Động Cơ Servo là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ Servo

Động cơ servo là một loại động cơ điện đặc biệt, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao về vị trí, tốc độ và khả năng đáp ứng nhanh. Chúng ta có thể tìm thấy động cơ servo trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp, robot, máy cắt CNC, máy chấn điện, máy in 3D, thiết bị y tế và nhiều lĩnh vực khác.

Bài viết này, VNTECH sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về động cơ servo bao gồm nguyên lý hoạt động, phân loại, cấu tạo, ưu nhược điểm và ứng dụng.

Động cơ Servo (Servo Motor) là gì?

Động cơ servo (servo motor) là một hệ thống truyền động vòng kín, kết hợp động cơ điện với một bộ điều khiển và thiết bị phản hồi (thường là encoder) để đạt được độ chính xác cao trong điều khiển chuyển động.

Đặc điểm chính:

– Điều khiển vòng kín: Động cơ servo sử dụng thông tin phản hồi từ encoder để so sánh vị trí thực tế của rotor với vị trí mong muốn để điều chỉnh dòng điện.

– Động cơ servo có khả năng đáp ứng nhanh với các thay đổi về tín hiệu điều khiển

+ Cho phép điều chỉnh tốc độ và vị trí một cách nhanh chóng và chính xác.

– Động cơ servo có thể tạo ra mô-men xoắn cao ngay cả ở tốc độ thấp giúp cho việc điều khiển tải trọng lớn trở nên dễ dàng.

– Độ chính xác cao: Nhờ hệ thống điều khiển vòng kín và encoder độ phân giải cao, động cơ servo có thể đạt được độ chính xác vị trí rất cao.

So sánh động cơ servo với động cơ bước

Động cơ servo và động cơ bước đều là những lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng điều khiển chuyển động, tuy nhiên chúng có những đặc điểm và ưu nhược điểm khác nhau. Việc lựa chọn loại động cơ nào phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

>>> Xem thêm: Động cơ bước là gì?

Dưới đây là bảng so sánh chi tiết giữa động cơ servo và động cơ bước:

Đặc điểm	Động cơ Servo	Động cơ Bước
Nguyên lý điều khiển	Vòng kín (có phản hồi)	Vòng hở (không phản hồi)
Độ chính xác	Rất cao	Cao
Tốc độ	Cao	Thấp hơn
Gia tốc	Cao	Thấp hơn
Mô-men xoắn	Cao và ổn định ở mọi tốc độ	Cao ở tốc độ thấp, giảm ở tốc độ cao
Khả năng đáp ứng	Nhanh	Chậm hơn
Độ ồn	Thấp	Độ ồn lớn
Rung động	Ít	Độ rung lớn
Mất bước	Hiếm khi xảy ra	Có thể xảy ra khi quá tải
Điều khiển	Phức tạp hơn	Đơn giản hơn
Giá thành	Cao hơn	Thấp hơn
Ứng dụng	Yêu cầu độ chính xác cao, tốc độ nhanh, đáp ứng nhanh (Robot, CNC,…)	Ứng dụng đơn giản, không yêu cầu độ chính xác quá cao (Máy in, máy scan,…)

Kết luận:

– Động cơ servo: Ưu điểm về độ chính xác, tốc độ, khả năng đáp ứng và hoạt động êm ái. Tuy nhiên, giá thành cao hơn và điều khiển phức tạp hơn.

– Động cơ bước: Ưu điểm về giá thành rẻ, điều khiển đơn giản. Tuy nhiên, độ chính xác, tốc độ và khả năng đáp ứng kém hơn động cơ servo.

=> Chọn động cơ servo khi:

– Cần độ chính xác cao.

– Cần tốc độ và gia tốc cao.

– Cần đáp ứng nhanh với thay đổi tải.

– Ứng dụng yêu cầu hoạt động êm ái, ít rung động.

=> Chọn động cơ bước khi:

– Ứng dụng đơn giản, không yêu cầu độ chính xác quá cao.

– Tốc độ và gia tốc không phải là yếu tố quan trọng.

– Giới hạn về ngân sách.

Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo

Động cơ servo hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển vòng kín, bao gồm các bước sau:

1/ Bộ điều khiển (servo drive) nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm (PLC, vi điều khiển,…).

– Tín hiệu này chứa thông tin về vị trí, tốc độ hoặc mô-men xoắn mong muốn.

2/ Bộ điều khiển so sánh tín hiệu điều khiển với tín hiệu phản hồi từ encoder gắn trên trục động cơ.

– Encoder cung cấp thông tin về vị trí và tốc độ thực tế của động cơ.

3/ Điều chỉnh dòng điện: Dựa trên sự chênh lệch giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh dòng điện cung cấp cho động cơ.

4/ Điều khiển động cơ: Dòng điện được điều chỉnh sẽ tạo ra từ trường trong động cơ, làm rotor quay đến vị trí mong muốn với tốc độ và mô-men xoắn yêu cầu.

5/ Phản hồi liên tục: Encoder liên tục gửi tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển, cho phép hệ thống điều chỉnh động cơ một cách liên tục và chính xác.

Ví dụ: Giả sử ta muốn điều khiển động cơ servo quay đến vị trí 30 độ.

– Bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu tương ứng đến servo drive > Servo drive sẽ so sánh tín hiệu này với vị trí thực tế do encoder cung cấp.

+ Nếu động cơ chưa đến vị trí 30 độ, servo drive sẽ tăng dòng điện cho động cơ để tăng tốc độ quay.

+ Khi động cơ đến gần vị trí 30 độ, servo drive sẽ giảm dòng điện để giảm tốc độ và dừng lại chính xác tại vị trí mong muốn.

Có những loại động cơ Servo nào?

Động cơ servo được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí, bao gồm:

Dựa trên dòng điện sử dụng

– Động cơ servo AC: Sử dụng dòng điện xoay chiều, thường là 3 pha.

+ Ưu điểm là công suất lớn, hiệu suất cao, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp nặng.

– Động cơ servo DC: Sử dụng dòng điện một chiều.

+ Ưu điểm là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, phù hợp với các ứng dụng nhỏ gọn.

Dựa trên cấu tạo rotor

– Động cơ servo rotor nam châm vĩnh cửu (PM): Rotor là nam châm vĩnh cửu.

+ Ưu điểm là hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn.

– Động cơ servo rotor lồng sóc: Rotor là lồng sóc.

+ Ưu điểm là khả năng chịu quá tải tốt, giá thành rẻ.

Dựa trên ứng dụng

– Động cơ servo công nghiệp: Được thiết kế cho các ứng dụng công nghiệp nặng, yêu cầu độ bền cao, khả năng chịu quá tải tốt.

– Động cơ servo hobby: Được thiết kế cho các ứng dụng nhỏ, như robot hobby, xe mô hình, máy bay mô hình.

Cấu tạo động cơ Servo (Servo Motor)

Động cơ servo dù có nhiều biến thể khác nhau, đều chia sẻ một cấu trúc chung bao gồm các thành phần chính sau:

1. Stato:

– Lõi stato: Thường được làm bằng thép kỹ thuật điện, có các rãnh hoặc khe để chứa cuộn dây.

– Cuộn dây stato: Được quấn quanh lõi stato tạo ra từ trường quay khi có dòng điện chạy qua.

2. Rotor:

– Rotor nam châm vĩnh cửu (PM): Loại rotor này sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn trên trục rotor.

+ Ưu điểm của rotor PM là hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và mật độ công suất lớn.

– Rotor lồng sóc: Loại rotor này có cấu tạo đơn giản hơn, với các thanh dẫn điện được nhúng trong lõi thép.

+ Ưu điểm của rotor lồng sóc là khả năng chịu quá tải tốt và giá thành rẻ hơn.

3. Encoder: Encoder là một thiết bị phản hồi quan trọng, gắn trên trục động cơ để đo lường vị trí góc và tốc độ của rotor. Thông tin này được gửi về bộ điều khiển servo để điều chỉnh dòng điện cho động cơ, đảm bảo độ chính xác và đáp ứng nhanh.

Các loại encoder:

– Encoder quang: Sử dụng đĩa mã hóa quang học và cảm biến quang để xác định vị trí.

– Encoder từ: Sử dụng đĩa mã hóa từ tính và cảm biến từ để xác định vị trí.

– Encoder điện dung: Sử dụng nguyên lý điện dung để đo lường vị trí.

4. Vỏ động cơ: Vỏ động cơ thường được làm bằng nhôm hoặc thép, có tác dụng bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi bụi bẩn, va đập và các tác động từ môi trường.

5. Trục động cơ: Trục động cơ truyền chuyển động quay của rotor ra ngoài để kết nối với tải.

6. Các bộ phận khác:

– Vòng bi: Giảm ma sát giữa rotor và stato, giúp rotor quay trơn tru.

– Bạc đạn: Hỗ trợ trục rotor, đảm bảo độ ổn định khi quay.

– Cáp kết nối: Kết nối động cơ với bộ điều khiển servo và nguồn điện.

Ưu, nhược điểm của động cơ Servo

Động cơ servo mang lại hiệu suất vượt trội và độ chính xác cao trong điều khiển chuyển động, tuy nhiên cũng tồn tại một số hạn chế nhất định. Dưới đây là phân tích chi tiết về ưu và nhược điểm của động cơ servo:

Ưu điểm động cơ servo

– Hệ thống điều khiển vòng kín với encoder phản hồi cho phép động cơ servo đạt được độ chính xác cực kỳ cao về vị trí, tốc độ và mô-men xoắn.

– Động cơ servo có khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh chóng, đáp ứng tức thì với các thay đổi về tín hiệu điều khiển.

– Servo Motor có thể tạo ra mô-men xoắn cao ngay cả ở tốc độ thấp, giúp dễ dàng điều khiển tải trọng lớn và khởi động nhanh.

– Động cơ servo thường có hiệu suất năng lượng cao, giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu chi phí vận hành.

– Thiết kế tối ưu hóa giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng do ma sát và nhiệt, tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.

– Động cơ servo hoạt động êm ái, ít rung động và tiếng ồn, tạo môi trường làm việc thoải mái và tăng tuổi thọ của thiết bị.

– Servo Motor được thiết kế và chế tạo với độ bền cao, ít hỏng hóc, tuổi thọ lâu dài, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và chi phí bảo trì.

– Khả năng hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt là một yếu tố quan trọng, đảm bảo hiệu quả sản xuất.

Nhược điểm động cơ servo

– So với động cơ bước, động cơ servo có giá thành cao hơn do cấu tạo phức tạp hơn, bao gồm encoder và bộ điều khiển servo.

– Hệ thống điều khiển của động cơ servo phức tạp hơn so với động cơ bước, đòi hỏi kiến thức chuyên môn để cài đặt và vận hành.

– Việc lựa chọn và điều chỉnh các thông số cho bộ điều khiển servo có thể phức tạp, cần sự am hiểu về hệ thống điều khiển.

– Mặc dù có độ tin cậy cao, động cơ servo vẫn cần được bảo trì định kỳ để đảm bảo hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ.

Động cơ servo là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, đáp ứng nhanh, mô-men xoắn lớn và hoạt động êm ái. Tuy nhiên, cần cân nhắc đến yếu tố giá thành và độ phức tạp của hệ thống khi lựa chọn động cơ servo.

Ứng dụng của động cơ Servo

Servo Motor được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

1/ Tự động hóa công nghiệp:

– Robot công nghiệp: Điều khiển chuyển động chính xác của các khớp nối robot, cho phép robot thực hiện các thao tác phức tạp như hàn, sơn, lắp ráp, đóng gói,…

– Máy CNC: Điều khiển chuyển động của các trục máy CNC, giúp gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao.

– Hệ thống băng tải: Điều khiển tốc độ và vị trí của băng tải, giúp vận chuyển hàng hóa một cách hiệu quả.

– Máy đóng gói: Điều khiển chuyển động của các bộ phận trong máy đóng gói, giúp tự động hóa quá trình đóng gói.

2/ Các ngành công nghiệp khác:

– Máy in 3D: Điều khiển chuyển động chính xác của đầu in, giúp tạo ra các sản phẩm 3D với độ phân giải cao.

– Máy cắt laser: Điều khiển chuyển động của đầu cắt laser, giúp cắt các vật liệu với độ chính xác cao.

– Máy may công nghiệp: Điều khiển tốc độ và vị trí của kim may, giúp tạo ra các đường may chính xác và đẹp mắt.

– Thiết bị y tế: Điều khiển chuyển động của các thiết bị y tế như máy bơm tiêm, máy thở, máy phân tích máu.

3/ Ứng dụng trong đời sống:

– Xe tự hành: Điều khiển góc lái, tốc độ và phanh của xe.

– Máy bay không người lái: Điều khiển cánh quạt, giúp máy bay bay ổn định và chính xác.

– Thiết bị gia dụng: Điều khiển chuyển động của máy giặt, lò vi sóng, điều hòa,…

Động cơ servo là một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực điều khiển chuyển động, mang lại hiệu quả cao và độ chính xác vượt trội. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, động cơ servo ngày càng được cải tiến về hiệu năng, kích thước và giá thành, mở ra nhiều ứng dụng mới trong tương lai.

THÔNG TIN LIÊN HỆ

• Địa chỉ văn phòng:
• Địa chỉ Hà Nội: Số 39 ngõ 285 đường Phúc Lợi, Phúc Lợi, Long Biên, Hà Nội
• Chi Nhánh Đà Nẵng: Lô 11, Khu A4, Nguyễn Sinh Sắc, Hoà Minh, Liên Chiểu, Đà Nẵng
• Chi Nhánh HCM: 43 Đường N2, KP Thống Nhất, Dĩ An, Bình Dương
• SĐT: 0984.537.333
• Email: sale@vntechcnc.vn
• Facebook: https://www.facebook.com/vntechcnc
• Website: https://thietbivntech.vn