รายงานวจยฉบบสมบรณ

โครงการ เครองดงกระดกสนหลงไฟฟาดวยฟซซลอจก

ทมวจย ผชวยศาสตราจารย ดร. สมพร เรองสนชยวานช1

รองศาสตราจารย ดร. ปนดา เตชทรพยอมร2 นายสทธพงษ เพงประเดม1

นางสาวเดอนแรม แพงเกยว1 1ภาควชาวศวกรรมไฟฟาและคอมพวเตอร คณะวศวกรรมศาสตร

2ภาควชากายภาพบ าบด คณะสหเวชศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร

กนยายน 2557

สญญาเลขท R25558058

รายงานวจยฉบบสมบรณ

โครงการ เครองดงกระดกสนหลงไฟฟาดวยฟซซลอจก

ทมวจย ผชวยศาสตราจารย ดร. สมพร เรองสนชยวานช1

รองศาสตราจารย ดร. ปนดา เตชทรพยอมร2 นายสทธพงษ เพงประเดม1

นางสาวเดอนแรม แพงเกยว1 1ภาควชาวศวกรรมไฟฟาและคอมพวเตอร คณะวศวกรรมศาสตร

2ภาควชากายภาพบ าบด คณะสหเวชศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร

สนบสนนโดยงบประมาณแผนดน มหาวทยาลยนเรศวร

บทคดยอ

ปจจบน ผคนสวนใหญมอาการปวดหลงและคอ ทางการแพทยอาการปวดหลงและคออาจเกดจากหลายสาเหต เชน ประสบอบตเหตอยางรนแรง การนงท างานเปนเวลานาน ๆ และการยกของหนกในทาทางทไมเหมาะสม โดยทวไปการรกษาหรอบรรเทาอาการปวดหลงและคอ สามารถท าไดหลากหลายวธ ทงนอยในความวนจฉยของแพทยและนกกายภาพบ าบด เชน การทานยาคลายกลามเนอ, การพกผอน และการท ากายภาพบ าบด การใชเครองดงกระดกสนหลงไฟฟากเปนอกวธทนกกายภาพบ าบดนยมใชกนอยางแพรหลายเพอการดแลรกษาผปวยอาการปวดหลงและคอ โดยเฉพาะอยางยงสถานพยาบาลของรฐ

เครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบนถกออกแบบใหสามารถท างานรวมกบเตยงบ าบดทวไป การทดสอบเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบนกระท าอยางนอย 50 ครง ตอ การดงหนงระดบ ทางสถตพบวา คาความผดพลาดเฉลยของเครองดงตนแบบ มคาประมาณ 3.26% ซงเปนคาทยอมรบได จากนนเครองตนแบบถกน าไปทดสอบกบอาสาสมครสขภาพด พบวา ประสทธภาพในการยดถางกระดกสนหลงท าได อยางไรกตามควรท าการศกษาเพมเตมในอนาคต เพอใหแนใจกบประสทธผลของการใชเครองดงกระดกสนหลงไฟฟานตอผปวยปวดคอจากกระดกคอเสอม ตอไป

Abstract

Recently most of people suffer from back and/or neck pains. Therapeutically back and neck pains are occurred occasionally as many reasons for example hard accidents, sitting for too long at work and improper lifting. Generally treatment of the back and neck pains can be relieved by several methods, which is analyzed appropriately by either physician or physical therapist, such as taking pain relief, recreation and physical therapy. Extensively use of electric traction machine is one of popular tools for physiotherapy to cure back and neck pain client in particular public hospitals.

This electric traction machine is designed for jointing with normal medi-plinth physical therapy table. The electric traction machine prototype is tested at least by 50 times per one level, and the mean error of prototype is approximately 3.26 percent, which is acceptance. Furthermore the prototype is examined to heathy volunteers, and efficiency of extending vertebral column can be achieved. However the prototype needs to be examined further in the future for ensuring the effectiveness of the prototype to cervical spondylosis clients.

บทสรปผบรหาร (Executive Summary)

1. รหสโครงการ R2555B058

2. ชอโครงการ เครองดงกระดกสนหลงไฟฟาดวยฟซซลอจก

3. คณะผวจย และสถาบนตนสงกด

ผชวยศาสตราจารย ดร. สมพร เรองสนชยวานช1

รองศาสตราจารย ดร. ปนดา เตชทรพยอมร2

นายสทธพงษ เพงประเดม1

นางสาวเดอนแรม แพงเกยว1

1ภาควชาวศวกรรมไฟฟาและคอมพวเตอร คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร 2ภาควชากายภาพบ าบด คณะสหเวชศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร

4. ระยะเวลาโครงการ 1 ป

5. งบประมาณโครงการ 271,500 บาท

6. บทสรปโครงการวจย

เครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบนถกออกแบบใหสามารถท างานรวมกบเตยงบ าบดทวไป การทดสอบกระท าในหองปฎบตการท าทงในสวนของการทดสอบทางวศวกรรมและทางสหเวชศาสตร ทคณะวศวกรรมศาสตรและคณะสหเวชศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร การปรบปรงดานการควบคมมอเตอรไฟฟาท าหลากหลายวธและใชเวลาคอนขางมาก เพราะความตองการของงานดงกระดกสนหลงมตวแปรทซบซอน การคงสภาพแรงดงกมความยงยากพอสมควร หลงจากปรบปรงมผลทนาพลใจแลว ทางสถตพบวา คาความผดพลาดเฉลยของเครองดงตนแบบ มคาประมาณ 3.26% ซงเปนคาทยอมรบได จากนนเครองตนแบบถกน าไปทดสอบกบอาสาสมครสขภาพด กพบวา ประสทธภาพในการยดถางกระดกสนหลงท าได

7. สรปผลลพธจากงานวจย (Output) ท ประเภทผลงาน เปาหมาย ท าไดจรง

1 ตพมพในวารสารระดบนานาชาตทมคา Impact Factor 0 0

2 ตพมพในวารสารระดบนานาชาต (ไมมคา Impact Factor) 0 0

3 ตพมพในวารสารระดบประเทศ 1 0

4 น าเสนอในการประชมวชาการในระดบนานาชาต ทมการตพมพบน Proceedings

0 1

5 น าเสนอในการประชมวชาการในระดบชาต ทมการตพมพบน Proceedings 1 1

6 ตพมพในบทความทางวชาการ ต ารา หรอหนงสอทมการรบรองคณภาพ 0 0

7 ถายทอดผลงานวจย / เทคโนโลยสกลมเปาหมายและไดรบการรบรองการใชประโยชนจากหนวยงานทเกยวของ (ทงหมดรวม ..... คน)

0 0

8 ไดสงประดษฐ อปกรณ เครองมอ หรออนๆ เชน ฐานขอมล Software ทสามารถน าไปใชประโยชนไดตอไป

0 0

9 สทธบตร/ลขสทธ 0 0

10 อนสทธบตร 0 0

11 ลขสทธ 0 0

ประกาศคณปการ ทมวจยขอขอบคณ มหาวทยาลยนเรศวรและส านกงานคณะกรรมการวจยแหงชาต ทไดพจารณาจดสรรทนวจยในโครงการน ตลอดจน เจาหนาทของกองบรหารงานวจย มหาวทยาลยนเรศวร ทใหค าปรกษา ชแนะ รวมประสานงานจนงานวจยเสรจลลวงไปดวยด อกทง คณะสหเวชศาสตร และคณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร ทใหความอนเคราะห เจาหนาท การใหขอมลพนฐาน วสดอปกรณและเครองมอส าหรบการท าวจยครงนเปนอยางดยง ทมวจย

สารบญ

บทท หนา

1 บทน า..…...…….…………………………………………………………………………………………….. 1

2 ทฤษฎและงานวจยทเกยวของ.................................................................. ............... 3

2.1 มอเตอรไฟฟากระแสตรง……....……….........…………………………………………… 3 2.1.1 ขวแมเหลก…………...…………….........…………………………………………… 3

2.1.2 ขดลวดอารเมเจอร……………….........…………………………………………… 4 2.2 ทฤษฏพนฐานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง…………...…………….........……… 4

2.3 สมการพนฐานของมอเตอรไฟฟา………...…………….........……………………… 6

3 การออกแบบเครองดงคอตนแบบ............................................................................. 10

3.1 การออกแบบโครงสรางและอปกรณของเครองดงหลง......………………………. 10 3.1.1 มอเตอรไฟฟากระแสตรง……….......…………….........……………………….. 10

3.1.2 แหลงจายไฟฟากระแสตรง ……...…....…………….........…………………… .. 10

3.1.3 ชดควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง ….…………………… 11 3.2 การออกแบบระบบควบคมการท างานของเครองดงหลง...……………………… 12

3.3 ลกษณะการทดลองควบคมแรงดง …………......…....…………….........…………… 13 3.4 การทดลองตรวจสอบระบบกอนการทดลองจรง....…....…………….........…….. 15 3.5 การทดสอบกบคนไขจรง ……...…....…………….........…………………… ……………. 16

4 วธด าเนนงานวจยและผลการทดลอง……………………………………......…………………… 18 4.1 ขนตอนการทดสอบประสทธภาพของเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบ 18 4.1.1 รปแบบการศกษา……………………………………......……………………........ 18 4.1.2 กลมตวอยาง……………………………………......………………...................... 18 4.1.3 เกณฑการคดเขา……………………………………......………………................ 18 4.1.4 เกณฑการคดออก……………………………………......……………….............. 19 4.2 การเกบรวบรวมขอมล……………………………………......………………................. 19

สารบญ (ตอ)

บทท หนา 4.3 การวดระยะหางระหวางกระดกสนหลงสวนคอทางดานหนาและทางดานหลง

บนภาพถายรงส……….........………………………...........................……………....…… 20

4.3.1 การวดความยาวของกระดกสนหลงสวนคอจากระดบ C3 ถง C6……… 20 4.3.2 ใชแถบเครองมอวดของโปรแกรมวดความยาวของกระดกสนหลงสวน

คอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาและทางดานหลง …………………….. 22

4.4 การวเคราะหทางสถต........………………………..................……………....……………. 22 4.4.1 การทดลองตรวจสอบระบบกอนการทดลองจรง........……………………….. 23 4.5 ผลการวจย……………....…………….........…………………………………………………….. 24 4.6 อภปรายผล……………....…………….........……………………………………………………. 27 4.7 สรปผลการวจย…....…………….........………………...………………………………………. 28

เอกสารอางอง................................................................................................................. ............... 9,29 ภาคผนวก.................................................................................................... .................................. 30

สารบญภาพ

ภาพ หนา 1.1 การปวดหลงทมสาเหตจากหมอนรองกระดกปลนกดทบรากประสาท...........………... 1 2.1 โครงสรางของเครองกลไฟฟากระแสตรง………….............……………....…………………... 3 2.2 ขดลวดทพนบนแกนเหลกวางรอบตวสเตเตอร ……………....………………………………… . 4 2.3 โครงสรางอารเมเจอร........……………....……………………………………............................. 4 2.4 กฎมอซายของเฟลมมงและลกษณะการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง……….. 5 2.5 วงจรสมมลของมอเตอรไฟฟากระแสตรงและการเกดแรงเคลอนไฟฟาตานกลบ……. 6 3.1 เครองดงหลงตนแบบ...........…………....……………………………………............................. 10 3.2 มอเตอรกระแสตรง...........…………....……………………………………................................ 10 3.3 แหลงจายไฟฟากระแสตรง...........…………....…………………………................................ 11 3.4 ชดควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง...........………............................... 11 3.5 วงจรภาคจายไฟฟาส าหรบมอเตอรไฟฟากระแสตรง...........……................................ 12 3.6 อปกรณภายในเครองดงหลง...........…………....………………………….............................. 12 3.7 การดอนเทอรเฟสและคอมพวเตอร...........…………....…………………………................... 12 3.8 โหลดเซลล........……………....……………………………………............................................. 13 3.9 การจ าลองการดงเสมอนดงจรง........……………....…………………………………….............. 13 3.10 พฤตกรรมของมอเตอรไฟฟากระแสตรง........……………....…………………………............ 14 3.11 ไดอะแกรมการควบคมกระแสไฟฟาแบบปอนกลบ........……………....…………............. 14 3.12 ผลของการควบคมกระแสไฟฟา........……………....…………………………………................ 15 3.13 คาแรงดงทวดไดจากการควบคมกระแสไฟฟาคาตางๆ........……………....…….............. 15 3.14 ผลการทดลองการวดแรงดงทงหมด 50 ครง........……………....……............................. 16 3.15 ตวอยางการดงคอผปวย........……………....………………………........................................ 16 3.16 ตวอยางผลของการควบคมกระแสไฟฟา ขณะใชงานจรง........……………....…….......... 17 3.17 ตวแปรทพจารณาในแบบฟซซลอจก ในเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบ......... 17 4.1 การตดตงอปกรณส าหรบการดงคอของผเขารวมทดสอบ........……………....…….......... 18 4.2 วดความยาวของกระดกสนหลงสวนคอจากระดบ C3 ถง C6........……………....…............ 20 4.3 การใชโปรแกรมเพอเปดไฟลภาพถายรงสบนหนาจอคอมพวเตอร........…………......... 21 4.4 ตวอยางภาพถายรงสของอาสาสมครผชายทเขาทดสอบ.......……………....……………... 21 4.5 ตวอยางภาพถายรงสของอาสาสมครผหญงเขาทดสอบ........……………....…………….... 21 4.6 ผลของการควบคมกระแสไฟฟา........……………....……................................................ 23

สารบญภาพ (ตอ)

ภาพ หนา 4.7 คาแรงดงทวดไดจากการควบคมกระแสไฟฟาคาตางๆ........……………........................ 23 4.8 ผลการทดลองการวดแรงดงทงหมด 50 ครง........……………....................................... 24

สารบญตาราง

ตาราง หนา

3.1 แสดงคาความผดพลาดของการทดสอบการดง……...…......…....……………………………… 16

4.1 แสดงคาความผดพลาดของการทดสอบการดง…….........……………………………………..... 24

4.2 แสดงขอมลทวไปของผเขารวมการศกษาจ านวน 12 คน (หญง 6 คน และชาย 6 คน) 25

4.3 แสดงการเปรยบเทยบคาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาและทางดานหลงระหวางกอนและขณะดงกระดกสนหลงนาน 20 นาทและระหวางกอนและหลงจากนอนในลกษณะเดยวกนแตไมเปดเครองเปนเวลา 20 นาท โดยใชสถต Paired t-test....…….........…....……………………………………..........................

26

1

บทท 1 บทน า

อาการปวดหลงและคอ เปนโรคทพบไดบอยในปจจบน ผปวยจะมอาการมากหรอนอยขนอยกบพยาธสภาพ ความแขงแรงของกลามเนอ และการดแลตวเองของผปวย ทางการแพทยพบวาปญหาอาการปวดหลงและคอ เกดจากหลากหลายสาเหต เชน การใชงานกระดกสนหลงทไมถกตอง การนงท างานเปนเวลานาน ๆ (ในลกษณะทไมเหมาะสม) การยกของหนกในทาทางทไมเหมาะสม การบดคอหรอเอวอยางรนแรง หรอ การประสบอบตเหตอยางรนแรง เปนตน สาเหตตาง ๆ ดงทกลาวมาขางตน สงผลใหเกดการเปลยนแปลงทางพยาธสภาพตาง ๆ ทพบบอย เชน กระดกและหมอนรองกระดกสนหลงเสอม หมอนรองกระดกปลนทบรากประสาท ดงแสดงในภาพท 1 ขณะมอาการกลามเนอเกรงตว (Muscle Spasm) ซงจะสงผลใหท าใหผปวยเกดอาการปวดหลงปวดคอ และบอยครงมอาการปวดราว, ชา และ/หรอออนแรงไปยงบรเวณแขนหรอขารวมดวย และถาผปวยไมไดรบการรกษาทถกวธ อาการปวดหลงปวดคอกอาจพฒนาเปนอาการปวดเรอรงซงท าใหผปวยเกดความทกขทรมาน และอาจเกดภาวะทพพลภาพ (Disability) ได ทงนสงผลโดยตรงตอผปวย ท าใหการด ารงชพและการประกอบสมมาชพในชวตประจ าวนพบความล าบากอยางมาก โดยเฉพาะอยางยง ผปวยทอยตามชนบทหางไกลและมกมรายไดนอย ท าใหไมสามารถเขาถงการบรการทางสาธารณสขทดพอ บอยครงพบวาผปวยเหลานนอาจหลกเลยงอาการปวดโดยการรบประทานยาแกปวดเปนประจ า ซงอาจสงผลขางเคยงตอระบบของรางกายอนๆ ตามมา

ภาพท 1.1 การปวดหลงทมสาเหตจากหมอนรองกระดกปลนกดทบรากประสาท

การรกษาหรอบรรเทาอาการปวดหลงและคอ สามารถท าไดหลายวธ ทงนอยในความวนจฉยของแพทยและนกกายภาพบ าบด เชน การพกผอน, การทานยาคลายกลามเนอ, การท ากายภาพบ าบด หรอ แมกระทงการเขารบการผาตด (เปนวธทมคาใชจายทสงและเปนไมพงปรารถนาของผปวยเทาไรนก ) หากผปวยมอาการปวดหลงในระยะเรมตน การพกผอนหรอทานยา อาจเพยงพอ อยางไรกตาม ยงมผปวยปวดหลงปวดคออกจ านวนมากทจ าเปนตองไดรบการรกษาดวยวธการท ากายภาพบ าบด ซงปจจบนบคลากร

เสนประสาทถกกด

2

และวทยาการทางดานกายภาพบ าบดนบวามความส าคญ และไดรบการพฒนาอยางตอเนองจนเปนทยอมรบจากทกฝาย แมวาในปจจบนเกอบทกโรงพยาบาลจะมนกกายภาพบ าบดประจ าอย แตการรกษาบางขนตอนจ าเปนตองอาศยเครองมอทางการบ าบดทเหมาะกบการรกษา ตวอยางเชน เครองดงกระดกสนหลงไฟฟา (Electric Traction Machine) ซงนบเปนเครองมอทใชส าหรบยดกลามเนอ ขอตอและหมอนรองกระดกสนหลง ใหผลในการผอนคลายกลามเนอ ยดและลดแรงดนในหมอนรองกระดก ลดการกดทบของเสนประสาทสนหลง สงผลในการชวยลดและบ าบดอาการปวดหลงปวดคอ ลดอาการปวด ชาและการออนแรงของแขนหรอขาอนเนองมาจากเสนประสาทสนหลงถกกด แมวาการดงกระดกสนหลง สามารถท าไดหลายวธ แตการดงดวยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาเปนวธทนกกายภาพบ าบดใชก นอยางแพรหลาย โดยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาสามารถใหแรงดงทมความเทยงตรง และเปนเครองทนแรงทส าคญตอนกกายภาพในการดแลรกษาผปวยอาการปวดหลงและคอ โดยเฉพาะอยางยงสถานพยาบาลของรฐ ซงใน ทกๆ วนมกพบวามคนไขเขามาขอรบการรกษาเปนจ านวนมาก

ความตองการการใชเครองดงกระดกสนหลงในปจจบน พบวามความตองการใชเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาสงมาก ในสถานบรการสขภาพทงภาครฐและเอกชน อยางไรกตามราคาเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาในปจจบนยงมราคาแพงโดยตองน าเขาจากตางประเทศ โดยมราคาประมาณ 150,000 บาท ถง 450,000 บาทตอเครอง ทงน ขนอยกบคณลกษณะและองคประกอบของเครอง ดงนน องคความรดานการสรางนวตกรรมสงประดษฐทางการแพทยของนกวจยในประเทศไทยจงมความจ าเปนตองไดรบการสงเสรมอยางเรงดวน เพอลดการพงพงและสงซอเครองจกรกลจากตางประเทศ ซงสงผลเสยหลายอยางตอการสรางความเขมแขงของประเทศ โดยเฉพาะอยางยงเรองดลการคา แมวาแผนพฒนาเศรษฐกจและสงคมแหงชาต ฉบบท 11 จะม ยทธศาสตรการพฒนาประเทศ โดยมงเนนการปรบโครงสรางทางสงคมใหเปนสงคมทมนคง เพอใหประชาชนคนไทยในทกภาคสวน ไดรบโอกาสอยางเปนธรรม ในการเขาถงการบรการสขภาพทมคณภาพอยางทวถง สอดคลองกบนโยบายของกระทรวงสาธารณสขทตองการใหประชาชนเขาถงการรบบรการดานกายภาพบ าบดอยางทวถง โดยปจจบนมการสงเสรมและสนบสนนใหโรงพยาบาลชมชน (ทมจ านวนเตยง ตงแต 15 – 15 เตยง 0) เปดใหบรการทางดานกายภาพบ าบดแกผปวย (ในประเทศไทยมโรงพยาบาลชมชน ประมาณ 732 แหง ) อยางไรกตามโรงพยาบาลชมชนสวนใหญมกประสบปญหาดานงบประมาณ ในการซอเครองมอทางกายภาพบ าบด เนองจากมราคาสง สวนในโรงพยาบาลศนย โรงพยาบาลทวไป โรงพยาบาลและคลนกเอกชน ถงแมวาอาจมเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาอยแลว กยงมความตองการในการใชเครองมอชนดนเพมขน เนองจากมจ านวนผปวยเพมขน

3

บทท 2 ทฤษฎและงานวจยทเกยวของ

2.1 มอเตอรไฟฟากระแสตรง

เครองกลไฟฟากระแสตรง เปนเครองกลไฟฟารนแรกๆ ทใชงานมาอยางยาวนาน เครองกลไฟฟากระแสตรงสามารถท างานไดสองแบบ คอ ท างานเปนเครองก าเนดไฟฟากระแสตรงและเปนมอเตอรไฟฟากระแสตรง ในปจจบน มอเตอรไฟฟากระแสตรงยงเปนทนยม ถกน าไปใชงานในภาคอตสาหกรรม โดยมขอด คอ การควบคมความเรวรอบคงทกบผลตอบสนองแรงบดทด ตวอยางการประยกตใชงานในโรงงานตาง ๆ เชน โรงงานทอผา โรงงานเสนใยโพลเอสเตอร และโรงงานถลงโลหะ

โครงสรางเครองกลไฟฟากระแสตรงประกอบดวย สวนทอยกบทหรอโครงสราง (Frame) เปนโครงสรางภายนอกของเครองกลไฟฟากระแสตรงทยดกบขวแมเหลกเหนอ (N Field Pole) และขวแมเหลกใต (S Field Pole) ท าหนาทสงเสนแรงแมเหลกจากขวเหนอสขวใต และสวนทหมน (Armature) ในสวนนภายในจะพนดวยขดลวดกรณทจายแรงดนไฟฟาออกมาจะท างานเปนเครองก าเนดไฟฟากระแสตรง (DC Generator) กรณทท างานขบโหลดจะท างานเปนมอเตอรไฟฟากระแสตรง (DC Motor) ซงแตละสวนแสดงดงภาพท 2.1

ภาพท 2.1 โครงสรางของเครองกลไฟฟากระแสตรง [2.1]

2.1.1 ขวแมเหลก

ขวแมเหลกจะยดอยกบสวนทอยกบท การทเครองกลไฟฟากระแสตรงจะเกดขวแมเหลกไดเกดจากการน าขดลวดมาพนรอบแกนเหลกซงมขดลวดอย 2 ชด ดงน

ขดลวดชดขนาน (Shunt Field or Shunt Winding) จะพนดวยลวดขนาดเสนเลก ทมความตานทานสง

ขดลวดอนกรม (Series Field or Series Winding) จะพนดวยลวดเสนใหญ ขดลวดทงสองชดจะตองพนไปทศทางเดยวกนซงมลกษณะแสดงไดดงภาพท 2.2

4

ภาพท 2.2 ขดลวดทพนบนแกนเหลกวางรอบตวสเตเตอร [2.2]

2.1.2 ขดลวดอารเมเจอร

ในสวนหมน บอยครงทมกถกเรยกวาโรเตอร (โรเตอร) หรออารเมเจอร (Armature) ในสวนนกจะมการพนขดลวด (Conductor Winding) ดงตวอยางแสดงในภาพท 2.3 มอปกรณทส าคญในการตอน าพลงงานเขา (Motoring Mode) และน าพลงงานออก (Generating Mode) เรยกวา คอมมวเตเตอร (Commutator) ท าหนาทสงผานพลงงานไปยงแปรงถาน เพอสงออกไปยงภายนอกมอเตอรไฟฟากระแสตรง

ภาพท 2.3 โครงสรางอารเมเจอร [2.3]

2.2 ทฤษฏพนฐานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง

เมอมกระแสไหล (I) ผานตวน าทอยภายในสนามแมเหลก () จะท าใหเกดแรงกระท า (F) ทขดลวดตวน านนๆ สงผลใหเกดการเคลอนท โดยหลกการขางตนน ถอเปนการเปลยนรปแบบพลงงาน (Energy Conversion) จากพลงงานไฟฟา (Electrical Energy) เปนพลงงานกล (Mechanical Energy) โดยอางองจากกฎมอซายของเฟลมมง เ พอใหเห นภาพทชดเจนยงขน ใชนวช แทนทศทางของสนามแมเหลก นวกลาง แทนทศทางของกระแสทไหลผานตวน า และนวหวแมมอ แทนแรงทมผลมาจากสนามแมเหลกและกระแสไฟฟาทไหลผานตวน า แสดงตามภาพท 2.4 ก) และ ข) แสดงการ

5

เกดปรากฎการณมอเตอรไฟฟา ตามกฎมอซายของเฟลมมง ในโครงสรางของมอเตอรไฟฟากระแสตรงทภาพท 2.4

ก) ข) ภาพท 2.4 กฎมอซายของเฟลมมงและลกษณะการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง

ก) กฎมอซายของเฟลมมง [2.4] ข) ลกษณะการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง [2.5]

แรงทกระท าบนขดลวดตวน าตอหนงขด (ขณะทมกระแสไฟฟาไหลผานตวน านนๆ) จะมความสมพนธโดยตรงกบ 3 พารามเตอรหลก คอ จ านวนกระแสทไหลตวน าพารามเต (i), ความยาวของตวน านนๆ (l) และความหนาแนนฟลกแมเหลก (B) สามารถเขยนสมการ ไดดงน

( ) sinF i l B Bil (2.1)

เมอ F คอ แรงแมเหลกไฟฟาทเกดขนบนลวดตวน า มหนวยเปน นวตน (N) B คอ คาเฉลยความหนาแนนของเสนแรงแมเหลก มหนวยเปน เทสลา (T) i คอ กระแสไฟฟาทไหลผานเสนลวดตวน า มหนวยเปน แอมป ( A ) l คอ ความยาวของเสนลวดตวน า มหนวยเปน เมตร (m) คอ มมระหวาง เสนลวดตวน า (l) และ คาเฉลยความหนาแนนของเสนแรงแมเหลก B

จากสมการท (2.1) สามารถสรปความสมพนธของตวแปรตาง ๆ โดยขณะทมความหนาแนนของ

เสนแรงแมเหลก (B) ในขดลวดตวน า (l) ทคาคงทใดๆ พบวาแรงทมากระท าตอตวน า (แรงผลก) จะเปนสดสวนโดยตรงกบกระแสไฟฟาทไหลในขดลวดตวน า (i) สงผลใหเกดแรงบด (Torque) ทตวน านน ๆ สามารถเขยนสมการ ไดดงน

F r (2.2)

เมอ r คอ ระยะหางระหวางจดศนยกลางของเพลาถงตวน า มหนวยเปนเมตร (m)

6

2.3 สมการพนฐานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง (Basic Solutions of DC Motor)

AI

tV

AR

FR

_bE

_

FI

FV

ก) ข) ภาพท 2.5 วงจรสมมลของมอเตอรไฟฟากระแสตรงและการเกดแรงเคลอนไฟฟาตานกลบ

ก) วงจรสมมลของมอเตอรไฟฟากระแสตรง ข) การเกดแรงเคลอนไฟฟาตานกลบ [2.6]

จากภาพท 2.5 ก) ขณะทท าการปอนแรงดนไฟฟากระแสตรงใหกบขดลวดตวน าในอารเมเจอรของมอเตอรไฟฟากระแสตรง แรงทกระท าตอขดลวดตวน าสงผลใหเกดการเคลอนท (ตามกฎมอซายของเฟลมมง ดงแสดงในภาพท 2.5 ข) และในขณะทตวน ามการเคลอนทผานสนามแมเหลก สงผลใหเกดแรงเคลอนไฟฟาเหนยวน า และจะมทศทางตรงขามกบแรงดนไฟฟาทปอนใหกบขดลวดตวน า แรงเคลอนไฟฟาเหนยวน าดงกลาว เรยกวา แรงดนไฟฟาตานกลบ (Back EMF, Eb) สามารถค านวณไดจากสมการ ดงน

b t A AE V I R (2.3)

เมอ bE คอ แรงเคลอนไฟฟาตานกลบ มหนวยเปน โวลท (V)

tV คอ แรงดนไฟฟาทขว มหนวยเปน โวลท (V)

AI คอ กระแสทไหลในอารเมเจอร มหนวยเปน แอมป ( A )

AR คอ ความตานทานในอารเมเจอร มหนวยเปน โอหม ( )

FR คอ ความตานทานขดลวดสนาม มหนวยเปน โอหม ( )

FI คอ กระแสสนาม มหนวยเปน แอมป ( A )

แรงเคลอนไฟฟาตานกลบน จะมและขนาดทแปรผลตามพารามเตอร ดงตอไปน คาคงทของมอเตอรไฟฟากระแสตรง (KDC), ปรมาณเสนแรงแมเหลก ( ) และความเรวเชงมมของโรเตอร ( ) ดงนน สามารถจดรปสมการใหม ไดดงน

. .b DCE K (2.4)

7

โดย แรงเคลอนไฟฟาตานกลบ ( bE ) สามารถพจารณาตามวงจรการตอใชงานตามสมการท (2.4) ดงนน

สามารถจดรปใหม เพอหาความเรวเชงมมของมอเตอรได

. .

b t A A

DC DC

E V I R

K K

(2.5)

เมอ bE คอ แรงเคลอนไฟฟาตานกลบ มหนวยเปน โวลท (V)

คอ เสนแรงแมเหลกไฟฟา มหนวยเปน เวเบอร (Wb) คอ ความเรวเชงมมของมอเตอร มหนวยเปน เรเดยนตอวนาท (rad/sec)

จากสมการท (2.5) พบวาความเรวเชงมมของมอเตอรไฟฟากระแสตรงจะมคาแปรผนตามแรงเคลอนไฟฟาตานกลบ ( bE ) และแปรผกผนกบปรมาณเสนแรงแมเหลกไฟฟา ( ) และคาคงท (KDC)

ของการพนมอเตอร ดงนนหากตองการควบคมความเรวเชงมมของมอเตอรใหสงขน จะตองเพมแรงดนไฟฟาทขว ( tV ) (ซงสงผลใหเกดการแรงเคลอนไฟฟาตานกลบ) หรอลดปรมาณเสนแรงแมเหลก ( )

เพราะฉะนน แรงบดทเกดขนทขดลวดอารเมเจอร ( Ind ) สามารถแสดงไดในน

. .Ind DC AK I (2.6)

ถาพจารณา สมการท (2.4) แลวน ากระแสทไหลผานอารเมเจอรเขาไปคณทงสองดาน สงผลใหเกดก าลงไฟฟาทสรางขนหรอพฒนาขนทชองวางอากาศ (PDev) สามารถเขยนได

. . .B A Dev DC AE I P K I

และสามารถท าการจดรปใหมได

. . . .B A DC A IndE I K I

Dev B AInd

P E I

(2.7)

เมอ Ind คอ แรงบดทเกดขนทขดลวดอารเมเจอร มหนวยเปน นวตนตอเมตร ( . )N m คอ ความเรวเชงมมของมอเตอร มหนวยเปน เรเดยนตอวนาท (rad/sec)

คาคงทของมอเตอรไฟฟากระแสตรง ( )DCK มตวแปรทเกยวของดงตอไปน

.

60.DC

Z PK

A (2.8)

เมอ Z คอ จ านวนตวน าทพนบนอารเมเจอร

8

P คอ จ านวนขวแมเหลก A คอ คาคงทของการพนขดลวดอารเมเจอร

(การพนแบบแลป A = P), (การพนแบบเวฟ A = 2)

9

อางองบทท 2

[2.1] http://www.roshdsanatniroo.com/English/Dc-Machines.htm สบคนเมอวนท 19 มกราคม 2557

[2.2] www.swigercoil.com สบคนเมอวนท 19 มกราคม 2557

[2.3] http://www.tpmotor-th.com/overhaul สบคนเมอวนท 22 มกราคม 2557

[2.4] http://www.lamptech.ac.th/webprg/vitsawa สบคนเมอวนท 27 มกราคม 2557

[2.5] http://media.web.britannica.com สบคนเมอวนท 27 มกราคม 2557

[2.6] http://bazakhish.com/English/AC_DC_Motors สบคนเมอวนท 27 มกราคม 2557

10

บทท 3 การออกแบบเครองดงคอตนแบบ

3.1 การออกแบบโครงสรางและอปกรณของเครองดงหลง

เครองดงหลงตนแบบ ถกออกแบบใหมขนาดของตวเครองเปน 30×40×30 cm3 เพอเหมาะแกการเคลอนยายและตดตงในเตยงผปวยส าหรบการดงหลง ดงแสดงในภาพท 3.1 โดยทอปกรณหลกทส าคญส าหรบการควบคมแรงดงของเครองดงหลง สามารถแสดงรายละเอยดไดดงตอไปน

ภาพท 3.1 เครองดงหลงตนแบบ

3.1.1 มอเตอรไฟฟากระแสตรง

มอเตอรไฟฟากระแสตรงเปนมอเตอรทสามารถควบคมแรงบดหรอความเรวไดงายและดมาก มผลตอบสนองตอการเปลยนแปลง (Response) ไดรวดเรว การปรบความเรวและแรงบดสามารถท าไดในชวงกวาง มอเตอรทเลอกใชเปนมอเตอรไฟฟากระแสตรงพกดแรงดน 24 โวลต 500 วตต

ภาพท 3.2 มอเตอรกระแสตรง (DC Motor)

3.1.2 แหลงจายไฟฟากระแสตรง

แหลงจายไฟฟากระแสตรงชนดสวตชงเพาเวอรซพพลาย เปนแหลงจายไฟตรงทมประสทธภาพในการท างานสงกวาและมน าหนกเบา สวตชงเพาเวอรซพพลายท างานโดยแปลงแรงดนไฟสลบความถต าจากอนพตใหเปนไฟตรง จากนนจงเปลยนกลบไปเปนไฟสลบ (พลส) ทความถสง แลวสงผานหมอแปลงเพอลดแรงดนลง และผานวงจรเรยงกระแสและกรองแรงดนเพอใหไดไฟตรงอกครงหนง

11

ภาพท 3.3 แหลงจายไฟฟากระแสตรง

3.1.3 ชดควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง

การท าใหมอเตอรไฟฟากระแสตรงหมนสามารถท าไดโดยจายไฟฟากระแสตรงใหกบมอเตอรซงจะท าใหมอเตอรหมนทความเรวสงสดภายใตสภาวะทมอเตอรรบภาระอยในขณะนน ถาตองการใหมอเตอรหมนกลบทศทางกท าไดโดยการกลบขวของแหลงจายกระแสไฟฟาทจายใหกบมอเตอร ในกรณทตองการควบคมความเรวรอบและแรงบดของมอเตอร สามารถท าไดโดยการเพมหรอลดขนาดของแรงดนไฟฟาทจายใหกบมอเตอรแบบพลสวดทมอดเลชน (Pulse Width Modulation : PWM) เปนวธทนยมมากในการเพมหรอลดขนาดของแรงดนไฟฟาทใชในการควบคมความเรวของมอเตอร โดยทขนาดของแรงดนไฟฟาเฉลยจะเปลยนไปตามความกวางของพลส

ภาพท 3.4 ชดควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง

เครองดงหลงทไดออกแบบนนอาศยแรงดงจากมอเตอรกระแสตรงขนาด 500 วตต ซงวงจรภาคจายไฟฟาส าหรบควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง สามารถแสดงไดดงภาพท 3.5 เรมจากแหลงจายกระแสตรงท าหนาทแปลงแรงดนไฟฟากระแสสลบ 220 โวลตเปนแรงดนไฟฟากระแสตรง 24 โวลต หลงจากไดแรงดนไฟฟากระแสตรง 24 โวลต กจะถกสงตอไปยงชดควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง โดยทชดควบคมจะท าการเพมหรอลดขนาดของแรงดนไฟฟาทจายใหกบมอเตอรดวยวธ พลสวดทมอดเลชน (PWM) ตามสญญาณควบคมขนาด 0-5 โวลต ทปอนใหกบชดควบคมมอเตอร

12

� � �

�

24 Vdc

� 220 Vac

24 Vdc PWM � 0-5 Vdc

ภาพท 3.5 วงจรภาคจายไฟฟาส าหรบมอเตอรไฟฟากระแสตรง

ภาพท 3.6 อปกรณภายในเครองดงหลง

3.2 การออกแบบระบบควบคมการท างานของเครองดงหลง

ในการออกแบบระบบควบคมของเครองดงหลง กระท าบนคอมพวเตอรโดยใชโปรแกรมแลปวว ซงการรบสงสญญาณระหวางคอมพวเตอรและอปกรณส าหรบการควบคมตางๆ ใชการดอนเทอรเฟสรน USB-6009 ในการรบสงสญญาณ โดยทสญญาณควบคม (สญญาณควบคมมขนาด 0-5 โวลต) จะถกสงผานไปยงชดควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง การตรวจวดแรงดงสามารถใชโหลดเซลลเปนตวตรวจวด ชวงของแรงดงทสามารถวดไดคอ 0-100 กโลกรม

