การเลือกสเต็ปปิ้งมอเตอร์: คำนวณแรงบิด ป้องกันการหลุดสเต็ป และ RFP สำหรับโรงงานในไทย

ในเรื่องการเลือกสเต็ปปิ้งมอเตอร์ เรามักได้รับคำปรึกษาจากฝ่ายวิศวกรรมการผลิตและฝ่ายออกแบบเครื่องจักรของโรงงานญี่ปุ่นในประเทศไทยในลักษณะนี้ “แรงบิดยึดค้างในแคตตาล็อกมีเผื่อไว้มากพอ แต่พอเริ่มเดินเครื่องจริงกลับเกิดการหลุดสเต็ป” “ไม่ได้รับเอกสารการคำนวณการเลือกมอเตอร์จากผู้ผลิตเครื่องจักร” “ตัดสินใจไม่ได้ว่าควรใช้เซอร์โว หรือสเต็ปปิ้งมอเตอร์แบบวงปิดก็เพียงพอแล้ว”

ข้อเสนอของบทความนี้มีดังนี้ การเลือกสเต็ปปิ้งมอเตอร์ไม่ได้ตัดสินจาก “แรงบิดยึดค้าง” แต่ตัดสินจาก “แรงบิดพูลเอาต์ที่ความเร็ว ไดรเวอร์ และแรงดันไฟเลี้ยงที่ใช้งานจริง” กับ “แรงบิดเร่งและอัตราส่วนความเฉื่อย” จากนั้นให้ผู้รับงานเขียนเหตุผลของการเลือกเป็นเอกสารการคำนวณใน RFP (เอกสารขอใบเสนอราคา) และตรวจสอบค่าที่มีเงื่อนไขกำกับ (ความแม่นยำในการหยุดและอุณหภูมิ) ในการทดสอบรับมอบ (FAT/SAT) โดยมีรายละเอียด 6 ข้อดังนี้

1. แรงบิดยึดค้างคือค่าขณะมอเตอร์หยุดนิ่ง สิ่งที่ต้องนำมาเทียบเมื่อมอเตอร์ทำงานคือแรงบิดพูลเอาต์ที่ความเร็วใช้งาน ในช่วงความเร็วสูงแรงบิดจะลดลง และลักษณะการลดลงจะเปลี่ยนไปตามไดรเวอร์และแรงดันไฟเลี้ยง
2. สำหรับแกนแนวนอน แรงบิดเร่งและอัตราส่วนความเฉื่อยมีผลมากกว่าแรงบิดโหลด ในการประมาณการแบบจำลองของบทความนี้ แรงบิดเร่งมีค่าประมาณ 2 เท่าของแรงบิดโหลด
3. ไมโครสเต็ปเพิ่มความละเอียด แต่ความแม่นยำไม่ได้เพิ่มขึ้นตามสัดส่วน ความแม่นยำในการหยุดเป็นค่าที่มีเงื่อนไขกำกับ เช่น “ขณะไม่มีโหลด” หรือ “กำหนดตำแหน่งจากทิศทางเดียว”
4. สเต็ปปิ้งมอเตอร์แบบวงเปิดไม่สามารถรู้ตัวได้เองเมื่อเกิดการหลุดสเต็ป ระบบแบบวงปิดเป็นทางเลือกที่เปลี่ยนการหลุดสเต็ปให้กลายเป็นสัญญาณเตือน (alarm) หรือการชดเชย
5. แกนแนวตั้งยึดตำแหน่งได้เฉพาะขณะจ่ายไฟเท่านั้น จึงควรพิจารณาเบรกแบบทำงานเมื่อไม่มีกระแสกระตุ้น (non-excitation type) เพื่อรองรับกรณีไฟดับหรือการตัดกระแสกระตุ้น
6. ใน RFP ให้ผู้รับงานระบุเงื่อนไขการคำนวณ ระยะเผื่อเทียบกับแรงบิดพูลเอาต์ วิธีป้อนพัลส์ กระแสขณะหยุด อุณหภูมิตัวเรือน และรอบการทำงาน (duty) แล้วตรวจสอบใน FAT/SAT

บทความนี้ไม่ใช่การแนะนำหรือจัดอันดับผลิตภัณฑ์ใด ฟังก์ชันของผลิตภัณฑ์เป็น “คำกล่าวอ้างของผู้ผลิต” ตามเอกสารเผยแพร่ของแต่ละราย และค่าอ้างอิงของผู้ผลิตได้ระบุชื่อบริษัทกำกับไว้ การประมาณการแบบจำลองในช่วงหลังใช้ตัวเลขสมมติที่ตั้งขึ้นเพื่ออธิบาย ไม่ใช่ข้อมูลของเครื่องจักรจริง และบทความนี้ไม่กล่าวถึงราคาหรือจำนวนเงิน

สเต็ปปิ้งมอเตอร์คืออะไร: มุมสเต็ปกับกลไกการกำหนดมุมด้วยพัลส์

สเต็ปปิ้งมอเตอร์ (stepping motor) คือมอเตอร์ที่มุมการหมุนถูกกำหนดด้วยจำนวนพัลส์ที่ป้อนเข้าไดรเวอร์ และความเร็วรอบถูกกำหนดด้วยความเร็วของพัลส์ (ความถี่) มุมที่หมุนไปต่อ 1 พัลส์เรียกว่า “มุมสเต็ปพื้นฐาน” (basic step angle)

มุมสเต็ปพื้นฐานที่พบบ่อยมีดังนี้

ตามข้อมูลของ Lin Engineering มอเตอร์ 1.8° มีฟันโรเตอร์ 50 ซี่และหมุน 200 สเต็ปต่อรอบ ส่วนมอเตอร์ 0.9° มีฟัน 100 ซี่และหมุน 400 สเต็ปต่อรอบ

ในด้านโครงสร้าง MinebeaMitsumi อธิบายว่าชนิดไฮบริด (hybrid) คือ “ชนิดที่ผสมแม่เหล็กถาวรกับวัสดุแม่เหล็กเพื่อเพิ่มความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่ง” ส่วนชนิด PM เหมาะกับการทำให้มีขนาดเล็ก ซีรีส์ H17PMK ของ MinebeaMitsumi ที่บทความนี้ใช้เป็นตัวอย่างในการประมาณการแบบจำลองก็เป็นชนิดไฮบริดเช่นกัน

ใน FAQ ของบริษัทเดียวกัน ระบุข้อดีของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ว่า “กำหนดตำแหน่งได้อย่างแม่นยำด้วยการควบคุมแบบวงเปิดที่เรียบง่าย” และระบุข้อเสียว่า “มีความเสี่ยงที่จะหลุดสเต็ปเมื่อหมุนด้วยความเร็วสูง” เนื่องจากแรงบิดลดลงอย่างรวดเร็วที่ความเร็วสูง จึงต้องระวังการหลุดสเต็ปจากโหลดเกิน ความร้อน และการสั่นสะเทือน กล่าวคือ ความสะดวกที่กำหนดตำแหน่งได้โดยไม่ต้องมีเอ็นโค้ดเดอร์ กับความเสี่ยงที่ตำแหน่งจะคลาดเคลื่อนเมื่อใช้งานนอกเงื่อนไข เป็นสองด้านของเหรียญเดียวกันของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ และงานที่ทำให้ “ไม่ใช้งานนอกเงื่อนไข” ก็คือการเลือกมอเตอร์นั่นเอง

ความแตกต่างของแรงบิดยึดค้าง แรงบิดพูลเอาต์ และแรงบิดพูลอิน

จุดที่มักสะดุดเป็นอันดับแรกในการเลือกสเต็ปปิ้งมอเตอร์คือชนิดของแรงบิด ต่อไปนี้คือการสรุปตามนิยามในเอกสารทางเทคนิคของ Oriental Motor

แรงบิดพูลอิน (pull-in torque) เป็นคำที่มักใช้เรียกเส้นโค้งแสดงขอบเขตที่สามารถเริ่มเดินและหยุดได้โดยไม่มีการเร่งและลดความเร็ว และมักวาดไว้ด้านในของเส้นโค้งแรงบิดพูลเอาต์ อย่างไรก็ตาม เอกสารที่บทความนี้อ้างอิงไม่ได้ให้นิยามไว้ ชื่อเรียกและวิธีวาดเส้นโค้งจึงควรตรวจสอบจากเอกสารของผู้ผลิตที่จะใช้จริง

สิ่งสำคัญในที่นี้คือ แรงบิดยึดค้างเป็นค่าที่ความเร็วศูนย์ เมื่อมอเตอร์เริ่มหมุน แรงบิดที่ให้ได้จะลดลงตามความเร็ว หากนำแรงบิดยึดค้างที่แสดงเด่นในตารางของแคตตาล็อกมาเทียบกับแรงบิดที่ต้องการ แล้วตัดสินว่า “มีระยะเผื่อพอ” อาจเกิดกรณีที่แรงบิดไม่พอที่ความเร็วใช้งานจริง

ภาพด้านบนเป็นแผนภาพเชิงแนวคิดและไม่มีสเกลกำกับ สิ่งที่ต้องการตรวจสอบในการเลือกคือ ที่ตำแหน่งความเร็วใช้งาน (เส้นประแนวตั้ง) เส้นโค้งแรงบิดพูลเอาต์อยู่สูงกว่า “แรงบิดที่ต้องการ × ค่าความปลอดภัย” (เส้นประแนวนอน) หรือไม่ และระหว่างสองเส้นนั้นมีระยะเผื่อมากเพียงใด เอกสารของ Oriental Motor ก็อธิบายไว้ว่า ในการเลือกต้องตรวจสอบให้แรงบิดที่ต้องการอยู่ภายในเส้นโค้งแรงบิดพูลเอาต์

นอกจากนี้ Oriental Motor ยังระบุว่า คุณลักษณะแรงบิดกับความเร็ว (torque-speed characteristics) ถูกกำหนดโดยการจับคู่ระหว่างมอเตอร์กับไดรเวอร์ และได้รับผลกระทบอย่างมากจากชนิดของไดรเวอร์ที่ใช้ แม้เป็นมอเตอร์ตัวเดียวกัน หากไดรเวอร์หรือแรงดันไฟเลี้ยงต่างกัน เส้นโค้งก็จะเปลี่ยนไป บทถัดไปจะอธิบายเหตุผล

แรงบิดในช่วงความเร็วสูงเปลี่ยนไปตามแรงดันไฟเลี้ยงและไดรเวอร์

สเต็ปปิ้งมอเตอร์สร้างแรงบิดด้วยการจ่ายกระแสเข้าขดลวด เมื่อความเร็วสูงขึ้น ช่วงห่างระหว่างพัลส์จะสั้นลง และมอเตอร์จะสลับไปยังเฟสถัดไปก่อนที่กระแสในขดลวดจะขึ้นถึงค่าเต็ม แรงบิดจึงลดลง

ตามเอกสารทางเทคนิคของ Oriental Motor สิ่งที่ช่วยชดเชยเรื่องนี้คือการขับแบบ constant current chopper ซึ่งนำแรงดันไฟตรงที่สูงกว่าแรงดันพิกัดของมอเตอร์มากมาสับ (chopping) เพื่อจ่ายกระแสพิกัด และระบุว่าผลิตภัณฑ์แบบแพ็กเกจของบริษัททั้งหมดใช้การขับแบบกระแสคงที่

เอกสารเดียวกันยังอธิบายความแตกต่างตามแรงดันไฟเลี้ยงไว้ดังนี้

• ไดรเวอร์ชนิดอินพุต 24 VDC จะจ่ายแรงดัน 24 VDC ให้มอเตอร์
• ไดรเวอร์ชนิดอินพุต 100-115 VAC/200-230 VAC จะจ่ายแรงดันประมาณ 162 VDC หลังการเรียงกระแส (มีข้อยกเว้นบางรุ่น)
• ยิ่งแรงดันที่จ่ายสูง กระแสยิ่งขึ้นเร็ว ทำให้คุณลักษณะแรงบิดในช่วงความเร็วสูงแตกต่างกัน ผลิตภัณฑ์ชนิดอินพุต AC ทำได้ดีในช่วงความเร็วที่กว้าง

สิ่งที่มักเกิดขึ้นในการเลือกคือ ความไม่ตรงกันระหว่างการเลือกมอเตอร์จากเส้นโค้งของไดรเวอร์อินพุต AC ในแคตตาล็อก แต่เครื่องจริงกลับจับคู่กับไดรเวอร์อินพุต 24 VDC ในช่วงความเร็วสูง เพียงเท่านี้ก็อาจทำให้ระยะเผื่อของแรงบิดพูลเอาต์หมดไปได้

ด้วยเหตุนี้ ในเอกสารการคำนวณและ RFP จึงควรกำหนดให้ ระบุไม่เพียงรุ่นของมอเตอร์ แต่ต้องกำหนดรุ่นของไดรเวอร์และแรงดันไฟเลี้ยงให้แน่นอน แล้วใช้คุณลักษณะแรงบิดกับความเร็วของการจับคู่นั้นเป็นหลักฐาน หากเอกสารการคำนวณของผู้ผลิตเครื่องจักรเขียนไว้เพียงว่า “แรงบิดยึดค้าง ○ N·m เทียบกับแรงบิดที่ต้องการ ○ N·m” ให้ตรวจสอบว่าใช้เส้นโค้งของไดรเวอร์ใดที่แรงดันเท่าใด และเทียบกับแรงบิดพูลเอาต์ที่ความเร็วเท่าใด

ขั้นตอนการเลือก: จากรูปแบบการเคลื่อนที่ถึงแรงบิดที่ต้องการ

เอกสารทางเทคนิคของ Oriental Motor แสดงขั้นตอนการเลือกมอเตอร์ไว้ดังนี้

1. กำหนดกลไกขับเคลื่อน ขนาดโดยประมาณ ระยะเคลื่อนที่ และรอบเวลาการกำหนดตำแหน่ง
2. ตรวจสอบข้อกำหนดที่ต้องการ (ความแม่นยำในการหยุด การยึดตำแหน่ง ช่วงความเร็ว แรงดันไฟเลี้ยง ความละเอียด ความทนทาน เป็นต้น)
3. คำนวณแรงบิดโหลด ความเฉื่อยของโหลด และความเร็ว โดยแปลงเป็นค่าที่เพลามอเตอร์
4. เลือกชนิดมอเตอร์ (AC, บรัชเลส, สเต็ปปิ้ง เป็นต้น)
5. ตรวจสอบว่าเป็นไปตามเงื่อนไขทั้งหมด เช่น ความแข็งแรงเชิงกล เวลาเร่ง และแรงบิดเร่ง แล้วจึงตัดสินใจ

เมื่อนำมาปรับใช้กับการเลือกสเต็ปปิ้งมอเตอร์ จะได้ลำดับขั้นตามแผนภาพด้านล่าง

1. กำหนดรูปแบบการเคลื่อนที่: ระยะชัก เวลากำหนดตำแหน่ง และเวลาเร่งและลดความเร็ว สำหรับเวลาเร่งและลดความเร็ว ตัวอย่างการคำนวณของ Oriental Motor ระบุว่า “25% ของเวลากำหนดตำแหน่งเป็นค่าที่เหมาะสม” ซึ่งเป็นแนวทางในโจทย์ตัวอย่างของบริษัท ไม่ใช่ค่าที่กำหนดเป็นข้อบังคับ
2. คำนวณแรงบิดโหลด TL: แรงบิดที่ต้องใช้เพื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ อันเกิดจากแรงเสียดทานและแรงโน้มถ่วง
3. คำนวณความเฉื่อยของโหลด JL: โมเมนต์ความเฉื่อยของเพลาสกรู โต๊ะ ชิ้นงาน ฯลฯ ที่แปลงเป็นค่าที่เพลามอเตอร์
4. คำนวณแรงบิดเร่ง Ta: แรงบิดที่ต้องใช้เพื่อเพิ่มความเร็วภายในเวลาเร่งและลดความเร็ว
5. หาแรงบิดที่ต้องการ: (TL + Ta) × ค่าความปลอดภัย Sf
6. ตรวจสอบแรงบิดพูลเอาต์ที่ความเร็วใช้งานและอัตราส่วนความเฉื่อย: ตัดสินด้วยเส้นโค้งที่กำหนดไดรเวอร์และแรงดันไฟเลี้ยงไว้แน่นอนแล้ว
7. เลือกระบบ: จะใช้วงเปิด วงปิด หรือเซอร์โว
8. เขียนลงใน RFP และตรวจสอบใน FAT/SAT: บันทึกเงื่อนไขการคำนวณและเหตุผลของการตัดสินใจเป็นเอกสาร

การเลือกกลไกขับเคลื่อนเอง เช่น การกำหนดระยะลีดและขนาดเพลาของบอลสกรู มีอธิบายไว้ในบทความคู่มือการเลือกบอลสกรู และกรณีขับด้วยสายพานมีอยู่ในบทความการเลือกสายพานไทม์มิ่ง การเลือกมอเตอร์จะเริ่มได้ก็ต่อเมื่อเงื่อนไขของกลไกเหล่านี้ได้ข้อยุติแล้ว

สูตรแรงบิดโหลด โมเมนต์ความเฉื่อย และแรงบิดเร่ง

ส่วนนี้สรุปสูตรจากเอกสารทางเทคนิคของ Oriental Motor โดยเขียนใหม่ในหน่วย SI (เอกสารฉบับ US ของบริษัทใช้หน่วย oz-in แต่รูปแบบของสูตรเหมือนกัน)

สัญลักษณ์

แรงบิดโหลด

• แรงในแนวแกน: F = FA + m·g·(sinα + μ·cosα)
• แรงบิดโหลดของบอลสกรู: TL = F·PB ÷ (2π·η) + μ0·F0·PB ÷ (2π)
• แรงบิดโหลดของสายพานหรือแร็กแอนด์พิเนียน: TL = F·D ÷ (2·η) (หากมีอัตราทดรอบ i ให้หารด้วย i อีกครั้ง)

เทอมที่สองของสูตรบอลสกรูมาจากแรงเสียดทานภายในของนัตพรีโหลด ในตัวอย่างการคำนวณของ Oriental Motor กำหนดแรงพรีโหลดเป็น F0 = F/3 สำหรับรายละเอียดของสัญลักษณ์ในสูตรแบบสายพาน ควรตรวจสอบกับแผนภาพในเอกสารต้นฉบับก่อนนำไปใช้

โมเมนต์ความเฉื่อย

• ทรงกระบอก (เพลาบอลสกรู): JB = (π/32)·ρ·LB·DB⁴
• โต๊ะ + ชิ้นงานที่เคลื่อนที่เชิงเส้น แปลงเป็นค่าที่เพลามอเตอร์: JT = m·(PB/2π)²
• ความเฉื่อยของโหลด: JL = JB + JT (หากมีคัปปลิ้ง ฯลฯ ให้บวกเพิ่ม)

ความเร็วและแรงบิดเร่ง

• ความเร็วพัลส์ขณะทำงาน: f2 = (A − f1·t1) ÷ (t0 − t1) (A คือจำนวนพัลส์ในการเคลื่อนที่)
• ความเร็วรอบ: N = f2 × (θs/360) × 60 [r/min]
• แรงบิดเร่ง: Ta = (J0 + JL) × (π·θs/180) × (f2 − f1) ÷ t1
• แรงบิดที่ต้องการ: TM = (TL + Ta) × Sf
• อัตราเร่งและลดความเร็ว: TR = t1 ÷ (f2 − f1) (คำนวณด้วยความเร็วพัลส์ที่แปลงเป็นฟูลสเต็ป)
• อัตราส่วนความเฉื่อย: JL ÷ (J0·i²) (กรณีมีเกียร์ ให้หารด้วยกำลังสองของอัตราทดรอบ i)
• ค่าประมาณของความถี่เริ่มเดินสูงสุดเมื่อมีความเฉื่อยของโหลด: f = fs ÷ √(1 + JL/J0)

ความเฉื่อยของเพลาบอลสกรูเปลี่ยนไปมากตามระยะลีด ขนาดเพลา และความยาวเพลา และยังมีความเฉื่อยของคัปปลิ้งเพิ่มเข้ามาด้วย วิธีเลือกคัปปลิ้งดูได้ที่บทความการเลือกคัปปลิ้งสำหรับแกนเซอร์โว

การประมาณการแบบจำลอง: แกนบอลสกรูแนวนอน 20 kg ระยะลีด 10 mm

ต่อจากนี้จะใช้สูตรในบทก่อนหน้าคำนวณแรงบิด ตัวเลขทั้งหมดด้านล่างเป็นค่าสมมติเพื่อการอธิบาย สำหรับมอเตอร์ตัวอย่าง บทความนี้ใช้เฉพาะความเฉื่อยของโรเตอร์ 90 g·cm² (= 90×10⁻⁷ kg·m²) และแรงบิดยึดค้าง 450 mN·m จากตารางข้อมูลจำเพาะของ H17PMK442BSTDCN ของ MinebeaMitsumi (ขนาด 42mm, 1.8°, ไบโพลาร์, 0.90 A) ไม่มีเจตนาแนะนำมอเตอร์รุ่นนี้ และในการประมาณการนี้ไม่ได้ตรวจสอบค่าแรงบิดพูลเอาต์ของมอเตอร์รุ่นนี้

สมมติฐาน (ทั้งหมดเป็นค่าสมมติ)

ผลการคำนวณ

ค่า 502.65 ในลำดับที่ 10 คือความเร่งเชิงมุม (rad/s²) หาได้จาก (π×1.8/180) × 4,000 ÷ 0.25 หากแปลง 1,200 r/min เป็นความเร็วเชิงมุมจะได้ประมาณ 125.66 rad/s และเมื่อหารด้วย 0.25 วินาทีก็ได้ค่าเดียวกัน ความเร็วของโต๊ะคือ 1,200 ÷ 60 × 10 = 200 mm/s และระยะเคลื่อนที่ของการเดินแบบสี่เหลี่ยมคางหมู 200 mm/s × 0.75 s = 150 mm ตรงกับระยะชัก

สิ่งที่อ่านได้จากการประมาณการ

ประการแรก สำหรับแกนแนวนอน แรงบิดเร่งมีค่ามากกว่าแรงบิดโหลด ในการประมาณการนี้ แรงบิดเร่ง 0.040 N·m มีค่าประมาณ 2 เท่าของแรงบิดโหลด 0.019 N·m สำหรับแกนแนวนอนที่ใช้บอลสกรูซึ่งมีแรงเสียดทานต่ำ สิ่งที่กำหนดแรงบิดที่ต้องการไม่ใช่ “หนักเพียงใด” แต่คือ “เร่งและลดความเร็วเร็วเพียงใด” และ “ความเฉื่อยมากเพียงใด” หากความเร็วสูงสุดเท่าเดิม การทำให้เวลาเร่งและลดความเร็วสั้นลงจะทำให้แรงบิดเร่งเพิ่มขึ้นในลักษณะแปรผกผัน

ประการที่สอง ห้ามเทียบกับแรงบิดยึดค้าง แรงบิดที่ต้องการ 0.088–0.118 N·m (Sf 1.5–2) ดูเหมือนเป็นเพียงประมาณ 20–30% ของแรงบิดยึดค้าง 0.45 N·m ของมอเตอร์ตัวอย่าง แต่สิ่งที่ต้องนำมาเทียบคือแรงบิดพูลเอาต์ที่ 1,200 r/min (แปลงเป็นฟูลสเต็ปได้ 4 kHz) ค่านั้นต้องอ่านจากคุณลักษณะแรงบิดกับความเร็วภายใต้เงื่อนไขของไดรเวอร์และแรงดันไฟเลี้ยงที่ใช้จริง จะสรุปว่า “ปลอดภัยเพราะเป็นเพียง 20–30% ของแรงบิดยึดค้าง” ไม่ได้

ประการที่สาม ต้องตรวจสอบอัตราส่วนความเฉื่อยและความถี่เริ่มเดินด้วย อัตราส่วนความเฉื่อย 7.81 อ่านได้ว่าอยู่ในช่วงค่าอ้างอิงของ Oriental Motor ที่จะกล่าวถึงต่อไป (ซีรีส์ RK 10, αSTEP 30) อย่างไรก็ตาม การสำรวจนี้ไม่ได้ตรวจสอบอัตราส่วนความเฉื่อยที่ผู้ผลิตมอเตอร์ตัวอย่างแนะนำ นอกจากนี้ เมื่อมีความเฉื่อยของโหลด ผลการคำนวณแสดงว่าความถี่เริ่มเดินสูงสุดจะลดลงเหลือประมาณ 34% ของค่าขณะไม่มีโหลด (ตัวคูณ 0.337) ความเร็วที่สามารถเริ่มเดินได้โดยไม่มีการเร่งและลดความเร็วจึงลดลงอย่างมาก

อ้างอิง: กรณีที่ตั้งแกนเดียวกันเป็นแนวตั้ง เมื่อใช้สูตรเดียวกันโดยให้ α = 90° จะได้ F = 20 × 9.807 = 196.14 N และ TL = 0.3469 + 0.0312 = 0.378 N·m ซึ่งเป็นประมาณ 20 เท่าของแนวนอน (แรงพรีโหลด F0 = F/3 เป็นค่าสมมติที่ยืมวิธีกำหนดจากโจทย์ตัวอย่างของบริษัทเดียวกัน) แกนแนวตั้งมีโหลดจากแรงโน้มถ่วงกระทำอยู่ตลอดเวลา แนวคิดเรื่องแรงบิดและวิธีการยึดตำแหน่งจึงเปลี่ยนไป ซึ่งจะกล่าวถึงในบท “แกนแนวตั้ง” ภายหลัง

อัตราส่วนความเฉื่อยและค่าความปลอดภัย: วิธีอ่านค่าอ้างอิงของผู้ผลิต

อัตราส่วนความเฉื่อยและค่าความปลอดภัยไม่ใช่ “ค่าที่อุตสาหกรรมกำหนดร่วมกัน” แต่เป็นค่าอ้างอิงที่ผู้ผลิตแต่ละรายแสดงไว้สำหรับผลิตภัณฑ์ของตน จากตารางในเอกสารทางเทคนิคของ Oriental Motor อ่านค่าได้ดังนี้

เอกสารเดียวกันอธิบายว่า หากอัตราส่วนความเฉื่อยสูง การพุ่งเกิน (overshoot) และการตกต่ำกว่า (undershoot) ขณะเริ่มเดินและหยุดจะมากขึ้น ส่งผลต่อเวลาเริ่มเดินและเวลาเข้าที่ (settling time) และในบางเงื่อนไขอาจเดินเครื่องไม่ได้ หากเกินค่าอ้างอิง บริษัทแนะนำให้ใช้มอเตอร์ชนิดมีเกียร์ (geared motor) เนื่องจากสูตรอัตราส่วนความเฉื่อยคือ JL ÷ (J0·i²) ความเฉื่อยฝั่งโหลดจึงดูเล็กลงตามกำลังสองของอัตราทดรอบ i บริษัทยังแสดงตัวอย่างเปรียบเทียบไว้ด้วยว่า ในการกำหนดตำแหน่งโหลดที่มีความเฉื่อยสูงในเวลาสั้น มอเตอร์ชนิดมีเกียร์สามารถทำให้เวลากำหนดตำแหน่งสั้นลงได้ ชนิดและวิธีเลือกเกียร์ทดรอบสรุปไว้ในบทความการเลือกเกียร์ทดรอบ

ในฐานะผู้รับเอกสารการคำนวณ สิ่งที่ควรตรวจมี 3 ข้อดังนี้

• เป็นค่าอ้างอิงของบริษัทใด ซีรีส์ใด: แม้จะเขียนไว้เพียงว่า “อัตราส่วนความเฉื่อยไม่เกิน 10” หากเป็นค่าของผู้ผลิตอื่นหรือซีรีส์อื่น ก็ใช้เป็นหลักฐานไม่ได้
• คูณค่าความปลอดภัยกับอะไร: รูปแบบสูตรของ Oriental Motor คือคูณกับผลรวมของ TL และ Ta ให้ตรวจว่าไม่ได้คูณกับแรงบิดโหลดเพียงอย่างเดียวโดยลืมรวมแรงบิดเร่ง
• ได้คิดการลดลงของความถี่เริ่มเดินไว้หรือไม่: ในการประมาณการบทก่อน ตัวคูณคือ 0.337 หากกำหนดความเร็วพัลส์เริ่มเดิน f1 ไม่เท่ากับศูนย์ ให้ตรวจว่าค่านั้นต่ำกว่าความถี่เริ่มเดินที่ลดลงจากความเฉื่อยของโหลดแล้วหรือไม่

สาเหตุและการป้องกันการหลุดสเต็ป

การหลุดสเต็ป (missed step หรือ misstep) คือปรากฏการณ์ที่มอเตอร์ไม่สามารถตามพัลส์ได้ทัน ทำให้ตำแหน่งที่สั่งกับตำแหน่งจริงของมอเตอร์คลาดเคลื่อนกัน เมื่อเดินแบบวงเปิด ทั้งไดรเวอร์และคอนโทรลเลอร์จะไม่รู้ถึงความคลาดเคลื่อนนั้น

สาเหตุหลัก

สรุปสาเหตุจากเอกสารทางเทคนิคของ Oriental Motor และแหล่งอื่น

ช่วงเรโซแนนซ์ 100–200 Hz เป็นค่าที่ Oriental Motor กล่าวถึงสำหรับผลิตภัณฑ์ 2 เฟสของตน ไม่ใช่ค่าที่ใช้ร่วมกันได้กับผู้ผลิตทุกราย

แนวทางการป้องกัน

1. ทบทวนการเร่งและลดความเร็ว: การยืดเวลาเร่งและลดความเร็วจะทำให้แรงบิดเร่งลดลง ตามสูตรแรงบิดเร่ง หากความเร็วสูงสุดเท่าเดิม แรงบิดเร่งจะแปรผกผันกับเวลาเร่งและลดความเร็ว
2. ลดอัตราส่วนความเฉื่อย: เปลี่ยนเป็นมอเตอร์ชนิดมีเกียร์ ทบทวนระยะลีด หรือใช้มอเตอร์ที่มีความเฉื่อยของโรเตอร์สูงขึ้น (กรณีนี้แรงบิดเร่งก็จะเพิ่มขึ้นด้วย จึงต้องคำนวณแรงบิดที่ต้องการใหม่)
3. หลีกเลี่ยงหรือลดเรโซแนนซ์: ตั้งความเร็วไม่ให้เดินอยู่ในช่วงเรโซแนนซ์นาน Oriental Motor อธิบายว่าไมโครสเต็ปเป็นเทคโนโลยีที่ทำให้เดินได้อย่างมีเรโซแนนซ์ต่ำและเสียงเบาในช่วงความเร็วต่ำ มอเตอร์ 5 เฟสก็เป็นอีกทางเลือกหนึ่ง
4. สร้างระยะเผื่อที่ความเร็วใช้งาน: ทบทวนไดรเวอร์และแรงดันไฟเลี้ยงเพื่อยกเส้นโค้งแรงบิดพูลเอาต์ให้สูงขึ้น
5. ทำให้ตรวจจับได้: ตรวจจับการหลุดสเต็ปด้วยเอ็นโค้ดเดอร์ หรือเปลี่ยนเป็นระบบวงปิด ฐานความรู้ของ Parker ระบุว่า “เอ็นโค้ดเดอร์สามารถใช้ตรวจจับการหยุดชะงัก (stall) ได้” และอธิบายว่า หากสั่งเคลื่อนที่อยู่แต่ค่าเอ็นโค้ดเดอร์ไม่เปลี่ยน อาจบ่งชี้ถึงการหยุดชะงัก

ข้อ 1 ถึง 4 เป็นมาตรการทำให้เกิดการหลุดสเต็ปได้ยากขึ้น ส่วนข้อ 5 เป็นมาตรการให้รู้ตัวเมื่อเกิดขึ้น หลักพื้นฐานคือต้องมีทั้งสองด้าน วิธีเลือกเอ็นโค้ดเดอร์อธิบายไว้ในบทความการเลือกโรตารีเอ็นโค้ดเดอร์

ไมโครสเต็ป: ความละเอียดกับความแม่นยำเป็นคนละเรื่องกัน

ไมโครสเต็ป (microstep) คือเทคโนโลยีที่ไดรเวอร์ควบคุมกระแสในขดลวดอย่างละเอียด เพื่อแบ่งมุมสเต็ปพื้นฐานให้ละเอียดยิ่งขึ้น Oriental Motor อธิบายว่าไดรเวอร์ 5 เฟสสามารถแบ่ง 0.72° ได้ตั้งแต่ 1/1 ถึง 1/250 ในตัวอย่างของ Lin Engineering การแบ่งมอเตอร์ 1.8° ออกเป็น 256 ส่วนจะได้ 51,200 ไมโครสเต็ปต่อรอบ (ประมาณ 0.007° ต่อไมโครสเต็ป)

สิ่งที่มักสับสนในจุดนี้คือความละเอียด (resolution) กับความแม่นยำ (accuracy) บทความทางเทคนิคของ Lin Engineering เขียนไว้อย่างชัดเจนว่า “ในการใช้ไมโครสเต็ป ไม่ได้แปลว่าความแม่นยำจะเพิ่มขึ้นเสมอไป แต่สิ่งที่เพิ่มขึ้นคือความละเอียด” แม้ขั้นของมุมที่สั่งได้จะละเอียดขึ้น ก็ไม่ได้หมายความว่ามอเตอร์จะหยุดที่ตำแหน่งนั้นได้อย่างแม่นยำจริง

เมื่อแปลงเป็นระยะของสกรู

พิจารณาบอลสกรูระยะลีด 10 mm และมอเตอร์ 1.8° เช่นเดียวกับการประมาณการแบบจำลอง

การแปลงนี้นำเฉพาะความคลาดเคลื่อนเชิงมุมของตัวมอเตอร์เองมาแปลงเป็นระยะป้อนของสกรู โดยไม่รวมความคลาดเคลื่อนของระยะลีดบอลสกรู ระยะคลอน (backlash) และการเบี่ยงเชิงมุมจากโหลดแรงเสียดทาน ความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งของเครื่องจักรทั้งระบบมักได้รับผลจากความคลาดเคลื่อนฝั่งกลไกมากกว่า จึงไม่ควรคิดว่า “เพิ่มจำนวนการแบ่งไมโครสเต็ปแล้วความแม่นยำของเครื่องจักรจะสูงขึ้น”

ผลต่อความถี่พัลส์

เมื่อเพิ่มความละเอียดด้วยไมโครสเต็ป แม้ความเร็วรอบเท่าเดิม ความถี่พัลส์ที่ต้องใช้ก็จะสูงขึ้น 1,200 r/min ในการประมาณการแบบจำลองเท่ากับ 4 kHz เมื่อแปลงเป็นฟูลสเต็ป แต่หากสมมติว่าสั่งด้วยการแบ่งเทียบเท่า 1/100 จะต้องใช้ 400 kHz ดังที่จะกล่าวต่อไป ความถี่พัลส์อินพุตสูงสุดของไดรเวอร์เปลี่ยนไปตามวิธีเอาต์พุตฝั่ง PLC จึงต้องกำหนดจำนวนการแบ่งและวิธีเอาต์พุตไปพร้อมกัน

ความแม่นยำในการหยุดกับการกำหนดตำแหน่งจากทิศทางเดียว

ความแม่นยำในการหยุดในแคตตาล็อกแทบจะเป็นค่าที่มีเงื่อนไขกำกับเสมอ เอกสารทางเทคนิคของ Oriental Motor อธิบายไว้ดังนี้

• หากไม่มีโหลด ความแม่นยำเชิงมุมของสเต็ปปิ้งมอเตอร์อยู่ภายใน 3 ลิปดา (arc minute) หรือ 0.05°
• ค่าความคลาดเคลื่อนเชิงมุมขณะหยุดนิ่ง (static angle error) เป็นค่าภายใต้เงื่อนไขไม่มีโหลด ในการใช้งานจริงมีโหลดแรงเสียดทาน จึงมีการเบี่ยงเชิงมุมตามคุณลักษณะมุมกับแรงบิดเพิ่มเข้ามา
• ในการเดินไปกลับ การเบี่ยงนั้นจะเป็น 2 เท่าเมื่อรวมขาไปและขากลับ
• หากต้องการความแม่นยำในการหยุดสูง แนะนำให้ใช้การกำหนดตำแหน่งจากทิศทางเดียว

ตารางใน Selection Tips ของบริษัทเดียวกันแสดงความแม่นยำในการหยุดของแต่ละผลิตภัณฑ์ เช่น ซีรีส์ AZ อยู่ที่ ±0.083° ถึง ±0.05° ขึ้นกับรุ่น และ PKP 2 เฟสรุ่นมาตรฐานอยู่ที่ ±0.05° โดยเชิงอรรถระบุว่า “เป็นค่าที่ฟูลสเต็ปและไม่มีโหลด และค่าจะเปลี่ยนไปตามโหลด” สำหรับ 5 เฟสก็มีคำอธิบายว่า “±3 ลิปดาขณะไม่มีโหลด” เช่นกัน

ใน RFP อย่าให้เขียนเพียงว่า “ความแม่นยำในการหยุด ±○°” แต่ให้ระบุเงื่อนไขทั้ง 4 ข้อข้างต้นควบคู่ไปด้วย ในการทดสอบรับมอบก็เช่นกัน หากไม่วัดภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน การเทียบกับค่าในแคตตาล็อกก็ไม่มีความหมาย

ทางเลือกของสเต็ปปิ้งมอเตอร์แบบวงปิด

สเต็ปปิ้งมอเตอร์แบบวงปิด (closed-loop) คือระบบที่ติดเซนเซอร์ตำแหน่ง เช่น เอ็นโค้ดเดอร์ เข้ากับมอเตอร์ แล้วควบคุมโดยดูความต่างระหว่างตำแหน่งที่สั่งกับตำแหน่งจริง เนื้อหาต่อไปนี้เป็น “คำกล่าวอ้างของผู้ผลิต” ตามเอกสารเผยแพร่ของผู้ผลิต

αSTEP ของ Oriental Motor (คำอธิบายในรุ่นซีรีส์ AS)

ตามเอกสารทางเทคนิคของบริษัท αSTEP มีเซนเซอร์ตำแหน่งโรเตอร์ในตัวที่ปลายด้านหลังของเพลามอเตอร์ และใช้ตัวนับค่าเบี่ยงเบน (deviation counter) คำนวณค่าเบี่ยงเบนระหว่างตำแหน่งที่สั่งกับตำแหน่งจริง

• เมื่อค่าเบี่ยงเบนน้อยกว่า 1.8° จะเดินในโหมดเปิด (open mode)
• เมื่อค่าเบี่ยงเบนตั้งแต่ 1.8° ขึ้นไป จะสลับเป็นโหมดปิด (closed mode) และควบคุมด้วยการกระตุ้นที่ให้แรงบิดสูงสุดตามตำแหน่งโรเตอร์

บริษัทอธิบายว่าระบบนี้ไม่เกิดการหลุดสเต็ป และหลุดพ้นจากข้อจำกัดที่เกิดจากความเร็วพัลส์เริ่มเดิน อัตราเร่งและลดความเร็ว และอัตราส่วนความเฉื่อย อย่างไรก็ตาม นี่เป็นคำกล่าวอ้างของผู้ผลิต หากโหลดเกินต่อเนื่องก็อาจเกิดสถานการณ์ที่กู้ตำแหน่งกลับมาไม่ได้ TOMAS TECH จึงแนะนำว่าไม่ควรตีความว่า “รักษาตำแหน่งได้ไม่ว่าโหลดจะเป็นเท่าใด” แต่ควรมองว่าเป็นกลไกที่หยุดด้วยสัญญาณเตือนเมื่อค่าเบี่ยงเบนมากขึ้น กล่าวคือ เป็นกลไกที่ตรวจจับความผิดปกติได้ ซีรีส์ AZ ของบริษัทเดียวกันจัดอยู่ในประเภท “Closed Loop Absolute Type” ที่มีเซนเซอร์แอบโซลูตเชิงกลแบบไม่ใช้แบตเตอรี่

StepSERVO ของ Applied Motion Products

ตามข่าวผลิตภัณฑ์ของบริษัท (ปี 2019) ที่ลงในนิตยสารอุตสาหกรรม StepSERVO เป็นผลิตภัณฑ์ที่รวมสเต็ปปิ้งมอเตอร์ ไดรฟ์ เอ็นโค้ดเดอร์ คอนโทรลเลอร์ และซอฟต์แวร์เซอร์โวแบบวงปิดไว้ในชุดเดียว ระบุว่าจะลดกระแสมอเตอร์โดยอัตโนมัติเมื่อโหลดไม่ต้องการแรงบิด ทำให้ใช้พลังงานน้อยกว่าระบบสเต็ปแบบเดิม และทำงานได้เย็นกว่าและเงียบกว่า มีรุ่นที่เป็น IP65 และระบุว่ารองรับ CANopen, EtherNet/IP และ Modbus RTU/TCP

ตรวจสอบความแตกต่างของระบบใน RFP

ฐานความรู้ของ Parker อธิบายว่าสเต็ปปิ้งมอเตอร์ที่มีเอ็นโค้ดเดอร์มีทั้ง “ระบบที่ชดเชยเมื่อสิ้นสุดการเคลื่อนที่” และ “ระบบที่ป้อนกลับตลอดเวลา” แม้จะเรียกว่า “วงปิด” เหมือนกัน แต่เนื้อในต่างกัน ใน RFP จึงควรให้ผู้รับงานตอบในประเด็นต่อไปนี้

• เป็นระบบป้อนกลับตลอดเวลา หรือระบบชดเชยหลังหยุด
• การทำงานเมื่อค่าเบี่ยงเบนมากขึ้น (หยุดด้วยสัญญาณเตือน ขีดจำกัดของการชดเชย ฯลฯ)
• ส่งสัญญาณเตือนกลับไปยัง PLC อย่างไร

สเต็ปปิ้งหรือเซอร์โว: มุมมองในการตัดสินใจ

ต่อไปนี้คือการสรุปความแตกต่างระหว่างสเต็ปปิ้งมอเตอร์กับเซอร์โวมอเตอร์ จากฐานความรู้ของ Parker และเอกสารของผู้ผลิตแต่ละราย โดยไม่กล่าวถึงราคา

ฐานความรู้ของ Parker มีตัวอย่างแรงบิดในช่วงความเร็วสูงที่เปรียบเทียบผลิตภัณฑ์เฉพาะรุ่นไว้ด้วย แต่เนื่องจากเป็นการเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์เฉพาะ บทความนี้จึงไม่ยกตัวเลขนั้นมาใช้เป็นหลักทั่วไปของสเต็ปปิ้งและเซอร์โว สิ่งที่กล่าวได้ในเชิงหลักทั่วไปคือ ตามที่ FAQ ของ MinebeaMitsumi ระบุ สเต็ปปิ้งมอเตอร์มีแรงบิดลดลงอย่างรวดเร็วที่ความเร็วสูง

แนวทางการตัดสินใจสรุปได้ดังนี้

• ความเร็วต่ำถึงปานกลาง โหลดคงที่ และการยึดตำแหน่งขณะหยุดมีความสำคัญ: สเต็ปปิ้งแบบวงเปิดเป็นตัวเลือก หากต้องการตรวจจับการหลุดสเต็ปให้ติดเอ็นโค้ดเดอร์
• มีการเปลี่ยนแปลงของโหลด และไม่ต้องการให้การหลุดสเต็ปเกิดขึ้นโดยไม่มีใครรู้: สเต็ปปิ้งแบบวงปิดเป็นตัวเลือก โดยกำหนดการทำงานเมื่อเกิดค่าเบี่ยงเบนให้ชัดใน RFP
• ต้องการแรงบิดในช่วงความเร็วสูง โหลดเปลี่ยนแปลงมาก หรือเร่งและลดความเร็วรุนแรง: เซอร์โวเป็นตัวเลือก โดยเผื่อชั่วโมงงานสำหรับการปรับเกนไว้ด้วย

การเลือกใช้ระหว่างเซอร์โวกับอินเวอร์เตอร์อธิบายไว้ในบทความการควบคุมเซอร์โวกับการควบคุมอินเวอร์เตอร์ ส่วนขั้นตอนการจัดซื้อและการทดสอบรับมอบแกนเซอร์โวอธิบายโดยละเอียดในคู่มือจัดซื้อและ FAT/SAT สำหรับการควบคุมเซอร์โว

แกนแนวตั้ง การยึดตำแหน่งเมื่อไฟดับ และเบรกแม่เหล็กไฟฟ้า

สเต็ปปิ้งมอเตอร์มีแรงบิดยึดค้างขณะหยุด แต่มีเฉพาะขณะจ่ายไฟเท่านั้น เอกสารซีรีส์ RK ของ Oriental Motor แสดงด้วยแผนภาพว่า ระหว่างที่ป้อนอินพุตตัดกระแสกระตุ้นทุกเฟส (A.W.OFF) กระแสมอเตอร์จะถูกตัดและไม่มีแรงยึด และในกรณีที่ตั้งค่าให้ตัดกระแสอัตโนมัติเมื่อมีสัญญาณความร้อนเกิน ก็จะอยู่ในสถานะ “หยุด (ไม่มีแรงยึด)” เช่นกัน

กล่าวคือ สำหรับแกนแนวตั้ง โหลดอาจตกลงมาได้ในสถานการณ์ต่อไปนี้

• ไฟดับ
• ตัดไฟเลี้ยงไดรเวอร์เมื่อหยุดฉุกเฉิน
• ตัดกระแสกระตุ้นทุกเฟส (C.OFF) เพื่อบำรุงรักษา
• ไดรเวอร์ตัดกระแสเนื่องจากความร้อนเกินหรือสาเหตุอื่น

ในการประมาณการแบบจำลองก็เช่นกัน เมื่อตั้งเป็นแนวตั้ง แรงบิดโหลดจะเป็น 0.378 N·m หรือประมาณ 20 เท่าของแนวนอน และโหลดจากแรงโน้มถ่วงนั้นกระทำอยู่ตลอดเวลา

Oriental Motor ใช้เบรกแม่เหล็กไฟฟ้าแบบทำงานเมื่อไม่มีกระแสกระตุ้น ซึ่งยึดตำแหน่งโดยอัตโนมัติเมื่อไฟดับหรือในกรณีอื่น ๆ ในซีรีส์ AS ของบริษัท ไฟเลี้ยงเบรกแม่เหล็กไฟฟ้ากำหนดไว้ที่ 24 VDC ±5% ตั้งแต่ 0.3 A ขึ้นไป (AS46 ตั้งแต่ 0.1 A ขึ้นไป) และระบุให้แยกเป็นอิสระจากแหล่งจ่ายไฟสำหรับสัญญาณของไดรเวอร์

เบรกแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นชิ้นส่วนสำหรับยึดตำแหน่ง ไม่ได้ออกแบบมาให้ใช้เป็นอุปกรณ์ห้ามล้อเพื่อหยุดโหลดที่กำลังหมุน ใน RFP และ FAT ควรตรวจสอบประเด็นต่อไปนี้

• เป็นชนิดทำงานเมื่อไม่มีกระแสกระตุ้นหรือไม่
• ระบบจ่ายไฟของเบรก (แยกเป็นอิสระจากแหล่งจ่ายไฟสำหรับสัญญาณของไดรเวอร์หรือไม่)
• จังหวะของการปลดเบรกกับการกระตุ้นมอเตอร์ (ลำดับถูกต้องเพื่อไม่ให้แกนตกในขณะสลับหรือไม่)
• แกนไม่ตกเมื่อไฟดับ หยุดฉุกเฉิน หรือ C.OFF หรือไม่

วิธีเลือกแรงบิดและเวลาตอบสนองของเบรกอธิบายไว้ในบทความการเลือกเบรกแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับแกนแนวตั้ง

ความร้อน อุณหภูมิตัวเรือน การลดกระแสขณะหยุด และรอบการทำงาน

อุณหภูมิผิวตัวเรือน

FAQ ของ Oriental Motor อธิบายเรื่องอุณหภูมิผิวของสเต็ปปิ้งมอเตอร์ว่า สามารถใช้งานได้หากอุณหภูมิผิวตัวเรือนมอเตอร์ไม่เกิน 100°C ขดลวดใช้ฉนวนคลาส B (ทนได้ 130°C) และเผื่อความต่างอุณหภูมิระหว่างภายในกับผิวตัวเรือนไว้ประมาณ 30°C ขีดจำกัดของผิวจึงเป็น 100°C สำหรับซีรีส์ AZ ใช้งานที่อุณหภูมิผิวตัวเรือนไม่เกิน 80°C และจะเกิดสัญญาณเตือนความร้อนเกินเมื่ออุณหภูมิเซนเซอร์ตั้งแต่ 85°C ขึ้นไป บริษัทยังแนะนำให้ติดตั้งมอเตอร์บนแผ่นโลหะที่นำความร้อนได้ดี และใช้งานที่อุณหภูมิต่ำที่สุดเท่าที่ทำได้ เพื่อประโยชน์ต่ออายุของแบริ่ง

ค่าเหล่านี้เป็นค่าของผลิตภัณฑ์ของบริษัทนี้ ขีดจำกัดของผลิตภัณฑ์ผู้ผลิตอื่นควรตรวจสอบจากเอกสารของแต่ละราย ฐานความรู้ของ Parker ก็ระบุว่าสเต็ปปิ้งมอเตอร์ “อุณหภูมิตัวเรือนอาจสูงได้” การที่จับแล้วรู้สึกร้อนไม่ได้แปลว่าผิดปกติเสมอไป แต่การวัดจริงและเก็บบันทึกไว้ในการทดสอบรับมอบมีประโยชน์ ค่าที่วัดได้ขึ้นกับอุณหภูมิแวดล้อม จึงควรบันทึกอุณหภูมิแวดล้อมไปพร้อมกัน

การลดกระแสขณะหยุด

สเต็ปปิ้งมอเตอร์ยังคงจ่ายกระแสเพื่อยึดตำแหน่งแม้ขณะหยุด จึงเกิดความร้อนแม้ไม่ได้เคลื่อนที่ ตามเอกสารทางเทคนิคของ Oriental Motor ฟังก์ชันลดกระแสอัตโนมัติ (automatic current cutback) ของบริษัทจะลดกระแสมอเตอร์ลงเหลือประมาณ 50% (ซีรีส์ CSK และ UMK แบบ 2 เฟสเหลือประมาณ 40%) ภายในประมาณ 0.1 วินาทีหลังจากพัลส์อินพุตหยุด เพื่อลดความร้อนของมอเตอร์และไดรเวอร์ ผู้ผลิตอื่นก็มีฟังก์ชันแนวคิดเดียวกันในชื่ออย่าง “current foldback” (Parker)

สิ่งที่ต้องระวังคือ เมื่อลดกระแส แรงบิดยึดค้างขณะหยุดก็ลดลงด้วย คำอธิบายของซีรีส์ RK ระบุว่า แรงบิดยึดค้างขณะหยุดแปรผันตามกระแสขณะหยุดที่ตั้งไว้ด้วยสวิตช์ สำหรับแกนแนวตั้งหรือแกนที่มีแรงภายนอกกระทำขณะหยุด ให้ตรวจสอบว่าแรงบิดยึดค้างหลังลดกระแสเพียงพอหรือไม่

รอบการทำงาน

เอกสารทางเทคนิคของ Oriental Motor เขียนไว้ว่า “สเต็ปปิ้งมอเตอร์ไม่ได้ออกแบบมาให้เดินต่อเนื่องที่กระแสพิกัด แนะนำให้มีรอบการทำงาน (running duty cycle) ต่ำกว่า 50%” สำหรับแกนที่ต้องเคลื่อนที่เกือบตลอดรอบการผลิต ควรพิจารณาระบบอื่นนอกเหนือจากสเต็ปปิ้งมอเตอร์ด้วย

การเชื่อมต่อกับ PLC และระบบระดับบน: พัลส์เทรนและเครือข่าย

อินพุตพัลส์เทรน

เมื่อกำหนดตำแหน่งด้วยพัลส์เทรนจาก PLC ต้องให้วิธีเอาต์พุตของ PLC ตรงกับวิธีอินพุตของไดรเวอร์ หน้าผลิตภัณฑ์ AZD-CED ของ Oriental Motor (ซีรีส์ AZ รองรับ EtherCAT อินพุต AC) ระบุว่าอินพุตพัลส์เป็นอินพุตโฟโตคัปเปลอร์ 2 จุด และความถี่พัลส์อินพุตสูงสุดเป็นดังนี้

แม้เป็นไดรเวอร์ตัวเดียวกัน ขีดจำกัดก็ต่างกันถึง 4 เท่าตามวิธีเอาต์พุตฝั่ง PLC ดังที่เห็นในบทไมโครสเต็ป การสั่ง 1,200 r/min ด้วยการแบ่งเทียบเท่า 1/100 ต้องใช้ 400 kHz สำหรับผลิตภัณฑ์นี้ โอเพนคอลเลกเตอร์ 250 kHz จะไม่พอ แต่ไลน์ไดรเวอร์ 1 MHz อยู่ในช่วงที่รองรับ ค่านี้เป็นค่าของผลิตภัณฑ์รุ่นนี้รุ่นเดียว ในทางปฏิบัติต้องตรวจสอบจากข้อมูลจำเพาะของไดรเวอร์และยูนิตกำหนดตำแหน่งของ PLC ที่จะใช้จริง ตัวอย่างการต่อสายของซีรีส์ AS ของ Oriental Motor ใช้ไลน์ไดรเวอร์เทียบเท่า 26C31/26C32 และสายคู่บิดเกลียว (twisted pair)

การเชื่อมต่อผ่านเครือข่าย

นอกจากพัลส์เทรนแล้ว ยังมีวิธีสั่งงานผ่านฟิลด์เน็ตเวิร์ก (field network) AZD-CED รองรับ EtherCAT เป็นฟิลด์เน็ตเวิร์ก มีระดับการป้องกัน IP10 และไฟเลี้ยงวงจรควบคุม 24 VDC ±5% 0.25 A (รุ่นที่มีเบรกแม่เหล็กไฟฟ้า 0.5 A) ส่วน StepSERVO ระบุว่ารองรับ CANopen, EtherNet/IP และ Modbus RTU/TCP ตามที่กล่าวไปแล้ว ระดับการป้องกันแตกต่างกันมากตามผลิตภัณฑ์ เช่น AZD-CED (ไดรเวอร์, IP10) กับ StepSERVO รุ่น IP65 (แบบรวมในมอเตอร์) จึงต้องตรวจสอบร่วมกับสภาพฝุ่นและความชื้นของจุดติดตั้ง

การกลับจุดอ้างอิง

วิธีหาจุดอ้างอิง (home) ก็เป็นประเด็นที่ควรกำหนดไว้ใน RFP ซีรีส์ AS ระบุว่าสามารถใช้สัญญาณ Timing ซึ่งให้ 50 พัลส์ต่อมอเตอร์ 1 รอบ ในการตรวจจับจุดอ้างอิงได้อย่างแม่นยำสูง ส่วนซีรีส์ AZ ระบุว่ามีเซนเซอร์แอบโซลูตเชิงกลแบบไม่ใช้แบตเตอรี่

พื้นฐานฝั่ง PLC ดูเพิ่มเติมได้ที่บทความ PLC คืออะไร: หลักการทำงานและประเภท

แนวโน้มการลงทุนด้านระบบอัตโนมัติของไทย และเหตุใดจึงเป็นตอนนี้

ในประเทศไทย คำขอรับการส่งเสริมการลงทุนที่เกี่ยวกับระบบอัตโนมัติและหุ่นยนต์ยังคงมีต่อเนื่อง ตัวเลขแต่ละแหล่งมีขอบเขตและช่วงเวลาต่างกัน จึงสรุปโดยระบุกำกับไว้ ตัวเลขของ BOI ทั้งหมดเป็นมูลค่าคำขอ (applications) รับการส่งเสริมการลงทุน ไม่ใช่มูลค่าการลงทุนจริงหรือมูลค่าที่ได้รับอนุมัติ

ในข่าวประชาสัมพันธ์ที่ประกาศผลทั้งปี 2025 (No.124/2569 วันที่ 4 สิงหาคม 2026) BOI ได้ระบุ “Automation and Robotics” เป็นหนึ่งใน 6 สาขายุทธศาสตร์ IFR คาดการณ์การติดตั้งใหม่ทั่วโลกในปี 2026 ไว้ที่ 655,000 ตัว ทั้งนี้ Executive Summary และข่าวประชาสัมพันธ์ของ IFR ไม่ได้ระบุจำนวนติดตั้งของประเทศไทยแยกไว้

เหตุใดจึงควรทบทวนการเลือกสเต็ปปิ้งมอเตอร์ในตอนนี้

เมื่อการติดตั้งใหม่และการปรับปรุงเครื่องจักรอัตโนมัติเพิ่มขึ้น จำนวนแกนขนาดเล็ก เช่น แกนลำเลียง แกนกำหนดตำแหน่ง และแกนอินเด็กซ์ ก็เพิ่มขึ้นตาม สเต็ปปิ้งมอเตอร์ถูกใช้ในแกนเหล่านี้จำนวนมาก แต่บ่อยครั้งที่ปล่อยให้ผู้ผลิตเครื่องจักรรับผิดชอบทั้งหมด จนเหตุผลของการเลือกไม่ได้เหลืออยู่ที่ฝั่งโรงงาน เมื่อเกิดการหลุดสเต็ปหลังเริ่มเดินเครื่อง หรือเมื่อถึงคราวปรับปรุงแล้ว “หารุ่นเดิมไม่ได้ จึงต้องการเลือกรุ่นทดแทน” หากไม่มีเอกสารการคำนวณก็ตัดสินใจไม่ได้ การวางกลไกให้ได้รับเหตุผลของการเลือกเป็นเอกสารตั้งแต่ขั้นเขียน RFP ของเครื่องจักรใหม่ในตอนนี้จึงมีความหมาย

12 รายการที่ควรเขียนใน RFP

เมื่อสั่งซื้อเครื่องจักรหรือยูนิตที่ใช้สเต็ปปิ้งมอเตอร์ รายการที่ควรเขียนไว้ใน RFP สรุปได้เป็น 12 รายการ แก่นของทั้งหมดคือ “ให้ผู้รับงานส่งเอกสารแสดงว่าเลือกภายใต้เงื่อนไขใด และเทียบกับอะไร”

“เอกสารการคำนวณ” และ “ระยะเผื่อของแรงบิดพูลเอาต์” เป็นรายการที่ผู้ผลิตเครื่องจักรแต่ละรายให้รายละเอียดได้ไม่เท่ากัน หากเขียนไว้ใน RFP ตั้งแต่แรก ก็จะเปรียบเทียบกันได้ตั้งแต่ขั้นเสนอราคา

รายการตรวจสอบในการทดสอบรับมอบ (FAT/SAT)

ในการทดสอบรับมอบ ไม่ได้ดูเพียงว่า “เครื่องเดินได้” แต่ต้องตรวจสอบค่าที่มีเงื่อนไขกำกับภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน เกณฑ์ตัวเลขสำหรับผ่านหรือไม่ผ่านให้กำหนดจากค่าของผู้ผลิตและเกณฑ์ของบริษัทเอง แล้วเขียนไว้ใน RFP และแผนการทดสอบล่วงหน้า

FAT (การทดสอบก่อนส่งออกจากโรงงาน) ทำที่โรงงานของผู้ผลิตเครื่องจักร ส่วน SAT (การทดสอบรับมอบ ณ สถานที่ติดตั้ง) ทำที่โรงงานของบริษัทในประเทศไทย อุณหภูมิแวดล้อมและเงื่อนไขของแหล่งจ่ายไฟเปลี่ยนไปตามสถานที่ การยืนยันอุณหภูมิและระยะเผื่อซ้ำอีกครั้งใน SAT จึงเป็นวิธีที่แน่นอนกว่า

คำถามที่พบบ่อย

ในการเลือกสเต็ปปิ้งมอเตอร์ ควรดูค่าใดเป็นอันดับแรก?

ไม่ใช่แรงบิดยึดค้าง แต่คือแรงบิดพูลเอาต์ที่ความเร็วใช้งาน แรงบิดยึดค้างเป็นค่าขณะหยุดนิ่ง เมื่อหมุนแล้วแรงบิดที่ให้ได้จะลดลงตามความเร็ว เส้นโค้งแรงบิดพูลเอาต์เปลี่ยนไปตามไดรเวอร์และแรงดันไฟเลี้ยง จึงต้องตรวจด้วยเส้นโค้งของการจับคู่ที่จะใช้จริงว่าสูงกว่าแรงบิดที่ต้องการ × ค่าความปลอดภัยหรือไม่ และตรวจอัตราส่วนความเฉื่อยไปพร้อมกัน

การคำนวณแรงบิดสเต็ปปิ้งมอเตอร์ทำอย่างไร?

กำหนดรูปแบบการเคลื่อนที่ (ระยะชัก เวลากำหนดตำแหน่ง เวลาเร่งและลดความเร็ว) แล้วคำนวณแรงบิดโหลด TL ความเฉื่อยของโหลด JL และแรงบิดเร่ง Ta ตามลำดับ จากนั้นหาแรงบิดที่ต้องการด้วย (TL + Ta) × ค่าความปลอดภัย สูตรสรุปไว้ในบท “สูตรแรงบิดโหลด โมเมนต์ความเฉื่อย และแรงบิดเร่ง” ของบทความนี้ ในการประมาณการด้วยค่าสมมติของบทความนี้ แกนบอลสกรูแนวนอนมีแรงบิดเร่งประมาณ 2 เท่าของแรงบิดโหลด

สาเหตุและวิธีป้องกันการหลุดสเต็ปคืออะไร?

สาเหตุหลักคือ การเร่งที่รุนแรงหรือการตามไม่ทันเนื่องจากความเฉื่อย แรงบิดไม่พอที่ความเร็วใช้งาน อัตราส่วนความเฉื่อยสูง เรโซแนนซ์ และการเปลี่ยนแปลงของโหลด วิธีป้องกันได้แก่ ยืดเวลาเร่งและลดความเร็ว ลดอัตราส่วนความเฉื่อยด้วยมอเตอร์ชนิดมีเกียร์หรือวิธีอื่น หลีกเลี่ยงช่วงเรโซแนนซ์ ใช้ไมโครสเต็ปหรือมอเตอร์ 5 เฟส และทบทวนไดรเวอร์กับแรงดันไฟเลี้ยง ระบบวงเปิดไม่รู้ตัวเมื่อเกิดการหลุดสเต็ป จึงควรพิจารณาการตรวจจับด้วยเอ็นโค้ดเดอร์หรือระบบวงปิดด้วย

สเต็ปปิ้งมอเตอร์กับเซอร์โวมอเตอร์ต่างกันอย่างไร?

สเต็ปปิ้งมอเตอร์ใช้การควบคุมแบบวงเปิดที่กำหนดมุมด้วยจำนวนพัลส์เป็นพื้นฐาน ไม่ต้องปรับเกน และยึดตำแหน่งขณะหยุดได้ดี ในทางกลับกัน แรงบิดจะลดลงมากที่ความเร็วสูง และไม่รู้ตัวเองเมื่อเกิดการหลุดสเต็ป เซอร์โวมอเตอร์ตรวจตำแหน่งด้วยเอ็นโค้ดเดอร์ตลอดเวลาและต้องปรับเกน ค่าที่ต้องตรวจก็ต่างกัน สเต็ปปิ้งดูที่เส้นโค้งแรงบิดพูลเอาต์และอัตราส่วนความเฉื่อย ส่วนเซอร์โวดูที่แรงบิดชั่วขณะสูงสุด แรงบิดประสิทธิผล และความเฉื่อยของโหลดที่ยอมรับได้

สเต็ปปิ้งมอเตอร์แบบวงปิดจะไม่หลุดสเต็ปใช่หรือไม่?

ผู้ผลิตบางรายอธิบายว่า “ไม่เกิดการหลุดสเต็ป” แต่ปลอดภัยกว่าหากไม่ตีความว่ารักษาตำแหน่งได้ไม่ว่าโหลดจะเป็นเท่าใด ในทางปฏิบัติควรมองว่าเป็นกลไกที่ตรวจจับความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งแล้วชดเชย หรือหยุดด้วยสัญญาณเตือนเมื่อความคลาดเคลื่อนมากขึ้น กล่าวคือ เป็นระบบที่ “รู้ตัวเมื่อเกิดการหลุดสเต็ป” ควรตรวจสอบใน RFP ว่าเป็นแบบป้อนกลับตลอดเวลาหรือชดเชยหลังหยุด และทำงานอย่างไรเมื่อค่าเบี่ยงเบนสูง

ถ้าใช้ไมโครสเต็ปแล้วความแม่นยำจะสูงขึ้นหรือไม่?

ความละเอียดสูงขึ้น แต่ความแม่นยำไม่ได้สูงขึ้นตามสัดส่วน Lin Engineering ก็อธิบายว่าไมโครสเต็ปไม่จำเป็นต้องเพิ่มความแม่นยำ แต่เป็นการเพิ่มความละเอียด นอกจากนี้ ความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งของเครื่องจักรทั้งระบบยังมีความคลาดเคลื่อนของระยะลีดบอลสกรู ระยะคลอน และการเบี่ยงจากโหลดแรงเสียดทานเพิ่มเข้ามาด้วย หากต้องการความแม่นยำในการหยุดสูง ควรพิจารณาการกำหนดตำแหน่งจากทิศทางเดียวด้วย

ค่าใช้จ่ายของสเต็ปปิ้งมอเตอร์เป็นเท่าใด?

ค่าใช้จ่ายเปลี่ยนแปลงมากตามจำนวนแกน การจับคู่มอเตอร์กับไดรเวอร์ วงเปิดหรือวงปิด พัลส์เทรนหรือเครือข่าย มีเบรกหรือไม่ และขอบเขตของเอกสารการคำนวณและการทดสอบ จึงไม่สามารถระบุจำนวนเงินทั่วไปได้ วิธีที่แน่นอนกว่าคือกำหนดเงื่อนไขการทำงานและรายการตรวจสอบให้ชัดใน RFP แล้วขอใบเสนอราคาจากหลายรายมาเปรียบเทียบ

สรุป

• การเลือกสเต็ปปิ้งมอเตอร์ไม่ได้ตัดสินจากแรงบิดยึดค้าง แต่ตัดสินจากแรงบิดพูลเอาต์ที่ความเร็ว ไดรเวอร์ และแรงดันไฟเลี้ยงที่ใช้งาน รวมถึงแรงบิดเร่งและอัตราส่วนความเฉื่อย
• คุณลักษณะแรงบิดกับความเร็วถูกกำหนดโดยการจับคู่มอเตอร์กับไดรเวอร์ ไดรเวอร์อินพุต AC (จ่ายประมาณ 162 VDC มีข้อยกเว้นบางรุ่น) กับไดรเวอร์อินพุต 24 VDC ให้แรงบิดในช่วงความเร็วสูงต่างกัน (Oriental Motor)
• ในการประมาณการด้วยค่าสมมติ (แกนบอลสกรูแนวนอน 20 kg ระยะลีด 10 mm 150 mm/1.0 s) แรงบิดเร่ง 0.040 N·m มีค่าประมาณ 2 เท่าของแรงบิดโหลด 0.019 N·m แรงบิดที่ต้องการคือ 0.088–0.118 N·m (Sf 1.5–2) และสิ่งที่ต้องนำมาเทียบคือแรงบิดพูลเอาต์ที่ 1,200 r/min
• ค่าความปลอดภัยและอัตราส่วนความเฉื่อยเป็นค่าอ้างอิงของผู้ผลิต (ตัวอย่างของ Oriental Motor คือ Sf 1.5–2 อัตราส่วนความเฉื่อย RK 10/αSTEP 30) ให้ระบุในเอกสารการคำนวณว่าเป็นค่าของบริษัทใด ซีรีส์ใด
• ไมโครสเต็ปเพิ่มความละเอียด แต่ความแม่นยำไม่ได้เพิ่มตามสัดส่วน ความแม่นยำในการหยุดเป็นค่าที่มีเงื่อนไขกำกับ เช่น ไม่มีโหลด ฟูลสเต็ป และกำหนดตำแหน่งจากทิศทางเดียว
• ระบบวงเปิดไม่รู้ตัวเมื่อเกิดการหลุดสเต็ป ระบบวงปิดเป็นทางเลือกที่เปลี่ยนการหลุดสเต็ปให้เป็นการตรวจจับ การชดเชย และสัญญาณเตือน และต้องตรวจสอบความแตกต่างของระบบใน RFP
• แกนแนวตั้งยึดตำแหน่งได้เฉพาะขณะจ่ายไฟ ต้องตรวจสอบเบรกแบบทำงานเมื่อไม่มีกระแสกระตุ้น ระบบจ่ายไฟของเบรก และลำดับการปลดเบรกกับการกระตุ้นมอเตอร์
• ใน RFP ให้ผู้รับงานระบุเอกสารการคำนวณ ระยะเผื่อของแรงบิดพูลเอาต์ เงื่อนไขของความแม่นยำในการหยุด วิธีสั่งงาน กระแสขณะหยุด อุณหภูมิและรอบการทำงาน แล้วตรวจสอบภายใต้เงื่อนไขเดียวกันใน FAT/SAT

TOMAS TECH ให้การสนับสนุนบริษัทผู้ผลิตญี่ปุ่นในประเทศไทยด้านการออกแบบระบบควบคุมและการออกแบบระบบไฟฟ้าของเครื่องจักรอัตโนมัติและอุปกรณ์ลำเลียง ท่านสามารถปรึกษาเราได้ตั้งแต่ขั้นการทบทวนเอกสารการคำนวณมอเตอร์ของเครื่องจักรที่มีอยู่ การเปรียบเทียบระบบระหว่างสเต็ปปิ้งกับเซอร์โว ไปจนถึงการจัดทำ RFP ติดต่อเราได้ที่หน้าติดต่อเรา

ข้อมูลอ้างอิง

• Oriental Motor U.S.A., Technical Reference (Motor Sizing/Stepping Motors): https://www.orientalmotor.com/products/pdfs/F_TecRef/TecRefAll.pdf
• Oriental Motor, Selection Tips: https://www.orientalmotor.com/support/selectionTips.pdf
• Oriental Motor FAQ, I’m concerned about the heat (surface temperature) of stepping motors: https://faq.orientalmotor.com/im-concerned-about-the-heat-surface-temperature-of-stepping-motors-including-%CE%B1step.-is-this-abnormal
• Oriental Motor U.S.A., หน้าผลิตภัณฑ์ AZD-CED: https://catalog.orientalmotor.com/pl/printitem/ethercat-compatible-drivers/ries-ethercat-compatible-drivers-ac-input/azd-ced
• Oriental Motor U.S.A., AS Series Connection and Operation: https://www.orientalmotor.com/products/pdfs/connection/AS-RoHS_connection_operation.pdf
• Oriental Motor U.S.A., RK Series Connection and Operation: https://www.orientalmotor.com/products/pdfs/connection/RK-RoHS_connection_operation.pdf
• Lin Engineering, Methods for Increasing Accuracy in Stepper Motors (2020-08-06): https://www.linengineering.com/news/methods-for-increasing-accuracy-in-stepper-motors
• MinebeaMitsumi, Stepping motors: https://product.minebeamitsumi.com/en/product/category/rotary/steppingmotor/
• MinebeaMitsumi, ตารางข้อมูลจำเพาะ H17PMK: https://product.minebeamitsumi.com/en/product/category/rotary/steppingmotor/hybrid/parts/H17PMK4218.html
• Parker Hannifin, Comparison of Motor TECHNOLOGIES: Servo, Stepper, Stepper with Encoder (ปรับปรุง 2024-06-21): https://parkermotion.atlassian.net/wiki/spaces/EIPKB1/pages/17564385/Comparison+of+Motor+TECHNOLOGIES+Servo+Stepper+Stepper+with+Encoder
• Automation World, Applied Motion Products Closed Loop Integrated Motors for High-Acceleration Applications (2019-11-20): https://www.automationworld.com/products/product/21098077/applied-motion-products-closed-loop-integrated-motors-for-high-acceleration-applications
• ข่าวประชาสัมพันธ์ BOI No.117/2569 (2026-07-23): https://www.boi.go.th/upload/content/PR117_2569EN.pdf
• ข่าวประชาสัมพันธ์ BOI No.124/2569 (2026-08-04): https://www.boi.go.th/upload/content/No.124_2569.pdf
• IFR, Executive Summary World Robotics 2026 – Industrial Robots: https://ifr.org/img/worldrobotics/Executive_Summary_WR_2026_-_Industrial_Robots.pdf
• IFR, Five Million Robots now Operate in Factories Globally (2026-09-24): https://ifr.org/ifr-press-releases/news/five-million-robots-now-operate-in-factories-globally