Động cơ Servo là một loại động cơ điện quan trọng đi kèm với Servo Drive để tạo thành hệ thống Servo. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như robot, máy CNC, hệ thống điều khiển tự động và các thiết bị điều khiển từ xa.
Chi tiết cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng của loại động cơ này như thế nào? Mời bạn đọc xem qua bài viết ngắn dưới đây nhé!
Động cơ Servo là gì?
Tóm lại: “Động cơ servo hay Servo motor là một loại động cơ điện có khả năng điều khiển chính xác về vị trí, vận tốc và gia tốc góc hoặc tuyến tính dựa trên nguyên lý hồi tiếp vòng kín. Về cơ bản nó là một thiết bị hoạt động khép kín có thể di chuyển các bộ phận của máy với hiệu suất và độ chính xác cao.”
Động cơ Servo là loại động cơ đặc biệt, có khả năng tự điều khiển, làm quay máy với hiệu suất cao và độ chính xác cao ở góc với vị trí và vận tốc cụ thể. Đây là những điểm mà các loại động cơ thông thường không thể làm được.
Động cơ servo là một phần của hệ thống vòng kín, chúng bao gồm một số bộ phận cụ thể là mạch điều khiển, động cơ servo, trục, chiết áp, bộ khuếch đại, bánh răng truyền động và bộ mã hóa hoặc bộ phân giải. Động cơ được điều khiển bằng tín hiệu điện, kỹ thuật số, định lượng chuyển động đại diện cho vị trí cuối cùng của trục.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Servo motor
Cấu tạo động cơ Servo
Cấu tạo của động cơ AC Servo bao gồm:
- Rotor: Phần quay của động cơ
- Stator: Phần tĩnh của động cơ
- Trục động cơ: Có hai ổ trục ở mặt trước và mặt sau để truyền công suất đầu ra của động cơ. Tải được truyền động thông qua cơ cấu truyền động.
- Encoder: Thiết bị đo góc quay và tốc độ của rotor. Encoder được gắn sau đuôi động cơ để phản hồi tín hiệu về vị trí và tốc độ roto về bộ điều khiển.
- Vòng bi: Giúp chuyển động quay của động cơ quay liên tục, mượt mà hơn, ổn định hơn.
- Cáp mã hóa và cáp động cơ: Truyền tải tín hiệu từ động cơ về bộ điều khiển và ngược lại.
Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo
Về nguyên tắc, động cơ Servo không được thiết kế để hoạt động độc lập, nó chỉ có ý nghĩa khi hoạt động trong hệ thống AC Servo phù hợp.
Động cơ servo hoạt động dựa trên nguyên lý hồi tiếp vòng kín. Driver Servo nhận tín hiệu mong muốn về vị trí hoặc tốc độ, sau đó so sánh với tín hiệu phản hồi của động cơ Servo từ encoder. Độ lệch giữa hai tín hiệu này được sử dụng để điều chỉnh điện áp và dòng điện cấp cho động cơ, giúp động cơ đạt được vị trí hoặc tốc độ mong muốn.
Dưới đây là một phân tích chi tiết về nguyên lý hoạt động Servo motor:
Giai đoạn 1: Nhận tín hiệu đầu vào.
Bộ điều khiển sẽ nhận 2 tín hiệu xung đầu vào (thường là tín hiệu tương tự hoặc kỹ thuật số), bao gồm:
- Tín hiệu điểm đặt: Chứa các thông tin về vị trí, tốc độ, momen xoắn mà người dùng mong muốn ở trục đầu ra.
- Tín hiệu phản hồi: Tín hiệu này là tín hiệu thực tế mà cảm biến đo được về vận tốc và vị trí hoặc momen xoắn của động cơ.
Giai đoạn 2: So sánh tín hiệu.
Sau đó, mạch điều khiển sẽ so sánh 2 tín hiệu này và tính toán độ lệch giữa chúng. Các tín hiệu lỗi (độ lệch) sẽ được xử lý bằng thuật toán điều khiển như PID hoặc PLC để tạo ra tín hiệu điều khiển chính xác mức điện áp và dòng điện cần cấp cho động cơ.
Tuy nhiên, tín hiệu điều khiển sau xử lý có thể chưa phù hợp để điều khiển chuyển động động cơ ngay. Vì vậy, cần qua một mạch khuếch đại công suất để chuyển đổi thành mức điện áp và dòng điện thích hợp.
Giai đoạn 3: Điều khiển động cơ và cập nhật tín hiệu điều chỉnh.
Cuối cùng động cơ Servo nhận tín hiệu điều khiển sẽ quay hoặc di chuyển. Bao gồm các thay đổi về vị trí, tốc độ và momen xoắn. Đồng thời phản hồi tín hiệu hiện tại của động cơ về mạch điều khiển. Quá trình này diễn ra cho đến khi tín hiệu lỗi bằng 0 hoặc không đáng kể (có nghĩa là trục đầu ra đã đạt đến điểm đặt mong muốn).
