“Động cơ Servo là gì?” hay “Servo là gì?” là câu hỏi thường gặp khi tiếp cận với các dây chuyền tự động hóa có độ chính xác cao. Trong hệ thống và dây chuyền sản xuất tự động hóa ngày nay đều cần có Servo. Nhất là trong ứng dụng đặc thù như những dây chuyền sản xuất, cắt, in vật liệu… Sử dụng động cơ Servo sẽ là giải pháp tối ưu giúp các doanh nghiệp ứng dụng tự động hóa đạt hiệu quả cao nhất.
Để giải đáp cho bạn câu hỏi: Động cơ Servo là gì? Servo là gì? Cấu tạo, ứng dụng và nguyên lý hoạt động của chúng như thế nào? Xin mời bạn tìm hiểu qua bài viết dưới đây để tìm câu trả lời bạn nhé!
I. Động cơ Servo (Servo Motor) là gì?
Động cơ servo (Servo Motor) là tên gọi chung của một cơ cấu truyền động có phản hồi bao gồm:
- Động cơ điện thường là loại động cơ nam châm vĩnh cửu – động cơ PM được lựa chọn phổ biến vì cho tốc độ quay cao và độ ổn định momen lớn hơn khi so với các loại động cơ khác như động cơ IM hoặc động cơ DC.
- Bộ phản hồi tốc độ động cơ hay gọi là encoder cung cấp thông tin về tốc độ và vị trí thực tế của động cơ và được gắn đồng trục ở phần đuôi của động cơ và đưa chân tín hiệu ra bên ngoài.
Để điều khiển chính xác được động cơ Servo chúng ta cần một bộ điều khiển hay còn gọi là servo driver đi theo bộ với động cơ Servo. Với mỗi nhà sản xuất Servo thì bộ Servo Driver là riêng biệt phân chia theo các công suất của động cơ Servo tương ứng và không thể dùng lẫn lộn các cấp công suất với nhau cũng như là dùng Servo Driver khác nhà sản xuất với động cơ Servo đang sử dụng. Nhiệm vụ chính của bộ Servo Driver là điều khiển điện áp, tần số và dòng điện cấp cho động cơ Servo đồng thời theo dõi các phản hồi về tốc độ và vị trí thực tế qua bộ Encoder gắn ở đuôi trục. Thông qua phản hồi này, bộ điều khiển điều chỉnh tín hiệu điều khiển để đạt được vị trí hoặc chuyển động mục tiêu.
Điểm mạnh của động cơ servo là khả năng đáp ứng chính xác và linh hoạt theo tín hiệu điều khiển, giúp đạt được độ chính xác cao trong các ứng dụng điều khiển chuyển động.
1. Phân loại động cơ Servo:
Gồm có 02 loại phân loại theo kiểu động cơ được sử dụng bao gồm: AC Servo và DC Servo.
+ AC Servo: Hiểu là sử dụng động cơ xoay chiều để tạo ra momen quay trong hệ truyền động Servo. Chúng được chia nhỏ hơn thành AC Servo với động cơ PM và động cơ IM, trong đó động cơ PM được ưa chuộng hơn cả bởi tốc độ cao, momen ở mức ổn định hơn nhưng việc điều khiển sẽ khó khăn hơn so với động cơ IM. Tuy nhiên chi phí sửa chữa hay bảo dưỡng của hệ AC Servo dùng động cơ PM sẽ cao hơn nhiều so với động cơ IM.
+ DC Servo: Hiểu là sử dụng động cơ một chiều để tạo ra momen quay trong hệ truyền động Servo. Hệ DC Servo thường là được sử dụng cho các máy thế hệ cũ có công suất nhỏ do có cấu tạo đơn giản dễ chế tạo cung cấp tốc độ quay nhanh và momen lớn trong phân khúc công suất thấp, sử dụng dòng điện DC nên điều khiển dễ dàng hơn. Tuy nhiên với động cơ DC thì cần bảo dưỡng định kỳ cơ cấu chổi than do hao mòn cơ khí vì vậy tuổi thọ động cơ cũng không được cao.
2. Động cơ Servo dùng để làm gì?
