Động cơ servo – CHI TIẾT

1.   Định nghĩa động cơ servo là gì

Servo Motor (động cơ servo) được sử dụng phổ biến nhất cho các thiết bị công nghệ cao trong các ứng dụng công nghiệp như công nghệ tự động hóa. Là một bộ truyền động quay hoặc tuyến tính cung cấp khả năng điều khiển vị trí chính xác nhanh chóng cho các ứng dụng điều khiển vị trí vòng kín.

Được thiết kế với đường kính nhỏ và chiều dài roto dài, tốc độ đáp ứng cao do quán tính thấp. Hoạt động trên cơ chế sử dụng phản hồi vị trí roto để điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ. Động cơ servo sẽ bao gồm động cơ, mạch phản hồi, bộ điều khiển và mạch điện tử khác.

2.   Phân loại

Về cơ bản, servo motor được phân loại thành động cơ servo AC và DC tùy thuộc vào nguồn cung cấp.

Động cơ DC servo được sử dụng cho các ứng dụng đơn giản do chi phí thấp, dễ sử dụng.

Với sự tiến bộ của bộ vi xử lý và điện tử công suất, động cơ AC servo được sử dụng thường xuyên hơn do khả năng điều khiển độ chính xác cao và có công suất lớn.

2.1   Động cơ DC servo

Động cơ DC servo là gì

Cấu tạo một động cơ DC servo cơ bản bao gồm: động cơ một chiều và mạch phản hồi encoder. Ngoài ra tùy theo ứng dụng còn có thắng từ, hộp số, mạch điện tử.

Cấu tạo động cơ DC servo

Stato là khung võ máy hình trụ có gắn các nam châm bên trong. Phía sau trục roto người ta có thể gắn đầu dò để đo tốc độ động cơ.

>>>> Xem thêm: Động cơ một chiều là gì

Mạch đọc tốc độ (encoder) bao gồm một chiếc đĩa được đụt lỗ gắn với trục roto, khi động quay kéo theo đĩa quay làm thay đổi tín hiệu của các cảm biến quang. Ta thu được vị trí và tốc độ động cơ dưới dạng các xung vuông.

Nguyên lý hoạt động của encoder

Encoder của AC servo motor thường có hai kênh A, B lệch pha nhau 90⁰ điện phản hồi vị trí, tốc độ, chiều quay của động cơ.

Encoder 2 kênh lệch pha nhau 90⁰

2.2   Động cơ AC servo là gì

Động cơ AC servo là gì

Cấu tạo AC servo motor gồm ba phần chính: stator, roto và encoder.

Cấu tạo động cơ AC servo

Stato bao gồm một cuộn dây cảm ứng tạo ra từ trường quay để cung cấp lực cần thiết làm quay rotor.

Roto được cấu tạo bởi nam châm vĩnh cửu (động cơ AC servo đồng bộ) hoặc dây quấn, lồng sóc (động cơ AC servo không đồng bộ).

Encoder của động cơ AC servo thường có 6 kênh như hình dưới. Giúp điều khiển chính xác tốc độ, vị trí, moment động cơ.

Encoder 6 kênh trên động cơ AC servo

3.   Nguyên lý hoạt động của động cơ servo là gì

AC servo motor được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển vòng kín.

Tín hiệu điều khiển được đưa vào các bộ điều khiển là các driver động cơ servo. Bộ điều khiển xuất điện áp làm quay động cơ, tín hiệu phản hồi gửi về từ encoder sẽ xác định vị trí, tốc độ của động cơ. Động cơ sẽ quay đến tốc độ hay vị trí mong muốn.

Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo

4.   Chế độ điều khiển vòng kín của động cơ servo là gì

4.1   Điều khiển vị trí (position loop)

Điều khiển vị trí động cơ

Vị trí được hiểu là vị trí góc tuyệt đối của trục động cơ hoặc là vị trí của thiết bị truyền động bởi loại động cơ này.

Khi động cơ thay đổi vị trí, encoder sẽ gửi phản hồi vị trí thực tế của trục động cơ tới bộ điều khiển servo motor.

Mạch vòng vị trí sẽ tiến hành so sánh vị trí đặt và vị trí thực tế; từ sai số nhận được và các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển tự động điều chỉnh vị trí trục quay động cơ theo thời gian thực để triệt tiêu sai lệch vị trí.

Theo cách này, động cơ sẽ thực hiện chính xác theo thông số đã đặt trước ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi. Ví dụ như, nếu thiết bị truyền động bởi động cơ trở nên khó di chuyển, bộ điều khiển động cơ servo sẽ điều khiển tăng mô men sinh ra hoặc điều khiển động cơ vận hành trong khoảng thời gian lâu hơn để đạt được vị trí mong muốn bất chấp ma sát của cơ cấu truyền động.

Video mô tả điều khiển vị trí động cơ servo

4.2   Điều khiển tốc độ (velocity loop)

Điều khiển tốc độ động cơ

Tốc độ ở đây được hiểu là vận tốc và chiều quay của động cơ servo. Khi động cơ tăng tốc hoặc giảm tốc, encoder sẽ gửi vận tốc và chiều quay thực tế tới bộ điều khiển servo motor.

Mạch vòng tốc độ sẽ so sánh tốc độ đặt với tốc độ hiện tại; dựa vào sai số tốc độ và các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển động cơ sẽ tự động điều chỉnh vận tốc động cơ theo thời gian thực để đạt được các yêu cầu của ứng dụng.

Theo cách này, động cơ sẽ thực hiện đúng theo các thông số đã cài đặt ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi. Ví dụ như, nếu động cơ truyền động cho một cơ cấu có trọng lượng lớn, động cơ sẽ rất khó để giảm tốc. Trong trường hợp này, động cơ có thể tăng mô men nghịch để dừng tải trong khoảng thời gian và khoảng cách theo yêu cầu của ứng dụng.

Video mô tả điều khiển vị trí động cơ servo

4.3   Điều khiển moment (current loop)

Mô men của động cơ servo là lực tạo ra từ chuyển động quay của rotor động cơ.

Mô men tạo ra tỉ lệ thuận với dòng điện hiệu dụng chạy trong cuộn dây stator của động cơ. Dòng hiệu dụng càng cao, mô men sinh ra càng lớn. Mạch vòng dòng điện đôi khi được hiểu là mạch vòng mô men.

Bộ điều khiển sẽ đo trị số dòng hiệu dụng chạy trong cuộn dây stator và dùng phản hồi giá trị này để tự động điều chỉnh dòng điện trong động cơ theo thời gian thực nhằm đáp ứng được yêu cầu moment của ứng dụng.

5.   Các loại tín hiệu điều khiển đầu vào

Các bộ điều khiển servo hiện nay cho phép điều khiển bằng nhiều loại tín hiệu như thông qua truyền thông máy tính, điều khiển bằng điện áp analog, xung PWM, encoder 2 kênh (Quad encoder).

5.1   Xung PWM 50% (50% Duty Cycle)

Tín hiệu đầu vào là xung PWM có tần số cố định và chỉ thay đổi độ rộng của xung (thay đổi thời gian T_ON và T_OFF, T = T_ON + T_OFF không đổi).

Hình bên dưới cho thấy tốc độ động cơ tăng dần khi ta tăng độ rộng xung tín hiệu. Khi độ rộng xung bằng 50% (tức T_ON = T_ON) thì động cơ đổi chiều quay.

Loại điều khiển xung PWM 50 %

5.2   Xung PWM 100% (100% Duty Cycle)

Tín hiệu đầu vào một ngõ là xung PWM và một ngõ là mức điện áp DC điều khiển chiều quay của động cơ.

Tốc độ động cơ tăng dần khi ta tăng độ rộng xung tín hiệu từ 0 – 100% và ngược lại. Khi thay đổi mức điện áp ngõ chân điều khiển chiều quay, thì chiều quay của động cơ thay đổi.

Loại điều khiển xung PWM 100 %

5.3   Xung và chiều (Pulse and Direction)

Một ngõ vào nhận tín hiệu là một chuỗi xung vuông, động cơ sẽ quay đến khi ngừng phát xung vào chân này. Tốc độ động cơ tỉ lệ thuận với tần số của chuỗi xung tín hiệu.

Một ngõ vào khác nhận mức điện áp cao hay thấp để diều khiển chiều quay.

Loại điều khiển xung và chiều

5.4   Đếm lên, đếm xuống (Count Up/Count Down)

Ngõ vào đếm lên: ngõ vào nhận tín hiệu là một chuỗi xung vuông, khi có xung tín hiệu đưa vào chân này động cơ sẽ quay chiều thuận đến khi ngừng phát xung.

Ngõ vào đếm xuống: khi có xung tín hiệu đưa vào chân này động cơ sẽ quay chiều ngược đến khi ngừng phát xung.

Tốc độ động cơ sẽ tỉ lệ thuận với tần số xung tín hiệu.

Loại điều khiển đếm lên và đếm xuống

5.5   Encoder hai kênh lệch pha nhau 90⁰ (Quadrature)

Encoder xoay có 2 kênh A, B lệch pha nhau 90⁰

Hai ngõ đầu vào nhận xung tín hiệu từ hai kênh của encoder, khi quay trục encoder thì động cơ quay theo tương ứng. Tốc độ và chiều của động phụ thuộc chiều quay và tốc độ của encoder.

Loại điều khiển encoder 2 kênh

Video mô tả điều khiển vị trí

5.6   Điều khiển bằng điện áp (Analog command)

Khi điện áp ngõ vào tăng từ -10V đến 0V thì động cơ sẽ quay theo chiều nghịch, tốc độ động cơ giảm dần về 0.

Khi điện áp ngõ vào tăng từ 0 đến 10V thì động cơ quay theo chiều thuận, tốc độ động cơ tăng dần đến tốc độ tối đa.

Ngõ ra động cơ có thể được điều khiển ở chế độ vận tốc, hay moment.

Loại điều khiển bằng điện áp ± 10V

6. Mua động cơ DC servo giá rẻ, chất lượng

Động cơ servo nhiều loại với giá rẻ, uy tín