ภาพท 3.7 การดอนเทอรเฟสและคอมพวเตอร

13

ภาพท 3.8 โหลดเซลล

3.3 ลกษณะการทดลองควบคมแรงดง

ลกษณะของการดงจรงนน เชอกทออกจากตวเครองดงหลงจะผานคานโดยทเชอกจะท ามม 30 องศา กบแนวราบหลงจากทผานคานดงภาพท 3.9 (คลายกบการดงหลงจรงตามมาตรฐานการดงหลง ) หลงจากนนจงท าการจ าลองการดงโดยการวดและเกบคาตาง ๆ เพอใชในการออกแบบระบบควบคม

ภาพท 3.9 การจ าลองการดงเสมอนดงจรง

จากการศกษาพฤตกรรมของมอเตอรไฟฟากระแสตรงพบวา เมอแรงดงทมอเตอรสามารถท าไดมคาเทาใด มอเตอรจะใชคากระแสไฟฟาคาๆหนงเพอท าใหไดแรงดงคานน โดยสามารถแสดงพฤตกรรมไดดงภาพท 3.10

14

ภาพท 3.10 พฤตกรรมของมอเตอรไฟฟากระแสตรง

จากพฤตกรรมของมอเตอรไฟฟากระแสตรง กระแสไฟฟาจะถกใชเปนสญญาณอางองส าหรบการควบคมตามแรงดงทตองการ ส าหรบระบบควบคมทน ามาใชจะเปนระบบควบคมแบบปอนกลบ ซงตวควบคมทใชจะเปนตวควบคมแบบพไอ โดยอนพตของตวควบคมคอ คาความผดพลาด (Error) โดยทคาความผดพลาดนนเกดจากคาผลตางของคาเปาหมายก าหนดกระแส และคากระแสทวดไดจากแหลงจายไฟฟากระแสสลบ 220 โวลต และสญญาณทออกจากตวควบคมกจะถกสงไปยงชดควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง ซงระบบควบคมทงหมดจะกระท าบนคอมพวเตอรโดยจะสงผานสญญาณควบคมผานการดอนเทอรเฟสไปยงชดควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง

ภาพท 3.11 ไดอะแกรมการควบคมกระแสไฟฟาแบบปอนกลบ

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

กระแ

สไฟ

ฟา (

แอ

มแ

ปร

)

แรงดง (กโลกรม)

( )

( )+ -

( )

15

3.4 การทดลองตรวจสอบระบบกอนการทดลองจรง

การทดลองควบคมเครองดงหลงจะท าการตงคาแรงดงเปาหมายเปน 10, 20, 30, 40 และ 50 กโลกรม โดยจะใชเวลาในการทดสอบคอ 5 นาท (300 วนาท)

ภาพท 3.12 ผลของการควบคมกระแสไฟฟา

ภาพท 3.13 คาแรงดงทวดไดจากการควบคมกระแสไฟฟาคาตางๆ

จากทไดท าการทดลองควบคมเครองดงหลงแลวพบวาระบบควบคมสามารถท างานไดถกตองตรง

ตามคาแรงดงทตองการ ขนตอนตอไปกจะเปนการทดลองการดงทคาเดมซ าเพอทดสอบดความแมนย าของระบบควบคมคมโดยท าการทดลองควบคมทงหมด 50 ครงของแตละคาแรงดง

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 60 120 180 240 300

กระแ

สไฟ

ฟา (

แอ

มแ

ปร)

เวลา (วนาท)

Amp_10kg

Amp_20kg

Amp_30kg

Amp_40kg

Amp_50kg

0

10

20

30

40

50

60

0 60 120 180 240 300

แรงด

ง (

กโล

กรม)

เวลา (วนาท)

10 kg

20 kg

30 kg

40 kg

50 kg

16

ภาพท 3.14 ผลการทดลองการวดแรงดงทงหมด 50 ครง

จากการทดลองทงหมดพบวา คาความผดพลาดเฉลยของเครองดงหลง มคาเปน 3.26% ซงเปนคาทยอมรบได โดยในขนตอนตอไปจะน าเครองดงหลงน ทดสอบกบคนไขจรง

ตารางท 3.1 แสดงคาความผดพลาดของการทดสอบการดง

แรงดง

(กโลกรม) 10 20 30 40 50 เฉลย

คาเปอรเซนต ความผดพลาดเฉลย

(%) 6.18 3.90 2.77 1.93 1.51 3.26

3.5 การทดสอบกบคนไขจรง

ส าหรบการทดสอบกบคนไขจรงจะเปนการทดสอบดงคอ โดยทคาของแรงดงจะมคาประมาณ 7% ของน าหนกตว

ภาพท 3.15 ตวอยางการดงคอผปวย

17

ภาพท 3.16 ตวอยางผลของการควบคมกระแสไฟฟา ขณะใชงานจรง

จากการศกษางานวจยเกยวกบการบ าบดดวยวธกระดกสนหลงและคอ พบวา แรงดงของการบ าบด มผลชวยใหกลามเนอทถกดงยดนนคลายจากอาการเกรงและท าใหขอตอมการยดออก สามารถลดอาการปวดหลงและคอได อยางไรกตามระดบของแรงดงและระยะเวลาในการรกษาตองเหมาะสมกบพยาธสภาพของคนไขจงจะท าใหการรกษามประสทธภาพ ทงนอายและอาการปวยบางอยางกมผลกระทบตอการรกษาเชนกน งานวจยนไดน าเอาขอมลตามทกลาวมา เพอสรางตรรกศาสตรบลนลอจก )Boolean Logic) ในการนยามเหตการณหรอสถานการณทใชตวแปรหลายมาเขามาพจารณา ดงแสดงในภาพท 3.17 โดยยดหลกการพจารณาแบบฟซซลอจก เพอชวยใหเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบสามารถแสดงฟงกชนการรกษาทเหมาะสมกบผปวยได และลดการผดพลาดทเกดจากการรกษา

ภาพท 3.17 ตวแปรทพจารณาในแบบฟซซลอจก ในเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบ

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

0.12

0 200 400 600 800 1000 1200

กระแ

สไฟ

ฟา (

แอ

มแ

ปร)

เวลา (วนาท)

4 กโลกรม

5 กโลกรม

7 กโลกรม

18

บทท 4 วธด าเนนงานวจยและผลการทดลอง

4.1 ขนตอนการทดสอบประสทธภาพของเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบ

น าเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบทดสอบกบคนปกต โดยใชการถายภาพรงส (กอนและขณะท าการดง) เพอวเคราะหประสทธภาพของเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบ เพอท าการเกบผลและวเคราะหการท างานของเครองดงกระดกสนหลงตนแบบ

ภาพท 4.1 การตดตงอปกรณส าหรบการดงคอของผเขารวมทดสอบ

4.1.1 รปแบบการศกษา

เปนการศกษาเชงทดลอง โดยใชกลมตวอยางในกลมทดลองและกลมควบคมเปนกลมเดยวกน ในกลมทดลองใชการเปรยบเทยบระยะหางระหวางกระดกสนหลงสวนคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาและทางดานหลง กอนและขณะดงกระดกสนสวนคอดวยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบเปนเวลา 20 นาท สวนในกลมควบคมใชการเปรยบเทยบระยะหางระหวางกระดกสนหลงสวนคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาและทางดานหลง กอนและหลงจากการดงแบบ sham และใหผปวยนอนเฉย ๆ เปนเวลา 20 นาท

4.1.2 กลมตวอยาง

กลมตวอยางทเขารวมในงานวจยน เปน อาสาสมครเพศหญงและเพศชายทมสขภาพด อายระหวาง 20 – 40 จ านวน 12 คน โดยมเกณฑการคดเขาและคดออก ดงน

4.1.3 เกณฑการคดเขา (Inclusion Criteria)

เพศชายหรอหญงทมสขภาพด อายระหวาง 20-40 ป

19

ไมมประวตการถายภาพรงสมากอนการเขารวมการศกษา เปนระยะเวลา 6 เดอน

ไมมประวตการปวดคอในชวงระยะเวลาทท าการศกษา

ไมมประวตกระดกสนหลงสวนคอหก

ไมมประวตการผาตดบรเวณกระดกสนหลง

ไมตงครรภ

4.1.4 เกณฑการคดออก (Exclusion Criteria)

มกระดกสนหลงคดหรอผดรปจนสงเกตไดชดเจน

มการเจบปวดบรเวณขอตอขากรรไกรขณะดงคอ

4.2 การเกบรวบรวมขอมล

1. ใหอาสาสมครทมสขภาพดทผานเกณฑการเขารวมการศกษาลงนามยนยอมเขารวมการศกษา 2. ใหอาสาสมครถอดเครองประดบ เปลยนเสอโดยใหใสเสอทใชส าหรบการถายภาพรงสททาง

นกรงสเทคนคเตรยมไวให 3. ใหอาสาสมครนอนบนเตยงดงกระดกสนหลงทไดถกตดตงไวในหองถายภาพรงส ภาควชารงส

เทคนค คณะสหเวชศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร จงหวดพษณโลก 4. นกกายภาพบ าบดจะท าการใสผาดงกระดกสนหลงสวนคอโดยรดบรเวณคางและบรเวณทายทอย

(Head halter) ใหแกอาสาสมครทนอนหนนหมอนดงคอ และใสแกนเหลกส าหรบยดผาดงกระดกสนหลงสวนคอทงสองขางใหหางจากกน (Spread bar) และยดใหตดกบเชอกดงคอทตอมาจากเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบ โดยใหเชอกท ามม 30 องศากบพนเตยง

5. นกรงสเทคนคท าการถายภาพรงสของกระดกสนหลงสวนคอในทาดานขาง (Lateral view) โดยใชตวรบภาพขนาด 10×12 นว วางหางจากหลอดเอกซเรย 180 เซนตเมตร และปรบตงคาความตางศกดหลอดเอกซเรยท 70 kVp และคากระแสหลอดคณเวลา 5.6 mAs ส าหรบฉายรงส โดยมการปองกนอนตรายจากรงสแกอาสาสมครดวยเสอตะกวในบรเวณทต ากวาคอทงหมด

6. อาสาสมครจะถกถายภาพรงสของกระดกสนหลงสวนคอในทาดานขาง 1 ครง กอนท าการดงกระดกสนหลง

7. จากนน อาสาสมครจะถกดงกระดกสนหลงสวนคอดวยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบโดยนกกายภาพบ าบด ใชรปแบบการดงแบบคงท (Static traction) ใชน าหนกการดงเทากบ 7% ของน าหนกตวของอาสาสมครแตละคน เปนระยะเวลา 20 นาท

8. หลงจากอาสาสมครถกดงครบ 20 นาท นกรงสเทคนคจงท าการถายภาพรงสของกระดกสนหลงสวนคอในทาดานขางอก 1 ครง

20

9. อาสาสมครแตละคนจะกลบเขามารบการถายภาพรงสในกลมควบคมอก 2 ครง คอขณะกอนและหลงจากการนอนบนเตยงดงกระดกสนหลงในลกษณะเดยวกบกลมทดลองเปนระยะเวลา 20 นาท โดยไมเปดเครองดง (Sham traction)โดยมระยะเวลาหางจากการการดงคอดวยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบอยางนอย 2 วน

4.3 การวดระยะหางระหวางกระดกสนหลงสวนคอทางดานหนาและทางดานหลงบนภาพถายรงส

ภาพท 4.2 แสดงวดความยาวของกระดกสนหลงสวนคอจากระดบ C3 ถง C6

- ระยะทางจากจด A ถงจด B เปนความยาวของกระดกคอทางดานหนา - ระยะทางจากจด C ถงจด D เปนความยาวของกระดกคอทางดานหลง

4.3.1 การวดความยาวของกระดกสนหลงสวนคอจากระดบ C3 ถง C6

การวดความยาวของกระดกสนหลงสวนคอจาก C3 ถง C6 จากภาพถายรงส กระท าโดยนกรงสเทคนค โดยทนกรงสเทคนคไมทราบวาภาพถายรงสนนเปนของผเขารวมการศกษาคนใด เพอปองกนความล าเอยง วธการวดท าดงน