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ và kỹ thuật thì hệ truyền động Servo được sử dụng nhiều nhất trong máy móc công nghiệp là hệ AC Servo dùng động cơ PM vì giá thành chế tạo động cơ đã giảm xuống đáng kể nhờ áp dụng quy trình tự động hóa và vật liệu từ tính mới trong chế tạo Rotor của động cơ. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cùng hãng sản xuất trong lĩnh vực tự động hóa không ngừng tối ưu thuật toán điều khiển động cơ đồng bộ để đạt đến độ chính xác điều khiển cao nhất nên hệ AC Servo dùng động cơ PM được hưởng lợi rất nhiều so với các loại động cơ truyền thống như động cơ IM hay động cơ DC trong ứng dụng điều khiển chính xác cao. Vì thế trong khuôn khổ bài viết này chúng ta chỉ đi sâu vào phân tích hệ Servo sử dụng động cơ PM , cái mà đang thống trị thị trường Servo trong dải công suất nhỏ và trung bình cũng là dải công suất được sử dụng nhiều nhất tại thị trường Việt Nam hiện nay.
II. Cấu tạo hệ Servo sử dụng động cơ PM
Một hệ Servo nói chung và hệ Servo dùng động cơ PM nói riêng tiêu chuẩn gồm:
| STT | Thành phần |
| 1 | Bộ điều khiển Servo – Servo Driver hoặc Amplifier |
| 2 | Động cơ là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (động cơ PM) |
| 3 | Bộ mã hóa (Encoder) gắn ở đuôi động cơ |
| 4 | Cáp động lực của động cơ (Motor Cable) |
| 5 | Cáp tín hiệu của bộ mã hóa (Encoder Cable ) |
Bảng: Cấu tạo của động cơ servo
Ngoài ra để điều khiển hệ thống Servo cần thêm HMI và PLC để ra lệnh điều khiển cho thiết bị.
Với sơ đồ cấu trúc điều khiển thông thường thì hệ Servo sẽ nhận lệnh từ HMI truyền tới bộ điều khiển PLC và từ PLC sẽ truyền tới bộ Driver hay Amplifier để cho cơ cấu Servo chuyển động.
1. Cấu tạo chi tiết của một hệ thống truyền động Servo (động cơ PM)
Ta cùng phân tích cấu tạo bộ phận không thể thiếu của một hệ truyền động Servo chính là động cơ, hay trong trường hợp này là động cơ PM. Động cơ PM là tên gọi của một loại động cơ đồng bộ với 2 bộ phận chính gồm:
- Phần Stato gắn với khung động cơ được quấn dây theo kiểu quấn dải để đảm bảo sức điện động của động cơ tạo ra có dạng hình Sin, tạo ra từ trường quay khi được cấp điện và được điều khiển bởi Servo Driver đi kèm là quay trục động cơ theo hiện tượng cảm ứng điện từ.
- Phần Rotor bao gồm trục động cơ được gắn nam châm vĩnh cửu có mật độ từ trường cao, tổn thất từ trường thấp, có khả năng tái nạp lại từ trường trong quá trình hoạt động. Đây chính là điểm khác biệt cơ bản nhất trong cấu tạo của động cơ PM so với động cơ IM và động cơ DC mang lại momen quay ổn định trong dải tốc độ định mức của động cơ.
- Phần ổ bi (vòng bi) được sử dụng để nâng đỡ phần Rotor để có thể quay tròn ổn định theo một trục của nó.
- Phần vỏ động cơ để bao bọc và bảo vệ động cơ, chứa đầu nối dây từ các cuộn dây của Stator đưa ra bên ngoài.
2. Các loại bộ mã hóa Encoder
Bộ phận quan trọng tiếp theo của hệ Servo là bộ mã hóa Encoder, trên thị trường hiện tại có 2 dạng encoder được sử dụng chính cho các bộ Servo:
- Encoder tương đối: cấu tạo chuẩn của nó sẽ có 2 đĩa đặt lệch nhau 90 độ, tạo xung A và B. Hoặc là 1 đĩa nhưng bố trí 2 vòng lồng vào nhau lệch nhau 90 độ để tạo xung A và B. Ngoài ra, còn có pha Z để xác định trục động cơ quay hết một vòng cùng các nguồn sáng LED cùng bộ thu phát quang học. Bạn có thể xem hình minh họa sau:
- Encoder tuyệt đối: Cấu tạo có bộ phát ánh sáng (LED), đĩa mã hóa (có chứa dải băng mang tín hiệu), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng phát ra khá tương đồng với encoder tương đối. Tuy nhiên phần đĩa mã hóa ở Encoder tuyệt đối được bố trí dày đặc ứng với từng bit của độ phân giải và chế tạo từ vật liệu trong suốt, người ta đã chia mặt đĩa thành các góc đều nhau cùng các đường tròn đồng tâm.
