(1)

การสรางแบบจ าลองและควบคมตวขบเคลอนโลหะผสมจ ารปส าหรบการเสนอผล แบบสมผสหลายระยะ

System Modeling and Control of the Shape Memory Alloy Actuator for Multi-Step Displacement Tactile Display

วทยา แปนไทย Witthaya Paenthai

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา

มหาวทยาลยสงขลานครนทร A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master of Engineering in Electrical Engineering Prince of Songkla University

2558 ลขสทธของมหาวทยาลยสงขลานครนทร

(2)

ชอวทยานพนธ การสรางแบบจ าลองและควบคมตวขบเคลอนโลหะผสมจ ารปส าหรบการ เสนอผลแบบสมผสหลายระยะ ผเขยน นายวทยา แปนไทย สาขาวชา วศวกรรมไฟฟา

บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร อนมตใหนบวทยานพนธฉบบนเปนสวนหนงของการศกษา ตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา .…….……………………..…….…………. (รองศาสตราจารย ดร. ธระพล ศรชนะ) คณบดบณฑตวทยาลย

อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก ………............................................... (ดร. วฤทธ วชกล)

คณะกรรมการสอบ ….….………..….…....…..…....ประธานกรรมการ

(รองศาสตราจารย ดร. พฤทธกร สมตไมตร) ...……….……...…...............................กรรมการ (รองศาสตราจารย ดร. ณฎฐา จนดาเพชร) ...………….………………..................กรรมการ (ดร. วฤทธ วชกล) .....……….…………….……...............กรรมการ(ผชวยศาสตราจารย ดร. สรสวด กลบญ กอเกอ)

(3)

ขอรบรองวา ผลงานวจยนมาจากการศกษาวจยของนกศกษาเอง และไดแสดงความขอบคณบคคลทมสวนชวยเหลอแลว ลงชอ……………………………………………. (ดร. วฤทธ วชกล) อาจารยทปรกษาวทยานพนธ ลงชอ…………………………………………… (นายวทยา แปนไทย) นกศกษา

(4)

ขาพเจาขอรบรองวา ผลงานวจยนไมเคยเปนสวนหนงในการอนมตปรญญาในระดบใดมากอน และไมไดถกใชในการยนขออนมตปรญญาในขณะน ลงชอ…………………………………………… (นายวทยา แปนไทย) นกศกษา

(5)

ชอวทยานพนธ การสรางแบบจ าลองและควบคมตวขบเคลอนโลหะผสมจ ารปส าหรบการ เสนอผลแบบสมผสหลายระยะ ผเขยน นายวทยา แปนไทย สาขาวชา วศวกรรมไฟฟา

ปการศกษา 2557

บทคดยอ

งานวจยนไดศกษาเกยวกบการสรางแบบจ าลอง และการควบคมต าแหนงของตวขบเคลอนชนดโลหะผสมจ ารป (SMA actuator) เพอน ามาใชเปนตวขบเคลอนแทงแสดงผลในอปกรณแสดงผลแบบสมผสจ าพวก Haptic device โดยการท าวจยจะเรมจากการสรางแบบจ าลองการท างานของ SMA actuator ซงจะประกอบดวย 3 แบบจ าลอง คอแบบจ าลองทางความรอน แบบจ าลองของการเปลยนเฟส และแบบจ าลองทางกล ส าหรบการจ าลองการท างานจะใชโปรแกรม MATLAB (Simulink) ตอจากนนจะออกแบบระบบควบคม เพอควบคมต าแหนงการเคลอนทของ SMA actuator โดยใช PI controller รวมกบการจายแรงดนแบบ Pulse Width Modulation (PWM) ทความถ 100 Hz โดยทระบบควบคมจะท าบนโปรแกรม LabVIEW จากผลการทดลองของการใชระบบควบคมแบบน สามารถควบคมต าแหนงของ SMA actuator ไดหลายระยะ เชน 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm และจากผลการทดลองการควบคมท Setpoint 18 mm จะมคาเฉลยความผดพลาดของต าแหนงอยท 0.7217 % ใชเวลาในการเขาส Setpoint 1.7 วนาท และขอดของระบบควบคมแบบน คอสามารถคงคาการแสดงผลของแทงแสดงผลไดโดยไมตองออกแบบทางกลและใช SMA สปรงเพยงแคขดเดยวในการสรางเปน SMA actuator ค าส าคญ : โลหะผสมจ ารป, การควบคมต าแหนงของโลหะผสมจ ารป, ตวควบคม PID, ตวขบเคลอนชนดโลหะผสมจ ารป

(6)

Thesis Title System Modeling and Control of Shape Memory Alloy Actuator for Multi- Step Displacement Tactile Display Author Mr.Witthaya Paenthai Major Program Electrical Engineering Academic Year 2014

Abstract This research studied a mathematical model and a position controlled system of a Shape Memory Alloy (SMA) actuator for using in a Haptic device pin actuation. The research started from building the model of SMA actuator. There were 3 models that were thermal model, phase transformation model and mechanical model. We used MATLAB (simulink) program to perform a model simulation. Next, we designed control system by using a PI controller with the PWM voltage control driving at frequency of 100 Hz. The control system was implemented in LabVIEW program. Experiments showed that PI controller can control the SMA actuator to many positions such as 5 mm, 10 mm, 15 mm and 20 mm. For the setpoint 18 mm, our system achieved the error mean of position 0.7217 % and total time needed reach the setpoint was 1.7 seconds. The advantage of using PI controller was an ability to latch a pin display without mechanical design. Furthermore, the system used only one spring for SMA actuator. Keywords : Shape Memory Alloy, Position control of SMA actuator, PID controller, SMA

actuator

(7)

กตตกรรมประกาศ

วทยานพนธฉบบนจะส าเรจไมไดเลย หากปราศจากความชวยเหลอและการสนบสนนทดจากทานเหลาน ขาพเจาขอขอบคณ

ขอขอบพระคณ ดร. วฤทธ วชกล ประธานกรรมการทปรกษาวทยานพนธ ทได

กรณาอทศเวลาใหค าปรกษา แนะน าแนวทางในการท าวจยทด จดหาอปกรณ เครองมอทจ าเปนตอง

ใชในการท าวจย ตดตามความกาวหนาของงานวจย ชวยเหลอแกไขปญหาและอปสรรคตางๆในการ

ท าวจย ตลอดจนตรวจสอบและแกไขวทยานพนธใหด าเนนไปอยางสมบรณ

ขอขอบพระคณ รองศาสตราจารย ดร. พฤทธกร สมตไมตร ประธานกรรมการ

สอบวทยานพนธ ทไดกรณาใหค าปรกษา และค าแนะน าทเปนประโยชนในการท าวจย รวมถงการ

ตรวจสอบวทยานพนธใหด าเนนไปอยางสมบรณ

ขอขอบพระคณ รองศาสตราจารย ดร. ณฎฐา จนดาเพชร ประธานหลกสตรฯ และ

กรรมการสอบวทยานพนธ ทไดกรณาชวยเหลอ ใหค าแนะน าทเปนประโยชนและวจารณ

ผลงานวจย รวมถงการตรวจสอบวทยานพนธใหด าเนนไปอยางสมบรณ

ขอขอบพระคณ ผชวยศาสตราจารย ดร. สรสวด กลบญ กอเกอ ผทรงคณวฒจาก

ภายนอก ทไดกรณาอทศเวลา และเดนทางดวยตนเองเปนระยะทางไกลเพอมาเปนกรรมการสอบ

วทยานพนธ โดยไดใหค าแนะน าทเปนประโยชนทางดานระบบควบคมและวจารณผลงานวจย

รวมถงการตรวจสอบวทยานพนธใหด าเนนไปอยางสมบรณ

ขอขอบพระคณ บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร วทยาเขตหาดใหญ

ทไดใหการสนบสนนทนในการท าวจยและใหความชวยเหลอดานการประสานงานตางๆ

ขอขอบพระคณ คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร วทยาเขต

หาดใหญ ทไดใหการสนบสนนทนการศกษาและใหความชวยเหลอดานการประสานงานตางๆ

ขอขอบพระคณ คณาจารย บคลากร และนกศกษาปรญญาโท -เอก ภาควชา

วศวกรรมไฟฟาทกคน รวมถงเพอน พ นอง ในภาควชา ทใหความชวยเหลอและก าลงใจในการท า

(8)

วจยมาโดยตลอด และนายเกยรตศกด เสงชวย ทชวยแกไขปญหา แนะน าการใชงานโปรแกรมตางๆ

ทใชในงานวจย ทงยงใหค าปรกษาทดตลอดมาจนงานวจยส าเรจลลวงไปดวยด

สดทายน ขาพเจาขอนอมร าลกถงพระคณของบดามารดาและครอบครว ทสงเสรม

สนบสนน ใหก าลงใจ และทนทรพยแกขาพเจาตลอดมาจนส าเรจการศกษา ในการศกษาและท างาน

วจยชนน ขาพเจาไดรบประโยชน และไดเรยนรประสบการณตางๆมากมาย ท าใหรจกการแกไข

ปญหา สามารถพฒนาความรความสามารถของตนเอง ซงขาพเจาจะพยายามพฒนาตนเองตอไป

และน าสงตางๆเหลานไปใชใหเกดประโยชนแกทงตนเองและผอนตอไป

วทยา แปนไทย

(9)

สารบญ

หนา

สารบญ .............................................................................................................. (9) รายการตาราง ............................................................................................................... (12) รายการภาพประกอบ .............................................................................................................. (13) บทท�

1. บทนา 1

1.1 ความสาคญและท�มาของการวจย ........................................................................ 1 1.2 ทบทวนวรรณกรรมท�เก�ยวของ ........... 2 1.3 วตถประสงคของการวจย ............................................................................................. 8 1.4 ขอบเขตการวจย 8 1.5 ข/นตอนและวธการดาเนนการวจย 9 1.6 แผนการดาเนนการวจย 11 1.7 คณคาของงานวจย 12 2. ทฤษฎและหลกการ 13 2.1 โลหะผสมจารป (SMA) 13 2.2 แบบจาลองของ SMA actuator 15 2.2.1 แบบจาลองทางความรอน 16 2.2.2 แบบจาลองของการเปล�ยนเฟส 19 2.2.3 แบบจาลองทางกล 20 2.3 การควบคม SMA actuator 22 2.3.1 การควบคมแบบปอนกลบ 22 2.3.1.1 การปอนกลบตวแปรภายนอก 23 2.3.1.2 การปอนกลบตวแปรภายใน 24 2.3.1.3 การปอนกลบคาความตานทาน 24 2.3.1.4 การปอนกลบโดยใชตวแปรภายนอกและตวแปรภายใน .. 26 2.3.2 การออกแบบ PWM modulator 26 2.3.3 การออกแบบ PID controller 28

(10)

สารบญ (ตอ)

หนา

2.3.3.1 ตวควบคมแบบสดสวน (Proportional controller) 28 2.3.3.2 ควบคมแบบปรพนธ (Integral controller) 29 2.3.3.3 ตวควบคมแบบอนพนธ (Derivative controller) 30 3. แนวทางในการออกแบบ 32 3.1 การออกแบบระบบ SMA actuator 32 3.1.1 แนวทางในการออกแบบและการทดสอบ SMA actuator 33 3.1.2 การออกแบบทางกล 36 3.1.2 การออกแบบวงจรอเลกทรอนกส 40 3.2 การสรางแบบจาลอง 41 3.2.1แบบจาลองทางความรอน 43 3.2.2 แบบจาลองของการเปล�ยนเฟส 45 3.2.3 แบบจาลองทางกล 46 3.2.4 การรวม 3 แบบจาลองและการควบคม SMA actuator 47 3.2.4.1 การรวม 3 แบบจาลอง 47 3.2.4.2 การควบคม SMA actuator 48 4. ผลการทดลอง 50 4.1 การระบายความรอนของ SMA actuator 50 4.2 การทดลองเบ/องตน 51 4.3 การควบคม SMA actuator โดยใช PI-controller รวมกบ PWM 53 4.3.1 การควบคม SMA actuator ระยะเดยว 53 4.3.2 การควบคม SMA actuator หลายระยะ (Multi-step) 56 5. บทสรปและขอเสนอแนะ 60 5.1 ผลการสรปของงานวจย 60 5.2 ปญหา 61 5.3 ขอเสนอแนะ 62บรรณานกรม 63 ภาคผนวก ก 65

(11)

สารบญ (ตอ)

หนา

ภาคผนวก ข 67 ภาคผนวก ค 70 ภาคผนวก ง 73ประวตผเขยน 78

(12)

รายการตาราง

ตาราง หนา

1-1 แผนการด าเนนการวจย ....................................................................................................... 11 3-1 คณสมบตทางกายภาพ ทางความรอน และทางกลของวสด SMA ทใชเปน Actuator ......... 43 3-2 การเปรยบเทยบประสทธภาพของระบบควบคม SMA actuator แบบตางๆ ....................... 49 4-1 ผลตอบสนองของต าแหนงท Duty cycle ตางๆ 52

4-2 การเปรยบเทยบประสทธภาพของระบบควบคม SMA actuator แบบตางๆ 56

4-3 เปรยบเทยบงานวจยตางๆทเกยวของกบงานวจยทน าเสนอ ................................................ 58

(13)

รายการภาพประกอบ

ภาพประกอบ หนา

1-1 อตราสวนก าลง / น าหนกเมอเทยบกนกบน าหนกของ Actuator ชนดตาง ๆ ........................ 1 1-2 การเปรยบเทยบระหวาง Martensitic fraction กบอณหภม .................................................... 2 1-3 รปแบบในการแสดงขอมลของอปกรณแสดงผลแบบสมผส ( Tactile display) .................... 3 1-4 หลกการของ SMA tactile actuator (Taxel) ........................................................................... 3 1-5 ผลของการแสดงรปรางในแบบ 2D tactile ............................................................................ 4 1-6 โครงสรางของ Dynamic braille display ................................................................................ 4 1-7 บลอกไดอะแกรมการรวมแบบจ าลองของ SMA เขากบการควบคมโดยใช PD controller .... 5 1-8 แบบจ าลองของ Bias-type SMA actuator และระบบควบคม ................................................ 6 1-9 แผนผงของตวควบคมแบบ Self-tuning fuzzy PID ทใชส าหรบควบคม SMA actuator ........ 6 1-10 สวนประกอบหลกของอปกรณในการทดลอง ....................................................................... 7 1-11 บลอกไดอะแกรมของระบบความคมแบบปอนกลบ ............................................................. 7 1-12 เทคนคการควบคมส าหรบ SMA actuator.............................................................................. 8 1-13 ขนตอนการวจย.................................................................................................................... 10 2-1 กลไกของ One-way shape memory และ Two-way shape memory ................................... 13 2-2 การจดเรยงผลกของวสดระหวางปรากฏการณจ ารป ........................................................... 14 2-3 ความสมพนธของ Phase transformation เมออณหภมเปลยนไป ......................................... 14 2-4 บลอกไดอะแกรมแบบจ าลองของ SMA actuator ................................................................ 15 2-5 แผนภาพแบบจ าลองทางความรอนของ SMA actuator ...................................................... 16 2-6 (ก) และ (ข) ความสมพนธระหวางอณหภมกบเวลาของ SMA ............................................ 18 2-7 คาสมประสทธการถายโอนความรอนเมอเทยบกบเวลา ...................................................... 19 2-8 (ก) แบบจ าลองระบบทางกลของ SMA actuator และ (ข) บลอกไดอะแกรม Transfer function ของ SMA actuator .................................................................................. 21 2-9 บลอกไดอะแกรมแบบจ าลองพนฐานของ SMA actuator .................................................... 23 2-10 ความสมพนธระหวางความตานทานและอณหภมของ SMA .............................................. 25 2-11 ระบบควบคมแบบ Electric resistance feedback .................................................................. 25 2-12 โครงสรางของกลอง Endoscope โดยการควบคมแบบ Electric resistance feedback 25

(14)

รายการภาพประกอบ (ตอ)

ภาพประกอบ หนา

2-13 การควบคมโดยการรวมกนของ Electric resistance และ Position feedback ....................... 26 2-14 บลอกไดอะแกรมการสรางสญญาณ PWM......................................................................... .26 2-15 การสรางสญญาณ PWM ...................................................................................................... 27 2-16 บลอกไดอะแกรมของตวควบคมแบบสดสวน ..................................................................... 29 2-17 ลกษณะของการประมวลผลสญญาณของตวควบคมแบบสดสวน ...................................... 29 2-18 บลอกไดอะแกรมของตวควบคมแบบปรพนธ ..................................................................... 29 2-19 ลกษณะของการประมวลผลสญญาณของตวควบคมแบบปรพนธ ...................................... 29 2-20 บลอกไดอะแกรมของตวควบคมอนพนธ ............................................................................ 30 2-21 ลกษณะของการประมวลผลสญญาณของตวควบคมอนพนธ .............................................. 30 2-22 แผนผงตวควบคมแบบสดสวนรวมกบแบบปรพนธและแบบอนพนธ (PID controller) ..... 31 3-1 บลอกไดอะแกรมภาพรวมทงหมดของระบบ SMA actuator .............................................. 32 3-2 แนวคดการออกแบบ SMA actuator .................................................................................... 33 3-3 การทดสอบ SMA actuator เบองตน .................................................................................... 34 3-4 ผลการตอบสนองของระยะการเคลอนทเมอเวลาเปลยนไป ................................................ 35 3-5 ผลตอบสนองของอณหภมเมอเวลาเปลยนไป...................................................................... 35 3-6 สวนประกอบโครงสรางของ SMA actuatorในงานวจย ...................................................... 36 3-7 การออกแบบอปกรณแสดงผลแบบสมผสจากมมมองดานขาง ............................................ 37 3-8 การออกแบบอปกรณแสดงผลแบบสมผสจากมมมองดานบน ............................................ 38 3-9 อปกรณแสดงผลแบบสมผสโดยใช SMA Actuator เปนตวขบเคลอนแทงแสดงผล ........... 39 3-10 ระบบการแสดงผลแบบสมผสโดยใช SMA actuator เปนตวขบเคลอนแทงแสดงผล ......... 40 3-11 วงจรอเลกทรอนกสส าหรบจายไฟใหกบ SMA actuator ..................................................... 40 3-12 แบบจ าลองตางๆของ SMA actuator .................................................................................... 41 3-13 ผลตอบสนองของแบบจ าลองทางความรอน ....................................................................... 44 3-14 ผลตอบสนองของแบบจ าลองของการเปลยนเฟส ............................................................... 45 3-15 ผลตอบสนองของแบบจ าลองทางกล ................................................................................... 47 3-16 บลอกไดอะแกรมแสดงการจ าลองการท างานของ SMA actuator ....................................... 47

(15)

รายการภาพประกอบ (ตอ)

ภาพประกอบ หนา 3-17 ผลตอบสนองจากการรวม 3 แบบจ าลองของ SMA actuator ............................................... 48 3-18 การควบคม SMA actuator โดยใช PI controller .................................................................. 48 3-19 ผลตอบสนองจากการจ าลองของ SMA actuator ทใชตวควบคมแบบตางๆ ........................ 49 4-1 ผลการทดลองของ SMA actuator ทใชกบไมใชการระบายความรอน ................................. 50 4-2 อปกรณแสดงผลแบบสมผสทตดตงการระบายความรอน ................................................... 51 4-3 ผลตอบสนองของ SMA actuator ทดลองแบบ Open-loop ท Duty cycle ตางๆ .................. 52 4-4 ผลตอบสนองของ SMA actuator โดยการทดลองแบบ Open-loop ..................................... 53 4-5 ผลตอบสนองของ SMA actuator โดยใช P-control ............................................................. 54 4-6 ผลตอบสนองของ SMA actuator โดยใช PI-control ........................................................... 54 4-7 เปรยบเทยบผลตอบสนองของ SMA actuator ทใชการควบคมแบบตางๆ........................... 55 4-8 ผลตอบสนองของการควบคมหลายระยะ (Multi-step) ........................................................ 57

1

บทท 1

บทน ำ

1.1 ควำมส ำคญและทมำของงำนวจย

ในปจจบนไดมการพฒนาเทคโนโลยใหมๆ เกยวกบ Actuator ชนดตางๆใหมขนาดเลกลง ส าหรบน ามาใชเปนตวขบเคลอนแทงแสดงผลในอปกรณแสดงผลแบบสมผส จ าพวก Haptic device ซงจะท าใหอปกรณมความละเอยดในการแสดงผลสงขน มขนาดเลกลง น าหนกเบา และสะดวกในการใชงาน ชนดของ Actuator ทนยมน ามาใชในอปกรณจ าพวกน เชน Piezoelectric, Polymer gels, Electrorheological fluids, DC/AC motor, Shape Memory Alloys (SMA) และ Hydraulic หนงในแนวโนมทถกพฒนามากทสดคอ SMA เนองจากมขนาดเลกและใหก าลงสง โดยก าลงตอน าหนกสงสดของ SMA อยท 100 W/kg [1,2] ซงสามารถดจากภาพประกอบ 1-1 ทไดแสดงการเปรยบเทยบประสทธภาพของ Actuator ชนดตางๆไว

ภาพประกอบ 1-1 อตราสวนก าลง / น าหนกเมอเทยบกนกบน าหนกของ Actuator ชนดตาง ๆ [1,2] SMA หรอเรยกอกอยางหนงวา วสดจ ารป (Memory metal) เปนโลหะผสมชนดหนง ซงสามารถจดจ ารปรางของตวเองได เมอ SMA ถกบดหรอดดใหรปรางแตกตางไปจากเดม มนสามารถกลบมาสรปรางเดมได เมออณหภมสงขน SMA เปนวสดทสามารถคลายความเครยดภายในตวเองได เมออณหภมสงขน SMA ประกอบดวยกน 2 เฟส คอเฟสทอณหภมสง จะเรยกวา

2

ออสเทนไนตเฟส (Austenite phase) และเฟสทอณหภมต าจะเรยกวามาเทนไซดเฟส (Martensite phase) โดยสามารถดไดจากภาพประกอบท 1-2 ในสวนของมาเทนไซดเฟสจะประกอบดวย 2 รปแบบ คอ Twinned และ Detwinned การเปลยนเฟสในแตละครงของ SMA จะขนอยกบอณหภม (รอน-เยน) ท SMA ไดรบ ปรากฏการณทเกดขนเมอมการเปลยนเฟสคอ Pseudoelasticity และ Shape memory effect [3]

ภาพประกอบ 1-2 การเปรยบเทยบระหวาง Martensitic fraction กบ อณหภม [3] ในสวนของการควบคมต าแหนงการเคลอนทของ SMA actuator จะพจารณาการควบคมแรงดน ซงคณสมบตของ SMA จะน าไฟฟาและมคาความตานทานในตว เมอจายกระแสใหไหลผานขดลวด SMA จะท าใหเกดความรอน โดยตวความรอนนจะท าให SMA มการเปลยนแปลงรปรางกลบไปอยในรปรางเดมกอนทจะถกท าใหเปลยนรป ดงนนการทจะน า SMA actuator มาใชเปนตวขบเคลอนแทงแสดงผล จงอาศยคณสมบตดงทกลาวมา ดวยเหตผลขางตนในงานวจยนจะออกแบบและสราง Actuator โดยใช SMA ทมกลไกลการจ ารปแบบทศทางเดยว (One-way shape memory) [4] ทงนจะใช SMA สปรงแคขดเดยวในการสรางเปน Actuator และควบคมการจายแรงดนใหกบ SMA actuator แบบ Pulse Width Modulation (PWM) โดยจะใชรวมกบตว PI controller

1.2 ทบทวนวรรณกรรมทเกยวของ ในปจจบนไดมงานวจยทพฒนาเกยวกบ SMA actuator ส าหรบน าไปใชเปนตวขบเคลอนแทงแสดงผล (Pin) ในอปกรณแสดงผลแบบสมผส (Tactile display) การน าอปกรณ

3

แสดงผลแบบสมผสไปใชงาน เชนเปนอปกรณชวยเหลอส าหรบผพการทางสายตา (Haptic device) ผใชสามารถใชมอเพอสมผสแทงแสดงผลบนตวอปกรณ ในการรบรขอมลทแสดงอย จากการเชอมตอกบคอมพวเตอร โดยขอมลทแสดงบนอปกรณแสดงผลจะเหมอนกบขอมลทแสดงบนจอคอมพวเตอร ดงงานวจยในภาพประกอบท 1-3 ส าหรบงานวจยทเกยวของในการน า SMA มาสรางเปน Actuator ในอปกรณแสดงผลแบบสมผส R. Velazquez และคณะ [5] ไดน าเสนอเกยวกบอปกรณขบเคลอนขนาดเลก (Miniature SMA actuator) ซงไดมการออกแบบและพฒนาใหมความละเอยดในการแสดงผลสงและน าหนกเบา ส าหรบการแสดงขอมลแบบ Binary เชนพวกอกษรเบรลล จดเดนของงานวจยนคอความไมซบซอนของกลไกในการออกแบบ ท าใหอปกรณมราคาถก การท างานของ Actuator จะใชสปรง SMA ทมคณสมบตเหมอนกน 2 ตว ท าหนาทในการท างานเปน Actuator ดงภาพประกอบท 1-4

ภาพประกอบ 1-3 รปแบบในการแสดงขอมลของอปกรณแสดงผล แบบสมผส (Tactile display) [5]

ภาพประกอบ 1-4 หลกการของ SMA tactile actuator (Taxel) [5]

4

ตอมา R. Velazquez และคณะ [6] ไดพฒนาอปกรณแสดงผลแบบสมผส ส าหรบชวยเหลอคนตาบอด ซงม Arrayในการแสดงผล 8x8 อปกรณนจะมน าหนกเบาขนาดกะทดรด มความละเอยดในการแสดงผลสง ราคาถกและสามารถใชงานแบบพกพาได โดยผลการทดลองการแสดงขอมลรปรางตางๆ เพอประเมนประสทธภาพในการสงผานขอมล สามารถดไดจากภาพประกอบ 1-5 งานวจยถนดมา Y. Haga และคณะ [7] ไดสรางอปกรณแสดงผลอกษรเบรลล โดยมการน าเอา Magnetic latch มาใชเพอชวยลดการพงเกนของต าแหนงในสวนของการควบคม SMA actuator โดยจดต าแหนงของตวอกษรเบรลลสรางโดยใช SMA coil actuator เปนตวขบเคลอนแทงแสดงผล ใหเคลอนทขนและลง ซงโครงสรางของอปกรณสามารถแสดงไดดงภาพประกอบท 1-6

ภาพประกอบ 1-5 ผลของการแสดงรปรางในแบบ 2D tactile [6]

ภาพประกอบ 1-6 โครงสรางของ Dynamic braille display [7]

5

ในสวนของรปแบบการควบคม ธรนช จนทโสภพนธ และ ถวดา มณวรรณ [3] ไดออกแบบและสราง Micro-actuator เพอการแสดงผลแบบ 3 มต ซงประกอบไปดวยแทงแสดงผลทงหมด 64 (8x8) แทง ควบคมการเคลอนทของแทงแสดงผล โดยการจายกระแสไฟฟาใหกบ สปรง SMA มกลไกแมเหลกสรางแรงยดแทงใหอยกบทเมอไดต าแหนงทตองการ จากผลการทดลองแสดงใหเหนวาการใชระบบแมเหลก รวมกบระบบควบคมแบบ PD ท าใหผลตอบสนองดขน ในการควบคมต าแหนงการเคลอนท 25 มลลเมตร ใชเวลาตอบสนอง 0.4 วนาท บลอกไดอะแกรมแบบจ าลองของ SMA actuator ทใชรวมกบ PID-controller แสดงดงภาพประกอบท 1-7

ภาพประกอบ 1-7 บลอกไดอะแกรมการรวมแบบจ าลองของ SMA เขากบการควบคม โดยใช PD controller [3]

งานวจยตอมา S. Majima และคณะ [8] ไดสรางแบบจ าลองของ SMA actuator และออกแบบระบบควบคมแบบตดตาม (Tracking control) งานวจยนไดกลาวไววา เนองจากพฤตกรรมของกลไกทางความรอนของ SMA มความซบซอน จงท าใหยากทจะทราบผลตอบสนองทถกตอง จงเปนขอจ ากดของความแมนย าของ Tracking control ในงานวจยนจงเสนอรปแบบการควบคมทมการชดเชยคา Hysteresis เพอเพมประสทธภาพของการควบคม โดยการใช PID feedback และ Feedforward loop ตามภาพประกอบท 1-8 งานวจยถดมา Nguyen Bao Kha และ Kyoung Kwan Ahn [9] ไดน าเสนอการควบคมต าแหนงของ SMA wire actuator โดยใชตวควบคมแบบปรบตวได (Adaptive control) รวมกบ Fuzzy logic และ PID Controller บลอกไดอะแกรมของระบบสามารถดไดจากภาพประกอบท 1-9 ระบบควบคมแบบนจะชวยเพมประสทธภาพการควบคม ของระบบทเปน Nonlinear โดยจะชดเชยคา Hysteresis ของระบบนนได

6

ภาพประกอบ 1-8 แบบจ าลองของ Bias-type SMA actuator และระบบควบคม [8]

ภาพประกอบ 1-9 แผนผงของตวควบคมแบบ Self-tuning fuzzy PID ทใชส าหรบควบคม SMA actuator [9]

ตอมา Lee และ Lee [10] ไดน า Time delay controller (TDC) มาใชในการควบคม SMA actuator ผลการทดลองแสดงใหเหนวาการใช TDC ท าใหลดคาความผดพลาดของต าแหนงและ คาพงเกน ไดดกวา PID controller โครงสรางและสวนประกอบของการควบคม สามารถแสดงไดดงภาพประกอบท 1-10 ตอจากนน N. Ma และ G. Song [11] ไดเสนอการควบคม SMA wire actuator โดยการออกแบบ Pulse With Modulation (PWM) รวมกบ PD controller บลอกไดอะแกรมของระบบสามารถแสดงไดดงภาพประกอบท 1-11 จากผลการทดลองการใชระบบควบคมแบบน ท าใหเพมประสทธภาพในการประหยดพลงงานขน 30% และยงรกษาความแมนย าของต าแหนงการเคลอนทไดอกดวย

7

ภาพประกอบ 1-10 สวนประกอบหลกของอปกรณในการทดลอง [10] ในสวนของวธการควบคม ทนยมใชในการควบคมต าแหนงการเคลอนทของ SMA actuator มหลายวธดวยกน ดงทกลาวมาบางแลวในขางตน โดยวธการควบคมทนยม สามารถสรปออกมาได 4 ประเภทหลกๆ ตามภาพประกอบท 1-12 การควบคม SMA actuator นนมหลากหลายรปแบบตงแตใชแค P controller ไปจนถงการควบคมความไมเปนเชงเสนทมความซบซอนสง (Nonlinear control) เชน Variable structure control และ Neuro-fuzzy control และยงมการน าแบบจ าลองทเกยวของกบ SMA actuator มารวมกบตวควบคม เพอชวยเสรมการควบคมใหดยงขน เชน Preisach model, Constitutive model, Phenomenological model และ Heat transfer model

ภาพประกอบ 1-11 บลอกไดอะแกรมของระบบความคมแบบปอนกลบ [11]

8

ภาพประกอบ 1-12 เทคนคการควบคมส าหรบ SMA actuator [12]

1.3 วตถประสงคของกำรวจย 1.3.1 เพอศกษาคณสมบตตาง ๆ และทฤษฎของ SMA actuator ทจะน ามาใชเปนตวขบเคลอนแทงแสดงผลแบบสมผส (Tactile display) 1.3.2 เพอสรางแบบจ าลองการท างานของ SMA actuator ซงประกอบไปดวย แบบจ าลองทางความรอน แบบจ าลองของการปลยนเฟส และแบบจ าลองทางกล แลวจ าลองการท างานในโปรแกรม MATLAB (Simulink) 1.3.3 เพอออกแบบและสรางอปกรณแสดงผลแบบสมผสตนแบบ โดยใช SMA actuator เปนตวขบเคลอนแทงแสดงผล 1.3.4 เพอออกแบบระบบการควบคมการเคลอนทของ SMA actuator แบบหลายระยะ (Multi-step) 1.4 ขอบเขตของกำรวจย 1.4.1 ศกษาคณสมบตของโลหะผสมจ ารป (SMA) แบบ One-way shape memory และสรางแบบจ าลองการท างานของ SMA actuator โดยใชโปรแกรม MATLAB (Simulink) 1.4.2 ศกษาและออกแบบ SMA actuator และวงจรจายแรงดนให SMA

9

1.4.3 ศกษาตวควบคมทจะน ามาใชกบ SMA actuator โดยเรมจากจ าลองการท างานโดยใชโปรแกรม MATLAB (Simulink) 1.4.4 สราง SMA actuator 1 ตว ออกแบบและสรางระบบควบคมในโปรแกรม LabVIEW 1.4.5 น าระบบควบคมจากขอ 1.4.3 มาใชงานกบ SMA actuator และเปรยบเทยบผลการทดลองจากระบบควบคมแบบตางๆ 1.4.6 จากผลการเปรยบเทยบระบบควบคมในทขอ 1.4.5 สามารถน ามาใชจรงกบ SMA actuator ใหแสดงผลไดหลายระยะ (Multi-step display)

1.5 ขนตอนและวธกำรด ำเนนกำรวจย

เรมตนในการท างานวจยเรองน คอตองศกษาคณสมบตของ SMA ทน ามาสรางเปนสปรง SMA ส าหรบใชเปนสวนประกอบหลกของ SMA actuator เมอรพฤตกรรมของ SMAแลว ตอไปกจะศกษาและสรางแบบจ าลองการท างานของ SMA actuator ซงมสามแบบจ าลองดวยกน คอ แบบจ าลองทางความรอน แบบจ าลองของการเปลยนเฟส และแบบจ าลองทางกล โดยจะใชโปรแกรม MATLAB (Simulink) เพอจ าลองการท างานของ SMA actuator จากนนจงออกแบบและสรางอปกรณ SMA actuator ขนจรง ส าหรบการทดสอบเบองตนเพอดการท างานจรงของ SMA actuator วาเปนไปตามแบบจ าลองหรอไม ซงสงทตองค านงถงเปนล าดบแรกคอ ในการท าให SMA actuator เคลอนทไดนน จะขนอยกบอณหภมทเปลยนแปลงของ SMA โดยในงานวจยจะใชวธควบคมอณหภมดวยการจายแรงดนไฟฟาไปยง SMA เมอทดสอบจนแนใจแลววา SMA actuator ทสรางขน สามารถน ามาใชงานไดจรงตามแบบจ าลองการท างาน ตอจากน นกเ รมท าการศกษาระบบควบคม ทจะน ามาใชกบ SMA actuator ซงในงานวจยนจะใชวธการจายแรงดนแบบ Pulse Width Modulation (PWM) รวมกบ PI controller โดยการปอนกลบคาต าแหนงจาก Sensor วดระยะ เพอใชในการควบคมต าแหนงการเคลอนทของ SMA actuator เมอไดระบบควบคมทเหมาะสมกบ SMA actuator จากนนน าระบบควบคมไปใชทดสอบจรงกบ SMA actuator ทสรางขน โดยเรมจากการทดสอบแบบ Open-loop เพอก าหนดคาตวแปรตางๆของ PWM ใหเหมาะสมกบระบบควบคม เมอก าหนดคาตวแปรของ PWM ไดแลว จากนนกทดสอบ โดยใช PWM รวมกบ P controller และ PI controller เมอไดผลการทดลองจากระบบควบคมแบบตางๆ น ามาเปรยบเทยบ

10

ขอด ขอเสยของระบบควบคมแตละแบบ จากนนกสรปผลการทดลอง ในสวนของระบบควบคมจะท าบนโปรแกรม LabVIEW โดยขนตอนการวจยสามารถดตามภาพประกอบ 1-13

Study characteristics of

SMA

Modeling of SMA actuator

by MATLAB (simulink)

Thermal model Phase transformation

modelMechanical model

Experimental response of SMA

actuator

Study and Design control Modeling of control system

by MATLAB (simulink)

Closed-loop Control ( PI Controller) with

PWM in LabVIEW

Create SMA actuator

Using control system with SMA

actuator

Analysis and conclusion

ภาพประกอบ 1-13 ขนตอนการวจย

11

1.6 แผนกำรด ำเนนกำรวจย

ตารางท 1-1 แผนการด าเนนงานวจย

ขนตอนการด าเนนงาน

เดอนท (ปการศกษาตงแต ม.ย. 2555 - ก.ค. 2558) 1-3

4-6

7-9

10-12

13-15

16-18

19-21

22-24

25-27

28-30

31-33

34-38

1) ศกษาทฤษฎและงานวจยทเกยวของ

2) ศกษาและออกแบบ แบบจ าลองของ SMA actuator

3) ศกษาการออกแบบหลกการควบคมการจายแรงดน (PWM)

4) สรางอปกรณ SMA Actuator 1 ตว

5) ทดสอบระบบควบคม กบอปกรณทสรางจรง

6) ทดสอบจรง และสรปผล

12

1.7 คณคำของงำนวจย 1.7.1 สามารถศกษาถงคณสมบต และแบบจ าลองการท างานตางๆของ SMA ทน ามาใชงาน 1.7.2 สามารถออกแบบ และสรางอปกรณแสดงผลแบบสมผสตนแบบ (Prototype tactile display) ทใช SMA actuator เปนตวขบเคลอนแทงแสดงผล ใหสามารถใชงานแสดงผลแบบหลายระยะ (Multi-step display) ได 1.7.3 สามารถศกษาทฤษฎของระบบควบคม ทใชในการควบคมต าแหนงของ SMA actuator แบบหลายระยะ และใชงานโดยไมท าให SMA เกด Overheating 1.7.4 พฒนาเทคโนโลยทางดาน Tactile display ส าหรบน าไปใชในอปกรณจ าพวก Haptic device ใหสามารถแสดงผลไดดยงขน

13

บทท 2

ทฤษฎและหลกการ 2.1 โลหะผสมจ ารป (SMA) โลหะผสมจ ำรป (SMA) คอวสดทสำมำรถเปลยนรปรำงและขนำด ไปยงรปรำงและขนำดเดมเมออณหภมทใหแกวสดเปลยนไป โดยทวไป SMA จะเกดกำรเปลยนรปทอณหภมคอนขำงต ำ เมออณหภมทใหสงขน SMA จะเปลยนรปรำงตวเองไปยงรปรำงเดมกอนทจะมกำรเปลยนรป [4] ทงน SMA จะมรปแบบกำรเปลยนรป 2 รปแบบ คอ SMA ทเปลยนรปทศทำงเดยว(One-way shape memory) โดยจะเปลยนรปรำงไปยงรปรำงเดมเมอถกท ำใหเปลยนรป ขณะทอณหภมสงขน และ SMA ทเปลยนรปรำงได 2 ทศทำง (Two-way shape memory) ซงจะเปลยนรปรำงในชวงทอณหภมเยนตวลง และเปลยนรปรำงอกทเมออณหภมสงขน ดงภำพประกอบท 2-1 SMA สวนใหญจะเปนวสดทเปนโลหะผสมจ ำพวก Ag–Cd, Au–Cd, Cu–Al–Ni, Cu–Sn, Cu–Zn–X, In–Ti, Ni–Al, Ni–Ti, Fe–Pt, Mn–Cu, และ Fe–Mn–Si โดยท Ti-Ni alloy (Nitinal) จะมกำรเปลยนแปลงรปรำงทเดนชดมำกกวำโลหะผสมชนดอน และเหมำะกบกำรน ำมำประยกตใชงำนจรงมำกทสด ในงำยวจยนจงใช Ti-Ni alloy มำขนรปเปน SMA สปรงเพอใชเปน SMA actuator

ภำพประกอบ 2-1 กลไกของ One-way shape memory และ Two-way shape memory [4]

ส ำหรบกลไกกำรจ ำรปแบบ Two-way shape memory เมอมองไปถงโครงสรำงภำยในของ SMA ภำยใตกำรลดอณหภมใหเยนลง โครงสรำงจะเรมเปลยนแปลงทอณหภม Martensite เรมตน ( ) ไปเปน Martensite phase จนถงอณหภมท Martensite สนสด ( ) ซงกำร

14

เปลยนแปลงเฟสเปน Martensite สนสดลง โดยมกำรเปลยนแปลงรปรำงภำยนอกไปจำกเดม เมอมกำรใหอณหภมสงขนจนถงอณหภมท Austenite เรมตนขน ( ) SMA เรมมกำรเปลยนรปกลบไปรปเดม จนถงอณหภมท Austenite สนสด ( ) โครงสรำงของ SMA จะเปลยนกลบมำอยในรปเดมโดยสมบรณ (Parent phase) สำมำรถดภำพโครงสรำงอะตอมภำยในของ SMA ในประกอบ 2-2 และเฟสของกำรเปลยนรปของ SMA ในภำพประกอบ 2-3

ภำพประกอบ 2-2 กำรจดเรยงผลกของวสดระหวำงปรำกฏกำรณจ ำรป [4]

ภำพประกอบ 2-3 ควำมสมพนธของ Phase transformation เมออณหภมเปลยนไป [3]

ภำพประกอบท 2-3 แสดงถง Phase transformation กบกำรเปลยนอณหภมของ SMA โดยชวงทเปลยนรปจะเกดในชวงอณหภมทแคบ แตจดเรมตนและจดสนสดของกำรเปลยนรปจะใชเวลำนำนและชวงอณหภมทกวำงกวำ รปทแสดงดงกลำวมลกษณะของ Hysteresis loop โดยกำรเปลยนรปในชวงกำรใหควำมรอน กบกำรระบำยควำมรอนจะไม Overlap กน ซงเปน

15

คณสมบตเฉพำะในสวนของกลไกทำงควำมรอนของ SMA ระหวำงกำรเปลยนแปลงเฟสจำก Austenite phase ไปเปน Martensite phase ทงนเพออธบำยถงพฤตกรรมของ SMA ไดมกำรสรำงแบบจ ำลองขนมำกมำย ซงแบบจ ำลองทประสบผลส ำเรจมำกทสดถกพฒนำโดย Brinson และคณะ [13] และถกใชเปนแบบจ ำลองพนฐำนของ SMA actuator ทงยงไดอธบำยถงพฤตกรรมและกฎพนฐำนของ SMA ในลกษณะ One-dimensional สมพนธกบควำมเคน ( ) กบควำมเครยด ( ) และ อณหภม ( ) สมพนธกบ Detwinned martensite fraction ( ) ในวสด

(2-1)

โดยทคำ Elastic module tensor, Thermoelastic tensor coefficients และ Coefficient tensor แทนเปน E, และ ตำมล ำดบ ซงกำรเปลยนแปลงปรมำตรในระหวำงกำรเปลยนเฟส จะมคำเปนลบ โดยลกษณะเดนของแบบจ ำลองคอควำมแตกตำงทำงโครงสรำง จะแบงแยกกนระหวำง Twinned martensite ( ) และ Detwinned martensite ( ) ดงนนผลรวมของ Martensite fraction ในวสด เขยนเปนสมกำรไดดงน (2-2) 2.2 แบบจ าลองของ SMA actuator มงำนวจยจ ำนวนมำกทไดรบกำรยอมรบในกำรสรำงแบบจ ำลองของ SMA actuator ซงมวธกำรทครอบคลมตงแตระดบอะตอม เพอน ำมำใชเปนสมกำรปรบคำคณสมบตควำมเปน Nonlinear ของ SMA โดยไดมกำรพฒนำแบบจ ำลองทำงคณตศำสตร เพอใชอธบำยพฤตกรรมของ SMA และมกำรพจำรณำพลงงำนควำมรอนทเกดขนจำก Joule effect heating เพอแสดงควำมสมพนธระหวำงอณหภมและคณสมบตทำงกลของ SMA แสดงดงภำพประกอบท 2-4

ภำพประกอบ 2-4 บลอกไดอะแกรมแบบจ ำลองของ SMA actuator [14]

16

2.2.1 แบบจ าลองทางความรอน

รปแบบในกำรตอบสนองตอควำมรอน (Thermal response) ของ SMA เปนตวแปรหนงทส ำคญ ในกำรถกวเครำะหเพอออกแบบ Actuator ทงนคณสมบตทำงควำมรอนของ SMA มควำมไมเปนเชงเสนสงมำก เนองจำกมคำของ Thermal time constants ซงเปนเวลำของกำรใหควำมรอนแก SMA และยงมคณลกษณะทเปน Hysteresis อยดวย แบบจ ำลองนไดมกำรวเครำะหและถกเสนอขนโดย Ikuta [15] ตอมำไดถกอธบำยเพมเตมโดย Madill และ Wang [16] โดยจะใชกำรตงสมมตฐำนอยำงงำยเกยวกบสมดลทำงควำมรอนของ SMA ซงเกดจำกกำรสงผำนของควำมรอนทพนผวของ SMA ตำมภำพประกอบ 2-5 แสดงถงผลทเกดจำกตวแปรทเกยวของ กบแบบจ ำลองน โดยควำมรอนทเกดขนถกสรำงมำจำกกระแสไฟฟำ ทจำยใหกบ SMA เมอเกดควำมรอนขน SMA กจะเกดกำรเปลยนรป

ภำพประกอบ 2-5 แผนภำพแบบจ ำลองทำงควำมรอนของ SMA actuator [14]

สมกำรเชงอนพนธดงเดมทำงดำนเทอรโมไดนำมกสของ SMA (Heat transfer constitutive model) [15] ทมำจำกกฎสมดลทำงควำมรอนสำมำรถเขยนไดดงน

(2-3)

โดยท คอ ควำมจควำมรอนจ ำเพำะของ SMA

คอ ปรมำตรของ SMA คอ ควำมหนำแนนของ SMA คอ ควำมรอนทเกดขนจำกแหลงจำยภำยนอก ( )

17

คอ กำรน ำควำมรอน คอ กำรพำควำมรอน คอ กำรแผควำมรอน

เมอพจำรณำตวแปรของรปแบบกำรกระจำยตวทำงควำมรอนของ SMA โดยทวไปแลวจะไมสนใจ และ จะพจำรณำเฉพำะ โดยสมกำรจะมตวแปรทเกยวของดงตอไปน คอพนทผวสมผสของ SMA, คอสมประสทธกำรถำยเทควำมรอน, คออณหภมท SMA และ คออณหภมของสงแวดลอม (Ambient temperature) จะไดสมกำรดงน (2-4)

จำกสมกำรท (2-4) แทนลงในสมกำรท (2-5) โดยจะคดเฉพำะ เทำนนจะได

(2-5)

(2-6)

(2-7)

ก ำหนดให

และ

น ำไปแทนในสมกำรท (2-7) จะได

(2-8)

(2-9)

จำกสมกำรท (2-9) แสดงควำมสมพนธระหวำงอนพต และเอำตพต ซงในทนจะไมคดรวมกบสญญำณรบกวน และจำกสมกำรท (2-5) อณหภมจะเปลยนแปลงตำมฟงกชนของ

18

เวลำ เมอปอนกระแสใหกบ SMA อณหภมจะเพมขนจนถงจดท Austenite สนสด ( ) โดยทจดน SMA จะเสรจสนกำรเปลยนรป และเมอเวลำผำนไปถงจดหนงอณหภมจะมคำคงท เวลำในกำรระบำยควำมรอนของ SMA จะมนยส ำคญกวำตอนใหควำมรอน กลำวคอกำรระบำยควำมรอน (Cooling) ของ SMA จะชำหรอเรวขนอยกบคำสมประสทธกำรถำยเทควำมรอน ( ) แตแทบจะไมมผลตอนใหควำมรอน (Heating) แก SMA ซงในสวนนถกอธบำยไวโดย R. Velazquez และคณะ [5] เมอพจำรณำสมกำรท (2-5) จะสำมำรถอธบำยควำมสมพนธระหวำงอณหภมกบเวลำของผลตอบสนอง ซงจำกภำพประกอบท 2-6 จะเหนไดวำชวงเวลำกำรระบำยควำมรอนจะนำนกวำชวงทใหควำมรอนมำก

(ก) กำรระบำยควำมรอน (ข) กำรใหควำมรอน ภำพประกอบ 2-6 (ก) และ (ข) ควำมสมพนธระหวำงอณหภมกบเวลำของ SMA [5]

ส ำหรบกำรขบเคลอนแทงแสดงผลโดยใช SMA actuator ใหเคลอนทไปในต ำแหนงตำงๆนน ท ำไดโดยใชพนฐำนกำรควบคมควำมรอน โดยควำมรอนเปนตวทท ำให SMA เกดกำรเปลยนรป คอควำมรอนจะท ำใหเกดกำรเปลยนแปลงคำควำมเครยด (แรง/พนท) ในเนอวสด SMA จงท ำใหเกดแรงท SMA actuator และใชเปนตวขบเคลอนแทงแสดงผล ใหไดระยะทำงตำมทตองกำร ทงนควำมรอน ( ) ทเกดขนจำกกำรปอนแรงดนไฟฟำใหกบ SMA เทำกบก ำลงงำน ( ) ทใชในกำรขบเคลอน SMA actuator ซงมสมกำรดงน (2-10) เมอ คอกระแสไฟฟำ และ คอคำควำมตำนทำนของ SMA ดงนนควำมรอนทเกดขน (Heating) และกระบวนกำรระบำยควำมรอน (Cooling) จะเปนตวก ำหนดผลตอบสนองทำงเวลำของ SMA actuator

19

2.2.2 แบบจ าลองของการเปลยนเฟส แบบจ ำลองของกำรเปลยนเฟสหรอเปลยนรปของ SMA (Phase transformation) จะพจำรณำ Hysteresis ทำงควำมรอนทเกดขน เนองมำจำกกำรเปลยนเฟส โดยจะใชกฎของ Liang-Roger Kinetic Law [17] ท ำใหเรำทรำบถงกำรเปลยนรปรำงของ SMA (Martensite fraction ) ทเปลยนแปลงรปรำงไปตำมอณหภม ( ) และกำรระบำยควำมรอนของ SMA โดยสำมำรถแสดงสมกำรของแบบจ ำลองของกำรเปลยนเฟส ไดดงตอไปน for

for

for (2-11)

เมอพจำรณำกำรระบำยควำมรอนของ SMA จำกกฎสมดลทำงพลงงำนควำมรอนทท ำใหเกด Phase transformation กำรระบำยควำมรอนสำมำรถเขยนไดดงสมกำรท (2-12) เมอ คอ Transformation enthalpy สมกำรนจะชวยใหทรำบคำของควำมรอนแฝงทถกปลอยออกมำในชวงกำรเกด Phase transformation

(2-12)

ภำพประกอบ 2-7 คำสมประสทธกำรถำยโอนควำมรอนเมอเทยบกบเวลำ [6]

20

จำกภำพประกอบท 2-7 ถำพจำรณำเฉพำะผลตอบสนองทำงควำมรอน (Thermal response) โดยไมพจำรณำผลจำกกำรเปลยนรป เวลำทใชในกำรตอบสนองจะเรวกวำเมอรวมกำรกำรเปลยนรปกบผลตอบสนองตอควำมรอนเขำดวยกน ดงนน Phase transformation จงมควำมส ำคญอยำงยง ตอเวลำในกำรตอบสนองตออณหภมของ SMA จำกผลกำรค ำนวณของ V. Brailovski และคณะ [14] ตำมภำพประกอบท 2-7 นน จะเหนไดวำผลกระทบผลของ Phase transformation ท ำใหชวงเวลำในกำรตอบสนองตอกำรใหควำมรอน (Heating) ชำลงไมมำกนก แตชวงเวลำในกำรตอบสนองตอกำรระบำยควำมรอน (Cooling) จะนำนกวำมำก 2.2.3 แบบจ าลองทางกล จำกกำรทดสอบ SMA actuator เบองตนในบทท 3 กำรน ำ SMA มำสรำงเปน Actuator นนสำมำรถท ำได โดยทเรำสำมำรถก ำหนดรปรำงของ SMA ซงตองพจำรณำกระบวนกำรทำงควำมรอนในเฟสอณหภมสง (Austenite phase) เปนหลก สวนรปรำงของ SMA ทนยมน ำมำสรำงเปน Actuator คอ ลวด สปรง หลอดและแผน ซง SMA helical สปรง งำยตอกำรขนรปเปนลกษณะขดสปรง และมคำ Yield ทสง ท ำใหเหมำะทจะน ำมำท ำเปน Actuator เพรำะมชวงในกำรเคลอนทกวำง ในงำนวจยนเรำจะใช SMA สปรงและมวลซงจะท ำหนำท Bias เพอให SMA สปรงมกำรเปลยนรปอยตลอดเวลำ โดยเมอใหควำมรอน SMA สปรงกจะคนรปตำมทเรำก ำหนดไว ในสวนของแรงทถกสรำงโดย SMA สปรง มกำรก ำหนดรปแบบของสมกำรทเสนอขนโดย Majima และคณะ [5] ซงประกอบดวยควำมสมพนธระหวำงแรงกบ Martensite fraction โดยสำมำรถแสดงไดดงตอไปน (2-13) เมอ , และ คอกำรเปลยนแปลงของแรงในแนวแกนของ SMA สปรง, กำรเปลยนแปลงของกำรกระจด และกำรเปลยนแปลงของ Detwinned martensite fraction ตำมล ำดบ และ คอคำคงทของ SMA สปรง ซงแสดงไวในรปของขนำดเสนผำนศนยกลำงของลวด SMA จ ำนวนรอบของ SMAสปรง ( ) และขนำดของเสนผำนศนยกลำงของ SMA สปรง ( ) ในสวนของ และ เปนคำคงทของ SMA โดย และ มคำดงน

(2-14)

21

AcsmsB

2

Fs(t) x(t)

(2-15)

โดยท มคำเปนลบเพรำะคำคงท มคำตดลบ เมอ คอมวลของแทงแสดงผลรวมกบมวลทใช Bias สวนกำรหำสมกำร Transfer function จะคดโดยให SMA actuator เปรยบเสมอนมมวลกอนหนงตดอยกบสปรงและตวหนวง (Damper) ซงสำมำรถแสดงไดดงภำพประกอบ 2-8

(ก) (ข) ภำพประกอบ 2-8 (ก) แบบจ ำลองระบบทำงกลของ SMA actuator และ (ข) บลอกไดอะแกรม

สมกำร Transfer function ของ SMA actuator

จำกแบบจ ำลองทำงกลของ SMA actuator ในภำพประกอบท 2-8 (ก) สำมำรถอธบำยกำรเคลอนทของ SMA actuator ไดโดยใชสมกำรเชงอนพนธดงน จำกสมกำรกฎกำรเคลอนท (2-16)

(2-17) เมอ คอสมประสทธของควำมหนวง จำกสมกำร (2-13) แทนคำในสมกำร (2-17) จะได

(2-18) ใช Laplace transform เพอหำสมกำร Transfer function ของแบบจ ำลองทำงกล ไดดงน

SMA spring Damper

x(t)

F’s(t)

22

(2-19)

(2-20)

ดงนนพฤตกรรมทำงกลของ SMA actuator สำมำรถจ ำลองกำรท ำงำนไดจำกสมกำรท (2-20) โดยผลของกำรจ ำลองกำรท ำงำน จะแสดงไวในสวนของกำรสรำงแบบจ ำลองในบทท 3 2.3 การควบคม SMA actuator ในสวนของกำรควบคม SMA actuator นนมหลำกหลำยวธดวยกน ซงในงำนวจยนจะกลำวถงกำรควบคมแบบปอนกลบ (Feedback control system) โดยจะใช PI controller ส ำหรบเปรยบเทยบสญญำณค ำสงซงเปนต ำแหนงทตองกำรควบคม กบสญญำณเอำตพตซงเปนคำต ำแหนงทปอนกลบมำจำก Sensor จำกนนน ำไปสรำงสญญำณอนพตปอนใหกบ PWM เพอควบคมกำรปอนแรงดนทจำยใหกบ SMA actuator ซงกำรปอนกลบต ำแหนง (Position feedback) เปนวธทงำย และไดรบควำมนยมในกำรใชงำน ในสวนของกำรปอนกลบคำควำมตำนทำนของ SMA (Electric resistance feedback) [18] เปนวธหนงทมประสทธภำพส ำหรบกำรควบคม SMA actuator ทงนสำมำรถน ำขอดของกำรปอนกลบแตละแบบมำรวมกน เพอเพมประสทธภำพในกำรควบคมใหดยงขน โดยรำยละเอยดวธกำรควบคม SMA actuator แบบตำงๆมดงน 2.3.1 การควบคมแบบปอนกลบ จำกคณสมบตพนฐำนของ SMA นน จะพจำรณำตวแปรทเปนไปได ในกำรน ำมำใชในกำรปอนกลบส ำหรบระบบควบคม มอยดวยกน 4 ตวแปรคอ อณหภม แรงทถกสรำงโดย SMA actuator (Stress) ระยะกำรเคลอนท (Strain) และควำมตำนทำนของ SMA แสดงดงภำพประกอบ 2-9 ในกำรควบคม SMA ใหเคลอนทไปยงต ำแหนงทตองกำรนน เปนเรองยำกอย

23

พอสมควร เนองจำกจะมควำมไมเปน เชงเสนทรวมอยในสมกำร Transfer function และ Hysteresis ของกำรเปลยนรปของ SMA (Phase transformation)

ภำพประกอบ 2-9 บลอกไดอะแกรมแบบจ ำลองพนฐำนของ SMA actuator [15]

เมอน ำ SMA มำพจำรณำใหเปนสวนประกอบหนงของ Actuator โดยจะก ำหนดใหแรงและระยะกำรเคลอนทของ SMA actuator เปนตวแปรภำยนอก ในขณะทอณหภมและควำมตำนทำนของ SMA ก ำหนดใหเปนตวแปรภำยใน ซงคำควำมตำนทำนสำมำรถวดคำได และมควำมสมพนธกบชวงของกำรเปลยนรปของ SMA กำรทจะควบคม SMA actuator ใหมควำมแมนย ำจ ำเปนตองวดคำตวแปรตำง ๆ และมกำรปอนกลบไปยงตวควบคมตำม ทกลำวมำขำงตน กำรปอนคำกลบของตวแปรน ำมำสวธกำรควบคม SMA actuator แบบตำง ๆ ดงน 2.3.1.1 การปอนกลบตวแปรภายนอก จำกตวแปรภำยนอก คอแรงและระยะกำรเคลอนท จะเลอกหนงตวแปร มำใชในกำรปอนคำกลบ (External variable feedback) เพอใชควบคม SMA actuator ในกำรวดคำแรงและระยะกำรเคลอนทอำจจะใชอปกรณจ ำพวก Sensor ตำง ๆ เชนกำรใช Potentiometer วดต ำแหนงและปอนคำกลบใน Servo system สวนกำรวดแรงอำจจะใช Strain gauges [15] แตในกรณนมควำมเปนไปไดทจะคลำดเคลอนจำกกำรใหควำมรอนเกน (Overheating) ของ SMA เมอมกำรรบกวนทำงอณหภม เนองจำกกำรเปลยนแปลงในเรองของกำรระบำยควำมรอนของ SMA actuator หรอมกำรแปรผนของโหลด ซงจะท ำใหเกดควำมลำกบ SMA ผลกระทบนจะท ำใหประสทธภำพของ Actuator ต ำลง

24

2.3.1.2 การปอนกลบตวแปรภายใน จำกตวแปรภำยใน คออณหภมและควำมตำนทำน จะเลอกหนงตวแปรน ำมำใชในกำรปอนคำกลบ (Internal state variable feedback) โดยใชอปกรณพวก Sensor วดอณหภม วธกำรปอนกลบอณหภมในทำงปฏบตนนเปนไปไดยำก เพรำะวำ SMA มขนำดทเลก ท ำใหยำกตอกำรทจะวดอณหภมใหไดคำทถกตอง จำกเหตผลทกลำวมำวธกำรนไมเหมำะทจะน ำมำใชปอนกลบส ำหรบกำรควบคม SMA actuator โดยในสวนของกำรปอนกลบคำควำมตำนทำนนนมควำมเปนไปไดทจะน ำมำใชในกำรควบคม โดยจะกลำวไวในหวขอกำรปอนกลบคำควำมตำนทำน 2.3.1.3 การปอนกลบคาความตานทาน จำกตวแปรภำยใน คอควำมตำนทำน สำมำรถน ำมำใชในกำรปอนคำกลบ โดยคำควำมตำนทำนจะสมพนธกบคำของอณหภม ซงแสดงกรำฟควำมสมพนธระหวำงอณหภมกบควำมตำนทำนของ SMA ไดตำมภำพประกอบท 2-10 เมอเกดกำรเปลยนรป (Phase transformation) ระหวำง R-phase (เฟสทอณหภมต ำ) และ Parent phase (เฟสทอณหภมสง) จะเหนไดวำคำควำมตำนทำนจะเปลยนแปลงในทศทำงตรงขำมกบอณหภม ขณะทอณหภมเพมขนคำควำมตำนทำนจะลดลง ซงวธนจะชวยให Open-loop hysteresis ลดลง เรำสำมำรถประมำณคำควำมเปนเชงเสน(Linear function) ของอตรำสวนเฟสทอณหภมต ำ และ Normalization คำควำมตำนทำนของ SMA ( ) ซงเรำจะใชตวแปรเหลำน มำปอนคำกลบส ำหรบกำรควบคม โดยทคำ คอ Normalized resistance [21] แสดงดงสมกำรท (2-21) ขอดของกำรปอนกลบคำควำมตำนทำน คอ หลกเลยงกำรเกด Overheating ของ SMA โดยกำรปอนกลบแบบนจะไมขนอยกบเงอนไขของกำรใหควำมรอน (Heating) หรอระบำยควำมรอน (Cooling) ทงยงชวยลด Hysteresis ของ SMA actuator และเปรยบเสมอนเปน Sensor ตวหนงทใชวดต ำแหนงและแรง โดยภำพประกอบท 2-11 จะแสดงระบบกำรปอนกลบคำควำมตำนทำนรวมกบตวควบคมแบบ PID ใน ระบบปอนกลบ ซงใชควบคมทศทำงของกลอง Endoscope ในกำรออกแบบ SMA actuator จะประกอบดวย SMA สปรง 2 ตววำงในทศทำงตรงขำมกน เมอควบคมให SMA ตวใดตวหนงท ำงำนทศทำงของกลองกจะสอดคลองกบ SMA ตวนน โดยภำพประกอบท 2-12 แสดงภำยในของกลอง Endoscope ทใช SMA actuator เปนตวขบเคลอนทศทำงของกลอง จำกบลอกไดอะแกรมระบบควบคมแบบ Electric resistance feedback ในภำพประกอบ 2-11 คำ , คอ คำควำมตำนทำนทตองกำรส ำหรบ SMA 1, SMA 2 และ , คอ คำควำมตำนทำนของ SMA 1, SMA 2

25

(2-21)

ภำพประกอบ 2-10 ควำมสมพนธระหวำงควำมตำนทำนและอณหภมของ SMA [15]

ภำพประกอบ 2-11 ระบบควบคมแบบ Electric resistance feedback [15]

ภำพประกอบ 2-12 โครงสรำงของกลอง Endoscope โดยใชกำรควบคม

แบบ Electric resistance feedback [18]

26

2.3.1.4 การปอนกลบโดยใชตวแปรภายนอกและตวแปรภายใน

กำรควบคมแบบปอนกลบโดยกำรรวมตวแปรภำยนอก (Displacement feedback) และ ตวแปรภำยใน (Resistance feedback) เขำดวยกน ตำมภำพประกอบท 2-13 กำรใชวธนจะท ำใหระบบควบคมมขอไดเปรยบมำกขน เนองจำกกำรปอนกลบตวแปรเดยว อำจจะไมเพยงพอตอกำรควบคม เชน กำรปอนกลบระยะเคลอนท จะไมสำมำรถทรำบคำอณหภมทตว SMA ท ำใหมโอกำสเกด Overheating ได จงน ำคำควำมตำนทำนมำใชรวมดวย เพรำะคำอณหภมมควำมสมพนธกบคำควำมตำนทำน เมอใชรวมกนเรำสำมำรถปองกนกำรเกด Overheating ได

ภำพประกอบ 2-13 กำรควบคมโดยกำรรวมกนของ Electric resistance และ Position feedback [18] 2.3.2 การออกแบบ PWM modulator

กำรสรำงสญญำณ PWM จะใชกำรสรำงสญญำณพำหะ (Carrier) รปคลนฟนเลอย (Sawtooth) มำเปรยบเทยบกบระดบอำงองทเปนสญญำณค ำสง (Command) ตำมรปแบบของสญญำณ PWM ทตองกำร โดยสญญำณพำหะรปคลนฟนเลอยจะมควำมถคงท และมคำ Amplitude สงกวำคำของสญญำณค ำสงมำก แสดงดงภำพประกอบท 2-14

On-Off switch

Command

Sawtooth Carrier wave

n

n-f

Gain

Saturation

ภำพประกอบ 2-14 บลอกไดอะแกรมกำรสรำงสญญำณ PWM [11]

27

จำกภำพประกอบท 2-14 สญญำณพำหะจะถกเปรยบเทยบกบสญญำณค ำสง เมอคำผลตำงมคำมำกกวำ Threshold ของ On-Off switch เอำตพตคำ n เปนสถำนะ On และถำคำผลตำงมคำนอยกวำ Threshold ของ On-Off switch เอำตพตคำ n-f เปนสถำนะ Off ถดไปจะมบลอกของคำ อตรำขยำย เพอขยำยเอำตพตของ On-Off switch และจ ำกดคำเอำตพตสงสดดวยบลอกของ Saturation

Command

Sawtooth Carrier wave

PWM

P

Ton

Toff

ภำพประกอบ 2-15 กำรสรำงสญญำณ PWM [11]

จำกภำพประกอบท 2-15 สญญำณ PWM ทไดจำกกำรเปรยบเทยบกนของสญญำณพำหะ กบตวอยำงสญญำณค ำสง ผลของกำรเปรยบเทยบเมอระดบของสญญำณค ำสงสงกวำระดบของสญญำณพำหะ จะท ำใหไดระดบของ PWM เปน High และเมอระดบของสญญำณค ำสงต ำกวำระดบของสญญำณพำหะ จะท ำใหไดระดบของ PWM เปน Low เวลำทไดจำกเอำตพตของ On-Off switch ทเปลยนจำก n ไปถง n-f ก ำหนดใหเปน On-time และเวลำทเปลยนจำก n-f ไปยง n จะก ำหนดใหเปน Off-time ชวงเวลำ On-time และ Off-time ในแตละคำบเวลำหำไดจำก

(2-22)

(2-23)

28

เมอ คอ Magnitude ของสญญำณค ำสง คอ Amplitude ของคลนพำหะ คอคำบเวลำของคลนพำหะ จำกชวงเวลำ On-time และ Off-time สำมำรถค ำนวณคำ duty cycle ไดดงน

(2-24)

2.3.3 การออกแบบ PID controller ตวควบคมแบบ PID เปนหนงในตวควบคมทถกใชมำกทสด ทงในกระบวนกำรทำงอตสำหกรรม และในกำรทดลอง ดวยโครงสรำงทไมซบซอนของตวควบคมแบบ PID กำรปรบคำอตรำกำรขยำย (Gain) ของตวควบคมกท ำไดงำยและรวดเรว โดยยงใหผลตอบสนองทยอมรบได ระบบควบคมแบบ PID ม ตวควบคมยอย 3 ตว คอ ตวควบคมแบบสดสวน (Proportional, P-controller) ตวควบคมแบบปรพนธ (Integral, I-controller) และ ตวควบคมแบบอนพนธ (Derivative, D-controller) ในกำรควบคมระบบทวไปมกใชงำนตวควบคมรวมกน เชน ตวควบคมแบบ PI ตวควบคมแบบ PD และตวควบคมแบบ PID เพอใหเกดผลดตอระบบควบคม ในสวนของแผนผงโครงสรำงของตวควบคมแบบ PID แสดงไดดงภำพประกอบท 2-21 โดยมรำยละเอยดกำรท ำงำนของตวควบคมแตละแบบดงน 2.3.3.1 ตวควบคมแบบสดสวน (Proportional controller) ตวควบคมแบบสดสวนหรอตวควบคมแบบ P โดยทตวควบคมแบบนจะน ำเอำสญญำณคำควำมผดพลำดระหวำงสญญำณอำงองกบสญญำณเอำทพตมำเปนอนพตของตวควบคม แลวตวควบคมจะท ำกำรสรำงสญญำณเอำทพต ดวยกำรขยำยสญญำณควำมผดพลำดดงกลำวดวยคำอตรำขยำยของตวควบคม บลอกไดอะแกรมและลกษณะของกำรประมวลผลสญญำณเปนดงภำพประกอบท 2-16 และ 2-17 จดเดนของตวควบคมแบบนเมอน ำไปใชงำนกคอกำรปรบคำเกนใหสงขนจะมผลท ำให ระบบมผลตอบสนองทเรวขน

29

ภำพประกอบท 2-16 บลอกไดอะแกรมของตวควบคมแบบสดสวน

ภำพประกอบท 2-17 ลกษณะของกำรประมวลผลสญญำณของตวควบคมแบบสดสวน

2.3.3.2 ตวควบคมแบบปรพนธ (Integral controller) ตวควบคมแบบปรพนธหรอตวควบคมแบบ I โดยทตวควบคมแบบนจะน ำเอำสญญำณควำมผดพลำดระหวำงสญญำณอำงองกบสญญำณเอำทพตมำเปนอนพตของตวควบคม แลวตวควบคมจะท ำกำรสรำงสญญำณเอำทพตดวยกำรอนทเกรตสญญำณควำมผดพลำดดงกลำวแลวคณดวยคำอตรำขยำยของตวควบคม บลอกไดอะแกรมและลกษณะของกำรประมวลผลสญญำณเปนดงภำพประกอบท 2-18 และ 2-19 จดเดนของตวควบคมแบบนเมอน ำไปใชงำนกคอ ถำน ำไปใชกบระบบชนด 0 (System type 0) ตวควบคมแบบนจะสำมำรถขจดคำควำมผดพลำดในสภำวะคงตวได

ภำพประกอบท 2-18 บลอกไดอะแกรมของตวควบคมแบบปรพนธ

ภำพประกอบท 2-19 ลกษณะของกำรประมวลผลสญญำณของตวควบคมแบบปรพนธ

30

2.3.3.3 ตวควบคมแบบอนพนธ (Derivative controller)

ตวควบคมแบบอนพนธหรอตวควบคมแบบ D โดยทตวควบคมแบบนจะน ำเอำสญญำณควำมผดพลำดระหวำงสญญำณอำงองกบสญญำณเอำทพตมำเปนอนพตของตวควบคม แลวตวควบคมจะท ำกำรสรำงสญญำณเอำทพตดวยกำรอนพนธสญญำณควำมผดพลำดดงกลำว แลวคณดวยคำอตรำขยำยของตวควบคม บลอกไดอะแกรมและลกษณะของกำรประมวลผลสญญำณเปนดงภำพประกอบท 2-20 และ 2-21 จดเดนของตวควบคมแบบนเมอน ำไปใชงำนกคอ ตวควบคมแบบนใชส ำหรบลดผลของกำรพงเกนของผลตอบสนองได ลดผลตอบสนองทมกำรเปลยนแปลงไปมำได แตตองปรบคำอตรำขยำยใหเหมำะสมดวย ไมเชนนนอำจจะท ำใหไดผลตอบสนองทไมเปนทพงประสงค ปญหำทอำจจะเกดขนในกำรน ำเอำตวควบคมนไปใชงำนกคอ ตวควบคมแบบนจะไมสำมำรถขจดคำควำมผดพลำดในสภำวะคงตวได และกำรใชตวควบคมนอำจจะท ำใหไดผลตอบสนองทชำลงได

ภำพประกอบท 2-20 บลอกไดอะแกรมของตวควบคมแบบอนพนธ

ภำพประกอบท 2-21 ลกษณะของกำรประมวลผลสญญำณของตวควบคมแบบอนพนธ

31

ภำพประกอบ 2-22 แผนผงโครงสรำงตวควบคมแบบสดสวนรวมกบแบบปรพนธ

และแบบอนพนธ (PID controller) [3] จำกแผนผงโครงสรำงตวควบคมแบบสดสวนรวมกบแบบปรพนธและแบบอนพนธสำมำรถเขยนรปแบบสมกำรไดดงน

(2-25)

เมอ คอ คำอตรำขยำยของตวควบคมแบบสดสวน คอ คำอตรำขยำยของตวควบคมแบบปรพนธ คอ คำอตรำขยำยของตวควบคมแบบอนพนธ คอ สญญำณคำควำมผดพลำด คอ สญญำณเอำตพตควบคม คอ เวลำ

32

บทท 3

แนวทางในการออกแบบ

บทนจะกลาวถงการออกแบบสวนตางๆ ของงานวจย เชน อปกรณ SMA actuator วงจรอเลกทรอนกสส าหรบจายแรงดนให SMA actuator การทดสอบ SMA actuator เบองตน และการสรางแบบจ าลองของ SMA actuator โดยจ าลองการท างานของ SMA actuator ทงในสวนทไมใชและใชตวควบคมผานโปรแกรม MATLAB (Simulink) 3.1 การออกแบบระบบ SMA actuator

ในสวนของระบบทงหมดของ SMA actuator มสวนประกอบหลกอยดวยกน 4 สวน คอสวนของตว SMA actuator ระบบควบคม วงจรจายกระแส และ Sensor ส าหรบตรวจจบต าแหนงการเคลอนทของ SMA actuator โดยบลอกไดอะแกรมภาพรวมของระบบสามารถดไดจากภาพประกอบ 3-1 หลกการท างานของระบบ SMA actuator คอ สญญาณค าสงจากระบบควบคมจะท าการเปรยบเทยบคาต าแหนงทวดไดจาก Sensor ไดเปนคาความผดพลาดของต าแหนง จากนนระบบควบคมจะปรบแตงคาความผดพลาดโดยตวควบคม เมอตวควบคมปรบแตงสญญาณจนมความเหมาะสม สญญาณจะถกแปลงเปน Duty cycle ของ PWM โดยชวงเปด-ปดการจายแรงดนจะขนอยกบ Duty cycle จากระบบควบคม ตอจากนนระบบควบคมจะสงสญญาณเอาตพต ไปยงวงจรจายแรงดน เพอควบคมการจายแรงดนใหกบ SMA actuator ใหเคลอนทไปตามต าแหนงทเราตองการ

ภาพประกอบ 3-1 บลอกไดอะแกรมภาพรวมทงหมดของระบบ SMA actuator

33

3.1.1 แนวทางในการออกแบบและการทดสอบ SMA actuator จากการศกษางานวจยทเกยวของกบการสรางอปกรณ SMA actuator เพอขบเคลอนแทงแสดงผล (Pin) ใหเคลอนทขนลงตามทเราตองการนน ไดแนวคดการออกแบบมา 2 แนวคดคอ Antagonist SMA actuator และ SMA actuator with bias โดยมหลกการท างานคอ Antagonist SMA actuator เปนการท างานของ SMA สปรง 2 ตวซงท าหนาทเหมอนกนแตวางใหอยตรงกนขามกน (Antagonist) สามารถดไดจากภาพประกอบ 3-2 (ก) โดยจะม SMA สปรงตวท 1 อยดานบน การใหความรอนแก SMA สปรงตวท 1 จะท าให Pin เคลอนทขนขางบน สวนดานลางจะเปน SMA สปรงตวท 2 ซงเมอใหความรอนแก SMA สปรงตวท 2 จะท าให Pin เคลอนทลงขางลาง ซงการควบคมต าแหนงการเคลอนทของ Pin ตองควบคม SMA สปรงทงสองตว ในสวนของ SMA actuator with bias มหลกการท างานคอตด Pin เอาไวกบ SMA สปรง 1 ตวและ Bias mass ซง Bias mass จะมหนาทท าให SMA สปรงเปลยนรป เมอใหความรอนแก SMA สปรง จะท าให Pin เคลอนทขนตามทไดออกแบบไวและเมอหยดใหความรอนแก SMA สปรง กจะท าให Pin เคลอนทลงตามแรงของ Bias mass สามารถดไดจากภาพประกอบ 3-2 (ข)

ภาพประกอบ 3-2 (ก)Antagonist SMA actuator ภาพประกอบ 3-2 (ข) SMA actuator with bias

ภาพประกอบ 3-2 แนวคดการออกแบบ SMA actuator

34

เมอไดแนวคดในการออกแบบ SMA actuator แลว จงท าการทดสอบเบองตนเพอหาความเปนไปไดในการสรางอปกรณ SMA actuator ใหท างานตามทเราตองการ และยงชวยใหเราไมตองออกแบบอปกรณทซบซอนจนเกนไป รวมไปถงการออกแบบระบบควบคมทงายขนอกดวย โดยจากภาพประกอบ 3-3 (ก) จะเปนการทดสอบรปแบบ Antagonist SMA actuator และภาพประกอบ 3-3 (ข) เปนการทดสอบในรปแบบ SMA actuator with bias

ภาพประกอบ 3-3 (ก) Antagonist SMA actuator ภาพประกอบ 3-3 (ข) SMA actuator with bias

ภาพประกอบ 3-3 การทดสอบ SMA actuator เบองตน

ซงจากการทดลองพบวาแบบ Antagonist SMA actuator นน SMA สปรงไมสามารถท างานไดตามทคดเอาไวคอ SMA สปรงตวท 1 ไมสามารถยกให Pin เคลอนทขนดานบนไดตามทออกแบบไว เมอกลบไปดทฤษฎจากบททผานมา จงพบวา SMA ทน ามาใชในงานวจยนเปนแบบ One-way SMA ซงการท างานคอตองมแรงมากระท า SMA ใหเปลยนรปเทานน เมอไดรบความรอน SMA จงจะเปลยนรปกลบมาเปนรปเดม ซงในงานวจยทมการออกแบบให SMA actuator ท างานแบบ Antagonist นน SMA ทใชจะเปนแบบ Two-way SMA คอไมจ าเปนตองมแรงมากระท าให SMA เปลยนรป SMA ชนดนจะสามารถเปลยนรปไดตามอณหภมทเปลยนไป และในสวนของการทดสอบในรปแบบ SMA actuator with bias นนพบวา SMA สามารถเปลยนรปไดด นนท าใหการเคลอนทของ SMA actuator เคลอนทไดตามทเราตองการเชนกน โดยคณสมบตของ

Power supply

Voltage

module

35

SMA สปรงทใชทดสอบเบองตนนคอ เสนผานศนยกลางลวด SMA 0.5 mm เสนผานศนยกลางสปรง SMA 7 mm ระยะหางระหวางขด 1 mm จ านวน 15 รอบ โดยแรงดนทจายเทากบ 10 V ผลการทดลองสามารถดไดจากภาพประกอบท 3-4 และ 3-5 จากผลการทดลองการเปลยนรปของ SMA ใชเวลาประมาณ 4 วนาท ไดระยะการเคลอนท 40 mm ในสวนของอณหภมจากการทดลอง SMA จะเรมเปลยนรปทอณหภม 50 องศาเซลเซยส และเปลยนรปเสรจทอณหภม 80 องศาเซลเซยส

ภาพประกอบ 3-4 ผลการตอบสนองของระยะการเคลอนทเมอเวลาเปลยนไป

ภาพประกอบ 3-5 ผลตอบสนองของอณหภมเมอเวลาเปลยนไป

36

3.1.2 การออกแบบทางกล จากผลการทดลองในหวขอ 3.1.1 ท าใหทราบวาการออกแบบ SMA Actuator ทเหมาะสมกบงานวจยนคอแบบ SMA Actuator with bias ดงนนจงไดท าการออกแบบในแนวคดน โดยการออกแบบอปกรณทงหมดสามารถดไดจากภาพประกอบท 3-6

Voltage Module

Controller

SMA actuator

Bias Mass

VR-Slide Sensor

Binary / Up – Down

Pin

Voltage Sensor/Current Sensor

ภาพประกอบ 3-6 สวนประกอบโครงสรางของ SMA actuator ในงานวจย

ในสวนของภาพประกอบท 3-6, 3-7 และ 3-8 แสดงการออกแบบสวนประกอบทงหมดของงานวจย โดยจะประกอบไปดวย วงอเลกทรอนกสท าหนาทในการจายแรงดนไฟฟาใหกบ SMA actuator ระบบควบคมส าหรบการควบคมต าแหนงของแทงแสดงผลทตดยกบ SMA actuator มตว Sensor ส าหรบตรวจจบคาต าแหนงการเคลอนทของSMA actuator และ Bias mass ซงท าหนาทในการให SMA เกดการเปลยนรป

37

Binary / Up – Down

250 mm

20 mm

Ø 20 mm

7 mm ´5

6 mm ´ 432 mm

76 mm

148 mm

140 mm

52 mm

68 mm

11 mm ´ 24

4 mm

6 mm ´ 3

4 mm

4 mm

ภาพประกอบ 3-7 การออกแบบอปกรณแสดงผลแบบสมผสจากมมมองดานขาง

38

20 mm

28 mm

52 mm80 mm

80 mm

Ø 6 mm ´ 410 mm

10 mm

Ø 4 mm Ø 6.5 mm

11 mm

34 mm

37 mm

11 mm

20 mm

10 mm

40 mm

20 mm

17 mm

8 mm

Ø 3.7 mm

2.2 mm

4 mm

Ø 31.6 mm ´ 4

4.2 mm Ø 7mm

1 mm

ภาพประกอบ 3-8 การออกแบบอปกรณแสดงผลแบบสมผสจากมมมองดานบน

39

จากภาพประกอบท 3-9 และ 3-10 แสดงอปกรณแสดงผลแบบสมผสโดยใช SMA actuator เปนตวขบเคลอนแทงแสดงผล โดย คณสมบตทางกายภาพ ทางความรอน และทางกลของ SMA actuator แสดงไวในตารางท 3-1 การออกแบบระยะการเคลอนทจะขนอยกบ Bias mass และจ านวนขดของ SMA สปรง ซงในงานวจยไดออกแบบระยะการเคลอนทสงสดของ SMA actuatorอยท 20 mm สวนลางของแทงแสดงผล จะตด VR-slider sensor เพอตรวจจบต าแหนงการเคลอน ส าหรบน าไปใชในการควบคม การควบคมการท างานทงหมดของ SMA actuator จะใชโปรแกรม LabVIEW สวนการรบคาจาก Sensor ตางๆ และการสงสญญาณเอาตพตส าหรบควบคมการสรางสญญาณ PWM ไปยง Microcontroller ผานตว Data Acquisition (DAQ) 6009

ภาพประกอบ 3-9 อปกรณแสดงผลแบบสมผสโดยใช SMA Actuator เปนตวขบเคลอนแทงแสดงผล

40

ภาพประกอบ 3-10 ระบบการแสดงผลแบบสมผสโดยใช SMA actuator เปนตวขบเคลอนแทงแสดงผล

3.1.3 การออกแบบวงจรอเลกทรอนกส

ภาพประกอบ 3-11 วงจรอเลกทรอนกสส าหรบจายไฟใหกบ SMA actuator

การท างานของวงจรทจายแรงดนไฟฟาใหกบ SMA actuator ดงภาพประกอบ 3-11 ซงจะออกแบบใหวงจรแยกสวน ระหวางอนพตกบเอาตพตออกจากกน เพอปองกนสญญาณ

10 V

10 V

41

รบกวนทอาจจะเกดขนจากระบบควบคม โดยการแยกสวนนจะใชตว Photocoupler (เบอร TLP250) ส าหรบเปน Gate drive ใหกบ Power MOSFET (เบอร P65NF06) มการท างานดงน โดยเมอจาย Logic สง (ON) ไปยงฝงอนพตของ Photocoupler จะท าใหขา Base ไดรบการไบอส ท าใหทรานซสเตอรน ากระแส ซงแรงดนเอาตพตจาก Photocoupler จะไปไบอสขา Gate ของ MOSFET ท าใหมกระแสจากแหลงจายแรงดน 10 V ไหลผานไปขบโหลดซงเปนตว SMA และไหลตอจากขา Drain ไปยงขา Source และเมอมการจาย Logic ต า (OFF) ไปยงฝงอนพตของ Photocoupler จะท าใหขา Base ไมไดรบการไบอส ท าใหทรานซสเตอรของตว Photocoupler ไมน ากระแส สงผลใหไมมแรงดนไปไบอสขา Gate ของ MOSFET ท าใหไมมกระแสไหลผานขา Drain ไปยงขา Source และไมมกระแสไหลผานไปขบตว SMA ดวย 3.2 การสรางแบบจ าลอง ในสวนของการสรางแบบจ าลองของ SMA actuator ไดมงานวจยทพฒนาแบบจ าลองทางคณตศาสตร เพอใชอธบายพฤตกรรมของ SMA แสดงความสมพนธระหวางอณหภมและคณสมบตทางกลของ SMA ตามทฤษฎในบทท 2 โดยการจ าลองการท างานของแบบจ าลองตางๆ จะใชโปรแกรม MATLAB (Simulink) แบบจ าลองของ SMA actuator ประกอบไปดวย แบบจ าลองทางความรอน ซงเกดจากกระแสไฟฟาถายโอนพลงงานไปเปนความรอน ไดเปนคาของอณหภม ตอมาเปนแบบจ าลองของการเปลยนเฟส ซงการเปลยนเฟสหรอเปลยนแปลงรปรางของ SMA เปนผลมาจากความรอน (อณหภม) ทเปลยนแปลงไปท าให SMA มการเปลยนแปลงรปราง และสดทายเปนแบบจ าลองทางกล ซงเมอ SMA มการเปลยนแปลงรปรางท าใหเกดแรง สงผลให SMA actuator มการเคลอนทไดเปนระยะการเคลอนท ทงนเพอใหผลตอบสนองมประสทธภาพดขน จงใช PI controller รวมกบ PWM โดยใชการควบคมแบบปอนกลบของต าแหนง [3] ในหวขอการควบคม SMA actuator

ภาพประกอบ 3-12 แบบจ าลองตางๆของ SMA actuator

42

จากการออกแบบ SMA actuator ตามหวขอ 3.1 และแบบจ าลองของ SMA actuator ตามหวขอ 2.2 ในบทท 2 น าคาตวแปรตางๆทไดออกแบบไว มาค านวณหาคาคณสมบตทางกลและทางความรอน เพอจ าลองการท างานของ SMA actuator ไดดงน ความยาวของลวด SMA ทน ามาท าเปนสปรง

(3-1)

พนทผวสมผสของสปรง SMA

(3-2)

ปรมาตรของลวดทน ามาท าเปนสปรง SMA

(3-3)

จากการค านวณเราจะไดคาคณสมบตทางกลของ SMA actuator ทใชในงานวจย โดยความยาวของลวด SMA ทน ามาท าเปนสปรง 502.754 มลลเมตร พนทผวสมผสของสปรง SMA 789.72 ตารางมลลเมตร ปรมาตรของลวดทน ามาท าเปนสปรง SMA 98.7 ลกบาศกมลลเมตร

43

ตารางท 3-1 คณสมบตทางกายภาพ ทางความรอน และทางกลของวสด SMA ทใชเปน Actuator

Properties Value Unit Density 4.5

Volume 98.7

Convection surface 789.72

Transformation temperatures Austenite start

50

Transformation temperatures Austenite finish

80

Electrical resistance 76

Wire's diameter 0.5

Mean coil diameter 8

Active coils 20

Mass 0.191

Elastic module tensor 31.2

Coefficient tensor 69.75

3.2.1 แบบจ าลองทางความรอน จากการศกษาแบบจ าลองทางความรอนในบททผานมา สามารถน าสมการTransfer function มาจ าลองการท างาน เพอหาผลตอบสนองไดดงน

(3-4)

โดยท คออนพต คอสญญาณรบกวน และ คอเอาตพต สามารถค านวณคาคงท และ ไดจาก

(3-5)

44

(3-6)

เมอไมคดผลของอณหภมภายนอก จะไดวา

เมอไดสมการ Transfer function ของแบบจ าลองทางความรอน จากนนน าไปจ าลองการท างานเพอหาผลตอบสนอง โดยใช Step input จ าลองผานโปรแกรม Matlab (Simulink) ไดผลตอบสนองของอณหภมตามเวลาดงภาพประกอบท 3-13 จากผลตอบสนองจะเหนไดวาอณหภมท SMA จะเพมขนอยางรวดเรวในชวงเรมใหความรอน แตเมอเวลาผานไปถงชวงหนง อณหภมจะคอยๆคงท

ภาพประกอบ 3-13 ผลตอบสนองของแบบจ าลองทางความรอน

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100

200

300

400

500

600

700

Time(s)

Tem

pera

ture

(c)

45

3.2.2 แบบจ าลองของการเปลยนเฟส จากการศกษาแบบจ าลองของการเปลยนเฟสในบททผานมา สามารถน าสมการมาจ าลองการท างานโดยมรปแบบการเปลยนเฟสตามสมการ (3-7) และสามารถดผลของการจ าลองตามภาพประกอบท 3-9

(3-7)

โดยท และ

จากการจ าลองการท างานของแบบจ าลองของการเปลยนเฟส ดงภาพประกอบท 3-14 สามารถอธบายไดวา ขณะทอณหภมของ SMA มคานอยกวา 50 จะอยในชวงของเฟสอณหภมต าหรอขณะท SMA ยงไมมการเปลยนรป การเปลยนเฟสของ SMA (Martensite fraction) มคาเทากบ 1 และเมออณหภมของ SMA มคามากกวา 80 จะอยในชวงของเฟสอณหภมสง โดยชวงน SMA จะเปลยนรปรางเสรจสมบรณ Martensite fraction จะมคาเทากบ 0 โดยชวงระหวางทคา Martensite fraction มคาจาก 0 ถง 1 เปนชวงท SMA ก าลงเปลยนรปอยนนเอง โดยจากผลตอบสนองของแบบจ าลองการเปลยนเฟสของ SMA จะใชเวลาเปลยนเฟสประมาณ 0.7 วนาท

ภาพประกอบท 3-14 ผลตอบสนองของแบบจ าลองของการเปลยนเฟส

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time(s)

Ma

rte

nsite

fra

ctio

n

46

3.2.3 แบบจ าลองทางกล

จากแบบจ าลองทางกลของ SMA actuator ในหวขอท 2.2 ของบทท 2 สามารถน ามาจ าลองการท างานเพอหาผลตอบสนอง โดยมสมการ Transfer function ดงน

(3-8)

โดยท

(3-9)

(3-10)

เพราะฉะนน

จากสมการ Transfer function ของแบบจ าลองทางกล อนพตของแบบจ าลองคอการเปลยนเฟส (Martensite fraction) เอาตพตคอระยะการเคลอนท เมอทราบคาของสมการ Transfer function สามารถน าไปจ าลองการท างานเพอหาผลตอบสนองโดยใช Step input จ าลองผานโปรแกรม Matlab (Simulink)

47

ภาพประกอบท 3-15 ผลตอบสนองของแบบจ าลองทางกล

3.2.4 การรวม 3 แบบจ าลองและการควบคม SMA actuator 3.2.4.1 การรวม 3 แบบจ าลอง

หลงจากจ าลองการท างาน เพอหาผลตอบสนองแบบจ าลองตางๆของ SMA actuator จากนนน าแบบจ าลองทง 3 มารวมกน เพอดผลตอบสนองของ SMA actuator เราจะไดรปแบบของแบบจ าลองของ SMA actuator ตามภาพประกอบ 3-16

ภาพประกอบท 3-16 บลอกไดอะแกรมแสดงการจ าลองการท างานของ SMA actuator

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

Time(s)

Positio

n(m

)

48

ภาพประกอบท 3-17 ผลตอบสนองจากการรวม 3 แบบจ าลองของ SMA actuator

จากการจ าลองการท างานของ SMA actuator สามารถอธบายพฤตกรรมของลกษณะผลตอบสนองไดวา เมอจายแรงดนเพอใหความรอนแก SMA จะมชวงเวลาทรอใหคาของอณหภมไปถงจดท SMA เรมเปลยนรป (Activation time) ใชเวลาประมาณ 0.9 วนาท และเมอ SMA มการเปลยนรปท าใหเกดระยะการเคลอนท โดยระบบจะเขาสสภาวะคงทในเวลาประมาณ 2.5 วนาท โดยผลการตอบสนองของ SMA actuator ไมมการพงเกน เปนผลตอบสนองของระบบทมการหนวงสงกวาจดวกฤตหรอหนวงเกน (Overdamped response) 3.2.4.2 การควบคม SMA actuator

เมอจ าลองการท างานของ SMA actuator จนท าใหเราทราบถงรปแบบการตอบสนอง เพอใหผลตอบสนองมประสทธภาพดขนตามทเราตองการ เราจงตองใชระบบควบคมกบ SMA actuator ซงบลอกไดอะแกรมของระบบควบคมเมอน ามารวมกบแบบจ าลองท ง 3 ของ SMA actuator สามารถดไดจากภาพประกอบ 3-18

ภาพประกอบท 3-18 การควบคม SMA actuator โดยใช PI controller

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

Time(s)

Positio

n(m

)

49

จากทฤษฎการควบคมในบทท 2 ตวแปรทเหมาะสมในการน ามาใชปอนกลบ ส าหรบการควบคมคอต าแหนงการเคลอนท ดงนนการปอนคากลบส าหรบการควบคม SMA actuator จงใชการปอนกลบต าแหนง (Position feedback) เมอพจารณาผลตอบสนองของ SMA actuator ทมการหนวงสงกวาจดวกฤต ในงานวจยจงเลอกใชตวควบคมทชวยใหระบบมการตอบสนองทเรวขน ซงตวควบคมทจะชวยในเรองนไดคอ P-controller และเพอชวยในการลดความผดพลาดของต าแหนงในสภาวะคงตว งานวจยจงเลอกใช PI-controller โดยผลตอบสนองจากการจ าลองการท างานของตวควบคมแบบตางแสดงตามภาพประกอบท 3-19

ภาพประกอบท 3-19 ผลตอบสนองจากการจ าลองของ SMA actuator ทใชตวควบคมแบบตางๆ

จากผลตอบสนองการจ าลองการท างานของตวควบคมแบบตางๆ จะเหนไดวาเมอใชตวควบคมจะท าใหผลตอบสนองเรวขน สงผลใหระบบเขาสสภาวะคงตวไดเรวขนตามไปดวย แตลกษณะของการตอบสนองทใชตวควบคมจะไมมการพงเกน ในสวนของชวงขาลงของต าแหนงจะใชเวลานานกวาชวงขาขนมาก เราจงไดออกแบบการระบายความรอน เพอชวยใหขาลงเรวขน ซงไดอธบายไวในบทท 4 โดยประสทธภาพของตวควบคมแตละแบบสามารถดไดจากตารางท 3-2

ตารางท 3-2 การเปรยบเทยบประสทธภาพของระบบควบคม SMA actuator แบบตางๆ

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

Time(s)

Positio

n(m

)

Setpoint

Open-loop

P-controller

PI-controller

Open-loop P control PI control Activation time(s) 0.8869 0.5639 0.4073 Rise time(s) 0.6548 0.6530 0.5091 Settling time(s) 1.663 1.3699 1.1829

PI-controller Kp = 2, Ki = 4

P-controller Kp = 2

50

บทท 4

ผลการทดลอง

ในบทนจะแสดงผลการทดลองของ SMA actuator ซงจะเปรยบเทยบผลการทดลองกบผลจากแบบจ าลอง โดยจะเรมจากการก าหนด Setpoint ระยะเดยว แลวใชตวควบคมแบบตางๆ จากนนน าผลการทดลองมาเปรยบเทยบกน ตอจากนนเปนการก าหนด Setpoint หลายระยะในรปแบบของขนบนได (Multi-step) แลวเปรยบเทยบผลการทดลองระหวางแบบทใชตวควบคมกบแบบทไมใชตวควบคม 4.1 การระบายความรอนของ SMA actuator จากการศกษางานวจยทเกยวของมการพดถงความจ าเปนในการระบายความรอนส าหรบ SMA actuator เนองมาจากชวงเวลาในการใหความรอนจะเรวกวาชวงเวลาในการระบายความรอนมาก ท าใหเกดชวงของ Hysteresis กวาง นนท าใหการควบคมต าแหนงการเคลอนทของ SMA actuator เปนไปไดยากมากขน รวมไปถงการปอนกลบต าแหนงการเคลอนท ท าใหเราไมสามารถทราบคาอณหภมทตว SMA อนจะท าให SMA เสยหายจากเกด Overheating ได และในการใชงานอปกรณแสดงผลแบบสมผส การลดเวลาในการระบายความรอน จะชวยใหอปกรณแสดงผลไดเรวยงขน จากเหตผลทกลาวมานน ท าใหเราจ าเปนตองมระบบระบายความรอนส าหรบ SMA actuator

ภาพประกอบ 4-1 ผลการทดลองของ SMA actuator ทใชกบไมใชการระบายความรอน

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Time(s)

Pos

ition

(mm

)

Dutycycle100% with noncooling

Dutycycle100% with cooling

51

จากผลการทดลองของ SMA actuator ทใชกบไมใชการระบายความรอน ตามภาพประกอบท 4-1 จะเหนไดวาเมอน าการระบายความรอนมาใชในการควบคม SMA actuator สามารถลดเวลาในการระบายความรอนทจากเดมอยท 48 วนาท ใหเหลอเพยงแค 10 วนาท โดยในงานวจยจะใชพดลมขนาดเลก (1.8 W) มาตดตงกบอปกรณแสดงผลเพอระบายความรอนตามภาพประกอบ 4-2

ภาพประกอบ 4-2 อปกรณแสดงผลแบบสมผสทตดตงการระบายความรอน

4.2 การทดลองเบองตน จากทฤษฏการควบคม SMA actuator ในบทท 2 การควบคมต าแหนงการเคลอนทของ SMA actuatorโดยใช PI controller และการจายแรงดนแบบ PWM (Pulse Width Modulation) ขนตอนแรกเราจะทดลอง SMA actuator แบบ open-loop เพอน าไปก าหนดคาตวแปรตางๆของ

52

PWM และ PI controller ใหเหมาะสมกบการควบคม ผลการทดลองของ SMA actuator แบบ Open-loop ท Duty cycle ตางๆ สามารถดไดในภาพประกอบท 4-3

ภาพประกอบ 4-3 ผลตอบสนองของ SMA actuator ทดลองแบบ Open-loop ท Duty cycle ตางๆ

จากผลการทดลอง SMA actuator แบบ Open-loop ท Duty cycle ตางๆ ตามภาพประกอบ 4-3 การจายกระแสแบบ PWM ใชความถของ PWM เทากบ 100 Hz เวลาทจาย 3 วนาท แรงดนจากแหลงจาย 10 V ใชการระบายความรอนเมอเลกจายแรงดน โดยจะเรมทดลองจาก Duty cycle 100 % แลวลด Duty cycle ครงละ 10 % ตามล าดบ จนกระทง SMA actuator ไมตอบสนอง จากผลการทดลอง ท Duty cycle 100% จะไดต าแหนงการเคลอนทสงสด 20.25 mm เมอลด Duty cycle จะท าใหต าแหนงการเคลอนทลดลงตามไปดวย ต าแหนงการเคลอนทต าสดของ SMA actuator คอ 2.42 mm ท Duty cycle 20% และเมอลด Duty cycle ต ากวา 20 % SMA actuator จะไมมการตอบสนอง โดยสามารถดผลตอบสนองของต าแหนงท Duty cycle ตางๆ ไดในตารางท 4-1

ตารางท 4-1 ผลตอบสนองของต าแหนงท Duty cycle ตางๆ

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

5

10

15

20

25

Time(s)

Positio

n(m

m)

Dutycycle100%

Dutycycle90%

Dutycycle80%

Dutycycle70%

Dutycycle60%

Dutycycle50%

Dutycycle40%

Dutycycle30%

Dutycycle20%

Duty cycle (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

Position (mm) 20.25 18.84 18.08 16.58 15.41 14.54 12.50 7.66 2.42 0

53

4.3 การควบคม SMA actuator โดยใช PI-controller รวมกบ PWM จากหวขอการควบคม SMA actuator ในบทท 3 ท าใหทราบถงเหตผลของการใช P และPI-controller ในการควบคมต าแหนงการเคลอนทของ SMA actuator โดยการน า P และPI-controller มาใชรวมกบ PWM ขนตอนแรกเมอเราทราบผลตอบสนองของต าแหนงท Duty cycle ตางๆ ท าใหเราสามารถเปรยบเทยบคาเอาตพตทออกมาจาก Controller กบ Duty cycle ของ PWM ซงการก าหนดคา Saturation ของ Controller ตงไวใหสอดคลองกบ Duty cycle ของ PWM 4.3.1 การควบคม SMA actuator ระยะเดยว ในงานวจยไดออกแบบให SMA actuator เคลอนทไดสงสดท 20 mm ส าหรบการควบคม SMA actuator สามารถก าหนด Setpoint ตงแต 2.5 ถง 20 mm โดยในการควบคมระยะเดยวจะก าหนด Setpoint ไวท 18 mm การควบคมจะใช P-controller มคา =2 และ PI-controller มคา = 2 และ = 4 ผลผลตอบสนองแสดงตามภาพประกอบ 4-4 ถง 4-7

ภาพประกอบ 4-4 ผลตอบสนองของ SMA actuator โดยการทดลองแบบ Open-loop

54

ภาพประกอบ 4-5 ผลตอบสนองของ SMA actuator โดยใช P-control

ภาพประกอบ 4-6 ผลตอบสนองของ SMA actuator โดยใช PI-control

P-controller = 2

PI-controller = 2, = 4

55

ภาพประกอบ 4-7 เปรยบเทยบผลตอบสนองของ SMA actuator ทใชการควบคมแบบตางๆ

จากผลตอบสนองของ SMA actuator เมอเปรยบเทยบผลจากการทดลองกบผลจากแบบจ าลองการท างานพบวา ผลจากแบบจ าลองระยะการเคลอนทของ SMA actuator จะไตขนในลกษณะ Step เดยว ในการเขาหา Setpoint แตผลจากการทดลองจะไตขนในลกษณะหลาย Step เนองมาจากคณลกษณะทางกลของ SMA สปรง คอเมอแรงดนทตกครอม SMA มคามากจะท าใหอณหภมท SMA เพมขนอยางรวดเรว ท าใหการเปลยนรปเปนไปไดอยางรวดเรว นนสงผลใหระยะการเคลอนทของ SMA ไตขนเรวจนมองเหนเปน Step เดยว แตเมอแรงดนตกครอม SMA มคานอยลงจะท าใหการเปลยนรปเกดขนชาลง สงผลใหระยะการเคลอนทไตขนชาลงดวย จนท าใหมองเหนเปนหลาย Step ซงเมอดผลการทดลองของงานวจยทเกยวของ เชน งานวจยเกยวกบอปกรณขบเคลอนขนาดเลกของ R. Velazquez และคณะ [6] การตอบสนองของ SMA เมอกระแสไหลผานตว SMA นอยลง ผลตอบสนองกจะเปนลกษณะ Step เชนกน จากภาพประกอบ 4-4 ถง 4-6 ผลตอบสนองของ SMA actuator ทใชการควบคมแบบตางๆ จากแบบจ าลองการท างานของการใช P และ PI-Controller จะท าให Activation time เรวขน แตผลจากการทดลองพบวาการใช P และ PI-Controller จะไมท าให Activation time เปลยนแปลง เนองจากการทดลองจรงจะมการจ ากดแรงดนทจายใหกบ SMA ซงเปรยบเสมอนการจ ากดอนพต (ความรอน) ในสวนของแบบจ าลองทางความรอน แตในสวนของแบบจ าลอง จะมองวาอนพตสามารถเพมขนได จงท าใหอณหภมสามารถไปถงจดท SMA เรมเปลยนรปไดเรวขน ใน

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Time(s)

Positio

n(m

m)

Open-loop

P-control

PI-control

PI-controller = 2, = 4

P-controller = 2

56

สวนของ Rise time และ Settling time ผลจากการทดลองกบผลจากแบบจ าลอง ใหผลการตอบสนองทไปในทศทางเดยวกน คอการใช P และ PI-Controller จะท าให Rise time และ Settling time เรวขน ในสวนของ Steady state error จากการทดลอง การใช P และ PI-Controller ชวยลด Steady state error ลงได ในสวนของพลงงานการใชงานแบบ Open-loop จะใชพลงงานนอยกวาการใชตวควบคมโดยการเปรยบเทยบประสทธภาพของระบบควบคม SMA actuator แบบตางๆ สามารถดไดจากตารางท 4-2

ตารางท 4-2 การเปรยบเทยบประสทธภาพของระบบควบคม SMA actuator แบบตางๆ

4.3.2 การควบคม SMA actuator หลายระยะ (Multi-step) จากการทดลองเบองตนในหวขอ 4.2 ท าใหทราบวาสามารถควบคมต าแหนงการเคลอนทของ SMA actuator ไดหลายระยะ ตงแต 2.5 ถง 20 mm ในงานวจยจะก าหนด Setpoint ไว 5 ระยะ โดยขาขนคอ 10 mm, 15 mm, และ 20 mm ขาลงคอ 10 mm และ 0 mm ตามล าดบ โดยการควบคมต าแหนงการเคลอนทแบบ Open-loop จะก าหนดคาระยะตางๆ จาก Duty cycle โดยตรง ในสวนของการใชตวควบคมจะใช PI-controller โดยก าหนดคา = 1 และ = 2 ทงนการควบคม SMA actuator โดยการใช PI-controller รวมกบการจายแรงดนแบบ PWM นน เมอมการเปลยน

Open-loop P control PI control

Activation time (s) 0.60 0.60 0.60

Rise time (s) 1.20 1.10 1.0

Settling time (s) 1.30 1.20 1.10

Total time (s) 1.9 1.8 1.7

Steady state error (%) 1.9170 1.1060 0.7217

Overshoot (%) 0 0 0

Energy at activation (J) 11.51 10.98 11.34

Energy at steady state (J) 1.65 3.30 3.4153

Energy total (J) 27.13 29.36 30.10

57

Setpoint การใชอตราขยายคาเดมตลอด จะสงผลใหเกดความผดพลาดของต าแหนงได เพราะ Duty cycle สงสดของ PWM คอ 100 % จะไดระยะเคลอนทสงสด เมอเลอก Setpoint ระยะอนๆทต ากวานน การท างานของ Controller ยงคงมองวาในชวงเรมตนคาความผดพลาดของต าแหนงจะมากทสด เชน Setpoint เทากบ 10 mm เมอเปรยบเทยบกบระยะจรงคอ 0 mm จะไดคาความผดพลาด 10 mm นนท าให Controller สงเอาตพตสงสดไปยง PWM ท าใหการควบคมระยะอาจจะพงเกนได การแกไขคอการเปลยน Setpoint จะตองปรบเปลยนคาอตราขยายของ Controller ดวย โดยสามารถก าหนดอตราขยาย จากการเปรยบเทยบเอาตพตจาก Controller กบ Duty cycle ของ PWM แตในงานวจยตองการให SMA actuator เคลอนทไปตาม Setpoint ทก าหนดไวอยางตอเนอง จงปรบคาอตราขยายใหเหมาะสมกบหลายๆ Setpoint ซงอาจจะเกดคาความผดพลาดของต าแหนงอยบาง ซงกขนอยกบการยอมรบคาความผดพลาดในการน าไปใชงาน และชวงขาลงจะใชการระบายความรอน เพอชวยใหเวลาในการตอบสนองตอ Setpoint ในชวงขาลงเรวขน ผลตอบสนองของการควบคมหลายระยะแสดงตามภาพประกอบ 4-8

ภาพประกอบ 4-8 ผลตอบสนองของการควบคมหลายระยะ (Multi-step)

จากผลตอบสนองของการควบคม SMA actuator หลายระยะ จะเหนไดวาการควบคมต าแหนงแบบ Open-loop จะท าใหเกดคาความผดพลาดของต าแหนง มากกวาแบบทใชตวควบคม ทงนการใชตวควบคมยงคงมคาพงเกนอย อนเนองมากจากการก าหนดคาอตราขยายเทาเดม

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600

5

10

15

20

25

Time(s)

Positio

n(m

m)

