Động cơ servo: Định nghĩa nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Động cơ Servo: Định nghĩa, Nguyên lý hoạt động và Ứng dụng

Những điểm chính cần nắm:

Định nghĩa Động cơ Servo: Động cơ servo được định nghĩa là một động cơ điện cung cấp kiểm soát chính xác về vị trí góc hoặc tuyến tính, tốc độ và mô-men xoắn bằng cách sử dụng hệ thống vòng lặp phản hồi.

Hệ thống Điều khiển: Động cơ servo sử dụng các hệ thống điều khiển tiên tiến như PID và logic mờ để điều chỉnh chuyển động theo tín hiệu đầu vào và phản hồi để đạt hiệu suất tối ưu.

Loại Động cơ: Các loại khác nhau bao gồm động cơ servo AC và DC, với các phụ loại như đồng bộ, không đồng bộ, có chổi than và không chổi than, mỗi loại đều được thiết kế cho các ứng dụng cụ thể.

Cơ chế Phản hồi: Việc sử dụng hiệu quả các cảm biến như potentiometer và encoder giúp theo dõi và điều chỉnh chính xác vị trí, tốc độ hoặc mô-men xoắn của động cơ.

Khám phá Ứng dụng: Động cơ servo rất quan trọng trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao như robot, máy CNC và sản xuất tự động hóa nhờ khả năng xử lý các chuyển động và nhiệm vụ phức tạp.

Động cơ servo được định nghĩa là động cơ điện cho phép kiểm soát chính xác vị trí góc hoặc tuyến tính, tốc độ và mô-men xoắn. Nó bao gồm một động cơ phù hợp kết hợp với một cảm biến để phản hồi vị trí và một bộ điều khiển điều chỉnh chuyển động của động cơ theo giá trị mong muốn.

Động cơ servo là yếu tố thiết yếu trong các ngành công nghiệp như robot, máy CNC và sản xuất tự động hóa do độ chính xác, phản ứng nhanh và chuyển động mượt mà.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích lý thuyết cơ bản về động cơ servo, cách chúng hoạt động, cách chúng được điều khiển và những ứng dụng phổ biến của chúng.

Động cơ Servo là gì?

Giới thiệu về Động cơ Servo: Động cơ servo là động cơ điện điều chỉnh vị trí, tốc độ hoặc mô-men xoắn theo các tín hiệu đầu vào từ bộ điều khiển.

Thuật ngữ servo bắt nguồn từ từ Latin servus, có nghĩa là người phục vụ hoặc nô lệ. Điều này phản ánh việc sử dụng lịch sử của động cơ servo như các động cơ phụ trợ hỗ trợ hệ thống truyền động chính.

Tuy nhiên, các động cơ servo hiện đại có khả năng cung cấp hiệu suất và độ chính xác cao như động cơ chính trong nhiều ứng dụng.

Một động cơ servo bao gồm ba thành phần chính:

Động cơ: Có thể là động cơ DC hoặc AC tùy thuộc vào nguồn điện và yêu cầu ứng dụng. Động cơ cung cấp sức mạnh cơ học để quay hoặc di chuyển trục đầu ra.

Cảm biến: Có thể là potentiometer, encoder, resolver hoặc thiết bị khác đo vị trí, tốc độ hoặc mô-men xoắn của trục đầu ra và gửi tín hiệu phản hồi đến bộ điều khiển.

Bộ điều khiển: Có thể là mạch tương tự hoặc số so sánh tín hiệu phản hồi từ cảm biến với tín hiệu setpoint mong muốn từ nguồn bên ngoài (như máy tính hoặc joystick) và tạo tín hiệu điều khiển để điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện của động cơ.

Bộ điều khiển sử dụng hệ thống phản hồi vòng kín, điều chỉnh chuyển động của động cơ để phù hợp chặt chẽ với giá trị mong muốn, duy trì độ chính xác nghiêm ngặt.

Bộ điều khiển cũng có thể thực hiện các thuật toán điều khiển khác nhau, chẳng hạn như điều khiển tỷ lệ-tích phân-hệ số vi phân (PID), điều khiển logic mờ, điều khiển thích ứng, v.v., để tối ưu hóa hiệu suất của động cơ servo.

Động cơ Servo hoạt động như thế nào?

Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ servo liên quan đến bộ điều khiển nhận hai loại tín hiệu đầu vào:

Tín hiệu setpoint: Đây là tín hiệu tương tự hoặc số đại diện cho vị trí, tốc độ hoặc mô-men xoắn mong muốn của trục đầu ra.

Tín hiệu phản hồi: Đây là tín hiệu tương tự hoặc số đại diện cho vị trí, tốc độ hoặc mô-men xoắn thực tế của trục đầu ra được đo bởi cảm biến.

Bộ điều khiển so sánh hai tín hiệu này và tính toán tín hiệu lỗi đại diện cho sự khác biệt giữa chúng.

Tín hiệu lỗi sau đó được xử lý bởi thuật toán điều khiển (như PID) để tạo ra tín hiệu điều khiển quyết định mức điện áp hoặc dòng điện nên được áp dụng cho động cơ.

Tín hiệu điều khiển được gửi đến bộ khuếch đại công suất (như H-bridge) chuyển đổi nó thành mức điện áp hoặc dòng điện phù hợp để điều khiển động cơ.

Động cơ sau đó quay hoặc di chuyển theo tín hiệu điều khiển, thay đổi vị trí, tốc độ hoặc mô-men xoắn, và gửi tín hiệu phản hồi mới đến bộ điều khiển.

Quá trình lặp lại cho đến khi tín hiệu lỗi trở thành không hoặc gần như không, cho thấy trục đầu ra đã đạt đến giá trị setpoint mong muốn.

Các Loại Động cơ Servo

Động cơ servo có thể được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên nguồn điện, cấu trúc, cơ chế phản hồi và ứng dụng.

Động cơ Servo AC

Động cơ servo AC là động cơ điện hoạt động trên dòng điện xoay chiều (AC). Chúng có stator tạo ra từ trường xoay và rotor theo dõi từ trường.

Động cơ servo AC, được cấp điện bằng dòng điện xoay chiều, có stator tạo ra từ trường xoay, với rotor đồng bộ với từ trường này để hoạt động hiệu quả.

Động cơ servo AC có thể được chia thành hai loại: đồng bộ và không đồng bộ.

Động cơ servo AC đồng bộ có rotor nam châm vĩnh cửu quay cùng tốc độ với từ trường stator. Chúng hiệu quả, chính xác và phản ứng nhanh hơn động cơ không đồng bộ, nhưng yêu cầu bộ điều khiển phức tạp hơn và cảm biến vị trí.

Động cơ servo AC không đồng bộ có rotor cuộn dây tạo ra dòng điện và từ trường lag phía sau từ trường stator. Chúng đơn giản, rẻ hơn và chắc chắn hơn động cơ đồng bộ, nhưng có hiệu suất, độ chính xác và tốc độ thấp hơn.

Động cơ servo AC phù hợp cho các ứng dụng công suất cao yêu cầu tốc độ, mô-men xoắn và độ tin cậy cao. Chúng thường được sử dụng trong các máy công nghiệp, robot, máy CNC, v.v.

Động cơ Servo DC

Động cơ servo DC là động cơ điện hoạt động trên dòng điện một chiều (DC). Chúng có stator nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường cố định và rotor cuộn dây quay khi có dòng điện.

Động cơ servo DC có thể được chia thành hai loại: có chổi than và không chổi than.

Động cơ servo DC có chổi than có commutator và chổi than chuyển hướng dòng điện trong cuộn dây rotor. Chúng đơn giản, rẻ và dễ điều khiển, nhưng có hiệu suất, tuổi thọ và tốc độ thấp hơn do ma sát và mòn của chổi than.

Động cơ servo DC không chổi than có bộ điều khiển điện tử chuyển hướng dòng điện trong cuộn dây stator. Chúng hiệu quả, bền và nhanh hơn động cơ có chổi than, nhưng yêu cầu bộ điều khiển phức tạp hơn và cảm biến vị trí.

Động cơ servo DC phù hợp cho các ứng dụng công suất thấp yêu cầu độ chính xác, phản ứng nhanh và chuyển động mượt mà. Chúng thường được sử dụng trong các dự án sở thích, xe đồ chơi, đầu CD/DVD, v.v.

Động cơ Servo Tuyến tính

Động cơ servo tuyến tính là động cơ điện tạo ra chuyển động tuyến tính thay vì chuyển động quay. Chúng có phần tĩnh gọi là forcer hoặc primary chứa cuộn dây hoặc nam châm, và phần di chuyển gọi là platen hoặc secondary chứa nam châm hoặc lõi sắt.

Động cơ servo tuyến tính có thể được chia thành hai loại: có lõi sắt và không có lõi sắt.

Động cơ servo tuyến tính có lõi sắt có lõi sắt trong platen tương tác với từ trường của forcer. Chúng có mật độ lực, độ cứng và độ chính xác cao, nhưng cũng có lực cogging, trọng lượng và nhiệt sinh cao.

Động cơ servo tuyến tính không có lõi sắt không có lõi sắt trong platen, chỉ có nam châm. Chúng có lực cogging, trọng lượng và nhiệt sinh thấp, nhưng cũng có mật độ lực, độ cứng và độ chính xác thấp.

Động cơ servo tuyến tính phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ, gia tốc và độ chính xác cao trên khoảng cách dài. Chúng thường được sử dụng trong sản xuất bán dẫn, đo lường, cắt laser, v.v.

Làm cách nào để Điều khiển Động cơ Servo?

Việc điều khiển động cơ servo phụ thuộc vào loại động cơ, cơ chế phản hồi và yêu cầu ứng dụng.

Nói chung, có hai loại tín hiệu điều khiển có thể được sử dụng để điều khiển động cơ servo: tương tự và số.

Tín hiệu điều khiển tương tự là tín hiệu điện áp hoặc dòng điện liên tục thay đổi tỷ lệ với giá trị setpoint mong muốn. Chúng thường được sử dụng cho các hệ thống servo đơn giản hoặc giá rẻ không yêu cầu độ chính xác hoặc độ phân giải cao. Ví dụ, một potentiometer có thể được sử dụng để tạo tín hiệu điều khiển tương tự cho động cơ servo đồ chơi.

Tín hiệu điều khiển số là xung hoặc bit rời rạc đại diện cho giá trị setpoint dưới dạng mã hóa. Chúng thường được sử dụng cho các hệ thống servo phức tạp hoặc hiệu suất cao yêu cầu độ chính xác, độ phân giải hoặc giao tiếp cao. Ví dụ, tín hiệu điều chế rộng xung (PWM) có thể được sử dụng để tạo tín hiệu điều khiển số cho động cơ servo DC không chổi than.

Bộ điều khiển của động cơ servo có thể là thiết bị ngoại vi hoặc mạch tích hợp trong động cơ. Bộ điều khiển nhận tín hiệu điều khiển từ nguồn bên ngoài (như máy tính hoặc joystick) và tín hiệu phản hồi từ cảm biến, và tạo tín hiệu điều khiển phù hợp để điều khiển động cơ.

Bộ điều khiển cũng có thể thực hiện các thuật toán điều khiển khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất của động cơ servo. Một số thuật toán điều khiển phổ biến là:

Điều khiển tỷ lệ-tích phân-hệ số vi phân (PID): Đây là thuật toán điều khiển dựa trên phản hồi điều chỉnh tín hiệu điều khiển dựa trên các thành phần tỷ lệ, tích phân và vi phân của tín hiệu lỗi. Nó được sử dụng rộng rãi cho các hệ thống servo yêu cầu phản ứng nhanh và chính xác.

Điều khiển logic mờ: Đây là thuật toán điều khiển dựa trên quy tắc điều chỉnh tín hiệu điều khiển dựa trên tập mờ và biến ngôn ngữ. Nó hữu ích cho các hệ thống servo phải đối mặt với sự không chắc chắn hoặc phi tuyến.

Điều khiển thích ứng: Đây là thuật toán điều khiển tự điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên các điều kiện thay đổi của hệ thống servo. Nó có lợi cho các hệ thống servo phải đối mặt với nhiễu hoặc biến đổi.

Ứng dụng của Động cơ Servo

Động cơ servo có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực và ngành công nghiệp khác nhau. Một số ứng dụng phổ biến là:

Robot: Động cơ servo được sử dụng để cung cấp chuyển động và lực chính xác cho cánh tay, chân, khớp, bộ kẹp, v.v. của robot. Chúng cho phép robot thực hiện các tác vụ như nhặt, đặt, hàn, lắp ráp, v.v.

Máy CNC: Động cơ servo được sử dụng để điều khiển các trục của máy CNC như máy tiện, máy phay, máy khắc, v.v. Chúng cho phép máy CNC thực hiện các hoạt động gia công chính xác và phức tạp như cắt, khoan, khắc, v.v.

Sản xuất tự động hóa: Động cơ servo được sử dụng để kiểm soát chuyển động và vị trí của các thành phần và thiết bị trong các hệ thống sản xuất tự động hóa, như băng tải, bộ cấp liệu, bộ tải, bộ dỡ, v.v. Chúng cho phép các hệ thống sản xuất tự động hóa đạt được năng suất và chất lượng cao.

Thiết bị y tế: Động cơ servo được sử dụng để vận hành các thiết bị và dụng cụ y tế khác nhau như robot phẫu thuật, máy quét, máy bơm, máy thở, v.v. Chúng cho phép thiết bị y tế thực hiện các hoạt động và điều trị chính xác và an toàn.

Kết luận

Trong bài viết này, chúng ta đã tìm hiểu về định nghĩa, nguyên lý hoạt động, loại, điều khiển và ứng dụng của động cơ servo.

Chúng ta đã thấy rằng động cơ servo là động cơ điện cho phép kiểm soát chính xác vị trí góc hoặc tuyến tính, tốc độ và mô-men xoắn. Chúng bao gồm động cơ, cảm biến và bộ điều khiển tạo thành hệ thống phản hồi vòng kín.

Chúng ta cũng đã thấy rằng động cơ servo có thể được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên nguồn điện, cấu trúc, cơ chế phản hồi và ứng dụng. Một số loại phổ biến là động cơ servo AC, DC và tuyến tính.

Chúng ta cũng đã thấy rằng động cơ servo có thể được điều khiển bằng tín hiệu tương tự hoặc số đại diện cho giá trị setpoint. Bộ điều khiển cũng có thể thực hiện các thuật toán điều khiển khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất của động cơ servo.

Chúng ta cũng đã thấy rằng động cơ servo có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực và ngành công nghiệp khác nhau, như robot, máy CNC, sản xuất tự động hóa, thiết bị y tế, v.v.

Chúng tôi hy vọng rằng bài viết này đã mang lại thông tin và hữu ích cho bạn. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi hoặc ý kiến, hãy tự do chia sẻ với chúng tôi. Cảm ơn bạn đã đọc!