Cùng với sự phát triển của động cơ thì encoder cũng là bộ phận được cải tiến liên tục theo thời gian khi độ phân giải encoder được gắn lên trục động cơ ngày càng cao (từ 17 bit đến 23bit) đem lại độ phản hồi vị trí sai lệch là ít nhất đáp ứng cho ứng dụng như robot hay CNC. Với các độ phân giải lớn hơn công nghệ thu phát quang học được thay thế bằng công nghệ bắt điểm cực từ (thay thế việc đục lỗ thành các điểm gắn nam châm cực nhỏ) giảm thiểu sai sót cơ khí trong chế tạo. Với encoder tuyệt đối cho phép lưu trữ vị trí của hệ thống sử dụng pin cho phép hệ thống thiết lập hệ tọa độ chuẩn và định vị vị trí hiện tại của cơ cấu phục vụ tuy nhiên giá thành khá cao. Ở Việt Nam vẫn ưa chuộng các bộ Encoder tương đối đáp ứng vừa đủ nhu cầu điều khiển nói chung với giá thành rẻ hơn.
Việc kết nối giữa bộ Driver hay Amplifier với động cơ và encoder được sử dụng qua cáp động lực (motor cable) và cáp bộ mã hóa (encoder cable).
Đối với các động lực thường gồm 4 dây U,V,W và PE để lần lượt kết nối 3 đầu dây của động cơ và 1 chân nối đất. Tùy thuộc vào nhà sản xuất mà với động cơ có tích hợp phanh ta cần cáp phanh riêng (có 2 dây) hoặc được đi kèm với cáp động lực (cáp 6 dây).
Đối với cáp bộ mã hóa (Encoder cable) tùy thuộc vào chế tạo của mạch Encoder mà sẽ có số lượng dây tín hiệu khác nhau nhưng đặc điểm chung là được làm từ dây có bọc chống nhiễu rất tốt để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố khác đến dữ liệu vị trí được gửi về.
III. Hệ Servo có nguyên lý hoạt động như thế nào?
Servo Motor hoạt động được khi đặt trong hệ thống Servo. Nguyên lý hoạt động của hệ Servo dựa trên hệ thống điều khiển hồi tiếp vòng kín với lượng đặt tín hiệu được gửi từ bộ điều khiển như PLC, VĐK xuống bộ Driver để xử lý. Tùy thuộc vào chế độ vận hành của hệ servo mà tín hiệu lượng đặt sẽ là dạng xung, analog hoặc digital. Bộ Driver sẽ nhận lượng đặt bên ngoài và xử lý qua thuật toán điều khiển đã lập trình để xuất các xung điện áp đã qua điều chế cho động cơ Servo để hoạt động. Trạng thái hoạt động thực tế được phản hồi từ Encoder và đo lường tại đầu ra Driver được trích mẫu và tính toán thành các đại lượng vật lý của động cơ như tốc độ trục, momen trục, điện áp, dòng điện,…
Nếu có một nguyên nhân nào ảnh hưởng đến chuyển động và gây ra sự sai lệch vị trí và tốc độ mong muốn, cơ cấu hồi tiếp sẽ phản hồi tín hiệu về bộ điều khiển (Driver). Từ đó, bộ điều khiển Servo sẽ so sánh với tín hiệu lệnh và điều chỉnh phù hợp theo thuật toán bên trong. Nhờ đó, chúng luôn hoạt động đúng theo yêu cầu, có tốc độ và vị trí chính xác nhất.
- Xem thêm: Hướng dẫn điều khiển động cơ servo
IV. Lợi ích khi sử dụng và ứng dụng của Servo Motor
1. Lợi ích khi sử dụng AC Servo
– Giúp điều khiển tốc độ, mô-men và vị trí với mức độ chính xác cao
– Tốc độ đáp ứng và phản hồi nhanh, gần như không có quán tính
– Hiệu suất hoạt động cao hơn 90%, hầu như không dao động và ít sinh nhiệt
– Tiết kiệm điện năng (Tiết kiệm hơn 5 – 20% điện năng so với động cơ thường)
– Hoạt động êm ái, nhẹ nhàng
– Kích thước và trọng lượng nhỏ
– Tần suất làm việc thay đổi nhanh, liên tục với tốc độ cao
– Ít bị hư hỏng.
Động cơ Servo sử dụng nhiều trong công nghiệp như máy đóng gói, máy cắt, các loại máy in, các ứng dụng thu xả cuộn, các ứng dụng cần chạy dừng đúng vị trí, dây chuyền lắp ráp, robot…
2. Các ứng dụng trong công nghiệp
Động cơ servo được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:
– Robot công nghiệp: Động cơ servo được sử dụng để điều khiển chuyển động các cơ cấu của robot công nghiệp, như cánh tay robot, khớp nối và các bộ phận chuyển động khác.
