเป็นเปอร์เซ็นต์ (%) โดยถ้าช่วงเวลาของการเปิดและปิดไฟเท่ากันเราจะเรียกว่าสัญญาณ pulse นี้มีค่า duty cycle เป็น 50% ถ้าช่วงเวลาในการเปิดไฟน้อยกว่าช่วงเวลาในการปิดไฟ ค่า duty cycle ก็จะลดลง เช่นถ้าเราเปิดไฟครึ่งวินาที แล้วปิดไฟหนึ่งวินาทีครึ่ง ค่า duty cycle จะเป็น 25% เป็นต้น ดังนั้นค่า duty cycle หาได้จาก duty cycle (D) = ระยะเวลาของการเปิดไฟ x 100 คาบเวลาของ pulse ความถี่ (Frequency หรือ f) คือจำนวน pulse ต่อหนึ่งวินาที มีหน่วยเป็นเฮิรท์ (Hz) เช่น ถ้าเราเปิดไฟและปิดไฟ 2 ครั้งในเวลาหนึ่งวินาที เราจะนับจำนวน pulse ได้เท่ากับ 2 นั้นก็คือความถี่ 2 เฮิรท์นั้นเอง เราสามารถคำนวณหาคาบเวลาของ pulse ได้จากสูตร T = 1/f มิลลิวินาที (ms) คือระยะเวลา 0.001 วินาที การทำงานของเซอร์โว โดยปกติเซอร์โวจะใช้ไฟเลี้ยงอยู่ระหว่าง 4 - 6 โวลท์ การควบคุมตำแหน่งของแกนหมุนจะใช้สัญญาณเป็น pulse สั้นๆโดยมีความกว้างของสัญญาณอยู่ระหว่าง 1 - 2 ms (มิลลิวินาที) โดยถ้าสัญญาณควบคุมมี Pulse เป็น 1 ms แกนหมุนของเซอร์โวจะอยู่ที่ตำแหน่ง 0 องศา ถ้าเป็น 1.5 ms แกนหมุนจะอยู่ที่ตำแหน่ง 90 องศา และ 2 ms แกนหมุนจะอยู่ที่ตำแหน่ง 180 องศา หลังจากส่ง pulse ควบคุมเข้าไปที่เซอร์โวแล้วจะต้องรออีก 20 ms (0.02 วินาที) (แต่เซอร์โวสามารถรับคาบเวลาของ pulse ได้ตั้งแต่ 10 ms จนถึง 30 ms) จึงจะส่ง pulse อีกอันตามเข้าไปได้อีก จากข้อกำหนดนี้ทำให้เราสามารถคำนวนหาค่า duty cycle ได้ดังนี้ ช่วงเวลาเปิดสัญญาณต่ำสุด = 1 ms ช่วงเวลาของสัญญาณควบคุมทั้งหมด = 20 ms ค่า duty cycle ต่ำสุด = 1 x 100 = 5% 20 ช่วงเวลาเปิดสัญญาณสูงสุด = 2 ms ช่วงเวลาของสัญญาณควบคุมทั้งหมด = 20 ms ค่า duty cycle สูงสุด = 2 x 100 = 10% 20 ดังนั้นเราต้องการค่า duty cycle ที่เซอร์โวต้องการอยู่ระหว่าง 5 - 10% การทำงานของเครื่องทดสอบเซอร์โว เราสามารถสร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณเลียนแบบสัญญาณควบคุมเซอร์โวได้โดยใช้ ไอซีเบอร์ 555 เพียงตัวเดียวต่อการทำหน้าเป็นวงจร Astable (วงจรกำเนิดสัญญาณแบบหนึ่ง) ดังรูปข้างล่าง วงจรกำเนิดสัญญาณแบบ Astable โดยใช้ไอซีเบอร์ 555 จากวงจรข้างบนเมื่อจ่ายไฟให้วงจรครั้งแรก ไอซี 555 จะมีกระแสไหลผ่าน RA และ RB ไปทำการ Charge ตัวเก็บประจุ C เมื่อแรงดันที่ตัวเก็บประจุ C เพิ่มขึ้นถึง 1/3 ของไฟเลี้ยงแล้ว ไอซี 555 จะให้ output เป็นสถานะ 1 และพอแรงดันที่ตัวเก็บประจุขึ้นไปถึง 2/3 ของไฟเลี้ยง