Động cơ servo là gì? Các ứng dụng của động cơ servo motor

Động cơ servo cũng là một động cơ điện. Nhưng chúng có cách điều khiển và hoạt động khác với các động cơ điện thông thường.

Mục đích chính của việc sử dụng động cơ servo trong các ngành công nghiệp là xoay và đẩy các bộ phận của máy móc.

Động cơ servo là một trong những động cơ được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng như sản xuất công nghiệp, phát triển tự động hóa, … Mặc dù chúng có giá thành khá đắt nhưng lợi ích mà chúng mang lại lớn hơn nhiều với các tính năng như: điều khiển chuyển động để định vị chính xác cao, đảo chiều nhanh và hiệu suất vượt trội…

Động cơ Servo motor là gì?

Động cơ servo là một thiết bị điện từ sử dụng cơ chế phản hồi âm để chuyển đổi tín hiệu điện thành chuyển động có kiểm soát. Về cơ bản, các động cơ servo hoạt động giống như các bộ truyền động cung cấp khả năng kiểm soát chính xác về vận tốc, gia tốc và vị trí tuyến tính hoặc góc.

Nó bao gồm bốn thứ: động cơ DC, cảm biến vị trí, bộ truyền bánh răng và mạch điều khiển. Cơ cấu bánh răng được kết nối với động cơ cung cấp phản hồi cho cảm biến vị trí.

Nếu động cơ của servo được vận hành bởi nguồn DC thì nó được gọi là động cơ servo DC và nếu nó được vận hành bởi nguồn cấp AC thì nó được gọi là động cơ servo AC.

Các bánh răng của động cơ servo thường được làm bằng nhựa nhưng trong các động cơ servo công suất cao, nó được tạo thành từ kim loại.

Phân loại động cơ Servo

Dựa trên cơ sở của kiểu chuyển động

Động cơ servo quay theo vị trí: Các servo quay theo vị trí có thể xoay trục trong khoảng một nửa vòng tròn. Ngoài ra, nó có tính năng bảo vệ cảm biến quay khỏi vượt quá vòng quay. Động cơ vị trí chủ yếu được sử dụng ở tay chân, cánh tay robot…

Động cơ servo quay liên tục: Các servo liên tục có cấu tạo tương tự như servo vị trí. Nhưng, nó có thể di chuyển theo cả chiều thuận và chiều ngược kim đồng hồ. Những loại servo này được sử dụng trong các hệ thống radar và robot…

Động cơ servo quay tuyến tính: Động cơ servo tuyến tính cũng giống như servo vị trí, nhưng có thêm các bánh răng để điều chỉnh đầu ra từ quay vòng tròn sang quay qua lại (trái phải). Những loại servo này được sử dụng trong các máy bay mô hình cao cấp và rất hiếm thấy trên thị trường.

Dựa trên cơ sở của tín hiệu hoạt động

Người ta cũng phân loại động cơ servo dựa trên tìn hiệu hoạt động. Có 2 loại tín hiệu chính: tương tự và số. Vậy cũng có 2 loại động cơ servo tương tự và động cơ servo số.

Động cơ servo tương tự

Đây có thể xem là một dạng động cơ servo tiêu chuẩn. Nó điều chỉnh tốc độ động cơ qua việc gửi và ngắt xung.

Các động cơ tương tự được vận hành qua tín hiệu PWM (Điều chế độ rộng xung). Và, phạm vi của tín hiệu là 4,8V đến 6V.

Trong loại servo này, PWM bị tắt khi servo ở trạng thái nghỉ. Lúc này sẽ không có điện áp gửi đến động cơ.  Ngoài ra, một servo tương tự có thể chỉ có thể gửi 50 xung mỗi giây.

Tín hiệu xung On được gửi đến động cơ servo càng lâu, động cơ quay càng nhanh và mô-men xoắn được sinh ra càng cao.

Một trong những nhược điểm chính của động cơ servo tương tự là có độ trễ trong việc phản ứng với các lệnh nhỏ. Nó làm cho động cơ quay không đủ nhanh. Thêm vào đó, nó cũng tạo ra một mô-men xoắn không đủ.

Động cơ servo tín hiệu số

Sử dụng bộ vi xử lý nhỏ Digital Servo nhận tín hiệu và hoạt động ở các xung điện áp tần số cao. Một servo kỹ thuật số có thể có thể gửi 300 xung mỗi giây, rất cao so với một servo tương tự. Servo kỹ thuật số cho một phản ứng mượt mà và mô-men xoắn nhất quán, do xung nhanh hơn. Servo kỹ thuật số tiêu thụ nhiều năng lượng hơn một servo tương tự.

Cũng hoạt động với tín hiệu xung, nhưng động cơ servo số có thể nhận nhiều xung hơn. Nếu servo tương tự được thiết kế để gửi điện áp xung 50 không đổi mỗi giây, thì động cơ servo số có khả năng gửi tới 300 xung mỗi giây!

Với tín hiệu xung nhanh này, tốc độ của động cơ sẽ tăng đáng kể, và mô-men xoắn sẽ nhất quán hơn; cho phản ứng mượt mà hơn.

Ngoài ra, với ít dải chết hơn, mô-men xoắn có khả năng giữ tốt hơn. Khi bạn sử dụng động cơ servo số, bạn có thể trải nghiệm cảm giác điều khiển ngay lập tức.

Dựa trên cơ sở của nguồn cấp

Dựa trên cơ sở của nguồn cấp, người ta chia dộng cơ servo ra làm 2 loại là động cơ DC servo và AC servo. Cụ thể:

Động cơ DC Servo

Động cơ DC Servo được sử dụng để đem lại một phản ứng mô-men xoắn nhanh và còn được gọi là động cơ DC nam châm vĩnh cửu hay động cơ servo DC dòng kích riêng.

Điều này cung cấp một phản ứng mô-men xoắn nhanh vì mô-men xoắn và thông lượng được tách rời. Do đó, một thay đổi nhỏ trong điện áp hoặc dòng điện phần ứng mang lại sự thay đổi đáng kể về vị trí hoặc tốc độ của rôto. Hầu hết các động cơ servo công suất cao chủ yếu là DC. Động cơ DC là động cơ servo được sử dụng nhiều nhất trong số tất cả các loại.

Động cơ servo DC được phân loại thành các loại như:

• Động cơ Series
• Động cơ chia dòng
• Động cơ điều khiển shunt
• Động cơ servo nam châm vĩnh cửu

Ưu điểm của động cơ servo DC:

• Động cơ servo DC hoạt động hiệu quả, đáng tin cậy, thân thiện với người vận hành và tương đối dễ thực hiện so với các hệ thống động cơ AC.
• Các động cơ servo DC ít phức tạp hơn AC.
• Động cơ servo DC có nhiều lợi thế so với động cơ servo AC, trong các ứng dụng tái tạo và công suất cao.
• Động cơ servo DC hoạt động chính xác và ít ồn hơn so với các servo AC

Động cơ AC Servo

Động cơ AC Servo được chia thành hai loại động cơ AC loại 2 và 3 pha. Hầu hết các động cơ AC là loại động cơ cảm ứng lồng sóc hai pha. Chúng được sử dụng cho các ứng dụng năng lượng thấp. Động cơ cảm ứng lồng sóc ba pha hiện được sử dụng cho các ứng dụng cần hệ thống công suất cao.

Động cơ AC servo được phân loại thành các loại:

• Động cơ Servo quay vị trí
• Động cơ Servo quay liên tục
• Động cơ Servo tuyến tính

Ngoài ra, còn được chia làm 2 loại theo pha như:

• Động cơ servo AC hai pha
• Động cơ 3 pha AC Servo

Ưu điểm của động cơ servo AC:

• Chúng có chi phí thấp.
• Ít phải bảo trì
• Có trọng lượng nhẹ hơn với kích thước nhỏ hơn so với động cơ servo DC.
• Tốc độ cao

Cấu tạo của động cơ Servo

Động cơ Servo là động cơ DC có 5 phần sau:

Stator: Đây là phần đứng yên của động cơ. Nó còn được gọi là cuộn dây trường của động cơ.

Rôto: Đây là loại cuộn dây quấn trên phần quay của động cơ. Nó cũng được gọi là cuộn dây phần ứng của động cơ.

Ổ trục: Có hai phần, tức là, ổ trục trước và ổ trục sau. Được sử dụng cho chuyển động của trục.

Trục: cuộn dây phần ứng được ghép trên thanh sắt được gọi là trục của động cơ.

Bộ mã hóa: Nó có cảm biến tiệm cận xác định tốc độ quay của động cơ và vòng quay mỗi phút của động cơ.

Cơ chế hoạt động của động cơ Servo

Động cơ servo hoạt động dựa trên hệ thống vòng kín tự động. Bộ điều khiển bao gồm một bộ so sánh và phản hồi. Nó có một đầu ra và hai đầu vào.

Trong trường hợp này, để tạo tín hiệu đầu ra, bộ so sánh được sử dụng để so sánh tín hiệu tham chiếu cần thiết và tín hiệu đầu ra này được cảm biến cảm nhận. Tín hiệu đầu vào cho động cơ được gọi là tín hiệu phản hồi.

Trên cơ sở tín hiệu phản hồi, động cơ bắt đầu hoạt động. Tín hiệu so sánh được gọi là tín hiệu logic của động cơ. Động cơ sẽ BẬT trong thời gian mong muốn khi chênh lệch logic cao hơn và động cơ sẽ TẮT trong thời gian mong muốn khi chênh lệch logic thấp hơn.

Về cơ bản, một bộ so sánh được sử dụng để quyết định rằng động cơ sẽ BẬT hay TẮT. Hoạt động đúng của động cơ có thể được thực hiện với sự trợ giúp của bộ điều khiển.

Điều khiển động cơ Servo

Các động cơ servo có thể được điều khiển bằng phương pháp PWM, tức là Điều chế độ rộng xung. Chúng gửi tín hiệu điện có chiều rộng không nhất quán đến động cơ.

Xung độ rộng được thay đổi trong phạm vi từ 1 mili giây đến 2 mili giây và chuyển nó sang động cơ servo với việc lặp lại 50 lần trong một giây. Độ rộng của xung điều khiển vị trí góc của trục quay. Trong đó, ba thuật ngữ được sử dụng cho thấy việc điều khiển động cơ servo, tức là xung tối đa, xung tối thiểu và tốc độ lặp lại.

Ví dụ:

Động cơ servo di chuyển với xung 1 mili giây để quay động cơ về 0˚ trong khi xung 2 mili giây để quay động cơ về phía 180˚ . Giữa các vị trí góc, chính độ rộng xung sẽ tính toán. Do đó, servo chuyển sang 90˚ với xung có chiều rộng 1,5 mili giây.

Có ba dây hoặc một nhóm dây dẫn trong mỗi động cơ servo. Hai dây được sử dụng để cấp nguồn, trong khi dây thứ ba được sử dụng để kiểm soát tín hiệu.

So sánh động cơ servo với động cơ bước

Động cơ servo thường được sử dụng như là một thay thế hiệu suất cao cho động cơ bước.

Động cơ bước điều khiển vị trí vòng hở, không có bất kỳ bộ mã hóa phản hồi nào, vì tín hiệu của chúng chỉ định số bước di chuyển để xoay, vì thế cần phải ‘biết’ vị trí của động cơ bước khi bật nguồn. Do đó, khi bật nguồn đầu tiên, bộ điều khiển sẽ phải kích hoạt động cơ bước và biến nó sang vị trí đã biết.

Ví dụ: Điều khiển động cơ bước trên một máy in phun; bộ điều khiển sẽ di chuyển bộ phận phun mực sang cực bên trái và phải để thiết lập các vị trí cuối. Trong khi đó, một động cơ servo sẽ ngay lập tức chuyển sang bất kỳ góc nào mà bộ điều khiển hướng dẫn nó, bất kể vị trí ban đầu khi bật nguồn.

Bộ mã hóa và bộ điều khiển của động cơ servo tối ưu hóa hiệu suất của toàn bộ hệ thống (cho tất cả tốc độ, công suất và độ chính xác) so với công suất của động cơ cơ bản. Với các hệ thống lớn, việc sử dụng động cơ servo đem lại những hiệu quả chi phí đầu tư và hiệu suất sản xuất, chất lượng sản phẩm.

Nhiều ứng dụng, chẳng hạn như máy cắt laser, có thể chọn lựa tuỳ theo kinh phí, chi phí đầu tư thấp thì sử dụng động cơ bước và ngược lại thì chọn sử dụng động cơ servo để đem đến hiệu suất làm việc cao.

Các ứng dụng của Động cơ Servo

Dưới đây là một số ứng dụng sử dụng động cơ servo để kiểm soát, điều khiển tốc độ:

• Chúng được sử dụng để điều khiển vị trí và chuyển động của thang máy trong điều khiển vô tuyến.
• Chúng đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế chuyển động của robot; vì bật hoặc tắt xung trơn tru và định vị chính xác.
• Chúng được sử dụng trong các hệ thống thủy lực để duy trì chất lỏng thủy lực trong ngành hàng không vũ trụ.
• Chúng được sử dụng để điều khiển tốc độ các động cơ trong ngành công nghiệp ô tô.

“Bộ chuyển đổi tín hiệu của Seneca có các chức năng như: chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến đo mức, chuyển đổi tín hiệu 4-20mA…”

• Sử dụng để điều khiển chính xác hoạt động của băng tải
• Sử dụng trên máy đóng gói, bao bì, đóng nắp chai
• Sử dụng trong hệ thống chiết rót tự động

Nội dung bài viết này, mặc dù chưa nói hết được về động cơ servo. Nhưng cũng đã giới thiệu được những kiến thức cần nhất, cơ bản nhất đến với bạn đọc.

Huphaco hy vọng rằng, những kiến thức má chúng tôi cung cấp sẽ giúp ích cho các bạn; trong quá trình học tập và làm việc trong môi trường kỹ thuật điện nói chung.