Servo Motor Là Gì

Bạn có bao giờ tự hỏi rằng:

  • Làm cách nào để điều khiển một xe robot sử dụng trong ứng dụng quân sự có chức năng giữ bom mìn chính xác tuyệt đối ? 
  • Cách nào để một máy cắt và tạo hình cho kim loại trong ngành cơ khí có thể thao tác chính xác việc tiện, phay và uốn để chế tạo kim loại ?
  • Làm sao một hệ thống định vị anten kiểm soát được chính xác theo phương vị và độ cao ?

Bạn sẽ có câu trả lời cho các câu hỏi trên sau khi đọc xong bài viết này. Nội dung chính mà tôi sẽ chia sẻ trong bài hôm nay chính là những kiến thức liên quan đến Servo Motor hay còn gọi là động cơ servo. 

servo motor là gì
Động cơ bước, động cơ cảm ứng và động cơ servo

Các nội dung chính của bài viết như sau:

  • Khái niệm servo motor là gì ?
  • Nguyên lý hoạt động của servo motor
  • Phân loại và ứng dụng của động cơ servo

Trước tiên chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu các kiến thức cơ bản về động cơ servo nhé.

1. Servo motor là gì ?

khái niệm động cơ servo là gì
Servo Motor trong một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh

Servo motor hay động cơ servo là một bộ phận của hệ thống Servo. Hệ thống servo là một hệ thống truyền động điều khiển hồi tiếp vòng kín, nhận tín hiệu và thực hiện một cách chính xác, nhanh chóng theo lệnh của PLC. Một hệ thống là sự kết hợp của các bộ phận như: mạch điều khiển; động cơ servo; trục xoay; chiết áp; bánh răng truyền động; bộ khuếch đại; bộ mã hóa và bộ phân giải.

Động cơ servo là một thiết bị điện độc lập. Nó sẽ xoay và cung cấp lực kéo cho các thiết bị khác hoặc một cơ cấu truyền động trong quá trình sản xuất, chế tạo.

Không giống như các động cơ thông thường khác. Trục quay của động cơ servo có thể được di chuyển đến một góc, một vị trí và một vận tốc cụ thể.

tín hiệu hồi tiếp vòng kín của servo motor
Tín hiệu hồi tiếp vòng kín trong hệ thống servo

Động cơ servo sẽ sử dụng một motor kết hợp với cảm biến để hồi tiếp lại vị trí. Trong đó, mạch điều khiển là bộ phận quan trọng nhất của động cơ servo. 

Động cơ được điều khiển bằng tín hiệu điện, cả tương tự và tín hiệu số. Dựa vào tín hiệu điều khiển mà cảm biến sẽ xác định được vị trí cuối cùng của trục.

Bộ encoder đóng vai trò giống như một cảm biến để cung cấp các hồi tiếp về tốc độ và vị trí về mạch điều khiển. Do đó nếu có yếu tố bất kỳ nào cản trở chuyển động quay của động cơ. Cảm biến sẽ nhận biết và phản hồi về để mạch điều khiển điều chỉnh để động cơ hoạt động chính xác nhất.

2. Servo Motor là gì và có bao nhiêu loại trên thế giới ?

ac servo motor là gì dc servo motor là gì
Phân loại động cơ servo

Thông thường khi phân loại động cơ servo, chúng ta sẽ chia làm hai loại dựa trên ứng dụng của nó là: AC servo motor và DC servo motor.

Tuy nhiên cách phân loại trên chưa rõ ràng và khó hiểu cho các bạn lần đầu tìm hiểu về động cơ này. Do đó tôi sẽ phân loại theo một cách khác. Đó là dựa vào ba yếu tố chính là:

  • Thứ nhất là loại dòng điện mà chúng sử dụng: có AC và DC
  • Thứ hai là động cơ có sử dụng chổi than hay không
  • Thứ ba là dựa vào loại động cơ đồng bộ hay bất đồng bộ

♦ Phân biệt servo motor dựa vào dòng điện sử dụng là điện xoay chiều (AC) hay điện một chiều (DC)

ac servo motor và dc servo motor
AC servo motor và DC servo motor

Sự khác biệt chính của động cơ Servo AC và DC chính là khả năng kiểm soát tốc độ.

  • DC Servo Motor: tốc độ sẽ tỷ lệ thuận với điện áp làm việc trong điều kiện tải không đổi
  • AC Servo Motor: tốc độ sẽ phụ thuộc vào tần số của điện áp và số lượng cực từ

Xét ưu nhược điểm của hai loại này thì:

  • Động cơ AC chịu được dòng điện cao hơn và được sử dụng phổ biến hơn trong các ứng dụng như: robot; dây chuyền sản xuất và các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao
  • Động cơ DC thì dễ điều khiển; giá thành thấp nhưng nhược điểm gây ra tiếng ồn khi vận hành; nhiệt độ sinh ra khi làm việc cao

♦ Phân biệt servo motor dựa vào cấu tạo sử dụng chổi than hay không sử dụng chổi than

servo motor chổi than và không có chổi than
So sánh động cơ servo dùng chổi than và không dùng chổi than
  • Động cơ có chổi than: giá thành thấp, dễ sử dụng
  • Động cơ không có chổi than: thiết kế đáng tin cậy hơn, hiệu suất cao hơn và ít tiếng ồn hơn

Trong một số tài liệu chúng ta có thể bắt gặp khái niệm “Commutator”. Chúng ta có thể tạm dịch là bộ chuyển mạch. Đây là một công tắc xoay bằng điện, chức năng của nó là định kỳ đảo chiều dòng điện giữa rotor và mạch truyền động.

Động cơ có chổi than thường là DC Servo Motor. Cấu tạo của nó gồm: stator, rotor, chổi than và cuộn cảm. 

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

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

♦ Phân biệt servo motor dựa vào loại động cơ đồng bộ và không đồng bộ

động cơ servo đồng bộ và không đồng bộ
Động cơ đồng bộ và bất đồng bộ

Trong khi động cơ DC Servo được chia ra làm hai loại là có sử dụng chổi than và không có sử dụng chổi than. Thì động cơ AC Servo thường được phân biệt bằng tốc độ quay đồng bộ và không đồng bộ.

Như chúng ta đã biết rằng động cơ Servo AC có tốc độ quay được xác định bằng tần số của điện áp và lượng cực từ. Tốc độ đó được gọi là tốc độ đồng bộ. 

Trong động cơ đồng bộ, rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay của stator.

Còn đối với động cơ không đồng bộ (thường được gọi là động cơ cảm ứng) rotor quay với tốc độ chậm hơn từ trường quay của stator.

Chúng ta có thể thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách sử dụng một số phương pháp điều khiển như: thay đổi số cực, thay đổi tần số.

3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của DC Servo Motor

nguyên lý làm việc của dc servo motor
Nguyên lý làm việc của động cơ servo DC

Động cơ Servo DC được cấu tạo từ bốn thành phần chính: động cơ DC; thiết bị cảm nhận vị trí (cảm biến); cụm bánh răng và mạch điều khiển.

Để điều khiển tốc độ động cơ, một chiết áp sẽ tạo ra một điện áp đặt vào input của bộ khuếch đại lỗi. Trong một số ứng dụng, xung điều khiển được sử dụng để tạo ra điện áp tham chiếu DC tương ứng với vị trí và tốc độ mong muốn của động cơ. 

Độ lớn của xung quyết định đến điện áp đặt tại bộ khuếch đại tương ứng với vị trí và tốc độ mong muốn. 

Trong các ứng dụng điều khiển kỹ thuật số. PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động khác được dùng để tạo ra xung theo chu kỳ nhất định nhằm điều khiển chính xác hơn.

Cảm biến tín hiệu hồi tiếp 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 hồi tiếp được áp lên đầu vào của bộ khuếch đại so sánh lỗi.

Bộ khuếch đại này so sánh điện áp tạo ra từ vị trí hiện tại của động cơ và vị trí mong muốn của động cơ để tính ra điện áp chênh lệch (dương hoặc âm).

Miễn có lỗi thì bộ khuếch đại sẽ khuếch đại điện áp lỗi và cấp nguồn tương ứng cho phần ứng. Động cơ quay cho đến khi sai số bằng 0. Nếu sai số âm, điện áp phần ứng đảo chiều và xoay theo hướng ngược lại.

4. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của AC Servo Motor

cấu tạo của ac servo motor
Cấu tạo của động cơ servo AC

Động cơ Servo đồng bộ AC được cấu tạo từ stator; rotor; cuộn dây phần ứng; dây dẫn cấp điện cho động cơ.

Phần rotor của động cơ đồng bộ AC là một nam châm vĩnh cửu. Điều này khác với động cơ không đồng bộ AC ở chỗ dòng điện trong rotor được tạo ra bởi điện từ. Do đó chúng thường được gọi là động cơ servo không chổi than.

Khi stator được kích bởi điện áp, rotor sẽ chạy theo từ trường xoay của nó với cùng tốc độ. Với rotor nam châm vĩnh cửu này, không cần sử dụng dòng của rotor nên khi stator dừng lại thì rotor cũng dừng theo. Do đó động cơ có hiệu suất cao hơn.

♠ Động cơ Servo không đồng bộ AC bao gồm lõi stator; cuộn dây phần ứng; dây dẫn và rotor (trục và cuộn dây lõi rotor).

Hầu hết các động cơ cảm ứng có chứa một phần tử xoay; rotor hoặc lồng sóc.

Chỉ có cuộn dây stator được cấp nguồn xoay chiều. Từ thông được tạo ra xung quanh cuộn dây stator với nguồn AC. Từ thông xoay chiều này quay với tốc độ đồng bộ.

Từ thông quay vòng được gọi là từ trường quay. Tốc độ tương đối giữa từ trường quay của stator và các dây dẫn của rotor tạo ra lực cảm ứng trong các dây dẫn rotor theo định luật Faraday. Hành động này xảy ra tương tự như trong máy biến áp.

Lúc này dòng điện cảm ứng trong rotor cũng tạo ra một từ thông xoay chiều xung quanh nó. Từ thông này sẽ chậm hơn từ thông của stator.

Do đó chúng ta hay gọi nó là động cơ không đồng bộ.

5. Ứng dụng của Servo Motor là gì ?

ứng dụng của servo motor
Các ứng dụng của động cơ servo trên thực tế

Động cơ Servo được ứng dụng trong rất nhiều hệ thống và sản phẩm công nghiệp – thương mại. 

  • Ví dụ như robot trong đó các động cơ servo sẽ dùng điều khiển các khớp của robot nhằm thực hiện chính xác các hành động của robot
  • Hay như tính năng lấy nét tự động của máy ảnh sử dụng một động cơ servo được tích hợp trong máy ảnh để điều chỉnh chính xác vị trí của ống kính
  • Một ứng dụng khác của servo motor là ở đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia. Nó sẽ được ứng dụng để tự động điều chỉnh phương vị và trục độ cao của anten và kính quan sát thiên văn

Tóm lại servo motor có rất rất nhiều ứng dụng trên thực tế và vai trò của nó hết sức quan trọng trong ngành công nghiệp. Hy vọng qua bài chia sẻ kiến thức servo motor la gi này. Các bạn sẽ có thêm kiến thức hữu ích trong cuộc sống. Mọi thắc mắc hoặc trao đổi các bạn có thể liên hệ trực tiếp với tôi qua Zalo/Phone: 0868.31.39.86 (Mr. Dương).

Cảm ơn các bạn đã xem qua bài viết này !