Bạn đã bao giờ nghĩ về cách điều khiển một xe robot thường được sử dụng trong ứng dụng quân sự với chức năng giam giữ bom hay cách máy cắt và tạo hình kim loại cung cấp chuyển động chính xác để phay, tiện và uốn để chế tạo kim loại hoặc cách một hệ thống định vị ăng-ten điều khiển độ chính xác theo phương vị và độ cao?
Như bạn sẽ tìm hiểu trong bài viết này, các ứng dụng động cơ servo được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống vòng kín, nơi điều khiển vị trí chính xác thường thấy trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại.
Xem Nhanh Nội Dung
Kiến thức cơ bản về động cơ Servo
Động cơ servo là một thiết bị điện độc lập, quay các bộ phận của máy với hiệu suất cao 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 làm được.
Động cơ servo là một phần của hệ thống vòng kín và 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 và bộ mã hóa (encoder) hoặc bộ giải mã.
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 cơ chế vòng kín kết hợp phản hồi vị trí để điều khiển tốc độ và vị trí quay hoặc tuyến tính.
Động cơ được điều khiển bằng tín hiệu điện, tương tự (analog) hoặc kỹ thuật số (Digital), xác định lượng chuyển động đại diện cho vị trí lệnh cuối cùng của trục.
Một loại bộ mã hóa đóng vai trò như một cảm biến cung cấp phản hồi về tốc độ và vị trí. Mạch này được xây dựng ngay bên trong vỏ động cơ thường được lắp với hệ thống bánh răng.
Các loại động cơ Servo
Các loại Động cơ Servo được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên ứng dụng của chúng, chẳng hạn như động cơ servo AC và động cơ servo DC.
Có ba cân nhắc chính để đánh giá động cơ servo. Đầu tiên dựa trên loại dòng điện của chúng – AC hoặc DC, và thứ hai là loại chuyển mạch được sử dụng, động cơ có sử dụng chổi than hay không và loại xem xét thứ ba là trường quay động cơ, rôto, cho dù chuyển động quay là đồng bộ hay không đồng bộ.
Động cơ Servo AC và DC
Hãy thảo luận về việc xem xét servo đầu tiên. Xem xét AC hoặc DC là phân loại cơ bản nhất của động cơ dựa trên loại dòng điện mà nó sẽ sử dụng.
Nhìn vào nó từ quan điểm hiệu suất, sự khác biệt cơ bản giữa động cơ AC và DC là ở khả năng kiểm soát tốc độ.
Với động cơ điện một chiều, tốc độ tỷ lệ thuận với điện áp cung cấp với tải không đổi.
Và trong động cơ xoay chiều, tốc độ được xác định bởi tần số của điện áp đặt vào 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 ứng dụng servo như với rô bốt, sản xuất trong dây chuyền và các ứng dụng công nghiệp khác đòi hỏi số lần lặp lại cao và độ chính xác cao.
Loại chuyển mạch Động cơ Servo
Loại chuyển mạch là bước tiếp theo. Động cơ DC Servo được chuyển mạch cơ học với chổi than, sử dụng cổ góp hoặc điện tử không có chổi than.
Động cơ có chổi than thường ít tốn kém hơn và vận hành đơn giản hơn, trong khi thiết kế không chổi than đáng tin cậy hơn, hiệu suất cao hơn và ít ồn hơn.
Cổ góp là một công tắc điện quay theo chu kỳ đảo chiều dòng điện giữa rôto và mạch truyền động.
Nó bao gồm một hình trụ được cấu tạo bởi nhiều đoạn tiếp xúc bằng kim loại trên rôto. Hai hoặc nhiều tiếp điểm điện được gọi là “chổi than” được làm bằng vật liệu dẫn điện mềm như carbon ép vào cổ góp, tạo ra tiếp điểm trượt với các đoạn của cổ góp khi nó quay.
Trong khi phần lớn động cơ được sử dụng trong hệ thống servo là thiết kế không chổi than xoay chiều, 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 chổi than và cổ góp vật lý bằng một phương tiện điện tử để đạt được sự chuyển mạch, thường thông qua việc sử dụng cảm biến hiệu ứng 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.
Động cơ Đồng bộ hoặc không đồng bộ
Và phân loại cuối cùng cần xem xét là ứng dụng động cơ servo sẽ sử dụng 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 quay của trường đồng bộ hoặc không đồng bộ của chúng.
Nếu chúng ta nhớ lại từ việc xem xét AC-DC, rằng trong động cơ AC, tốc độ được xác định bởi tần số của điện áp cung cấp và số lượng cực từ.
Tốc độ này được gọi là tốc độ đồng bộ. Do đó, trong động cơ đồng bộ, rôto quay cùng tốc độ với từ trường quay của stato.
Tuy nhiên, trong động cơ không đồng bộ, thường được gọi là động cơ cảm ứng, rôto quay với tốc độ chậm hơn từ trường quay của stato.
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.
Nguyên lý hoạt động của Động cơ Servo
Nguyên lý Động cơ DC
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 một 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 bộ chuyển đổi 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 mong muốn.
Đối với điều khiển kỹ thuật số, PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động khác được sử dụng để tạo xung theo chu kỳ nhiệm vụ 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 lỗi.
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 mong muốn của động cơ tạo ra sai số của điện áp dương hoặc âm.
Điện áp lỗi 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 lỗi, bộ khuếch đại so sánh sẽ khuếch đại điện áp lỗi 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 Động cơ AC
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 rôto. 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.
Rôto bao gồm một nam châm vĩnh cửu và điều này khác với rôto kiểu cảm ứng không đồng bộ ở chỗ dòng điện trong rôto 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, rôto 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 kiểu đồng bộ.
Với rôto nam châm vĩnh cửu này, không cần dòng điện rôto nên khi trường stato giảm dần và dừng thì rôto cũng dừng lại. Các động cơ này có hiệu suất cao hơn do không có dòng điện rôto.
Khi vị trí của rôto so với stato được yêu cầu, một bộ mã hóa được đặt trên rôto 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 và rôto bao gồm trục và cuộn dây lõi rôto.
Hầu hết các động cơ cảm ứng có chứa một phần tử quay, rôto 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 rôto gây ra lực điện từ cảm ứng trong các dây dẫn của rôto theo định luật cảm ứng điện từ Faraday. Đây là hành động tương tự xảy ra trong máy biến áp.
Bây giờ, dòng điện cảm ứng trong rôto cũng sẽ tạo ra một trường từ thông xoay chiều xung quanh chính nó. Từ thông của rôto này chậm hơn từ thông của stato.
Vận tốc rôto liên quan giữa từ thông stato quay và rôto quay cùng chiều với từ thông stato.
Rôto không bắt kịp tốc độ từ thông stato hoặc không được đồng bộ, do đó loại không đồng bộ bắt nguồn.
Ứng dụng động cơ Servo
Các ứng dụng động cơ servo được áp dụng trong nhiều hệ thống và sản phẩm công nghiệp và 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 để làm sắc nét những hình ảnh bị mất nét.
Và với các hệ thống định vị ăng-ten trong đó động cơ servo được sử dụng cho cả định vị phương vị và trục độ cao của ăng-ten và kính thiên văn như được sử dụng bởi Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia.
Phần này kết thúc bài đăng trên blog, Động cơ Servo là gì và cách hoạt động của nó. Tôi hy vọng bạn đã học được những gì cần thiết để tiến lên trong việc tạo dự án điều khiển chuyển động của riêng bạn.
Cảm ơn Bạn đã đọc bài chia sẻ
Chúc Bạn thành công!
Tâm Mr. – Admin
Bài viết được tham khảo từ REALPARS
Bài viết cùng chuyên mục:
- Biến tần là gì? Nguyên lý hoạt động, Ưu điểm của biến tần trong điều khiển động cơ
- Máy nén khí biến tần (VSD) có phải là lựa chọn phù hợp để đạt hiệu quả năng lượng tối ưu không?
- Hiểu về Máy nén khí, Các cân nhắc khi chọn Máy nén khí
- Quạt công nghiệp, Phân loại, Cấu tạo, Ưu và Nhược điểm từng loại
- Cảm biến áp suất là gì? Các công nghệ chế tạo và Nguyên lý hoạt động
- Các loại Cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp – Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Bộ điều khiển PID là gì?
Thư viện bài viết:
