Động cơ Servo là gì và hoạt động như thế nào?

Bạn đã bao giờ nghĩ về cách điều khiển một robot thực hiện chức năng dò bom thường được sử dụng trong quân sự? Cách cắt kim loại và tạo hình kim loại để thực hiện những chuyển động chính xác như phay, tiện và uốn? Cách điều khiển chính xác theo phương vị và độ cao cho ăng-ten?

Trong bài này, bạn sẽ được tìm hiểu về điều khiển chuyển động bằng cách sử dụng các loại động cơ khác nhau hiện có, chủ yếu là động cơ bước và động cơ servo. Các ứng dụng của động cơ servo được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống vòng kín, nơi vị trí kiểm soát chính xác thường thấy trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại.

Trước tiên, hãy xác định động cơ servo là gì, nó hoạt động như thế nào và xem xét một số ứng dụng, tính năng độc đáo của các loại động cơ servo.

Khái niệm cơ bản về động cơ servo

Động cơ servo là một phần của hệ thống vòng kín, bao gồm một số bộ phận cụ thể là mạch điều khiển, động cơ servo, trục, chiết áp, bánh răng truyền động, bộ khuếch đại, bộ mã hóa hoặc bộ phân giải.

Động cơ servo là một thiết bị điện độc lập, điều khiển các bộ phận máy với hiệu suất và độ chính xác cao. Trục đầu ra của động cơ này có thể được di chuyển đến một góc, vị trí và vận tốc cụ thể mà động cơ thông thường không có.

Động cơ servo sử dụng một động cơ thông thường và kết hợp nó với một cảm biến để phản hồi vị trí. Bộ điều khiển là bộ phận quan trọng nhất của động cơ servo được thiết kế và sử dụng đặc biệt cho mục đích này.

Động cơ servo là một thiết bị vòng kín kết hợp phản hồi vị trí để điều khiển tốc độ tuyến tính và vị trí quay.

Động cơ được điều khiển bằng tín hiệu điện, giống với tín hiệu analog hoặc kỹ thuật số, nó giúp xác định lượng chuyển động đại diện cho vị trí lệnh cuối cùng của trục.

Một bộ mã hóa đóng vai trò như một cảm biến cung cấp phản hồi về tốc độ và vị trí. Mạch điện này được thiết kế ngay bên trong vỏ động cơ thường được lắp với hệ thống bánh răng.

Các loại động cơ servo

Động cơ Servo được phân loại dựa trên ứng dụng của chúng, chẳng hạn như động cơ servo AC và động cơ servo DC.

Có ba tiêu chí để đánh giá động cơ servo. Đầu tiên dựa trên loại hiện tại của chúng – AC hoặc DC, thứ hai là loại chuyển mạch được sử dụng, động cơ có sử dụng chổi than hay không và loại thứ ba là xem xét trường quay động cơ, rô-tơ, có đồng bộ hay không đồng bộ.

AC hoặc DC là phân loại cơ bản nhất của động cơ dựa trên loại dòng điện mà nó sẽ sử dụng. Nhìn từ quan điểm hiệu suất, sự khác biệt cơ bản giữa động cơ AC và DC là ở khả năng điều khiển tốc độ.

Với động cơ điện một chiều, tốc độ tỷ lệ thuận với điện áp trong điều kiện tải không đổi. Và trong động cơ xoay chiều, tốc độ được xác định bởi tần số của điện áp và số lượng cực từ.

Trong khi cả động cơ AC và DC đều được sử dụng trong hệ thống servo, động cơ AC sẽ chịu được dòng điện cao hơn và được sử dụng phổ biến hơn trong các rô bốt, dây chuyền sản xuất và các ứng dụng công nghiệp khác đòi hỏi số lần lặp lại liên tục, độ chính xác cao.

Động cơ DC servo có hai loại: loại sử dụng chổi than hoặc không chổi than. Động cơ sử dụng chổi than là loại động dùng bộ chuyển mạch và chổi than để cung cấp điện cho cuộn dây. Động cơ không có chổi than là loại động cơ hoạt động dựa vào từ trường vĩnh cữu và cảm biến xác định vị trí.

Động cơ có chổi than có giá thành rẻ hơn và sử dụng đơn giản hơn, trong khi loại không chổi than có thiết kế chắc chắn hơn, hiệu suất cao và ít ồn hơn.

Bộ chuyển mạch là một công tắc điện quay theo chu kỳ đảo chiều dòng điện giữa rô-tơ và mạch truyền động.

Nó bao gồm một hình trụ được cấu tạo bởi nhiều đoạn tiếp xúc bằng kim loại trên rô-tơ. Hai hoặc nhiều tiếp điểm điện được gọi là “chổi than” làm bằng vật liệu mềm có thể dẫn điện như carbon ép vào bộ chuyển mạch tạo ra tiếp điểm trượt với các đoạn của bộ chuyển mạch khi nó quay.

 Trong khi phần lớn động cơ được sử dụng trong hệ thống servo là loại không chổi than AC, động cơ nam châm vĩnh cửu có chổi than đôi khi được sử dụng làm động cơ servo vì tính đơn giản và chi phí thấp.

Loại động cơ DC có chổi than phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng servo là động cơ DC nam châm vĩnh cửu.

Động cơ DC không chổi than thay thế loại có chổi than và bộ chuyển mạch bằng một phương tiện điện tử hoàn thiện việc chuyển mạch, thường thông qua việc sử dụng cảm biến Hall hoặc bộ mã hóa.

Động cơ AC thường không có chổi than, mặc dù có một số thiết kế – chẳng hạn như động cơ phổ thông, có thể chạy bằng nguồn AC hoặc DC có chổi than và được chuyển mạch cơ học.

Và phân loại cuối cùng cần xem xét là ứng dụng động cơ servo sẽ sử dụng từ trường quay đồng bộ hay không đồng bộ.

Trong khi động cơ điện một chiều thường được phân loại là có chổi than hoặc không chổi than, động cơ điện xoay chiều thường được phân biệt bằng tốc độ của từ trường quay đồng bộ hoặc không đồng bộ.

Nếu xem lại ở phần phân loại AC – DC thì động cơ AC, tốc độ được xác định bởi tần số điện áp và số lượng cực từ.

Tốc độ này được gọi là tốc độ đồng bộ. Do đó, trong động cơ đồng bộ, rô-tơ quay cùng tốc độ với tộc độ quay của từ trường.

Tuy nhiên, trong động cơ không đồng bộ, thường được gọi là động cơ điện cảm ứng, rô-tơ quay với tốc độ chậm hơn tốc độ quay của từ trường.

Tuy nhiên, tốc độ của động cơ không đồng bộ có thể thay đổi bằng cách sử dụng một số phương pháp điều khiển như thay đổi số cực và thay đổi tần số chỉ đặt tên cho một số cặp.

Nguyên lý hoạt động của động cơ servo DC là cấu tạo của bốn thành phần chính: động cơ DC, thiết bị cảm biến vị trí, cụm bánh răng và mạch điều khiển. Tốc độ mong muốn của động cơ DC dựa trên điện áp được áp dụng.

Để điều khiển tốc độ động cơ, một chiết áp tạo ra điện áp được áp dụng làm một trong những đầu vào cho bộ khuếch đại lỗi.

Trong một số mạch, xung điều khiển được sử dụng để tạo ra điện áp tham chiếu DC tương ứng với vị trí hoặc tốc độ mong muốn của động cơ và nó được áp dụng cho điều chế điện áp độ rộng xung.

Độ dài của xung quyết định điện áp đặt tại bộ khuếch đại lỗi như một điện áp mong muốn để tạo ra tốc độ hoặc vị trí.

Đối với điều khiển kỹ thuật số, PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động khác được sử dụng để tạo xung theo chu kỳ nhằm tạo ra điều khiển chính xác hơn.

Cảm biến tín hiệu phản hồi thông thường là một chiết áp tạo ra điện áp tương ứng với góc tuyệt đối của trục động cơ thông qua cơ cấu bánh răng. Sau đó, giá trị điện áp phản hồi được áp dụng tại đầu vào của bộ khuếch đại so sánh chênh lệch.

Bộ khuếch đại so sánh điện áp được tạo ra từ vị trí hiện tại của động cơ do phản hồi của chiết áp và vị trí của động cơ tạo ra sai số do chênh lệch điện áp dương hoặc âm.