Setpoint

Open-loop

PI-control

PI-controller = 1, = 2

58

ตลอดการควบคม ซงการใชตวควบคมจะเขาหา Setpoint ไดเรวกวาแบบ Open-loop ในชวงขาขน แตในชวงขาลงจะเขาหา Setpoint ชาทงค เนองการระบายความรอนจะใชเวลานานกวาการใหความรอน การใชตวควบคมจะมชวงทต าแหนงตกลงมา เนองจากเมอคาความผดพลาดมคานอยมากๆหรอเทากบศนย เอาตพตทสงจาก Controller ไปยง PWM เปนศนย ท าให Duty cycle มคาเทากบ 0% นนเทากบวาไมมการจายแรงดนไปยง SMA ท าใหเมอเวลาผานไปอณหภมท SMA กจะลดลง สงผลใหต าแหนงมการตกลงมาได และเมอเกดคาความผดพลาดเยอะระบบควบคมกพยายามปรบใหต าแหนงเขาหา Setpoint โดยอตโนมต เมอน างานวจยของเรามาเปรยบเทยบกบงานวจยทใกลเคยงกน พบวางานวจยของเรานนมขอดในเรองของการ Latching ซงไมตองออกแบบทางกลใหซบซอน โดยตวควบคมทไดออกแบบมาสามารถ Latching ต าแหนงการเคลอนทได และยงควบคมให SMA actuator เคลอนทไดหลายระยะ (Multi-step) ดงนนเราสามารถควบคมใหแทงแสดงผล (Pin) แสดงผลแบบสามมตได ในสวนของเวลาในการเขาสสภาวะคงท (Settling time) นนนานกวางานวจยอน และกระแสทจายใหกบ SMA actuator ใชมากกวาบางงานวจยเนองจาก SMA ทใชในงานวจยมขนาดเสนผานศนยกลางทใหญ และขนาดของเสนผานศนยกลางของ SMA สปรงทใชกกวางกวางานวจยอนเชนกน ในสวนของการเคลอนทเขาส Setpoint ชวงขาลงลง ในงานวจยของเรายงใหผลตอบสนองไดไมดเทาไหรนก

ตารางท 4-3 ตารางเปรยบเทยบงานวจยตางๆทเกยวของกบงานวจยทน าเสนอ

Position (mm)

Settling time (s)

Latching Current (A)

3D Control

งานวจยทน าเสนอ 20 1.1 None 3 Yes PI

การแสดงผลแบบ 3 มตโดยใชวสดจ ารป Shape Memory Alloys [3]

20 0.40 Magnetic 5 Yes PID

Miniature Shape Memory Alloy Actuator for Tactile Binary Display [6]

3 0.45 None 0.5 No PWM

59

Position (mm)

Settling time (s)

Latching Current (A)

3D Control

A sixty-four element tactile display using shape memory alloy wires [19]

3.2 0.75 None - No PI

Dynamic Braille display using SMA coil actuator and magnetic latch [7]

7 <1 Magnetic 0.3 No -

60

บทท 5

บทสรปและขอเสนอแนะ

บทนจะกลาวถงขอสรปทไดจากการศกษาการสรางแบบจ าลองการท างาน และการควบคม SMA actuator ส าหรบการน าไปใชในอปกรณแสดงผลแบบสมผส รวมถงปญหาทเกดขนระหวางการท างานวจย และขอเสนอแนะส าหรบผทจะศกษาหรอสนใจเกยวกบงานวจยนตอไปในอนาคต

5.1 ผลการสรปของงานวจย จากการศกษางานวจยทผานมานนสามารถสรปไดวา แบบจ าลองการท างานของ SMA actuator ม 3 แบบจ าลองคอ แบบจ าลองทางความรอน แบบจ าลองของการเปลยนเฟส และแบบจ าลองทางกล ซงเปนคณลกษณะเฉพาะของ SMA actuator และจากผลการทดลองปรากฏวารปแบบการตอบสนองของ SMA actuator สอดคลองกบแบบจ าลองการท างานทไดศกษามา โดยไดออกแบบระยะการเคลอนทสงสดไว 20 mm จากการทดลองท Setpoint 18 mm เมอใชตวควบคมเวลาในการตอบสนองตอการเปลยนรป (Total time) 1.7 วนาท เรวขน 0.2 วนาทและชวยลดคาความผดพลาดของต าแหนงในสภาวะคงตวได 1.2 % เมอเทยบกบแบบ Open-loop ในสวนของเรองพลงงาน การใชตวควบคมจะใชพลงงานเยอะกวาการใชแบบ Open-loop 3% และจากผลการทดลองพสจนใหเหนแลววา การควบคมต าแหนงของ SMA actuator โดยการควบคมการจายแรงดนแบบ PWM รวมกบ PI controller สามารถควบคมต าแหนงการเคลอนทของ SMA actuator ไดหลายระยะ (Multi-step) โดยใช SMA สปรงเพยงแคขดเดยว ทงยงสามารถคงคาของการแสดงผลไดโดยไมตองออกแบบการ latching ทางกล ในสวนของชวงขาลงของ SMA (ระบายความรอน) จะใชเวลานานอนจะสงผลตอการใชงานในการแสดงผลทนานมากขน จงแกปญหาโดยการตดตงพดลมระบายความรอนขนมา เพอลดเวลาในชวงขาลง ท าใหสามารถแสดงผลเรวมากขน

61

5.2 ปญหา 5.2.1 ขนตอนการขนรปลวด SMA สปรงท าไดยาก เพราะการจะขนรป SMA ใหไดลกษณะและรปแบบการเปลยนรปตามตองการ ตองทราบคาตวแปรตางๆอยางละเอยด ทงยงขาดอปกรณส าหรบขนรปสปรงโดยตรง และใน Datasheet กไมไดบอกคณสมบตของ SMA ไวทงหมด จงตองศกษางานทเกยวกบการขนรป SMA เพมเตม พรอมทงศกษาแบบจ าลองการท างานจากงานวจยทเกยวของดวย 5.2.2 การออกแบบวงจรจายแรงดนให SMA มปญหาของตว Opto-isolator ทแยกสวนภาคอนพตและออกจากเอาตพตกน ในขนตอนการทดลองพบวาการสงจายกระแสโดยตว Transistor ไปยง SMA ไมเปนไปตามทตองการ จงไดออกแบบวงจรใหมโดยเปลยนมาใช FET ในการจายแรงดนให SMA แทน 5.2.3 ในการควบคม SMA actuator โดยใชระบบควบคมแบบปอนกลบต าแหนง อาจจะเกด Overheating เพราะไมทราบคาอณหภมท SMA ท าให SMA เกดความเสยหายขนได และชวงขาลงหรอชวงการระบายความรอนของ SMA จะใชเวลานานกวาชวงขาขนหรอชวงการใหความรอน ท าใหเวลาทใชในการแสดงผลแตละครงนานมากขน จงแกปญหาโดยการตดตงพดลมระบายความรอนมาชวยแกปญหาในทงสองสวนน

5.2.4 การควบคม SMA actuator โดยการใช PI-controller รวมกบการจายแรงดนแบบ PWM นน เมอมการเปลยน Setpoint การใชอตราขยายของ Controller คาเดมตลอดจะสงผลใหเกดความผดพลาดของต าแหนงได เพราะ Duty cycle สงสดของ PWM คอ 100 % จะไดระยะสงสด เมอเลอกระยะอนๆทนอยกวา แตในชวงเรมตนคาความผดพลาดของต าแหนงจะมากทสด Controller จะสงเอาตพตสงสดไปยง PWM เสมอ ท าใหการควบคมระยะอาจจะพงเกนได การแกไขคอการเปลยน Setpoint จะตองปรบเปลยนคาอตราขยายของ Controller ดวย หรออาจจะปรบคาอตราขยายใหเหมาะสมกบระยะทตางกน ซงอาจจะเกดคาผดพลาดของต าแหนงบาง ขนอยกบการยอมรบคาความผดพลาดในการน าไปใชงาน

5.2.5 การตอบสนองของ SMA จะมลกษณะเปนชวงๆ (Step) ทแตละชวงระยะจะเกอบเทากน เพราะฉะนนการเลอก Setpoint ควรจะเลอกชวงระยะหางเทาๆกน เชน ระยะท 1 5 mm

62

ระยะท 2 ควรจะเปน 10 mm จะท าใหไดผลตอบสนองทดขน 5.2.6 เนองจากการตอบสนองตออณหภมของ SMA ใชเวลานาน การควบคมจงตอง

ระมดระวงการพงเกนของต าแหนง เพราะถาเกดการพงเกนขนจะใชเวลานานกวาท Controller จะปรบใหต าแหนงเขาส Setpoint จงตองระมดระวงในการเลอกใชคาอตราขยายของ Controller 5.3 ขอเสนอแนะ 5.3.1 การเลอก SMA มาใชงานควรดใหละเอยดเพราะมหลายรปแบบ ในงานนใชแบบ One-way shape memory โดยตองมแรงมากระท าใหเปลยนรปตลอดเวลา และจะเปลยนรปกลบไปรปเดมแคทางเดยวเทานน แตกม Two-way shape memory ซงสามารถเปลยนรปเมออณหภมเปลยนไปไดทงสองทาง โดยไมจ าเปนตองมแรงมากระท าใหเปลยนรปเหมอนกบ One-way shape memory ดงนนการออกแบบตางๆยอมตางกน 5.3.2 การน าลวด SMA มาขนรปเปนสปรงเองนนท าไดยาก ดงนนควรจะเลอกซอแบบทขนรปเปนสปรงส าเรจรปมาใชงานดกวา 5.3.3 การออกแบบระบบควบคม SMA actuator โดยใชการปอนกลบต าแหนงการเคลอนทนนท าไดงาย แตเสยงตอการเกด Overheating ดงนนจงควรมการปอนกลบอณหภมมารวมดวย จะท าใหทราบอณหภมผวของ SMA นาจะสงผลดในการปองกนการเกด Overheating และอาจจะมประสทธภาพในการควบคมต าแหนงมากขน 5.3.4 การควบคมต าแหนงของ SMA actuator ใหมความแมนย าทงขาขนและขาลงนน เปนไปไดยาก เนองจาก SMA มความไมเปนเชงเสนสง การออกแบบระบบควบคมอาจจะใชตวแปรอนเพมเขามาในการปอนกลบเพอชดเชย Hysteresis loop และควรใชการระบายความรอนรวมดวย

63

บรรณานกรม

[1] K. Ikuta, M. Tsukamoto, and S. Hirose. In Proc. 1988 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Philadelphia, vol. 1, pp. 427–430, 1988 [2] C. Mavroidis, “Development of advanced actuators using shape memory alloys and electrorheological fluids,” Res Nondestr Eval 14, pp.1–32, 2002 [3] ธรนช จนทโสภพนธ และ ถวดา มณวรรณ, “การแสดงผลแบบ3มตโดยใชวสดจ ารป,” กรงเทพฯส านกงานกองทนสนบสนนการวจย (สกว.) , หนา 2-8, 2005. [4] F. Auricchio, “One-way and Two-way shape memory effect : Thermo–mechanical characterization of Ni–Ti wires,” Facolt`a di Ingegneria Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica Dipartimento di Meccanica Strutturale Universit`a degli Studi di Pavia., Anno Accademico, 2007. [5] R. Velázquez, E. Pissaloux, and M. Wiertlewski, “A compact tactile display for the blind with shape memory alloys,” Proc. of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation Orlando, Florida, May. 2006. [6] R. Velazquez, E. Pissaloux, and J. Szewczyk, “Miniature shape memory alloy actuator for tactile binary information display,” Proc. of the IEEE International Conference on Robotics and Automation Barcelona, Spain, April. 2005. [7] Y. Haga, W. Makishi, K. Iwami, K. Totsu, K. Nakamura, and M. Esashi, “dynamic braille display using SMA coil actuator and magnetic latch,” Sensors and Actuators A 119, pp. 316-322, 2005. [8] S. Majima, K. Kodama, and T. Hasegawa, “Modeling of shape memory alloy actuator and tracking control system with the model,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 9, January. 2001. [9] Nguyen Bao Kha and Kyoung Kwan Ahn, “Position control of shape memory alloy actuator by using self tuning fuzzy PID controller”, School of Mechanical and Automotive Engineering, University of Ulsan, IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, 2006. [10] Lee, H.J., Lee, J.J., “Time delay control of a shape memory alloy actuator” Smart Mater. Struct., pp.227-239, 2004.

64

บรรณานกรม(ตอ) [11] Ma, N., Song, G., “Control of shape memory alloy actuator using pulse width modulation,” Smart Mater. Struct., pp.712-719, 2003. [12] M. Sreekumar and others, “Recent advances in nonlinear control technologies for shape memory alloy actuators” , Journal of Zhejiang University SCIENCE , pp.818-829, 2007. [13] L.C. Brinson, A. Bekker, and S. Hwang, “Deformation of shape memory alloys due to thermo-induced transformation,” J. Intell. Material Syst. Struct., vol. 7, pp. 97–107, Jan. 1996. [14] V. Brailovski, F. Trochu and G. Daigneault, “Temporal characteristics of shape memory linear actuators and their application to circuit breakers”, in Materials & Design, pp. 151-158, 1996. [15] K. Ikuta, “Micro/miniature shape memory alloy actuator,” IEEE Robotics and Automation, pp. 2156-2161, 1990. [16] D. Madill and D. Wang. “Modeling and L2-stability of a shape memory alloy position control system,” in IEEE Transactions on Control Systems Technology, pp. 473-481, 1998. [17] C. Liang and A. Roger, “One-dimensional thermomechanical constitutive relations for shape memory materials”, in Journal of Intelligent Aftificial Systems cad Structures, pp. 207-234, 1990. [18] K. lkuta, M. Tsukamoto, S. Hirose, “Shape memory alloy servo actuator system with electric resistance feedback application to active endoscope,” Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, Philadelphia,USA, pp. 427, 1988. [19] P.M. Taylor, A. Moser, A. Creed , “A sixty-four element tactile display using shape memory alloy wires,” Elsevier Science B.V. All rights reserved., 16 January 1998.

65

ภาคผนวก ก

คณสมบตทางกายภาพ ทางกล และทางความรอนของ Shape Memory Alloy

66

67

ภาคผนวก ข

บลอกไดอะแกรมของระบบความคมในโปรแกรม LabVIEW

68

บลอกไดอะแกรมของระบบความคมแบบ Open-loop

บลอกไดอะแกรมของระบบความคมแบบ Open-loop

69

บลอกไดอะแกรมของระบบความคมแบบ Close-loop

บลอกไดอะแกรมของระบบความคมแบบ Close-loop

70

ภาคผนวก ค

บลอกไดอะแกรมของระบบความคมในโปรแกรม MATLAB (Simulink)

71

บลอกไดอะแกรมของแบบจ าลองทางความรอน

บลอกไดอะแกรมของแบบจ าลองของการเปลยนเฟส

บลอกไดอะแกรมของแบบจ าลองทางกล

72

บลอกไดอะแกรมของแบบจ าลองของ SMA actuator

บลอกไดอะแกรมของแบบจ าลองของ SMA actuatorทใช PI controller

73

ภาคผนวก ง

งานวจยทไดรบการตพมพ

74

75

76

77

78

ประวตผเขยน ชอ สกล นายวทยา แปนไทย รหสประจ ำตวนกศกษำ 5510120089 วฒกำรศกษำ

วฒ ชอสถำบน ปทส ำเรจกำรศกษำ วศวกรรมศาสตรบณฑต

(วศวกรรมไฟฟา) มหาวทยาลยศรปทม 2554

ทนกำรศกษำ

ทนอดหนนงานวจยมหาวทยาลยสงขลานครนทรประจ าปการศกษา 2557 กำรตพมพเผยแพรผลงำน

วทยา แปนไทย และ วฤทธ วชกล, “การควบคมต าแหนงของตวขบเคลอนขนาดเลกชนดโลหะผสมจ า รปโดยใชตวควบคมแบบสดสวนรวมกบปรพนธ ,” การประชมวชาการทางวศวกรรมไฟฟา ครงท 37 (EECON-37), มหาวทยาลยขอนแกน, หนา 409-412, 19-21 พฤศจกายน 2557.