output ของไอซี 555 จะเป็นสถานะ 0 จากนั้นไอซี 555 จะเริ่มทำการ Discharge ตัวเก็บประจุจนเหลือแรงดัน 1/3 ของไฟเลี้ยงก็จะเริ่มขบวนการ Charge ตัวเก็บประจุ C ใหม่อีกครั้ง คาบเวลาของ pulse สามารถคำนวณได้จากสูตร เวลาที่ใช้ในการ Charge ตัวเก็บประจุ C (T1) = 0.693 x (RA + RB) x C เวลาที่ใช้ในการ Discharge ตัวเก็บประจุ C (T2) = 0.693 x RB x C คาบเวลาของ pulse (T) = T1 + T2 = 0.693 x (RA + (2 x RB)) x C โดยที่ T1 T2 T มีหน่วยเป็นวินาที C มีหน่วยเป็นฟารัด (F) RA และ RB มีหน่วยเป็นโอห์ม (Ohm) โดยปกติไอซีเบอร์ 555 จะสร้าง pulse ที่มีค่า duty cycle ได้ต่ำสุดอยู่ที่ 50% การลดค่า duty cycle ให้เหลือเพียง 5 - 10% สามารถทำได้โดยใช้ไดโอดมาต่อคล่อม RB ผมจึงสามารถออกแบบวงจรเครื่องทดสอบเซอร์โวได้ดังวงจรข้างล่างนี้ วงจรสมบูรณ์ของเครื่องทดสอบเซอร์โว จากวงจรข้างบนเป็นวงจร Astable ที่ใช้ไอซีเบอร์ LM555 ทำหน้าที่กำเนิดสัญญาณ pulse ผมใช้ไดโอด D1 เบอร์ 1N4148 ทำหน้าที่ลดเวลาในการ Charge ตัวเก็บประจุ C1 โดยทำการ bypass กระแสสำหรับ Charge ตัวเก็บประจุ C1 ที่ปกติจะต้องผ่านทาง R2 ก่อน ดังนั้นช่วงเวลาที่ทำให้ output ของไอซี 555 เป็นสถานะ 1 จะถูกกำหนดด้วย VR1 R1 R3 และ C1 เท่านั้น ผมสามารถนำมาคำนวนได้ดังนี้ เวลาที่ใช้ในการ Charge ตัวเก็บประจุ C1 (T1) = 0.693 x RA x C1 โดยที่ RA = R1 + (R3 x VR1) R3 + VR1 เวลาที่ใช้ในการ Discharge ตัวเก็บประจุ C1 (T2) = 0.693 x R2 x C1 ถ้าเราให้ C1 = 0.33 uF = 0.00000033 F R1 = 3K Ohm = 3000 Ohm R2 = 68K Ohm = 68000 Ohm R3 = 10K Ohm = 10000 Ohm VR1 = 0 Ohm เนื่องจาก VR1 = 0 Ohm จากสูตรข้างบนจะได้ RA = 0 Ohm ด้วย ดังนั้นเราจะได้ T1 = 0.693 x 3000 x 0.00000033 = 0.00069 วินาที แต่จากการทดลองสร้างผมพบว่าค่า T1 = 0.00102 วินาทีซึ่งมีค่ามากกว่าที่คำนวนได้เนื่องจากค่าผิดพลาดของอุปกรณ์ เลยทำให้ค่า T1 ที่ได้ใกล้เคียงกับค่าที่เราต้องการคือ 0.001 วินาที หรือ 1 ms และถ้า VR1 = 5K Ohm เราจะได้ค่า RA = 3000 + (10000 x 5000) = 6333 Ohm 10000 + 5000 เราจะได้ T1 = 0.693 x 6333 x 0.00000033 = 0.0015 วินาที แต่จากการทดลองสร้างผมพบว่าค่า T1 = 0.0022 วินาทีซึ่งมีค่ามากกว่าที่คำนวนได้เนื่องจากค่าผิดพลาดของอุปกรณ์ แต่ค่า T1 ที่ได้ก็ใกล้เคียงกับค่าที่เราต้องการคือ 0.002 วินาที หรือ 2 ms ส่วน T2 = 0.693 x 68000 x 0.00000033 = 0.016 วินาที แต่จากการทดลองสร้างผมพบว่าค่า T2 = 0.018 วินาที ดังนั้นคาบเวลาของ pulse เมื่อ VR1 = 0 Ohm = T1 + T2 = 0.00102 + 0.018 = 0.01902 วินาที และช่วงเวลาของ pulse เมื่อ VR1 = 5000 Ohm = T1 + T2 = 0.0022 + 0.018 = 0.0202 วินาที ซึ่งใกล้เคียงกับค่าที่เราต้องการคือ 0.02 วินาที (20 ms) การสร้าง เครื่องทดสอบเซอร์โวนี้มีอุปกรณ์ไม่มากนักเพราะผมต้องการให้สร้างได้ง่าย การประกอบสามารถทำบนแผ่นปรินท์อเนกประสงค์ หรือจะสร้างลงบนแผ่นปรินท์ตามแบบที่ให้ไว้ดังนี้ ลายแผ่นปรินท์ด้านทองแดง (ขนาดเท่าของจริง) รายละเอียดการวางอุปกรณ์ (เมื่อมองจากด้านทองแดง) การสร้างให้ใช้หัวแร้งแบบแช่ขนาดไม่เกิน 30 วัตท์ โดยเริ่มจากการลงอุปกรณ์ตัวเล็กๆก่อนได้แก่ความต้านทาน R1 R2 R3 ตัวเก็บประจุ C1 C2 C3 และใต้ Socket IC จะมีลวดจ้ำ J1 อยู่หนึ่งจุด ต้องใส่ลวดจ้ำนี้ก่อนใส่ Socket IC ด้วย ส่วน VR1 ให้ใส่หลังสุด เมื่อประกอบเสร็จแล้วจะได้เครื่องทดสอบเซอร์โวดังรูป เครื่องทดสอบเซอร์โวเมื่อประกอบเสร็จแล้ว ตรวจสอบความถูกต้องอีกครั้ง จากนั้นใส่ไอซีลงไปใน Socket IC ใส่ให้ถูกต้องด้วย เมื่อแน่ใจว่าถูกต้องหมดแล้ว ให้หาเซอร์โวที่ยังใช้งานได้มาต่อเข้ากับวงจร แล้วต่อไฟเลี้ยง 4 - 6 โวลท์ จากนั้นลองปรับ VR1 จะเห็นเซอร์โวทำงานตามการปรับเป็นอันถูกต้อง นำไปประกอบลงกล่องแล้วนำไปใช้งานได้เลย แสดงการต่อใช้งานเครื่องทดสอบเซอร์โว การเพิ่มเติมฟังก์ชั่น เครื่องทดสอบเซอร์โวเครื่องนี้ผมออกแบบให้กำเนิดสัญญาณ pulse ที่มีคาบเวลาระหว่าง 1 – 2 ms ซึ่งเหมาสำหรับทดสอบเซอร์โวทั่วไป แต่สำหรับเซอร์โวบางรุ่นสามารถรับสัญญาณ pulse ได้กว้างมากกว่านี้ เราสามารถดัดแปลงเครื่องทดสอบเซอร์โวนี้ให้กำเนิดสัญญาณได้กว้างมากขึ้นโดยการลดค่าความต้านทาน R1 ลงเพื่อลดคาบเวลาต่ำสุดลงให้ต่ำกว่า 1 ms และเพิ่มค่าความต้านทาน R3 (หรือถอดออกไปเลย) เพื่อเพิ่มคาบเวลาสูงสุดให้มากกว่า 2 ms แต่ต้องระวังไม่ให้เซอร์โวทำงานเกินขีดจำกัดของมัน ซึ่งเซอร์โวอาจเกิดความเสียหายขึ้นได้ อีกอย่างหนึ่งคือเราสามารถต่อสวิทช์แบบกดติด-ปล่อยดับขนานกับ VR1 เพื่อทำให้เซอร์โวหมุนกลับไปกลับมาได้ โดยสวิทช์นี้มีไว้เพื่อทดสอบกลไกการทำงานของเซอร์โวว่ามีจุดไหนติดขัดบ้างหรือไม่ การใช้งานเราจะตั้งค่า VR1 ไว้สูงสุดก่อน (หมุนทวนเข็มนาฬิกาจนสุด) พอเรากดสวิทช์ค้างไว้จะทำให้เซอร์โวจะหมุนไปจนสุดอีกด้านหนึ่ง พอปล่อยสวิทช์เซอร์โวก็จะหมุนกลับไปจุดเดิม รายการอุปกรณ์ IC1 LM555 1 ตัว R1 3K ohm ¼ watt 5% 1