Điện áp chênh lệch này được áp dụng cho phần ứng của động cơ. Khi sai số tăng lên, điện áp đầu ra được áp dụng cho phần ứng động cơ. Miễn là có chênh lệch, bộ khuếch đại so sánh sẽ khuếch đại điện áp chênh lệch và cấp nguồn tương ứng cho phần ứng.

Động cơ quay cho đến khi sai số trở thành 0. Nếu sai số âm, điện áp phần ứng đảo chiều và do đó phần ứng quay theo hướng ngược lại.

Nguyên lý làm việc của động cơ AC servo dựa trên cấu tạo với hai loại động cơ AC servo khác nhau, chúng là đồng bộ và không đồng bộ (cảm ứng).

Động cơ servo xoay chiều đồng bộ bao gồm stato và rô-tơ. Stato bao gồm một khung hình trụ và lõi stato.

Cuộn dây phần ứng quấn quanh lõi stato và cuộn dây được nối với dây dẫn qua đó cung cấp dòng điện cho động cơ.

Rô-tơ bao gồm một nam châm vĩnh cửu và điều này khác với rô-tơ loại cảm ứng không đồng bộ ở chỗ dòng điện trong rô-tơ được tạo ra bởi điện từ và do đó những loại này được gọi là động cơ servo không chổi than.

Khi trường stato được kích thích với điện áp, rô-tơ chạy theo từ trường quay của stato với cùng tốc độ hoặc đồng bộ với trường kích thích của stato, và đây là nơi xuất phát loại đồng bộ.

Với rô-tơ nam châm vĩnh cửu này, không cần dòng điện trong rô-tơ nên khi trường stato giảm dần và dừng thì rô-tơ cũng dừng lại. Các động cơ này có hiệu suất cao hơn do không có dòng điện rô-tơ.

Khi cần biết vị trí của rô-tơ so với stato, bộ mã hóa được đặt trên rô-tơ và cung cấp phản hồi cho bộ điều khiển động cơ servo.

Stato động cơ servo xoay chiều không đồng bộ hoặc cảm ứng bao gồm lõi stato, cuộn dây phần ứng và dây dẫn; rô-tơ bao gồm trục và cuộn dây lõi rô-tơ. Hầu hết các động cơ cảm ứng có chứa một phần tử quay, rô-tơ hoặc lồng sóc.

Chỉ có cuộn dây stato được cấp nguồn xoay chiều.Trường từ thông xoay chiều được tạo ra xung quanh cuộn dây stato với nguồn điện xoay chiều. Trường từ thông xoay chiều này quay với tốc độ đồng bộ.

Từ thông quay vòng được gọi là từ trường quay (RMF). Tốc độ tương đối giữa từ trường quay của stato và các dây dẫn của rô-tơ gây ra lực điện từ cảm ứng trong các dây dẫn của rô-tơ theo định luật cảm ứng điện từ Faraday. Đây là hiện tượng tương tự xảy ra trong máy biến áp.

Bây giờ, dòng điện cảm ứng trong rô-tơ cũng sẽ tạo ra một trường từ thông xoay chiều xung quanh chính nó. Từ thông của rô-tơ này chậm hơn từ thông của stato.

Vận tốc rô-tơ liên quan giữa từ thông stato quay và rô-tơ quay cùng chiều với từ thông stato.

Rô-tơ không bắt kịp tốc độ từ thông của stato hoặc không đồng bộ, do đó loại không đồng bộ được tạo ra.

Ứng dụng động cơ servo

Các ứng dụng động cơ servo được áp dụng trong nhiều hệ thống và sản phẩm công nghiệp, thương mại, chẳng hạn như với robot, trong đó động cơ servo được sử dụng ở mọi “khớp” của robot để thực hiện góc chuyển động chính xác của nó.

Tính năng lấy nét tự động của máy ảnh sử dụng một mô-tơ servo được tích hợp trong máy ảnh để điều chỉnh chính xác vị trí của ống kính, làm sắc nét những hình ảnh ngoài tiêu cự.

Và với các hệ thống định vị ăng-ten, động cơ servo được sử dụng cho cả định vị phương vị, trục độ cao của ăng-ten và kính thiên văn được sử dụng bởi Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia.