มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน Brushless DC Motor

จากกระแสการใช้งานมอเตอร์ไร้แปรงถ่านที่เริ่มได้รับความนิยมมากขึ้น เพราะข้อดีที่เหนือกว่ามอเตอร์แบบใช้แปรงถ่าน (Brushed DC Motor) ดังนั้นฉบับนี้เรามารู้จักการทำงาน ของมอเตอร์ไร้แปลงถ่านกันสักหน่อย

การทำงานของมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน ในการทำงานของมอเตอร์ใช้แปรงถ่าน จะทำงานแบบง่ายๆ โดยมีแปรงถ่านเป็นตัวคอยสับเปลี่ยนการจ่ายกระแสไฟให้กับขดลวด เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่เหมาะสม มอเตอร์ชนิดนี้จึงมีสายเพียง 2 เส้นเท่านั้น แต่ในมอเตอร์ไร้แปลงถ่านจะมีขดลวดอยู่ 3 ชุด และจะทำงานครั้งละ 2 ชุด สับเปลี่ยนกันเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่เหมาะสม จะเห็นได้ว่ามอเตอร์ไร้แปรงถ่านจะมีสายจำนวน 3 เส้นต่อออกมา ตามรูปที่ 1 คือ ขั้ว A, B และ C

จากภาพที่ 1 ด้านขวาแสดงภาคตัดมอเตอร์ จะเห็นตัวหมุน (rotor) ที่เป็นแม่เหล็กถาวรอยู่ตรงกลาง และขวดลวด A, B และ C อยู่รอบๆ แต่หากเป็นมอเตอร์ที่เปลือกหมุน (out-runner) จะกลับกันคือขดลวดจะอยู่ตรงกลางแล้วมีเปลือกแม่เหล็กเป็นวงกลมอยู่รอบนอกแทน

ในภาพที่ 1 จะมีกระแสไหลผ่านขดลวดจาก A ไป B ตามเส้นทางที่ 1 ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กสำหรับดึงดูดแกนหมุนให้อยู่ระหว่างขั้วของ A และ B หรือมอเตอร์จะวางตัวอยู่ตามรูปที่ 1 และหากให้การกระแสไหลตามเส้นทางที่ 6 คือ จากขั้ว A ไปยังขั้ว C จะทำให้เกินสนามแม่เหล็กระหว่างขั้ว A และ C จะทำให้ตัวหมุนเคลื่อนไปในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาไปอยู่ระหว่างขั้ว C และ A แทน หรือขั้ว N ประมาณเลข 11 บนหน้าปัดนาฬิกา และหากเปลี่ยนกระแสให้ไหลในเส้นทางที่ 5 คือ จาก B ไปยัง C ต่อไปอีก ตัวหมุน จะหมุนทวนเข็มนาฬิกาต่อไปอีก ขั้ว N จะอยู่ที่ระหว่างขั้ว B และ C หรือที่ประมาณ 9 นาฬิกา ดังนั้นหากให้เกิดการหมุนต่อเนื่อง จะต้องทำการสับขั้วให้กระแสไหลในจังหวะที่เหมาะสมตามลำดับไป ดูได้จากรูปที่ 2 และเมื่อกระทำต่อเนื่องไปจนครบ 6 ขั้น จะเกิดการหมุน 1 รอบพอดี ในระหว่างขั้นต่างๆ นี้ ขั้ว A, B และ C จะถูกสับเปลี่ยนไปมาระหว่างบวกและลบ ทำให้ตัวควบคุมจะต้องใช้ FET ต่อกันเป็น bridge อย่างน้อย 6 ตัว (3 PFET + 3 NFET) เพื่อให้สามารถสับเปลี่ยนขั้วได้ จึงไม่แปลกใจเมื่อพบว่า speed จะมี FET ตัวเล็กๆ ต่อกันอยู่เป็นชุดๆ อยู่จำนวนมากน้อยตามกระแสที่จ่ายได้

จากหลักการทำงานขั้นต้น จะเห็นว่าการสับเปลี่ยนขั้ว มีความสัมพันธ์กับตำแหน่งของตัวหมุนเป็นอย่างมาก การสับเปลี่ยนขั้วเพื่อให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เหมาะสม จะทำให้ได้แรงบิดที่ดี โดยแรงบิดจะเกิดขึ้นสูงสุด เมื่อตัวหมุนทำมุมกับสนามแม่เหล็ก 90 องศา ดังนั้นในการควบคุมมอเตอร์ไร้แปลง เราจะได้ยินความว่า sensorless อีกคำหนึ่ง เพราะการควบคุมมอเตอร์จำเป็นต้องรู้ตำแหน่งของมอเตอร์ หากมีการใช้อุปกรณ์ (sensor) ช่วยบอกตำแหน่ง เช่น พวก Hall Sensor จะใช้จำนวน 3 ตัว เพื่อให้สัญญาณออกมาตามรูปที่ 2 จากนั้นจะนำสัญญาณที่ได้ไปกำหนดเวลาสับเปลี่ยนขั้วอีกที การใช้ sensor มีข้อดีคือ ตัวควบคุมทำงานง่าย แต่มีข้อยุ่งยากคือ ต้องใช้ sensor เพิ่ม และเป็นภาระในการดูแล ทำให้มีการคิดเทคนิคการตรวจสอบตำแหน่ง โดยไม่ใช้ sensor ขึ้นมาหรือเรียกว่า sensorless นั้นเอง

หลักการทำงาน Sensorless Controller จากลักษณะของมอเตอร์ และการขับที่ละ 2 ขั้ว ขั้วที่ว่างอยู่อีก 1 ขั้ว ในขณะที่มอเตอร์หมุนจะมีสัญญาณออกมา (BEMF) และสามารถนำไปประเมินเพื่อกำหนดตำแหน่งมอเตอร์ได้เช่นเดียวกันกับการใช้ Hall Sensor ดูภาพประกอบที่ 3 วิธีนี้มีข้อดีคือ ไม่ต้องติดตั้ง sensor ทำให้สะดวกและประหยัด แต่มีข้อเสียคือ หากมอเตอร์ยังไม่หมุน จะไม่มีสัญญาณ BEMF ออกมา ทำให้ตัว controller ไม่สามารถตรวจสอบตำแหน่งมอเตอร์ในตอนเริ่มต้นหมุนได้ ในวงการเครื่องบินเล็กเรา มอเตอร์ที่ใช้งานกันจะเป็นแบบ sensorless ทั้งนั้น อาจทำให้ได้ยิน speed บางรุ่น จะมีปัญหากับมอเตอร์บางตัว ว่าไม่สามารถเริ่มหมุนได้ หรือหมุนได้แต่สะดุด หรือแม้แต่หมุนกลับทางไปเลยก็มี ทั้งนี้มาจากการที่ไม่สามารถวัดสัญญาณ BEMF ได้ในตอนต้นนั้นเอง แต่ speed รุ่นที่ดีๆ จะมีเทคนิคการเริ่มต้นที่ดี จะสามารถเริ่มการหมุนได้แน่นอนกว่า แม้ว่าบางครั้งอาจจะผิดพลาดบ้าง แต่เป็นส่วนน้อยมากๆ และมอเตอร์ที่อาจจะมีปัญหามันเป็นมอเตอร์แบบ out-runner ดังนั้นในการเลือกใช้งาน speed จึงควรตรวจสอบให้แน่ใจก่อนว่า speed รุ่นที่จะซื้อ สามารถใช้งานได้กับมอเตอร์ที่จะใช้

คงพอเป็นพื้นฐานเบื้องต้นสำหรับมอเตอร์ไร้แปลงและการทำงาน ทั้งนี้จะได้เข้าใจและใช้งานได้อย่างถูกต้อง เพราะมีคนโทรเข้ามาถามอยู่เสมอว่า speed ธรรมดาที่มีสองสายใช้กับมอเตอร์ไร้แปลงได้หรือไม่ ตอนนี้คงทราบแล้วว่าไม่ได้ เพราะหลักการทำงานคนละอย่าง และมักจะมีคำถามอีกอย่างคือส่วนใหญ่จะเห็นผู้ที่เล่นมอเตอร์ไร้แปลงกับถ่าน LiPo เสมอๆ แล้วจะมีข้อสงสัยว่าจะใช้กับถ่าน NiCd/NiMh ได้หรือไม่ ขอตอบตรงนี้เลยว่าใช้ได้ครับ เพราะเป็นไฟ DC เหมือนกัน สำคัญเพียงว่าควรตั้งจุดตัด (LVC) ให้เหมาะสมกับถ่าน รวมทั้งดูความสามารถในการจ่ายกระแสของถ่านให้เหมาะสม และเหตุที่คนใช้ถ่าน LiPo กับมอเตอร์ไร้แปลงถ่าน มาจากต้องการลดน้ำหนักลง รวมทั้งมอเตอร์ไร้แปรงถ่านจะกินไฟไม่มากเท่ากับมอเตอร์ใช้แปรงถ่าน ถ่าน LiPo จึงสามารถนำมาใช้ได้ดี