เปดไฟลภาพถายรงสบนหนาจอคอมพวเตอรดวยโปรแกรมดภาพถายทางรงสชอ Image Suite (ตวอยางดงแสดงในภาพท 4.3)

ใชแถบเครองมอวด Measurement tool (ของโปรแกรมในการลากเสนจ านวน 6 เสน ดงแสดงในภาพท 4.2

21

ภาพท 4.3 การใชโปรแกรมเพอเปดไฟลภาพถายรงสบนหนาจอคอมพวเตอร

ก) ข)

ภาพท 4.4 ตวอยางภาพถายรงสของอาสาสมครผชายทเขาทดสอบ ก) กอนการดง ข) ขณะดง

ก) ข)

ภาพท 4.5 ตวอยางภาพถายรงสของอาสาสมครผหญงทเขาทดสอบ ก) กอนการดง ข) ขณะดง

22

จากนนด าเนนการดงตอไปน

เสนท 1 ใหลากผานจดทต าทสดของ body ของ C3 ทางดานหนาและทางดานหลง

เสนท 2 ใหลากขนานและสมผสกบขอบดานหนาของ body ของ C3 โดยลากไปตดกบเสนตรงท 1

เสนท 3 ใหลากขนานและสมผสกบขอบดานหลงของ body ของ C3 โดยลากไปตดกบเสนตรงท 1

เสนท 4 ใหลากผานขอบบนของ body ของ C6 ทางดานหนาและทางดานหลง

เสนท 5 ใหลากขนานและสมผสกบขอบดานหนาของ body ของ C6 โดยลากไปตดกบเสนตรงท 4

เสนท 6 ใหลากขนานและสมผสกบขอบดานหลงของ body ของ C6 โดยลากไปตดกบเสนตรงท 4

4.3.2 ใชแถบเครองมอวดของโปรแกรมวดความยาวของกระดกสนหลงสวนคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาและทางดานหลง ดงน

ความยาวทางดานหนา ลากเสนจากจดตดของเสนตรงเสนท 1 กบเสนท 2 (จด A) ไปจนถงจดตดของเสนตรงเสนท 4 กบเสนท 5 (จด B) เพอวดระยะหางระหวาง 2 จดโดยโปรแกรมจะค านวณระยะใหโดยอตโนมตและแสดงผลบนหนาจอคอมพวเตอรทมความละเอยด 0.05 มม. บนทกคาทไดลงในแบบบนทก

ความยาวทางดานหลง กระท าเชนเดยวกบการวดทางดานหนา แตลากเสนทจดตดของเสนตรงเสนท 1 กบเสนท 3 (จด C) และจดตดของเสนตรงเสนท 4 กบเสนท 6 (จด D) ตามล าดบ

4.4 การวเคราะหทางสถต

1. น าขอมลทไดจากการวดความยาวของกระดกสนหลงสวนคอบนภาพถายรงสกอนและหลงการดงคอแตละแบบมาหาคาเฉลยและสวนเบยงเบนมาตรฐาน

2. น าความยาวของกระดกสนหลงสวนคอกอนและหลงการดงคอมาเปรยบเทยบกนโดยใชสถต

Paired t-test ท p 0.05

3. น าความยาวของกระดกสนหลงสวนคอกอนและหลงจากการดงคอโดยวธ Sham มา

เปรยบเทยบกนโดยใชสถต Paired t-test ท p 0.05

23

4.4.1 การทดลองตรวจสอบระบบกอนการทดลองจรง

การทดลองควบคมเครองดงหลงจะท าการตงคาแรงดงเปาหมายเปน 10, 20, 30, 40 และ 50 กโลกรม โดยจะใชเวลาในการทดสอบคอ 5 นาท (300 วนาท)

ภาพท 4.6 ผลของการควบคมกระแสไฟฟา

ภาพท 4.7 คาแรงดงทวดไดจากการควบคมกระแสไฟฟาคาตางๆ

จากทไดท าการทดลองควบคมเครองดงหลงแลวพบวาระบบควบคมสามารถท างานไดถกตองตรงตามคาแรงดงทตองการ ขนตอนตอไปกจะเปนการทดลองการดงทคาเดมซ าเพอทดสอบดความแมนย าของระบบควบคมคมโดยท าการทดลองควบคมทงหมด 50 ครงของแตละคาแรงดง

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 60 120 180 240 300

กระแ

สไฟ

ฟา (

แอ

มแ

ปร)

เวลา (วนาท)

Amp_10kg

Amp_20kg

Amp_30kg

Amp_40kg

Amp_50kg

0

10

20

30

40

50

60

0 60 120 180 240 300

แรงด

ง (

กโล

กรม)

เวลา (วนาท)

10 kg

20 kg

30 kg

40 kg

50 kg

24

ภาพท 4.8 ผลการทดลองการวดแรงดงทงหมด 50 ครง

จากการทดลองทงหมดพบวา คาความผดพลาดเฉลยของเครองดงหลง มคาเปน 3.26% ซงเปนคาทยอมรบได โดยในขนตอนตอไปจะน าเครองดงหลงน ทดสอบกบคนไขจรง

ตารางท 4.1 แสดงคาความผดพลาดของการทดสอบการดง

แรงดง (กโลกรม)

10 20 30 40 50 เฉลย

คาความผดพลาดเฉลย (%) 6.18 3.90 2.77 1.93 1.51 3.26

4.5 ผลการวจย

การวจยในชวงตอจากการพฒนาเครองดงกระดกสนหลงตนแบบเปนการศกษาทมวตถประสงคเพอทดสอบประสทธภาพของเครองดงในคนปกต จ านวน 12 คน เปนผหญง 6 คน ผชาย 6 คน ทผานเกณฑการคดเขาและเกณฑคดออกของการวจยน ผลการศกษาประกอบดวย 2 สวน ดงน

1. ขอมลทวไปของผเขารวมการศกษา คอ คาต าสด คาสงสด คาเฉลย (Mean) และสวนเบยงเบนมาตรฐาน (Standard deviation) ของอาย น าหนก และคาน าหนกทใชดง

2. ผลการเปรยบเทยบคาเฉลยของคาความยาวของกระดกสนหลงสวนคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาและทางดานหลงระหวางกอนและขณะดงกระดกสนหลงนาน 20 นาทและระหวางกอนและหลงจากนอนในลกษณะเดยวกนแตไมเปดเครองเปนเวลา 20 นาท

25

ตารางท 4.2 แสดงขอมลทวไปของผเขารวมการศกษาจ านวน 12 คน (หญง 6 คน และชาย 6 คน)

ขอมลทวไป

)n = 12)

คาต าสด คาสงสด คาเฉลย ±

สวนเบยงเบนมาตรฐาน

หญง ชาย หญง ชาย หญง ชาย รวม

อาย

(ป) 20.0 21.0 49.0 40.0 27.33±11.0 30.17±7.71 28.75±9.18

น าหนก

(กโลกรม) 52.0 65.0 57.0 94.0 54.50±2.26 73.33±10.93 63.92±12.38

น าหนกทใชดง

(กโลกรม) 4.0 5.0 4.0 7.0 4.00±0.0 5.33±0.82 4.67±0.89

จากตารางท 4.2 พบวาผเขารวมการศกษามอายเฉลยและสวนเบยงเบนมาตรฐานเทากบ 28.75±9.18 ป โดยผหญงมอายต าสดเทากบ 20 ป สงสดเทากบ 49 ป และมอายเฉลยและสวนเบยงเบนมาตรฐานเทากบ 27.33±11.00 ป สวนผชายมอายต าสดเทากบ 21 ป สงสดเทากบ 40 ป และมอายเฉลยและสวนเบยงเบนมาตรฐานเทากบ 30.17±7.71 ป ผเขารวมการศกษามน าหนกเฉลยและสวนเบยงเบนมาตรฐานเทากบ 63.92±12.38 กโลกรม โดยผหญงมน าหนกเฉลยและสวนเบยงเบนมาตรฐานเทากบ 54.50±2.26 กโลกรม และผชายมน าหนกเฉลยและสวนเบยงเบนมาตรฐานเทากบ 73.33±10.93 กโลกรม สวนน าหนกทใชดงกระดกคอเฉลยและสวนเบยงเบนมาตรฐานในผเขารวมการศกษาเพศหญงเพศชาย และในภาพรวมมคาเทากบ 4.00±0.00, 5.33±0.82 และ 4.67±0.89 กโลกรม ตามล าดบ

26

ตารางท 4.3 แสดงการเปรยบเทยบคาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาและทางดานหลงระหวางกอนและขณะดงกระดกสนหลงนาน 20 นาทและระหวางกอนและหลงจากนอนในลกษณะเดยวกนแตไมเปดเครองเปนเวลา 20 นาท โดยใชสถต Paired t-test

คาความยาวของกระดกคอ C3-C6

(mm.)

การดงดวยเครองดงคอไฟฟาตนแบบ การนอนเฉยๆเปนเวลา 20 นาท

กอนดง (n = 12)

ขณะดงนาน 20 นาท (n = 12)

p-value กอน (n = 12)

หลงนอน (n = 12)

p-value

ดานหนา 41.95±5.66 43.27±5.38 0.001* 42.11±4.98 43.07±5.09 0.001*

ดานหลง 42.02±3.71 43.70±4.13 <0.001* 43.07±5.04 42.45±3.99 0.415

* ระดบนยส าคญทางสถต p 0.05

จากตารางท 4.3 เมอท าการวเคราะหหาคาเฉลยและสวนเบยงเบนมาตรฐานของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาและทางดานหลง พบวา คาเฉลยและสวนเบยงเบนมาตรฐานของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนากอนและขณะดงกระดกสนหลงดวยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบเปนเวลา 20 นาท มคาเทากบ 41.95±5.66 และ 43.27±5.38 มลลเมตร ตามล าดบ และขณะกอนและหลงจากนอนเฉย ๆ เปนเวลา 20 นาทโดยไมเปดเครองมคาเทากบ 42.11±4.98 และ 43.07±5.09 มลลเมตร ตามล าดบ สวนคาเฉลยและสวนเบยงเบนมาตรฐานของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหลงกอนและขณะดงกระดกสนหลงดวยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบเปนเวลา 20 นาท มคาเทากบ 42.02±3.71 และ 43.70±4.13 มลลเมตร ตามล าดบ และขณะกอนและหลงจากนอนเฉย ๆ เปนเวลา 20 นาทโดยไมเปดเครองมคาเทากบ 43.07±5.04 และ 42.45±3.99 มลลเมตร ตามล าดบ

เมอวเคราะหเปรยบเทยบคาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาระหวางกอนดงและขณะดงกระดกสนหลงดวยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบเปนเวลา 20 นาท พบวา คาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาขณะดงเปนเวลา 20 นาทมคามากกวากอนดงอยางมนยส าคญทางสถต (p = 0.001) และเมอเปรยบเทยบคาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาระหวางกอนและหลงจากนอนเฉย ๆ โดยไมเปดเครองเปนเวลา 20 นาท กพบผลคลายกน คอ คาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาขณะนอน

27

เฉย ๆโดยไมเปดเครองเปนเวลา 20 นาทมคามากกวากอนท าการทดสอบอยางมนยส าคญทางสถต (p = 0.001) ดงแสดงในตารางท 4.3

เมอวเคราะหเปรยบเทยบคาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหลงระหวางกอนดงและขณะดงกระดกสนหลงดวยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบเปนเวลา 20 นาท พบวา คาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหลงขณะดงเปนเวลา 20 นาทมคามากกวากอนดงอยางมนยส าคญทางสถต (p < 0.001) และเมอเปรยบเทยบคาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหลงระหวางกอนและหลงจากนอนเฉย ๆ โดยไมเปดเครองเปนเวลา 20 นาท พบวาคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหลงขณะนอนเฉย ๆโดยไมเปดเครองเปนเวลา 20 นาทมคาไมแตกตางจากกอนท าการทดสอบ (p = 0.415) ดงแสดงในตารางท 4.3

4.6 อภปรายผล

การศกษาในขนตอนนมวตถประสงคเพอทดสอบประสทธภาพในการยดถางกระดกสนหลงของเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาทพฒนาขน โดยการศกษานไดเลอกท าการทดสอบการดงกระดกสนหลงสวนคอ เพราะเปนกระดกสนหลงระดบทสามารถท าการวดระยะตางๆ จากภาพถายรงสไดอยางชดเจนทสด เมอเทยบกบกระดกสนหลงระดบเอวและระดบอก โดยเฉพาะอยางยงในการศกษานใชการวดคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 เพราะเปนระดบทสามารถเหนภาพถายรงสทชดเจนไมมสงกดขวางจากอปกรณการดงกระดกสนหลง และในการศกษานใชมมในการดงกระดกคอเทากบ 30 องศาจากพนระนาบ ซงเปนมมการดงทมผลตอกระดกคอสวนกลางและสวนลางมากกวาสวนบน สวนน าหนกท ใชดงอยในชวง 4-7 กโลกรม หรอคาเฉลยเทากบ 4.67±0.89 กโลกรม (ตารางท 4.2) ซงเปนน าหนกในการดงทเหมาะสมส าหรบการดงกระดกคอแบบคงท (Static traction) และไมท าใหเกดผลทไมพงประสงค (adverse effect) ตอผเขารวมการศกษา

จากผลการศกษาเปรยบเทยบคาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาระหวางกอนดงและขณะดงกระดกสนหลงดวยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบเปนเวลา 20 นาท พบวา คาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาขณะดงเปนเวลา 20 นาท มคามากกวากอนดงอยางมนยส าคญทางสถต (p = 0.001) โดยมคาตางกน 1.32 มลลเมตร และเมอเปรยบเทยบคาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาระหวางกอนและหลงจากนอนเฉยๆ โดยไมเปดเครองเปนเวลา 20 นาท กใหผลคลายกน คอ คาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาขณะนอนเฉย ๆโดยไมเปดเครองเปนเวลา 20 นาทมคามากกวากอนท าการทดสอบอยางมนยส าคญทางสถต (p = 0.001) โดยมคาตางกนเพยงแค 0.97 มลลเมตร ดงแสดงในตารางท 4.3 ผลการศกษานแสดงวาการดงกระดกคอดวยน าหนก 7% ของน าหนกตวเปนระยะเวลา 20 นาท มผลท าใหความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาจะเพมขน และการนอนเฉยๆ

28

โดยไมตองดงทกระดกคอเปนเวลา 20 นาทกมผลท าใหความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหนาจะเพมขนเชนกน ผลการศกษานสามารถอธบายไดวาทานอนหงายเปนทาทไมมน าหนกกดบนกระดกคอในแนวดง เมออยในทานอนนาน ๆ จะมการซมกลบของน าเขามายงหมอนรองกระดกคอสงผลใหหมอนรองกระดกสนหลงสวนคอหนาขนสงผลใหคาความยาวของกระดกคอทางดานหนาเพมขน ยงถามแรงดงจากภายนอกมาชวยกจะท าใหเกดการยดยาวออกของกระดกคอไดงายขน

จากผลการศกษาเปรยบเทยบคาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหลงระหวางกอนดงและขณะดงกระดกสนหลงดวยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาตนแบบเปนเวลา 20 นาท พบวา คาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหลงขณะดงเปนเวลา 20 นาทมคามากกวากอนดงอยางมนยส าคญทางสถต (p < 0.001) โดยมคาตางกน 1.68 มลลเมตร และเมอเปรยบเทยบคาเฉลยของคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหลงระหวางกอนและหลงจากนอนเฉยๆ โดยไมเปดเครองเปนเวลา 20 นาท พบวาคาความยาวของกระดกคอระหวาง C3 ถง C6 ทางดานหลงขณะนอนเฉย ๆโดยไมเปดเครองเปนเวลา 20 นาทมคาไมแตกตางจากกอนท าการทดสอบ ผลการศกษานสอดคลองกบการศกษาในอดตหลายการศกษา ไดแก การศกษาของ Colachis และ Strohm ในป 1966 [4.1] ไดท าการศกษาผลของระยะเวลาในการดงคอตอการยดยาวออกของกระดกคอ โดยท าการดงคอดวยเครองดงแบบเปนชวง (Intermittent Traction) ในคนปกต 10 คน อายระหวาง 22-29 ป ดวยแรงดง 13.5 กโลกรม มมเชอก 24 องศา นาน 20 นาท พบวา เกดการยดยาวออกของกระดกคอจาก C2 ถง T1 ทางดานหนา 2.7 มลลเมตร ทางดานหลง 4.2 มลลเมตร และการศกษาของธนวลย และคณะในป 2544 [4.2] ทท าการศกษาเปรยบเทยบการดงกระดกคอโดยใชชดดงคอทบาน (Home traction) กบการดงคอดวยผาขนหน (Towel Neck Traction) ในคนปกต ซงทง 2 วธเปนการดงแบบคงท (Static) โดยดงดวยน าหนก 10 กโลกรม มมการดง 50-60 องศา เปนเวลา 20 นาท ผลการศกษาพบวาภายหลงจากการดงคอดวยชดดงคอเกดการแยกหางของกระดกคอจาก C2 ถง C7 ทางดานหนา 0.91 มม. และ ทางดานหลง 0.92 มม. สวนการดงคอดวยผาขนหนท าใหเกดการแยกหางของกระดกคอทางดานหนา 0.84 มม. และทางดานหลง 0.78 มม. ซงการยดยาวออกของกระดกสนหลงสวนคอทงทางดานหนาและทางดานหลงทเปนผลจากการดงโดยเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาทพฒนาขนน อาจเกดจากหมอนรองกระดกคอกวางขน (Widening of Intervertebral Disc Space) และเกดการยดยาวออกของ Intervertebral Ligaments และ Paravertebral Muscles [4.3]

4.7 สรปผลการวจย

เครองดงกระดกสนหลงไฟฟาทพฒนาขนมประสทธภาพในการยดถางกระดกสนหลงสวนคอทงทางดานหนา และทางดานหลง ควรท าการศกษาเพมเตมในอนาคตเพอทดสอบประสทธผลของการใชเครองดงกระดกสนหลงไฟฟานในผปวยปวดคอจากกระดกคอเสอม และควรท าการพฒนาเครองดงกระดกสนหลงไฟฟาใหสามารถดงไดในรปแบบเปนชวง ๆ (Intermittent) ตอไป

29

อางองบทท 4

[4.1] Colachis SC, Strohm BR. Effect of duration of intermittent cervical traction on vertebral separation. Arch Phys Med Rehab 1966; 47: 353-9.

[4.2] ธนวลย เตชทรพยอมร, สวง จงสร, ลดาวลย ตรยะพฒนาพร. เปรยบเทยบผลของการดงคอโดยใชชดดงคอกบการใชผาขนหนตอการยดยาวออกของกระดกคอ . วารสารกายภาพบ าบด, 2544: 23(2).

[4.3] Sari H, Akarirmak U, Karacan I, Akman H. Evaluation of effects of cervical traction on spinal structures by Computerized Tomography. Advances in Physiotherapy 2003; 5:114-21.

30

ภาคผนวก

[1] การประชมวชาการระดบนานาชาต

S. Pengpraderm and S. Ruangsinchaiwanich, “DC motor control based on artificial neural network and adaptive PI”, International Conference Electrical Machines and Systems (ICEMS 2014), Hangzhou, China, October 22 - 25, 2014

[2] การประชมวชาการระดบชาต

สทธพงษ เพงประเดม, สมพร เรองสนชยวานช, ไอลดา ทองสนทด และ ณฐพล สทธศรจนทร “การศกษาและการเปรยบเทยบการใชงานพลงงานไฟฟาในการสรางแรงบดของมอเตอรไฟฟา”, การประชมวชาการ งานวจย และพฒนาเชงประยกต ครงท 6 , ECTI-CARD proceeding (การพฒนาเทคโนโลยเพอใหโลกมสนตสข) 2014, ระหวางวนท 21 – 23 พฤษภาคม. 2557 ณ มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลลานนา ภาคพายพ เชยงใหม

Abstract—This research proposes an adaptive PI controller for controlling DC motor. The feed-forward neural network is selected to cooperate with PI controller for improving motor control while the motor is operated in compressed load. The results showed that the proposed control method can potentially improve control performances, such as reduce ripple and overshoot.

Keywords—PI controller; adaptive PI controlle;r DC motor; artificial neural network

I. INTRODUCTION

A proportional-integral (PI) controller has been frequently accepted for electrical DC motor drives. Beneficially it has simple structure, which can be easily understood and implemented in practice. For motor control, it has ability to maintain a zero steady-state error to a step change in reference. However it may be not suitable for applications that the motor is operated in compressed load, for example, awkward inertia, fault structures, and shaft resonance [1-2]. Also some applications, which is large speed capabilities constraint, is required to avoid using the conventional proportional-integral (PI) controller, that PI gains is usually fixed. Therefore the conventional PI controller maybe transfers either overshoot or bad responding problems for controlling the motor.

Recently for motor control researchers suggest many techniques, i.e. field acceleration method, input-output linearization, neuro-fuzzy, and fuzzy logic control, to improve motor control performance [3-6]. Artificial neural network (ANN) is widely accepted as novel assistance methodology for controlling electrical machines, because it is high learning ability. Comfortably it also can be trained by either supervisor or non-supervisor. Especially it can be able to deal with non-linear problem. Moreover it is capable positively to realize the relationship between the input and output data from experimental work.

Fig. 1. Control process diagram of the DC motor

For this paper, the proposed control methodology, which is a combination between PI controller and artificial neural network, is studied for controlling a DC motor with constant friction torque. The artificial neural network is mainly used to adjust the proportional (Kp) and the integral (Ki) gains for PI controller that can be named as artificial neural network adaptive PI controller. Fundamentally a control process diagram for this study is shown in figure 1.

The conventional PI controller is broadly applied in industrial control system, because the simple three parameters of system are only related as:

( ) ( ) ( )p iu t K e t K e t dt (1)

where u(t) = control signal e(t) = denote the error signal

II. DEVELOPMENT OF THE ARTIFICIAL NEURAL NETWORK

Fundamentally, there are many types of the artificial neural network algorithm, for example, general regression neural network, radial basis function network, cascade correlation, and functional link network. Also feed-forward neural network is one of AI techniques. It is capable well for recognizing patterns and makes simple regulations for complex problem. Moreover it can be supervised for improving c1assitying performance [7-9]. Thus the feed-forward neural network is selected to cooperate with PI controller for adjusting the PI gains.

(1)11w

(1)12w

(1)21w

(1)22w

(1)31w

(1)32w

(1)1b

(1)2b

(1)3b

(2)1b

(2)2b

(2)11w

(2)12w (2)

13w

(2)21w

(2)22w

(2)23w

setpoint

(s)

forceerror

(e)

Kp

Ki

( )f n

n

( )f n

n

( )f n

n

( )f n

n

( )f n

n

1x

2x

(1)1n

(1)2n

(1)3n

(1)1a

(1)2a

(1)3a

(2)1n

(2)2n

(2)1a

(2)2a

Fig 2. Feed forward neural network

After testing different kinds of artificial neural network architectures, the back-propagation of artificial neural network is selected in this study, because the trained back-propagation networks tend to give reasonable responses for controlling the motor. Also the artificial neural network is considered to have three layers, for example, input layer, hidden layer and output layer. The input layer has two neural, i.e. set point and force error that can be labeled as (s) and (e) respectively. The output layer has two neurons, which are the proportional gain (Kp) and the integral gain (Ki). Also weights are added to each connecting line for adjusting two input data by training process. Therefore the output of each neuron is connected to all the neuron in the forward layer through the weights. Since non-linear function is applied in this proposed neural network, only a single hidden layer is satisfactorily recommend [8]. Also each neuron in a layer except the input node from x1 to x2 sums up

S. Pengpraderm1 and S. Ruangsinchaiwanich2 1Department of Electrical and Computer Engineering, Faculty of Engineering

Rajamangala University of Technology Lanna Tak, 63000 Thailand, Email: sittpongpa@rmutl.ac.th 2Department of Electrical and Computer Engineering, Faculty of Engineering

Naresuan University, Phitsanuloke, 65000 Thailand, Email: sompornr@nu.ac.th

DC Motor Control based on Artificial Neural Network

and Adaptive PI

their input value with weights and bias to each connecting line for adjusting these input data by training process and then the calculated output may be optimized by the desired values.

The training process flowchart is detailed as shown in figure 2. (1)

ia is the output of hidden layer. Generally the

logarithmic sigmoid transfer function (LOGSIG) is frequently used in multilayer networks that are trained using the back-propagation algorithm. For this study the logarithmic sigmoid transfer function is applied to the product of

1,1W (Input weight matrix). This transfer function

takes the input (which may have any value between plus and minus infinity) and squashes the output into the range 0 to 1. Fundamentally definition of the logarithmic sigmoid transfer function can be rewritten as:

1( )

1 exp( )f n

n

(2)

Actually real models have non-linear input/output characteristics. However there are some models, when operated within nominal parameters (not over-driven) have behavior that is close enough to linear [9-10]. (2)

ia is the

output of output layer, Therefore the transfer function for output layer is linear function which is named as purelin transfer function. It can be an acceptable representation of the input/output behavior in these kinds of situation. Essentially definition of purelin transfer function can be rewritten as:

( )f n n (3)

Fig. 3. A training process flowchart

Figure 3 shows the process flowchart of this back-propagation training. For training of network, the initial weights are random. Also the back-propagation is used to apply for this training algorithm, since it is the most common and flexible algorithm. The connection weights are iteratively adjusted, the error between the network output and the desired output is limited. Therefore the error target, which is usually labeled as the mean squares errors (MSE), can be expressed as:

2

1

1( )

K

k kk

MSE t aK

(4)

where ek = error of the process [ek = (tk - ak)]

ak = resultant output [ak = f (nk)]

kt desired output

The artificial neural network, which is cooperated with PI controller, has two inputs and two outputs. The inputs are setpoint, and force error, and the outputs are the parameters value of ∆Kp, and ∆Ki. The total proportional (Kp) and the integral (Ki) gains can be finalized as:

'p p pK K K

'i i iK K K (5)

III. EXPERIMENT SETUP

In this experiment, measurement of constant force on the DC motor is expected for examining and comparing the performance of the control methods between conventional PI controller and artificial neural network adaptive PI controller. Figure 4 shows a block diagram of the experimental setup. A DC motor is selected on a commercial DC motor which has specific parameters as shown in table I. The output of the DC supply can generate 24 VDC to DC drive module which also creates PWM waveform to the DC motor. Moreover the interface card (DAQ USB-6009) is used for communicating between the software and hardware, and it has 14 bits resolution for A/D and 12 bits resolution for D/A. Also control program (LabVIEW) is utilized to simulate the PI control scheme. The artificial neural network of this paper was implemented in MATLAB. For creating constant friction, a tension load cell (TEDEA model 614) is applied for measuring motor force. Figure 5 shows prototype of the experimental setup.

Fig. 4. Block diagram of the experimental setup

TABLE I

PARAMETERS OF DC MOTOR

Parameters

Rated power (W) 500

Rated voltage (V) 24

Rated current (A) 21

Speed (rpm) 2,500

Fig. 5. Hardware structure

IV. EXPERIMENTAL RESULTS

In this section, different methodologies for controlling the DC motor are presented and compared as shown in figure 6 - 8. Firstly the DC motor is operated by the conventional PI controller, and the DC motor is operated by the adaptive PI controller. The objective motor loads are fixed as 10, 20 and 30 kg.

Since the DC motor is operated for constant friction, it can be seen that the resultant output of ANN adaptive PI controller is better than the resultant output of the conventional PI controller for every load conditions. For the conventional PI controller, the resultant output is always obtained overshoot and bad responding problems as shown in 6(a), 7(a) and 8(a) respectively. However for the ANN adaptive PI controller, their overshoot and bad responding problems is far improved, because the proportional (Kp) and the integral (Ki) gains are adjusted instantly by the artificial neural network. Also the artificial neural network is a powerful algorithm to apply for controlling the electrical machines, because it is high learning ability and capable to deal with either non-linear or linear problems.

(a)

(b)

(c)

Fig. 6. Comparison results for 10 kg

(a) Motor load..(b) Control output (c) kp and ki gains

(a)

(b)

(c)

Fig. 7. Comparison results for 20 kg.

(a) Motor load..(b) Control output (c) kp and ki gains

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0 200 400 600

Gai

n

Time (sec)

Kp gain

Ki gain

00.002

0.0040.0060.008

0.010.012

0 200 400 600

Ga

in

Time (sec)

Kp gain

Ki gain

(a)

(b)

(c)

Fig. 8. Comparison results for 20 kg.

(a) Motor load..(b) Control output (c) kp and ki gains

V. CONCLUSION

For the conventional PI controller, the ripple and overshoot problems of the DC motor control is found obviously. For the adaptive PI controller, since both Kp and Ki gains can be varied instantly, the ripple and overshoot problems of the DC motor control is reduced remarkably. The adaptive PI controller is a potential method for improving the control performances of the DC motor.

ACKNOWLEDGMENT

The authors would like to thank the faculty of engineering, Rajamangala University of Technology Lanna, Tak and the faulty of engineering, Naresuan University for supporting the finance for research, materials and equipment.

REFERENCES

[1] D. Yulin, “The analysis and implement of PLC- based PI control for the permanent magnet DC motor”, Second International Conference on Communication Systems, Networks and Applications (ICCSNA 2010), Vol. 1, Hong Kong,China, 29 June 2010 - 1 July2010, pp.448 – 451

[2] K.H. Ang, and G. Chong, “PID control system analysis, design and technology”, IEEE Transaction on Control systems Technology, Vol. 13, No. 4, July 2005, pp.559-569

[3] Tariq NN El-Balluq, Paul P Acarnley and David J Atkinson, “Adaptive tuning of a PI speed controller for a brushless DC motor: optimum speed control using a neural network”, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Vol. 1, Ajaccio, France, 4-7 May 2004, pp. 459 – 464

[4] B. Dong, S. Asgarpoor, and W. Qiao, “ANN-based adaptive PI control for wind turbine with doubly fed induction generator”, North American Power Symposium (NAPS), Boston, USA, 4-6 Aug. 2011, pp.1 – 6

[5] G.J. Wang, C.T. Fong, and K.J. Chang, “Neural-network-based self-tuning PI controller for precise motion control of PMAC motors”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 48, No. 2, Apr 2001, pp.408 – 415

[6] A. John Dhanaseely, S. Himavathi, and E. Srinivasan, “Performance comparison of cascade and feed forward neural network for face recognition system”, International Conference on Software Engineering and Mobile Application Modelling and Development (ICSEMA 2012), Chennai, India, 19 - 21 Dec. 2012, pp.1 – 6

[7] R. Soni, and D. Puja, “Performance evaluation of multilayer feed forward neural network for handwritten English Vowels Characters”, International Conference on Information Systems and Computer Networks (ISCON2013), Mathura,India, 9-10 March 2013, pp.82 – 87

[8] M. Gao , Y. Guo , Z. Liu, and Y. Zhang, “Feed-forward neural network blind equalization algorithm based on super-exponential iterative” , International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics ( IHMSC '09), Hangzhou, China, 26-27 Aug. 2009, pp.335 – 338

[9] J. Kim and S. Jung, “Implementation of the RBF neural chip with the on-line learning back-propagation algorithm”, IEEE International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN 2008). (IEEE World Congress on Computational Intelligence), Hong Kong, China,1-8 June 2008, pp.377 – 383

[10] Mohammad Dorofki, Ahmed H. Elshafie, Othman Jaafar, Othman A. Karim, and Sharifah Mastura“Comparison of artificial neural network transfer functions abilities to simulate extreme runoff data”, 2012 International Conference on Environment, Energy, and Biotechnology, Singapore, 2012

0

10

20

30

40

0 200 400 600

For

ce (

Kg)

Time (sec)

PI controllerANN adaptivePI controller

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0 200 400 600

Gai

n

Time (sec)

Kp gain

Ki gain

บทความวจย –วชาการ การประชมวชาการ งานวจย และพฒนาเชงประยกต ครงท 6 การพฒนาเทคโนโลยเพอใหโลกมสนตสข ECTI-CARD Proceedings 2014, Chiang Mai, Thailand

วนท 21-23 พฤษภาคม พ.ศ. 2557 ณ มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลลานนา ภาคพายพ เชยงใหม

การศกษาและเปรยบเทยบการใชพลงงานไฟฟาในการสรางแรงบดของมอเตอรไฟฟา The study and compare of the energy used to create torque of electric motor

สทธพงษ เพงประเดม1, สมพร เรองสนชยวานช2, ไอลดา ทองสนทด2 และณฐพล สทธศรจนทร3

1สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลลานนา ตาก 2ภาควศวกรรมไฟฟาและคอมพวเตอร คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร พษณโลก

3สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลลานนา พษณโลก E-mail: aonengi@hotmail.com1, sompornru@yahoo.co.uk2, nataphon_ee@hotmail.com

บทคดยอ การประหยดพลงงานเปนสงทควรค านงถงตอภาคอตสาหกรรมเปน

อยางยงโดยเฉพาะงานทางดานการขบเคลอนมอเตอรไฟฟา โดยงานวจยนมงเนนการศกษาและเปรยบเทยบการใชพลงงานไฟฟาในการสรางแรงบดของมอเตอรไฟฟา 2 ชนด ไดแก มอเตอรไฟฟากระแสตรง และมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรก จากผลการทดลองพบวาการใชพลงงานของมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรกจะใชในปรมาณนอยเมอเทยบกบมอเตอรไฟฟากระแสตรง ในทางกลบกนมอเตอรไฟฟากระแสตรงสามารถรกษาระดบของคาแรงดงไดดกวามอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรก

Abstract Energy saving is a considered issue for industrial sectors,

particularly in the electric motor drive. The study and compare of the energy used to create torque of two types of electric motor as direct current motor and induction motor brakes is the aim of the research. The results showed that the induction motor brakes consume energy less than the direct current motor. On the other hand, direct current motor can maintain a level of tension better than induction motor brakes.

Keywords: energy, torque, direct current motor, induction motor, tension

1. บทน า ในปจจบนเปนททราบกนดวามอเตอรไฟฟาเปนอปกรณทถกใชงาน

อยางแพรหลายทงในภาคอตสาหกรรม และภาคครวเรอนทวไป มอเตอรไฟฟาท าหนาทเปลยนแปลงพลงงานไฟฟาเปนพลงงานทางกลในรปการหมนเคลอนท โดยทการหมนของมอเตอรสามารถท าใหเกดแรงบดขนทแกนหมนของมอเตอร ซงแรงบดทไดนนสามารถน ามาประยกตใชในงานทตองการใชแรงดงหรอแรงกด เชน แรงททตองการแรงดงหรอแรงกดทคงทและถกตอง โดยงานวจยนไดมงเนนไปทการศกษาเปรยบเทยบการใชพลงงานในการสรางแรงบดของมอเตอรไฟฟา 2 ชนด ไดแก มอเตอรไฟฟากระแสตรง และมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรก นอกจากการเปรยบเทยบการใชพลงงานแลว ผลของการรกษาแรงบดของมอเตอรทงสองตวกเปนสงส าคญทจะใชในการเลอกมอเตอรไฟฟาใหตรงตามวตถประสงคพรอมทงค านงถงการประหยดพลงงานอกดวย

2. แรงบด ในการเคลอนไหวเชงเสน แรงลพธทเกดขนบนวตถจะเกดขนเมอวตถ

นนมการเปลยนแปลงความเรว ในกรณทไมมแรงลพธบนวตถนนคอวตถนนมความเรวคงท แรงลพธจะมคามากขนนนขนอยกบการเปลยนแปลงความเรวอยางรวดเรว

มแนวคดทคลายกนส าหรบการหมนคอ เมอวตถถกหมนความเรวเชงมมคงทแรงบดทมอยในนนกจะคงท แรงบดจะมคามากขนอยกบการเปลยนแปลงความเรวเชงมมของวตถอยางรวดเรว

แรงบดบนวตถทถกก าหนดใหเปนผลลพธของแรงทใชกบวตถและระยะทางระหวางการกระท าของแรงและแกนของวตถของการหมน ถา r เปนเวกเตอรชจากแกนของการหมนไปยงจดของการใชแรงและถา F เปนแรงทกระท ากบแกนหมน แรงบดสามารถอธบายเปน

แรงบด = (แรงทกระท ากบแกนหมน) (ระยะทางตงฉากกบแรง) (1)

T = (F) (r sin) (2)

T = rF sin (3)

โดยท เปนมมระหวางเวกเตอร r และเวกเตอร F ทศทางของแรงบดจะมทศตามเขมนาฬกาถามนหมนตามเขมนาฬกาและทศทางของแรงบดจะมทศทวนเขมนาฬกาถามนเกดการหมนทวนเขม หนวยของแรงบดคอนวตนเมตร (Nm) ในหนวย SI [1]

180°-

F

r

r sin(180°- ) = r sin}

รปท 1. ทมาของสมการแรงบดบนวตถ [1]

บทความวจย –วชาการ การประชมวชาการ งานวจย และพฒนาเชงประยกต ครงท 6 การพฒนาเทคโนโลยเพอใหโลกมสนตสข ECTI-CARD Proceedings 2014, Chiang Mai, Thailand

วนท 21-23 พฤษภาคม พ.ศ. 2557 ณ มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลลานนา ภาคพายพ เชยงใหม

3. มอเตอรทใชในการทดลอง มอเตอรส าใชในการทดลองประกอบไปดวยมอเตอรสองชนด

สามารถแสดงรายละเอยดของมอเตอรไดดงน

3.1 มอเตอรไฟฟากระแสตรง มอเตอรไฟฟากระแสตรง เปนตนก าลงขบเคลอนทส าคญอยางหนง

ในโรงงานอตสาหกรรมเพราะมคณสมบตทดเดนในดาน การปรบทศทางการหมน ปรบแรงบดของมอเตอรไดอยางตอเนองและคอนขางงาย ท าให มการใชงานมอเตอรไฟฟากระแสตรงในระบบควบคมทมความส าคญ แตมขอเสยคอมราคาคอนขางแพง เมอเทยบกบมอเตอรกระแสสลบ และตองมการบ ารงรกษาทดตลอดเวลา

หลกการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง คอเมอมแรงดนไฟฟากระแสตรงตอเขากบมอเตอร กระแสไฟฟาสวนหนงจะตอกบแปรงถานผานคอมมวเตเตอรเขาไปในขดลวดอารมาเจอรสรางสนามแมเหลกขน และกระแสไฟฟาอกสวนหนงจะไหลเขาไปในขดลวดสนามแมเหลก (Field coil) สรางขวเหนอ-ใตขน ท าใหเกดสนามแมเหลก 2 สนาม ในขณะเดยวกน ตามคณสมบตของเสนแรง แมเหลก จะหกลางกนในทศทางตรงขาม และทศทางเดยวจะเสรมแรงกน ท าใหเกดแรงบดในตวอารมาเจอร ซงวางอยบนแกนเพลาและแกนเพลาน สวมอยกบตลบลกปนของมอเตอร ท าใหอารมาเจอรนหมนได ขณะทตวอารมาเจอรทซงท าหนาทหมนไดนเรยกวา โรเตอร ซงหมายความวาตวหมน การทอ านาจเสนแรงแมเหลกทงสองมปฏกรยาตอกน ท าใหขดลวดอารมาเจอร หรอโรเตอรหมนไปนนเปนไปตามกฎซายของเฟลมมง [1]

รปท 2. มอเตอรไฟฟากระแสตรง

3.2 มอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรก มอเตอรไฟฟากระแสสลบ คอ มอเตอรทปอนไฟฟากระแสสลบเขา

ไปเพอใหไดพลงงานกลออกมา โครงสรางของมอเตอรคลายมอเตอรกระแสตรง แตจ านวนเฟสมทง 1 เฟสและ 3 เฟส โดย 3เฟสจะมจ านวนขดลวดจะเพมเปน 3 ชด มอเตอรกระแสสลบนยมใชงานทกประเภทตงแตอปกรณขนาดเลกไปจนถงในอสาหกรรมทกประเภท เนองจากมราคาถกกวาเครองจกรกลไฟฟากระแสตรง สามารถตอกบไฟฟากระแสสลบไดโดยงาย และมการบ ารงรกษานอย ท าใหมผนยมใชงานของมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าเปนจ านวนมาก

มอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าหนงเฟสสวนมากเปนมอเตอรขนาดเลก ขนาดไมเกน 10 แรงมา เหมาะกบการใชงานทวไปเชน

ปมน า พดลมระบายอากาศ ทไมตองการก าลงและแรงบดมากนก โดยปกตแลวมอเตอรชนดนไมสามารถสรางสนามแมเหลกหมนไดดวยตวเอง จงไมสามารถสรางแรงบดเรมหมนใหเกดขนได แตจะหมนไดกตอเมอโรเตอรถกท าใหหมนดวยวธใดวธหนง ซงหมายถงตองท าใหเรมหมนดวยมอหรออปกรณอนๆ กอน และเมอมอเตอรถกชวยท าใหหมนไปทศทางใดทศทางหนงแลว จะท าใหเกดแรงบดและอตราเรงขนในโรเตอรน นจนกระทงไดความเรวเตมพกดของมอเตอร [2]

มอเตอรมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรก กจะท างานเหมอนมอเตอรกระแสสลบชนดเหนยวน าทวไป แตจะมการตดตงเบรกแบบแมเหลกไฟฟาทถกตอตรงเขากบแกนโรเตอร เบรกจะท างานกตอเมอไมมไฟฟา หรอเมอแหลงจายไฟฟาถกดบ มอเตอรจะหยดหมนทนทและตรงภาระไว

รปท 3. มอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรก

4. การออกแบบการทดลอง 4.1 การควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรง

หลกการควบคมการท างานของมอเตอรกระแสตรง จะใชระบบควบคมแบบวงปด โดยการสงสญญาณควบคมผานชดขบเคลอนมอเตอร ส าหรบสญญาณควบคมจะเกดจากการตรวจสอบคาความผดพลาดระหวางแรงดงทออกจากมอเตอรและคาเปาหมายทก าหนดไว โดยมตวควบคมเปนแบบพไอ

PI Controller Drive Motor

Load Cell

Setpoint Error+

-

TensionControl Signal

DC Motor

รปท 4. ไดอะแกรมการควบคมมอเตอรไฟฟากระแสตรง

4.2 การควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรค

เนองจากมอเตอรทใชในการทดลองเปนมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าแบบมเบรกลกษณะการท างานของมนคอเ มอจายกระแสไฟฟาใหมอเตอรจะท างานและเมอหยดจายกระแสไฟฟามอเตอรจะหยดท างานพรอมกบเบรกโดยการลอคโรเตอรไวในต าแหนงนนทนท หลกการควบคมการท างานของมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน า

บทความวจย –วชาการ การประชมวชาการ งานวจย และพฒนาเชงประยกต ครงท 6 การพฒนาเทคโนโลยเพอใหโลกมสนตสข ECTI-CARD Proceedings 2014, Chiang Mai, Thailand

วนท 21-23 พฤษภาคม พ.ศ. 2557 ณ มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลลานนา ภาคพายพ เชยงใหม

ตดเบรก จะใชระบบควบคมแบบวงปด โดยการสงสญญาณควบคมไปยงรเลย ซงมอเตอรจะท างานในลกษณะเปด-ปด ส าหรบสญญาณควบคมจะเกดจากการตรวจสอบคาความผดพลาดระหวางแรงดงทออกจากมอเตอรและคาเปาหมายทก าหนดไว โดยมตวควบคมเปนแบบเปด-ปด

On-Off

Controller

E>0 ; On

E<0 ; Off

Relay

Load Cell

Setpoint Error+

-

Tension

Control Signal

AC Motor

รปท 5. ไดอะแกรมการควบคมมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรก

4.3 การตดตงอปกรณและการทดลอง ส าหรบการตดตงอปกรณตางๆ ส าหรบการทดลองแสดงดงรปท 6

มอเตอรทงสองชนดจะถกยดไวกบฐานดานลาง โดยทโรเตอรของมอเตอรจะเชอมกบเพลาทเปนแกนหมนดวยโซ จากนนจงยดปลายของลวดสลงดานหนงกบเพลาสวนอกดานหนงของลวดสลงจะถกยดกบปลายดานหนงของโหลดเซลล จากนนท าการยดโหลดเซลลอกดานหนงกบคานดานบนของโครงเหลก

รปท 6. การตดตงอปกรณ

เนองจากสดสวนการทดแรงตางๆจากแกนโรเตอรไปจนถงแกนหมนของมอเตอรทงสองชนดมคาเทากน การทดลองจงเปนในลกษณะของการวดแรงดงเพอเปรยบเทยบกน โดยผลของแรงดงทไดจะอยในหนวยของนวตน และขณะท าการทดลองกจะท าการวดคาก าลงไฟฟาของมอเตอรทงสอง ส าหรบเปาหมายของการทดลองนนจะเปนการควบคมใหมอเตอรทงสองสามารถสรางแรงดงในคาทก าหนด โดยก าหนดคาเปาหมายของแรงดงไวท 100, 200, 300, 400 และ 500 นวตน ตามล าดบ

5. ผลการทดลอง จากการทดลองผ ทดลองจะก าหนดคาเปาหมายของแรงดงไวท

100,200, 300, 400 และ 500 นวตน ตามล าดบ โดยจะใชเวลาในการท าการทดลองครงละ 10 นาท ซงผลของแรงดงและคากลงทจายใหกบมอเตอรทงสองชนดสามารถแสดงไดดงรปท 7 และ 8

a) Set point 100 N b) Set point 200 N

c) Set point 300 N d) Set point 400 N

e) Set point 500 N

รปท 7. ผลของแรงดงและพลงงานทใชของมอเตอรไฟฟากระแสตรง

จากการทดลองควบคมมอเตอรไฟฟากระแสตรงทคาเปาหมายของแรงดงตางๆ พบวา ในทกคาแรงดง คาก าลงไฟฟาทใชของมอเตอรไฟฟากระแสตรงจะคอยๆ เพมขนพรอมกบคาแรงดงทได จนถงคาคาเปาหมายทก าหนด มอเตอรจะพยายามรกษาระดบของคาก าลงไฟฟาเพอใหมอเตอรสามารถรกษาระดบของแรงดงใหคงท

a) Set point 100 N b) Set point 200 N

บทความวจย –วชาการ การประชมวชาการ งานวจย และพฒนาเชงประยกต ครงท 6 การพฒนาเทคโนโลยเพอใหโลกมสนตสข ECTI-CARD Proceedings 2014, Chiang Mai, Thailand

วนท 21-23 พฤษภาคม พ.ศ. 2557 ณ มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลลานนา ภาคพายพ เชยงใหม

c) Set point 300 N d) Set point 400 N

e) Set point 500 N

รปท 8. ผลของแรงดงและพลงงานทใชของมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรก

จากการทดลองควบคมมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรกทคาเปาหมายของแรงดงตางๆ พบวา ในทกคาแรงดง คาก าลงไฟฟาทใชของมอเตอรไฟฟากระแสกระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรก จะใชก าลงไฟฟาในลกษณะคงท จนคาแรงดงถงคาเปาหมาย เมอแรงดงถงคาเปาหมายระบบควบคมจะท าการหยดจายไฟฟาใหกบมอเตอร ท าใหเบรกท างานมอเตอรจงสามารถรกษาแรงดงไดถงแมวาไมไดจายไฟฟาใหกบมอเตอร

รปท 9. เปรยบเทยบคาความผดพลาดของแรงดง

จากการทดลองวดแรงดงจากการควบคมมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าและมอเตอรกระแสตรง พบวามอเตอรไฟฟากระแสตรงสามารถใหคาแรงดงทมคาความถกตองมากกวาแรงดงจากมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน า ในทกๆ คาแรงดง

รปท 10. เปรยบเทยบปรมาณการใชไฟฟา

การใชพลงงานของมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าจะใชในปรมาณนอยเมอเทยบกบมอเตอรไฟฟากระแสตรง เนองจากการลกษณะของการควบคมมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าเปนแบบ เปด -ปด จงท าใหการไมมการใชพลงงานหลงจากทคาแรงดงถงคาเปาหมาย ซงเมอเทยบกบการควบคมแรงดงของมอเตอรไฟฟากระแสตรงจะเปนลกษณะของการควบคมการจายไฟฟาใหมอเตอรโดยการรกษาระดบแรงดนเพอใหคาแรงดงมคาคงทตลอดการควบคม จงสงผลใหมอเตอรไฟฟากระแสตรงตองใชปรมาณพลงงานสงกวามอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน า ในสภาวะทมการควบคมในระยะเวลาทเทากน

5. สรป จากผลการทดลองของมอเตอรท งสองตว คอมอเตอรท งสองตว

สามารถสรางแรงบดไดตามทตองการเวนแตมอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรกทจะมคาผดพลาดจากการควบคมอยบาง แตถาหากสามารถปรบปรงระบบควบคมใหดขน เชอวามอเตอรไฟฟากระแสสลบชนดเหนยวน าตดเบรก สามารถท างานไดในประสทธภาพททดเทยมกบมอเตอรกระแสตรงในการรกษาระดบแรงดง สวนส าคญของการทมอเตอรทงสองชนดมการใชคาพลงงานทตางกนคอ เบรกทตดใหกบมอเตอร ซงประโยชนของมนกไดแสดงใหเหนแลววา มนสามารถรกษาระดบแรงดงใหคงทและยงไมตองจายคาพลงงานใหกบมอเตอรอกตอไป

เอกสารอางอง [1] Chapman. Stephen J., “Electric machinery fundamentals (4th ed.).

New Yort, McGraw-Hill. [2] มงคล ทองสงคราม, “เครองกลไฟฟากระแสสลบ”, กรงเทพฯ: รามา

การพมพ. [3] Srisertpo, J. and Khajorntraidet, C, “Estimation of DC Motor

Variable Torque Using Adaptive Compensation”, IEEE Conf. Control and Decision, pp. 712-717, 2009.