Wireless Stepper Motor Controller เป็นระบบควบคุมสเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่ผสานเทคโนโลยี WiFi เข้ากับไดรเวอร์มอเตอร์คุณภาพสูง ทำให้สามารถควบคุมมอเตอร์ได้จากระยะไกลผ่านเว็บบราวเซอร์ ไม่จำเป็นต้องใช้สาย USB หรือสายสัญญาณยาวๆ ระบบนี้สร้างขึ้นจาก ESP32-S3 ซึ่งเป็น Microcontroller ที่มี WiFi และ Bluetooth ในตัว ทำงานร่วมกับ TMC2240 ซึ่งเป็นไดรเวอร์สเต็ปเปอร์มอเตอร์รุ่นล่าสุดจาก Trinamic ที่มีความสามารถ Silent Operation, StallGuard4, CoolStep และ StealthChop2 ทำให้มอเตอร์หมุนเงียบ ประหยัดพลังงาน และตรวจจับการติดขัดได้อัตโนมัติ นอกจากนี้ยังมีเซนเซอร์ AS5600 ที่เป็น Magnetic Encoder 12-bit สำหรับตรวจจับตำแหน่งและความเร็วของมอเตอร์แบบเรียลไทม์ ระบบนี้เหมาะสำหรับโปรเจกต์ที่ต้องการความยืดหยุ่นในการติดตั้งและควบคุม เช่น Robotic Arm, Camera Slider, Automated Turntable หรือ Lab Equipment

ระบบนี้มีคุณสมบัติที่โดดเด่นหลายประการ ได้แก่

• WiFi Control: ควบคุมผ่าน Web UI ที่ทำงานได้ทั้งบน Access Point Mode และ Station Mode สามารถเข้าถึงได้จากมือถือหรือคอมพิวเตอร์
• TMC2240 Advanced Features: Silent operation ด้วย StealthChop2, Load detection ด้วย StallGuard4, Energy saving ด้วย CoolStep และ Position sensing ด้วย Encoder interface
• AS5600 Magnetic Encoder: ตรวจจับตำแหน่งแบบ Non-contact ด้วยความละเอียด 12-bit (4096 positions per revolution) ไม่มีการสึกหรอ
• Wide Voltage Range: รองรับแรงดันไฟ 12-48V สำหรับ Motor power และ 5V สำหรับ Logic circuit
• Real-time Monitoring: แสดงข้อมูล Position, Speed, Current, Temperature แบบเรียลไทม์บน Web UI
• Multiple Control Modes: รองรับทั้ง Step/Direction mode, SPI control, UART control และ Stand-alone mode
• Compact PCB Design: ออกแบบ PCB ขนาดกะทัดรัด 70x50mm พร้อม Mounting holes และ Heat sink mounting
• OTA Update: สามารถอัพเดท Firmware ผ่าน WiFi ได้โดยไม่ต้องถอด PCB ออกมา

สำหรับโปรเจกต์นี้คุณจะต้องเตรียมอุปกรณ์ดังนี้:

ส่วน Electronics: ESP32-S3-WROOM-1 Module (หรือ ESP32-S3-DevKitC-1), TMC2240-LA Stepper Driver IC, AS5600 Magnetic Position Sensor, AMS1117-5.0 และ AMS1117-3.3 Voltage Regulators, Power MOSFETs (เช่น IRLZ44N) สำหรับ Motor power switching, Capacitors (100µF, 10µF, 1µF, 100nF), Resistors (10kΩ, 4.7kΩ, 1kΩ), LEDs และ Status indicators, Screw terminals สำหรับต่อมอเตอร์และไฟเลี้ยง, JST connectors สำหรับเซนเซอร์

ส่วน Mechanical: NEMA17 Stepper Motor (หรือ NEMA23), Neodymium magnet ขนาด 6x2mm สำหรับ AS5600, Custom PCB (สั่งผลิตจาก Gerber files), Heat sink สำหรับ TMC2240 และ Power MOSFETs, Mounting screws M3, Acrylic หรือ 3D printed enclosure

ส่วน Tools: Soldering iron และ solder wire, Hot air station (สำหรับ QFN packages), Multimeter, Oscilloscope (Optional แต่แนะนำ), USB-C cable สำหรับ Programming ESP32, Power supply 12-24V/2A ขึ้นไป

การเชื่อมต่อระบบแบ่งออกเป็น 4 ส่วนหลัก:

1. Power Section: Input power 12-48V เข้าที่ Screw terminal J1, ต่อผ่าน reverse polarity protection diode D1, ใช้ AMS1117-5.0 แปลงเป็น 5V สำหรับ ESP32 และ Logic circuits, ใช้ AMS1117-3.3 แปลงจาก 5V เป็น 3.3V สำหรับ AS5600, ใช้ Bulk capacitors 100µF ที่ Input และ Output ของแต่ละ Regulator

2. ESP32-S3 Section: ต่อ ESP32-S3 เข้ากับ 3.3V Power rail, GPIO pins สำหรับ SPI communication กับ TMC2240 (MOSI, MISO, SCK, CS), GPIO pins สำหรับ STEP และ DIR signals, GPIO pins สำหรับ I2C communication กับ AS5600 (SDA, SCL), Status LEDs ต่อที่ GPIO pins ผ่าน 1kΩ resistors, Boot และ EN buttons สำหรับ Programming mode

3. TMC2240 Section: ต่อ VM (Motor voltage) เข้าที่ Input power rail, ต่อ VCC_IO (Logic voltage) เข้า 3.3V, ต่อ Motor phases (A+, A-, B+, B-) เข้า Screw terminal, ต่อ SPI pins เข้า ESP32, ต่อ STEP/DIR pins เข้า ESP32, ใส่ Capacitors 100nF ที่ทุก Power pins, ติด Heat sink ที่ด้านหลัง PCB

4. AS5600 Section: ต่อ VCC เข้า 3.3V, GND เข้า Ground, SDA/SCL เข้า ESP32 I2C pins, ติดตั้ง Magnet บน Motor shaft ให้อยู่ตรงกลาง AS5600 ห่างประมาณ 0.5-3mm

PCB ออกแบบเป็น 2 layers ขนาด 70x50mm โดยคำนึงถึงความกะทัดรัดและประสิทธิภาพในการระบายความร้อน รายละเอียดการออกแบบ:

Top Layer: วาง ESP32-S3 module ตรงกลาง PCB, วาง TMC2240 ใกล้กับ Motor connector เพื่อลด Noise, วาง AS5600 ที่ขอบ PCB เพื่อให้ติดตั้ง Magnet ได้ง่าย, วาง Screw terminals สำหรับ Power และ Motor connection, วาง Status LEDs ที่มองเห็นได้ง่าย

Bottom Layer: ใช้เป็น Ground plane ส่วนใหญ่เพื่อลด Noise, วาง Thermal vias ใต้ TMC2240 และ MOSFETs เพื่อระบายความร้อน, เดิน Power traces กว้างๆ (ขั้นต่ำ 1mm สำหรับ Motor current), เดิน Signal traces ห่างจาก Power traces

Design Considerations: ใช้ Copper pour บน Top และ Bottom layers แล้วต่อด้วย Multiple vias, แยก Digital ground และ Power ground แล้วต่อที่จุดเดียว (Star ground), วาง Decoupling capacitors ใกล้ Power pins ของทุก IC, เว้นที่สำหรับติด Heat sink บน TMC2240, เจาะรู Mounting holes M3 ที่ 4 มุม, เพิ่ม Silkscreen ระบุขั้ว Power, Motor phase, และ Jumper settings

ขั้นตอนการประกอบ PCB:

Step 1 - SMD Components: เริ่มจากบัดกรี SMD components ที่เล็กที่สุดก่อน (Resistors, Capacitors 0805/0603), ใช้ Solder paste และ Hot air station หรือ Reflow oven, ตรวจสอบด้วย Multimeter ว่าไม่มี Short circuit

Step 2 - TMC2240: ทา Solder paste บน Pads ทั้ง Pins และ Thermal pad ตรงกลาง, วาง TMC2240 ให้ตรงกับ Pads โดยใช้ Tweezer, ใช้ Hot air station 300-350°C เป่าจนกระทั่ง Solder paste ละลาย, ตรวจสอบ Pins ด้วย Microscope หรือ Magnifying glass, ใช้ Multimeter ตรวจสอบ Short circuit ระหว่าง Pins, Reflow อีกครั้งถ้ามี Cold joint

Step 3 - Power Section: บัดกรี Voltage regulators (AMS1117-5.0, AMS1117-3.3), บัดกรี MOSFETs และติด Heat sink, บัดกรี Diodes และ Electrolytic capacitors, ตรวจสอบ Output voltage ก่อนต่ออุปกรณ์อื่น

Step 4 - Through-hole Components: บัดกรี Screw terminals, JST connectors, ESP32-S3 module (หรือ Socket ถ้าต้องการถอดได้), AS5600 module, LEDs และ Buttons