– Máy CNC (Computer Numerical Control): Động cơ servo được sử dụng trong các trục chuyển động của máy CNC để định vị chính xác và thực hiện các hoạt động gia công.
– Máy in 3D: Động cơ servo được sử dụng để di chuyển đầu in và kiểm soát vị trí và tốc độ in 3D.
– Thiết bị tự động hóa: Động cơ servo được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp để điều khiển chuyển động của các cơ cấu, băng tải, van và thiết bị khác.
Trong dây chuyền sản xuất tự động, động cơ servo dùng để bắt đầu, di chuyển, dừng các băng tải chuyển động hàng hóa qua nhiều giai đoạn. Ví dụ như: Ghi nhãn, đóng chai, đóng gói. Servo motor ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp như: Thực phẩm, máy in, máy cắt tạo hình, dệt may, chế biến gỗ hay CNC.
– Ngành chế tạo Robot, người máy. Trong đó, servo được sử dụng tại mọi “khớp nối” của robot để thực hiện góc chuyển động chính xác của nó.
– Tính năng lấy nét tự động của máy ảnh sử dụng hệ thống servo được tích hợp trong máy ảnh. Giúp điều chỉnh chính xác vị trí của thấu kính nhằm làm sắc nét các hình ảnh bị mất nét.
– Hệ thống điều khiển từ xa, theo dõi vệ tinh hoặc chòm sao. Hệ thống Servo sử dụng để định vị góc phương vị và trục độ cao của Ăng-ten và kính thiên văn.
– Sử dụng trong hệ thống theo dõi pin năng lượng mặt trời. Dùng để điều chỉnh góc của các tấm pin mặt trời sao cho chúng đều hướng về phía mặt trời.
– Thiết bị mở cửa tự động;
– Thiết bị cắt, tạo hình kim loại để cấp cho máy phay có khả năng chuyển động chính xác.
V. Top 4 thương hiệu động cơ Servo phổ biến và bán chạy tại Việt Nam
Trên thị trường tự động hóa Việt Nam hiện nay, 4 thương hiệu servo motor được các nhà máy, xưởng cơ khí và đơn vị tích hợp hệ thống lựa chọn nhiều nhất là Xinje, Mitsubishi, Delta và Yaskawa. Mỗi hãng có thế mạnh riêng, phù hợp với từng nhóm nhu cầu và ngân sách khác nhau.
1. Động cơ Servo Xinje
Servo Xinje đang trở thành một lựa chọn đáng chú ý trong phân khúc máy móc tự động hóa nhờ cân bằng tốt giữa hiệu năng, tính năng và chi phí đầu tư.
Hệ sinh thái Servo Xinje có nhiều lựa chọn điều khiển, từ Servo xung hướng cho các hệ thống cơ bản đến Servo EtherCAT dành cho những bài toán cần điều khiển đồng bộ nhiều trục, nội suy hoặc E-Cam. Các dòng động cơ Servo MS kết hợp cùng Driver DS5 tạo thành hệ Servo phù hợp với nhiều loại máy đóng gói, máy cắt, máy in, máy CNC và dây chuyền tự động.
*Ưu điểm:
- Chi phí đầu tư tối ưu – phù hợp với SME và xưởng chế tạo máy tại Việt Nam
- Có nhiều lựa chọn điều khiển như xung hướng, CANopen, EtherCAT tùy từng dòng Driver.
- Hệ sinh thái đồng bộ PLC – HMI – Servo Xinje giúp việc triển khai hệ thống thuận tiện hơn.
- Phần mềm cấu hình và tài liệu kỹ thuật dễ tiếp cận.
- Có nhiều mức công suất thông dụng như Servo 400W, Servo 750W, Servo 1kW, Servo 1.5kW, Servo 2.3kW…
- Phù hợp với các hệ thống cần tối ưu chi phí nhưng vẫn yêu cầu độ chính xác và khả năng điều khiển chuyển động tốt.
*Nhược điểm:
- Mức độ nhận diện thương hiệu tại Việt Nam vẫn chưa lâu đời bằng Mitsubishi hay Yaskawa. Với những kỹ sư chưa từng sử dụng Xinje, giai đoạn đầu có thể cần thời gian làm quen với phần mềm, cách cài đặt Driver và hệ sinh thái của hãng.
2. Động cơ Servo Mitsubishi
Servo Mitsubishi là thương hiệu Nhật Bản đã xuất hiện lâu năm trong nhiều hệ thống tự động hóa tại Việt Nam. Các dòng MELSERVO được sử dụng nhiều trong máy móc yêu cầu độ chính xác, tốc độ đáp ứng và độ ổn định cao.
Ưu điểm lớn của Mitsubishi nằm ở hệ sinh thái PLC, HMI, Servo và mạng truyền thông đồng bộ. Điều này đặc biệt thuận lợi đối với những nhà máy đã sử dụng thiết bị Mitsubishi từ trước.
*Ưu điểm:
- Độ ổn định cao, thương hiệu lâu năm, hệ sinh thái tự động hóa hoàn chỉnh, tài liệu và cộng đồng người sử dụng lớn.
*Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư thường tương đối cao; với những máy phổ thông hoặc dự án cần tối ưu giá thành, việc sử dụng Servo Mitsubishi đôi khi làm tăng đáng kể tổng chi phí thiết bị.
3. Động cơ Servo Delta
Servo Delta là lựa chọn quen thuộc trong lĩnh vực chế tạo máy tại Việt Nam. Hãng có nhiều dòng Servo trải từ những ứng dụng điều khiển vị trí phổ thông đến các hệ thống yêu cầu truyền thông tốc độ cao.
Một số dòng Servo Delta hỗ trợ EtherCAT và encoder độ phân giải cao, phù hợp với các bài toán định vị và điều khiển chuyển động trong máy đóng gói, máy CNC, máy in, máy cắt và dây chuyền tự động.
*Ưu điểm:
- Thương hiệu phổ biến, sản phẩm đa dạng, cộng đồng sử dụng lớn và có nhiều lựa chọn công suất.
*Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư ở nhiều cấu hình cao hơn các giải pháp Trung Quốc cùng phân khúc. Khi xây dựng hệ thống nhiều trục, tổng chi phí Driver, Motor và bộ điều khiển cũng là yếu tố cần cân nhắc.
4. Động cơ Servo Yaskawa
Servo Yaskawa là một trong những thương hiệu Servo Nhật Bản nổi tiếng trong lĩnh vực điều khiển chuyển động. Các dòng Sigma thường được lựa chọn cho những máy móc yêu cầu khả năng đáp ứng nhanh, độ chính xác và tính ổn định cao.
Servo Yaskawa xuất hiện trong nhiều ứng dụng như robot, máy CNC, máy đóng gói tốc độ cao, máy gia công và các dây chuyền tự động hóa.
*Ưu điểm:
- Hiệu suất cao, độ ổn định tốt, khả năng điều khiển chuyển động chính xác và dải sản phẩm rộng.
*Nhược điểm:
- Giá thành tương đối cao; chi phí thay thế, sửa chữa hoặc nâng cấp toàn bộ hệ Servo có thể là vấn đề với các dự án cần kiểm soát ngân sách.
Nên chọn động cơ Servo hãng nào?
Không có một loại Servo phù hợp cho tất cả ứng dụng. Nếu hệ thống hiện tại đã sử dụng PLC và Servo Mitsubishi, Delta hoặc Yaskawa, việc tiếp tục sử dụng cùng thương hiệu có thể giúp giảm thời gian chuyển đổi và tận dụng chương trình, kinh nghiệm kỹ thuật sẵn có.
Tuy nhiên, đối với máy thiết kế mới, máy OEM hoặc dự án cần tối ưu chi phí, Servo Xinje là phương án rất đáng cân nhắc. Người dùng vẫn có thể lựa chọn những công nghệ điều khiển hiện đại như EtherCAT, điều khiển đa trục, nội suy hay E-Cam, trong khi mức đầu tư dễ tiếp cận hơn so với nhiều thương hiệu Nhật Bản.
Đặc biệt, khi kết hợp PLC Xinje + HMI Xinje + Servo Xinje, người thiết kế có thể xây dựng một hệ sinh thái điều khiển đồng bộ, thuận tiện cho việc lập trình, bảo trì và mở rộng hệ thống sau này.
Vì vậy, nếu câu hỏi là “nên mua Servo hãng nào để vừa đảm bảo hiệu quả vận hành vừa tối ưu chi phí?”, Xinje là một trong những lựa chọn nên được ưu tiên xem xét cho các hệ thống máy móc tự động hóa hiện nay.
Liên hệ Tự Động Hóa Toàn Cầu để được tư vấn cấu hình Servo Xinje và nhận báo giá phù hợp với hệ thống của bạn.
Zalo Miền Bắc