Trong quá trình động cơ vận hành, nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động và làm sai lệch tốc độ, vị trí mong muốn. Cơ cấu hồi tiếp sẽ phản hồi tín hiệu về bộ điều khiển.
Cách sử dụng động cơ Servo
Sử dụng Servo moto đúng cách đòi hỏi người dùng phải có kiến thức và chuyên môn về hệ thống Servo và yêu cầu của từng hệ thống cụ thể.
Dưới đây là hướng dẫn cơ bản:
Bước 1: Chuẩn bị
- Lựa chọn động cơ servo phù hợp với các ứng dụng dựa trên yêu cầu về mô-men xoắn, tốc độ, độ chính xác và môi trường làm việc (AC, DC, đồng bộ (động cơ vĩnh cửu), không đồng bộ, động cơ bước,…).
- Kiểm tra nguồn cấp điện: điện áp, dòng điện.
Bước 2: Kết nối động cơ servo
Kết nối dây nguồn của động cơ với nguồn điện phù hợp. Sau đó kết nối dây tín hiệu của động cơ với bộ điều khiển (vi điều khiển, PLC, hoặc bộ điều khiển servo chuyên dụng). Thường thì các động cơ sẽ có ba dây:
- Dây nguồn (VCC): Cung cấp nguồn điện.
- Dây đất (GND): Kết nối với mặt đất.
- Dây tín hiệu (Signal): Nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển.
Bước 3: Cấu hình bộ điều khiển
- Cài đặt thông số điều khiển: như tần số PWM, góc quay, tốc độ, và mô-men xoắn.
- Thiết lập thuật toán điều khiển: Chọn và điều chỉnh thuật toán điều khiển (như PID) nếu cần thiết, để đảm bảo động cơ hoạt động mượt mà và chính xác.
Bước 4: Lập trình và điều khiển
- Viết chương trình điều khiển:
Ví dụ đoạn code về home 2 trục:
- Tải chương trình lên bộ điều khiển
Bước 5: Kiểm tra và điều chỉnh
Kiểm tra, quan sát chuyển động và phản hồi của động cơ có đúng theo yêu cầu không? Nếu có bất kỳ vấn đề nào như rung lắc, sai lệch vị trí, hoặc phản hồi chậm, hãy điều chỉnh các thông số và thuật toán điều khiển cho phù hợp.
Phân loại động cơ Servo
Servo motor được phân ra làm nhiều loại khác nhau dựa trên nguồn điện, cấu tạo, cơ chế phản hồi và ứng dụng.
Động cơ AC Servo và DC Servo
Xét về hiệu suất thì 2 động cơ này có sự khác nhau lớn về khả năng kiểm soát tốc độ.
- Động cơ servo AC: Động cơ AC Servo có thể xử lý các dòng điện cao, thường được sử dụng trong máy móc công nghiệp (đặc biệt là máy CNC), máy thủy lực, máy tiện cơ khí,…
- Động cơ servo DC: Được chia làm 2 loại đó là động cơ DC có chổi than và động cơ DC không chổi than. Ứng dụng động cơ DC bao gồm: máy bơm nước, máy nén khí…
Động cơ Servo có chổi than và không có chổi than
Động cơ có chổi than:
Có cấu tạo bao gồm:
- Chổi than: Dùng để dẫn điện vào roto.
- Cổ góp: Dùng để kết nối chổi than với các cuộn dây trên roto.
- Rotor: Phần quay của động cơ.
- Stator: Phần tĩnh của động cơ.
Khi dòng điện chạy qua các cuộn dây trên stator, tạo ra từ trường quay. Chổi than và cổ góp sẽ chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều để tạo ra lực từ tương tác giữa stator và rotor, làm cho rotor quay.
Động cơ có chổi than được sử dụng trong các ứng dụng nhỏ, đơn giản, không yêu cầu độ chính xác cao, như các thiết bị gia dụng nhỏ, đồ chơi điều khiển từ xa.
Động cơ không chổi than:
Động cơ không chổi than được cấu tạo từ:
- Rotor: Thường là nam châm vĩnh cửu.
- Stator: Các cuộn dây được đặt cố định trên stator.
- Encoder: Thiết bị đo góc quay của rotor.
- Bộ điều khiển: Điều khiển dòng điện chạy qua các cuộn dây để tạo ra từ trường tương tác với rotor.
Bộ điều khiển sẽ điều khiển dòng điện chạy qua các cuộn dây stator theo một trình tự nhất định để tạo ra từ trường quay. Từ trường này tương tác với nam châm vĩnh cửu trên rotor, làm cho rotor quay. Encoder sẽ đo góc quay của rotor và gửi tín hiệu về bộ điều khiển để điều chỉnh dòng điện cho phù hợp.