Step 5 - Testing: ต่อ Power supply แล้ววัด Voltage ทุกจุด (5V, 3.3V), ตรวจสอบ LED status, Program ESP32 ด้วย Test firmware, ทดสอบ Communication กับ TMC2240 ผ่าน SPI, ทดสอบอ่านค่า AS5600, ต่อ Stepper motor แล้วทดสอบหมุน

Firmware สำหรับโปรเจกต์นี้เขียนด้วย Arduino IDE หรือ PlatformIO โดยใช้ Libraries หลักดังนี้:

Core Libraries: WiFi.h และ WebServer.h สำหรับ WiFi และ Web server, SPI.h สำหรับสื่อสารกับ TMC2240, Wire.h สำหรับ I2C communication กับ AS5600, SPIFFS.h สำหรับเก็บ Web UI files, ArduinoJSON.h สำหรับ JSON data handling

Specific Libraries: TMCStepper.h สำหรับควบคุม TMC2240 แบบละเอียด (ต้อง Install จาก Library Manager), AS5600.h สำหรับอ่านค่าจาก Magnetic encoder

Main Functions: setup() - Initialize WiFi (AP mode or STA mode), Initialize SPI และต่อกับ TMC2240, Initialize I2C และต่อกับ AS5600, Configure TMC2240 parameters (Current, Microstepping, StealthChop), Initialize Web server และ Define routes, Load saved settings from SPIFFS

loop() - Handle Web server requests, Read position จาก AS5600, Control motor based on commands, Monitor motor status (Current, Temperature), Send real-time data to Web UI ผ่าน WebSocket, Handle OTA update requests

Motor Control Functions: moveSteps(steps, speed) - เคลื่อนที่จำนวน steps ที่กำหนด, moveToPosition(angle) - หมุนไปยังตำแหน่งที่กำหนด (ใช้ AS5600 feedback), setSpeed(rpm) - ตั้งความเร็วในหน่วย RPM, enableMotor() / disableMotor() - เปิด/ปิด Motor driver, setCurrent(mA) - ตั้งค่ากระแส, setMicrosteps(value) - ตั้งค่า Microstepping (16, 32, 64, 128, 256)

ขั้นตอนการอัพโหลดและทดสอบ:

1. Prepare Arduino IDE: ติดตั้ง ESP32 board support (ใช้ URL: https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json), ติดตั้ง Libraries ที่จำเป็นทั้งหมด, เลือก Board: ESP32S3 Dev Module, ตั้งค่า Partition Scheme: Huge APP (3MB No OTA)

2. Upload Firmware: เชื่อมต่อ ESP32 กับคอมพิวเตอร์ผ่าน USB-C, กดปุ่ม Boot บน ESP32 แล้วกด Upload, รอจนกระทั่ง Upload เสร็จ (ประมาณ 1-2 นาที), เปิด Serial Monitor (Baud rate 115200) เพื่อดู Debug messages

3. Upload SPIFFS (Web files): เตรียม Web UI files (HTML, CSS, JavaScript) ในโฟลเดอร์ data/, ติดตั้ง ESP32 Sketch Data Upload plugin, Upload SPIFFS ผ่าน Tools > ESP32 Sketch Data Upload

4. Connect to WiFi: ครั้งแรกที่เปิดเครื่อง ESP32 จะเปิด Access Point mode ชื่อ "StepperMotor_XXXX", เชื่อมต่อ WiFi จากมือถือหรือคอมพิวเตอร์, เปิดเว็บบราวเซอร์ไปที่ 192.168.4.1, ตั้งค่า WiFi ให้เชื่อมต่อกับ Router ของคุณ (Station mode), ESP32 จะ Restart และเชื่อมต่อกับ WiFi ของคุณ, ดู IP address ที่ได้รับจาก Serial Monitor

5. Test Web UI: เปิดเว็บบราวเซอร์ไปที่ IP address ที่ ESP32 ได้รับ, ควรเห็น Web UI พร้อมปุ่มควบคุมต่างๆ, ทดสอบ Jog motor ไปข้างหน้า/ข้างหลัง, ทดสอบ Set position และดูว่า Motor หมุนไปยังตำแหน่งที่ต้องการ, ตรวจสอบ Real-time position display จาก AS5600, ทดสอบปรับ Speed, Current, Microstepping, ทดสอบ Enable/Disable motor

6. Troubleshooting: ถ้า Motor ไม่หมุน ตรวจสอบ Power supply และ Motor connections, ถ้าหมุนไม่ถูกทิศทาง สลับ A และ B phase, ถ้าหมุนไม่นุ่น ปรับ Current และ Microstepping, ถ้า AS5600 อ่านค่าไม่ได้ ตรวจสอบ Magnet position, ถ้า TMC2240 ร้อนเกินไป ติด Heat sink และลด Current