Động cơ Servo là gì? Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động của Servo motor

Động cơ servo là một loại động cơ rất phổ biến, được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực gia công cơ khí. Ngoài ra, servo còn được dùng khá nhiều trong việc gia công các loại sản phẩm công nghiệp mà yêu cầu cần phải có độ chính xác cao. Vậy động cơ servo là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của servo như thế nào? Cùng Bình Dương AEC tìm câu trả lời trong bài viết này nhé!

Động cơ servo là gì?

Trong các hệ thống, ngày nay, dây chuyền sản xuất tự động hóa không thể thiếu động cơ Servo. Nó chính xác là hệ thống hồi tiếp vòng kín và truyền động. Khi mà các động cơ Servo nhận được tín hiệu báo về từ lệnh của PLC và từ đó thực hiện chính xác, nhanh chóng các thao tác.

Bộ Servo được xem là hoàn chỉnh sẽ gồm có: 1 motor Servo, 1 encoder và 1 Servo driver. Chức năng của động cơ Servo chính là thay đổi tốc độ chính xác, điều khiển vị trí, điều chỉnh momen sao cho phù hợp với những ứng dụng trong công việc.

Thiết bị sẽ được làm việc dựa trên các cơ chế phản hồi âm về. Điều đó đồng nghĩa với việc nó sẽ chuyển đổi tín hiệu điện năng biến thành những chuyển động có thể kiểm soát.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ servo như thế nào? 

Cấu tạo 

Servo sẽ bao gồm 2 phần chính gồm: rotor và stator.Vì vậy, mỗi loại sẽ có những điểm khác biệt.

Động cơ Servo AC được nhận xét giống với động cơ bước bởi nó sở hữu nhiều nét tương đồng. Stator là một cuộn dây cuốn riêng biệt còn rotor là một cục nam châm vĩnh cửu. Trong motor Servo AC sẽ được chia thành 2 loại nhỏ khác:

• Không đồng bộ cấu tạo của động cơ AC Servo gồm: dây dẫn thứ cấp, cuộn cảm chính,  bộ dò, vòng đoản mạch.
• Đồng bộ cấu tạo đơn giản hơn của động cơ AC Servo  gồm: cuộn cảm chính, bộ dò, và một cục nam châm vĩnh cửu.

Bộ chỉnh lưu,bộ dò, kẹp, chổi và nam châm vĩnh cửu, cuộn cảm lõi là một trong những thành phần cấu tạo cơ bản của 1 một Servo DC. Loại motor DC Servo sẽ có một chổi than có cấu tạo bao gồm: chổi than, cuộn lõi,  stator và rotor. Đặc biệt, Servo motor DC không có chổi than và khi cuộn pha lắp ở rotor thì nó chính là động cơ vĩnh cửu.

Nguyên lý điều khiển Servo

Động cơ motor Servo sở hữu một rotor là một nam châm vĩnh cửu. Từ trường tạo ra mạnh. Stator của động cơ có thể quấn vào các cuộn dây một cách riêng biệt. Sau đó, chúng sẽ được cung cấp nguồn điện và sẽ hoạt động theo đúng 1 trình tự thích hợp nhất  để làm quay động cơ rotor.

Khi điện truyền vào cuộn dây vào đúng thời điểm thì lúc đó chuyển động quay của động cơ rotor sẽ bị phụ thuộc vào pha của dòng điện và tần số của dòng điện. Do đó, dòng điện sẽ dẫn tới bị phân cực và chạy trong cuộn dây stator.

Động cơ Servo được tạo ra từ hệ thống vòng khép kín. Mạch điều khiển được nối với tín hiệu đầu ra của Servo. Khi mà động cơ quay liên tục kéo theo vận tốc và vị trí sẽ hồi tiếp rồi truyền đến mạch này.

Nếu có những tác nhân ảnh hưởng tới chuyển động quay và ngăn cản động cơ quay thì khi đó cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận được tín hiệu chưa đạt vị trí như mong muốn. Sau đó mạch sẽ tiếp tục điều chỉnh, sửa chữa những sai lệch này cho đến khi mà động cơ đã đạt được vị trí và tốc độ chính xác nhất.

Phân loại

Dựa trên dòng điện mà người ta chia thành 2 loại Servo motor:

Động cơ DC Servo

Loại động cơ này sẽ  được thiết kế với mục đích ứng dụng vào những hệ thống mà  sử dụng dòng điện nhỏ hơn. Sau đó, nó tiếp tục được phân chia thành 2 loại nhỏ hơn là: Động cơ DC Servo loại không có chổi than và 1 chiều có chổi than.

Động cơ DC Servo sẽ chuyên sử dùng cho máy bơm nước, máy nén khí, …

Động cơ AC Servo

Đây chính là một loại motor xoay được chạy bằng dòng điện xoay chiều có 3 pha. Nó sẽ hoạt động dựa trên nguyên lý về nam châm vĩnh cửu. Điểm đặc biệt của thiết bị này là được tích hợp thêm các công cụ điện tử và cảm biến để  truyền thông tin và điều khiển.

Do yếu tố về cấu tạo và hoạt động nên AC Servo sẽ thích hợp sử dùng trong động cơ đặc biệt, và nên dùng khi xử lý các dòng điện cao thế, các loại máy móc công nghiệp như: máy tiện, máy phay, máy CNC, máy mài.

Sử dụng động cơ servo có lợi ích gì

So với các loại động cơ AC không có sự đồng bộ thông thường, servo motor sẽ thường mang lại cho người dùng những lợi ích đặc biệt khi sử dụng:

• Khả năng điều khiển các yếu tố về tốc độ, vị trí và mô-men cực chính xác.
• Mô-men sẽ không đổi ở  khoảng tốc độ từ 0 đến định mức, vì vậy servo thường sẽ được sử dụng trong một vài ứng dụng mà cần  có mô-men cao ở tốc độ mức thấp.
• Hiệu suất hoạt động của nó cao nhất lên tới hơn 90%, đặc biệt rất ít sinh nhiệt và gần như sẽ không dao động.
• Tốc độ cao và tần suất dẫn tới quá trình làm việc thay đổi nhanh, liên tục.
• Tốc độ  phản hồi nhanh và đáp ứng, quán tính thấp (gần như sẽ không có sự xuất hiện quán tính).
• Hoạt động khá nhẹ, êm ái, tiết kiệm điện năng (nó có thể tiết kiệm từ 5-20% điện năng so với các loại động cơ thường).
• Kích thước và trọng lượng nhỏ hơn, đặc biệt rất ít bị hư hỏng.

Lưu ý: khi chúng ta sử dụng động cơ servo thì yêu cầu người sử dụng cần  phải có kiến thức đủ về lập trình plc để có thể sử dụng một cách linh hoạt cho từng ứng dụng trong thực tế.

Ứng dụng động cơ servo trong đời sống

Bởi sở hữu nhiều tı́nh năng khá nổi bật, hiệu suất cao, khả năng điều khiển chính xác vị trí, lực căng, tốc độ, vận hành mạnh mẽ cùng với hoạt động ổn định trong một khoảng thời gian dài. Do đó, hệ thống AC servo sẽ phù hợp với khá nhiều ứng dụng từ cơ bản, đa năng đến chuyên dụng và hiện đại trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau, cụ thể như sau:

• Điều khiển cánh tay của Robot
• Ứng dụng vào hệ thống của máy CNC
• Ứng dụng vào máy sản xuất khẩu trang
• Hệ thống dao cắt quay, cắt bay
• Hệ thống máy được sử dùng để cắt các loại túi nilon
• Điều khiển các hệ thống máy đóng gói
• Ứng dụng trong máy in của công nghiệp
• Hệ thống vận chuyển cũng như  sắp xếp các loại hàng hóa
• Điều khiển các loại máy chế tạo thiết bị điện tử…

Ưu và nhược điểm của Servo 

Động cơ servo AC

Ưu điểm nổi bật: Điều khiển tốc độ khá tốt, điều khiển rất trơn tru trên hầu hết vùng tốc độ, gần như không bị dao động và đạt  hiệu suất làm việc cao đến 90%, sinh ít nhiệt, điều khiển được mức tốc độ cao, điều khiển ở vị trí với độ chính xác rất cao. Mô-men xoắn, tiếng ồn của động cơ cũng thấp, quán tính thấp, đặc biệt  không có phần bàn chải mặc, được bảo trì miễn phí ( yêu cầu trong môi trường không có khói bụi, nổ).

Nhược điểm: Thao tác điều khiển các động cơ khi thực hiện sẽ phức tạp hơn, các thông số của  ổ đĩa phải được điều chỉnh ở các thông số của PID với mục đích có thể xác định được các nhu cầu kết nối nhiều hơn.

Động cơ servo DC

Ưu điểm nổi bật: Động cơ DC servo sở hữu chổi than là một trong các loại động cơ rất dễ điều khiển với giá thành cũng tương đối rẻ và hợp lý.

Nhược điểm cần lưu ý: Khi nhân viên kỹ thuật vận hành động cơ thường sẽ gây ra tiếng ồn,  nhiệt độ tăng lên cao khi vận hành và sinh ra quán tính cao khi giảm tốc độ. Để khắc phục điều đó thì có thể sử dụng thêm động cơ DC mà không có chổi than.

Cách chọn động cơ servo tốt 

Khi sử dụng servo cho bất cứ ứng dụng trong sản xuất và đời sống thì nên sử dụng thêm cả hộp số giảm tốc với mục đích có thể tăng lực mô men đồng thời giảm tải trọng của động cơ. Khi chúng ta tính toán hộp số của servo, đầu tiên cần chọn sao cho độ chính xác tỷ lệ để đảm bảo được tốc độ của đầu ra hộp số sẽ đủ dùng cho ứng dụng.

Khi chúng ta lựa chọn động cơ servo và hộp số. Để tốt nhất các bạn nên dựa vào các thiết kế của hộp số cũ đã có sẵn hoặc trong trường hợp còn bắt buộc cần phải sử dụng công cụ cơ khí để tính toán thì mới có thể đưa ra được những thông số chính xác.

Cách để tính tốc độ đầu ra khi mà chọn hộp số giảm tốc: Thông thường thì động cơ điện 4P sẽ có tốc độ quay phổ biến là 1450v/ p. Chúng ta lấy 1450 đem chia với tỷ số truyền từ đó sẽ ra tốc độ chính xác của trục ra. Ví dụ: 1450/ 20 = đầu ra của thiết bị tầm khoảng 71v/ p.

Cách bạn có thể tính tỷ số truyền: Nếu như đã biết tốc độ của đầu ra động cơ, chúng ta giả sử đầu ra sẽ là 30v/ p thì tỷ số truyền sẽ được tính như sau 1450/ 30 = 48v/ p.

Lưu ý: Thi thoảng khi ta lắp ráp phần đầu giảm tốc vào motor điện 6 cực: 960v/ p thì hãy lấy 960 để chia.

Các ngôn ngữ chuyên dùng trong ngành hộp số giảm tốc:

• Trục vào= trục tốc độ nhanh = trục nhỏ = trục nối với mỗi motor. Trục ra của mỗi  hộp số giảm tốc = trục tốc độ chậm  = trục lớn= trục mang tải.
• Ratio = tỷ số truyền động của mỗi hộp số. Đặc biệt ở miền Bắc người ta thường  gọi là  I = 20 còn khi ở miền Nam thì được gọi là I = 1/ 20, điều đó có nghĩa là sẽ giảm tốc độ đến 20 lần. Nếu tỷ số truyền động mà càng cao thì thường công việc sẽ càng nặng nhọc hơn, vì vậy ta nên chọn trục ra cốt ra mà có đường kính phải lớn hơn để chịu tải tốt hơn.

Bài viết trên đây đã chia sẻ tất cả thông tin cơ bản, tổng quan nhất về động cơ servo như: khái niệm, cấu tạo nguyên lý, phân loại của servo hay lợi ích, ứng dụng, ưu nhược cũng như cách để chọn động cơ servo tốt.