Động cơ không chổi than thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao, tốc độ cao, tuổi thọ cao, như robot công nghiệp, máy CNC, máy đóng gói, ô tô điện.
Servo motor đồng bộ và không đồng bộ
- Động cơ đồng bộ: Cuộn roto quay cùng tốc độ với từ trường quay của stato.
- Động cơ không đồng bộ: roto quay với tốc độ chậm hơn từ trường quay của stato.
Những lợi ích khi sử dụng Servo motor
- Trong khoảng tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức, Mô-men của động cơ servo là không đổi, do đó servo thường được sử dụng trong một số ứng dụng cần mô-men cao ở tốc độ thấp.
- Hiệu suất hoạt động cao, được xác định lên tới hơn 90%, ít sinh nhiệt và hầu như không dao động.
- Tốc độ cao và tần suất làm việc thay đổi nhanh, liên tục.
- Tốc độ đáp ứng và phản hồi nhanh nhưng lực quán tính thấp (gần như không có quán tính).
- Hoạt động êm ái, nhẹ và tiết kiệm điện năng (có thể tiết kiệm 5-20% điện năng với động cơ thường).
- Kích thước và trọng lượng nhỏ hơn, ít bị hư hỏng.
Ứng dụng của động cơ Servo trong công nghiệp
Động cơ servo có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp nhờ vào khả năng điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men xoắn chính xác. Dưới đây là một số ứng dụng động cơ servo trong công nghiệp:
Giải pháp tự động hóa và robot công nghiệp
- Cánh tay robot: Motor Servo được sử dụng để điều khiển các khớp nối của cánh tay robot, cho phép di chuyển chính xác và linh hoạt trong các quy trình lắp ráp, hàn, sơn và xử lý vật liệu.
- Robot di chuyển: điều khiển bánh xe hoặc chân của robot để di chuyển chính xác trong không gian công nghiệp.
Máy công cụ CNC (Computer Numerical Control)
- Điều khiển các trục của máy phay và máy tiện CNC, giúp cắt và gia công chi tiết với độ chính xác cao.
- Máy khắc laser và cắt plasma: điều khiển vị trí của đầu laser hoặc đầu cắt để tạo ra các hình dạng phức tạp trên vật liệu.
Dây chuyền sản xuất tự động hóa
- Ứng dụng trong lĩnh vực băng chuyền và hệ thống vận chuyển, giúp di chuyển và định vị sản phẩm chính xác trong quá trình sản xuất.
- Điều khiển các chuyển động của máy đóng gói, đảm bảo quá trình đóng gói diễn ra nhanh chóng và chính xác.
Hệ thống điều khiển vị trí
- Điều khiển bàn xoay hoặc bàn di chuyển để định vị chi tiết gia công hoặc sản phẩm trong quá trình kiểm tra và lắp ráp.
- Điều khiển việc mở và đóng cửa tự động, cổng công nghiệp và hệ thống kiểm soát ra vào.
Máy in và thiết bị ghi nhãn
- Điều khiển các trục của máy in 3D để xây dựng các vật thể theo từng lớp với độ chính xác cao.
- Máy in công nghiệp và máy ghi nhãn
Máy ép và đùn
- Điều khiển các trục của máy ép nhựa và kim loại, giúp điều chỉnh lực ép và tốc độ ép một cách chính xác.
- Điều khiển tốc độ và cung cấp lực chuyển động khi đùn nhựa, đảm bảo sản phẩm đùn ra có chất lượng đồng đều.
Hệ thống điều khiển kỹ thuật tự động hóa
- Động cơ servo được sử dụng để điều khiển van và các thiết bị điều khiển khác để duy trì nhiệt độ và áp suất ổn định trong các quy trình công nghiệp.
- Hệ thống phân phối và trộn nguyên liệu
Ngành dệt may: điều khiển các chuyển động của kim và vải, giúp tạo ra các sản phẩm dệt may với độ chính xác và tốc độ cao.
Ngành thực phẩm và đồ uống
- Điều khiển các máy chế biến thực phẩm: như máy cắt, máy trộn và máy đóng gói.
- Điều khiển các quá trình chiết rót và đóng gói đồ uống, đảm bảo liều lượng và vị trí đóng gói chính xác.
Ngành ô tô: Dùng để điều khiển các thiết bị lắp ráp như cánh tay robot và hệ thống vận chuyển để lắp ráp các bộ phận ô tô một cách chính xác và nhanh chóng.
Trên đây là một số thông tin về động cơ servo mà Nam Phương Việt đã cung cấp tới bạn đọc. Chúng tôi hy vọng bài viết sẽ hữu ích đối với bạn. Liên hệ ngay với chúng tôi khi bạn có bất kỳ thắc mắc nào về các sản phẩm máy móc hằng ngày.
