Động cơ điện servo là gì

Giới thiệu về Động cơ điện servo 

Động cơ servo là cơ bắp của hệ thống điều khiển chuyển động. Chúng cung cấp lực cần thiết để di chuyển các thiết bị theo yêu cầu của ứng dụng. Bạn hãy dừng con trỏ tại mỗi hình vẽ để xem mô tả.

Nhiều người nghĩ rằng động cơ servo là thiết bị hoạt động độc lập. Nhưng trên thực tế, động cơ servo không thể hoạt động nếu không được ghép nối với một hệ thống các thiết bị hoạt động đồng thời để đạt được quá trình điều khiển chuyển động mong muốn.

Trong bài này, chúng ta sẽ nghiên cứu xem động cơ điện hoạt động như thế nào và sự khác biệt giữa các dạng động cơ điện bao gồm động cơ servo công nghiệp.

Xem thêm:  Cách hoạt động của động cơ servo 

                      Công nghệ điều khiển động cơ Servo

Ứng dụng của động cơ điện thông thường và động cơ điện servo

Động cơ điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành lực cơ học. 

Đối với hầu hết các dạng động cơ điện thông dụng, lực cơ học này là lực chuyển động quay. Lực chuyển động quay tạo ra bởi động cơ dùng để thực hiện công việc nào đó.

Các ví dụ về ứng dụng công nghiệp cho động cơ điện bao gồm: khoan, nghiền, băng chuyền, quạt, bơm, robot…

Vậy, động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện thành lực chuyển động quay như thế nào?

Lịch sử phát triển của động cơ điện 

Vào năm 1820, Oersted khám phá ra rằng khi một dòng điện chạy qua 1 dây dẫn nó sẽ tạo ra một từ trường. Vào năm tiếp theo, Michael Faraday đã chứng minh từ trường này có thể tạo thành lực cơ học.

Thiết bị của ông bao gồm một thỏi nam châm vĩnh cửu nhúng trong một bể thủy ngân. Một dây dẫn treo bên trên bể thủy ngân nhờ 1 cái móc.

Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn, một lực cơ điện giúp sợi dây xoay tròn xung quanh thỏi nam châm.

Dĩ nhiên thiết bị này chỉ có thể thực hiện rất ít công bởi lực quay tạo ra rất nhỏ.

Nguyên tắc cơ bản về hoạt động của động cơ

      

Nếu một dây dẫn mang điện được đặt vào trong một từ trường sẽ tạo ra một lực giúp dây dẫn chuyển động.

Phương của lực là 90 độ so với chiều dòng điện và cũng là 90 độ so với các đường lực từ trường.
Khi dòng điện chạy trong vòng dây, một trường điện từ được tạo ra xung quanh vòng dây. Trường điện từ này tương tác với từ trường tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu. Lực tương tác tạo ra mô men và làm quay vòng dây.Trong trường hợp này, một vòng dây (Rotor) tự do quay tròn trong từ trường tạo bởi hai nam châm vĩnh cửu đặt cố định.

Mặc dù vậy, rotor sẽ dừng quay khi các lực nằm ở hai hướng ngược nhau và cùng theo hướng với trục quay, bởi vì tại thời điểm đó, mô men là rất nhỏ.

Nhấn vào nút play màu đỏ để xem trạng thái hoạt động

Để rotor tiếp tục chuyển động, chúng ta phải đảo chiều dòng điện chạy trong vòng dây, theo đó sẽ đảo chiều trường điện từ và hướng của lực.

Một vòng kim loại gồm 2 nửa hay còn gọi là Cổ góp giúp thực hiện chức năng này. Nếu chúng ta đảo chiều dòng điện đúng thời điểm, rotor sẽ tiếp tục quay khi dòng điện chạy trong rotor.

Động cơ điện một chiều 

Dựa vào nguyên tắc cơ bản này, động cơ điện một chiều hiện đại sử dụng nam châm vĩnh cửu tĩnh có từ trường mạnh bao quanh dây cuốn rotor (còn được gọi là phần ứng).

Càng nhiều vòng dây, càng nhiều dòng điện chạy trong phần ứng tạo thành từ trường mạnh hơn. Từ trường càng mạnh, lực quay càng khỏe và rotor sẽ quay càng nhanh.

Động cơ điện một chiều hiện đại có khả năng tạo mô men quay lớn tại tốc độ quay nhỏ và có khả năng điều chỉnh hướng chuyển động.

Động cơ điện xoay chiều

Một kỹ sư điện trẻ tuổi tên là Nikola Tesla đã nhận ra rằng,
cổ góp của động cơ điện một chiều và máy phát điện thời đó là nguyên nhân của rất nhiều các trục trặc, giá thành cao mà hiệu suất thì thấp.

Tesla đã tiến hành gỡ bỏ cổ góp của máy phát điện một chiều thông thường và lên kế hoạch tương tự đối với động cơ điện 1 chiều!

Những chiếc máy phát điện mới thiết kế sản sinh ra Dòng điện xoay chiều được ứng dụng để thắp sáng và chuyển tải điện năng đi xa. Nhưng vào thời điểm đó, không có động cơ điện nào có thể sử dụng điện xoay chiều.

Để giải quyết vấn đề này và làm cho điện xoay chiều trở nên hữu dụng đối với các ứng dụng công nghiệp, Tesla đã thiết kế và sáng chế một dòng sản phẩm động cơ điện xoay chiều sử dụng dòng điện xoay chiều hình Sin.

Tesla đã thay thế trường điện từ tĩnh trong động cơ điện một chiều với Từ trường quay tạo bởi dòng điện xoay chiều. Điều này giúp cho động cơ quay mà không cần cổ góp.

Trong động cơ điện xoay chiều, rotor quay theo tần số và pha
của nguồn điện xoay chiều đặt vào cuộn dây stator. Trong ví dụ này, cuộn dây trên và dưới được cấp nguồn điện xoay chiều lệch pha 90 độ so với cuộn dây trái và phải.

Véc tơ tổng hợp lực tạo ra bởi dòng điện xoay chiều sản sinh ra từ trường quay

Động cơ điện xoay chiều hiện đại (còn được gọi là động cơ điện cảm ứng) gồm córotor ở bên trong và stator bao bên ngoài.

Khi cuộn dây stator được cấp nguồn điện xoay chiều sẽ sản sinh ra một từ trường quay. Stator đồng thời sẽ kích ứng một dòng điện trong cuộn dây rotor mà không cần bất kỳ kết nối điện nào!

Nhờ thiết kế rotor và stator, liên kết giữa 2 thành phần này có thể rất khỏe và khi đó động cơ này được gọi là động cơ đồng bộ.

Động cơ đồng bộ được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ động cơ cao và ổn định.

Động cơ điện một chiều không chổi than

Động cơ điện một chiều không chổi than có cấu trúc tương tự động cơ điện xoay chiều đồng bộ nhưng có các điểm khác biệt quan trọng.

Động cơ một chiều không chổi than (không có cổ góp cơ khí) sử dụng cuộn dây stator nhưng rotor là nam châm vĩnh cửu..

Để tạo từ trường quay, stator được cấp năng lượng theo một trình tự cụ thể với điện năng thay đổi theo tần số, pha, phân cực và dòng điện để quay rotor theo yêu cầu của ứng dụng.

Điều khiển điện năng trong thiết kế động cơ điện một chiều không chổi than rất phức tạp và được điều khiển bởi vi xử lý kết hợp với các linh kiện điện tử khác. Thiết bị dùng để điều khiển điện năng này được gọi là Bộ điều khiển động cơ.

Động cơ bước

Động cơ bước là một dạng của động cơ một chiều không chổi than.

Trong động cơ bước, rotor và stator được thiết kế sao cho các bước quay rất nhỏ và liên kết từ trường giữa chúng là rất lớn ở mỗi bước quay.

Thiết kế của stator và rotor giúp tập trung từ trường và khóa rotor chính xác theo một góc quay xác định.

Nhờ có vi xử lý điều khiển điện năng đến cuộn dây stators, chúng ta có thể điều chỉnh góc quay, chiều quay và tốc độ quay của động cơ bước.

Động cơ Servo

Như vậy, động cơ servo thuộc loại động cơ nào?

Động cơ servo có thể là BẤT KỲ loại động cơ nào vừa nêu khi kết hợp với bộ điều khiển động cơ servo, phản hồi và hệ thống điều khiển thích hợp!

Động cơ servo dùng trong đồ chơi điều khiển vô tuyến thì thường sử dụng thiết kế mạch DC truyền thống rẻ tiền để giảm kích thước và hạ giá thành sản phẩm.

Động cơ servo trong công nghiệp đáp ứng được yêu cầu tốc độ nhanh, độ chính xác cao và sản sinh ra mô men lớn trong suốt dải hoạt động là dựa vào thiết kế của động cơ điện một chiều không chổi than.

Dù thiết kế như thế nào thì một động cơ cũng vẫn chỉ là động cơ nếu không được kết hợp với các thiết bị điều khiển điện tử và bộ phản hồi mã hóa xung vòng quay thích hợp để hoạt động với chức năng

Cách hoạt động của động cơ servo

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cấu hình chuẩn và hoạt động của động cơ servo trong các ứng dụng thực tế.

chúng ta sẽ xem xét hai yếu tố rất quan trọng:

1. Kích cỡ động cơ servo
2. Căn chỉnh hệ thống động cơ servo

Kích cỡ động cơ Servo có ý nghĩa gì? Nó có thể là:

1. Kích thước vật lý của động cơ servo?
2. Mô men sinh ra bởi động cơ servo?
3. Công suất (áp và dòng) của động cơ để vận hành an toàn?

Trên thực tế, tất cả ba yếu tố trên đều đúng và liên quan lẫn nhau. Việc lựa chọn một yếu tố sẽ ảnh hưởng tới các yếu tố còn lại. Việc lựa chọn kích cỡ động cơ servo cụ thể hoàn toàn dựa vào ứng dụng thực tế!

Tải và chuyển động của tải

Một động cơ servo phải cấp đủ lực để di chuyển các thiết bị máy móc với vận tốc và khoảng cách yêu cầu.

Thiết bị mà động cơ servo phải di chuyển được gọi là tải.

Nếu động cơ servo không đủ lớn, nó không thể đạt được yêu cầu kỹ thuật. Ví dụ như nó có thể di chuyển tải nhưng không đạt được tốc độ yêu cầu hoặc có thể di chuyển tải đúng với tốc độ nhưng không đúng khoảng cách yêu cầu.

Các bạn hãy hình dung ra hệ quả của các ứng dụng này!

Như vậy, chính xác động cơ servo cần sinh ra bao nhiêu lực là một câu hỏi rất quan trọng!

Lực để di chuyển tải 

Động cơ servo di chuyển tất cả thiết bị gắn vào trục của nó bằng chuyển động quay của trục động cơ.

Đối với chuyển động quay, cũng giống như chuyển động quay của trục động cơ servo, lực cần sinh ra được tính như sau:

T = J * a

T là Mô men : đại lượng đặc trưng cho lực tạo chuyển động quay. Nó là lực mà động cơ servo cần sinh ra để di chuyển tải.

a là Gia tốc góc : Đặc trưng cho sự nhanh hay chậm của tải di chuyển qua một khoảng cách nhất định.

J là Mô men quán tính : đại lượng này có thể khá lạ lẫm nên chúng ta hãy cùng định nghĩa nó.

Quán tính và mô men quán tính

Quán tính là đại lượng đặc trưng cho vật thể chống lại sự biến thiên trạng thái chuyển động hoặc đứng yên của vật mang khối lượng.

Một đoàn tàu chở hàng nặng cần một lực rất lớn để bắt đầu chuyển bánh. Khi đoàn tàu không tăng tốc nữa, nó cần dùng ít lực hơn để di chuyển với vận tốc ổn định.

Khi cần giảm tốc và dừng lại, đoàn tàu sẽ lần nữa cần một lực rất lớn. Đoàn tàu vẫn tiếp tục chuyển động do quán tính.

Mô men quán tính là đại lượng đặc trưng cho tính chất chống lại sự thay đổi trạng thái chuyển động hoặc đứng yên của vật thể quay

Ngoài ảnh hưởng của khối lượng vật thể, mô men quán tính còn bị ảnh hưởng bởi sự phân bố khối lượng nội tại của vật thể trong mối liên hệ với tâm quay.

Kích cỡ đúng của động cơ Servo

Với các model khác nhau của động cơ servo sẽ sinh ra mô men khác nhau để đáp ứng với các yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.

Động cơ servo phải thắng được quán tính tổng của các thiết bị máy móc gắn vào nó. Nó phải sinh ra đủ mô men (lực) để tăng tốc, di chuyển, giảm tốc và dừng tải với tốc độ theo yêu cầu của ứng dụng.

Các kỹ sư chuyên ngành được đào tạo để tính toán tổng quán tính và tổng mô men cần thiết. Bên cạnh đó, còn có các công cụ phần mềm giúp tính toán các giá trị này.

Dù sử dụng phương pháp nào, tổng quán tính và tổng mô menphải được tính toán trước khi lựa chọn được đúng kích cỡ của động cơ servo.

Mức công suất

Mức công suất là đại lượng phổ biến đặc trưng cho năng lực của động cơ servo.

Bởi vì dòng điện đi qua cuộn dây stator càng lớn, từ trường tạo ra càng mạnh. Dòng điện cao có nghĩa là công suất lớn (đơn vị tính là watt) và công suất lớn sẽ sinh ra mô men lớn.

Nhìn chung, số Kilowatt (công suất) trên một dải tốc độ vòng/phút (RPM) và công suất nguồn của một động cơ servo càng cao, mô men động cơ sinh ra càng lớn.

Trong các ứng dụng thực tế, vấn đề được xem xét trước tiên đó là điện áp nguồn ở nơi triển khai ứng dụng. Sau đó dựa vào mô men tính toán và tốc độ vòng/phút (RPM) theo yêu cầu kỹ thuật, chúng ta sẽ tiến hành lựa chọn sơ bộ loại động cơ servo.

Biểu đồ mô men và tốc độ

Mô men do động cơ servo có thể sinh ra phụ thuộc vào:

1. Mức công suất của động cơ servo (Kilo Watts)
2. Tốc độ hoạt động vòng/phút đáp ứng yêu cầu kỹ thuật

Nhìn chung, mức công suất động cơ càng cao, mô men do động cơ sinh ra càng lớn.

Dựa vào biểu đồ tương quan mô men và tốc độ có thể xác định được một động cơ có thể sinh ra được bao nhiêu mô men tại các tốc độ khác nhau. Nhà sản xuất thường cung cấp số liệu này để hỗ trợ việc lựa chọn đúng loại động cơ.

Động cơ servo có thể hoạt động trong chế độ ngắn hạn lặp lại. Nó có thể sinh ra lượng mô men này trong thời gian khoảng vài giây.

Động cơ servo có thể hoạt động trong chế độ hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian không giới hạn nếu được làm mát đúng cách.

Căn chỉnh động cơ servo

Ngay cả khi động cơ servo và các thiết bị liên quan được lựa chọn đúng với chất lượng tốt nhất thì cũng chưa có gì đảm bảo được là hệ thống sẽ vận hành tốt.

Lấy ví dụ bạn có một chiếc đàn piano và đã nhiều năm bạn chưa (hoặc chẳng bao giờ) lên dây cho nó. Bạn nghĩ nó sẽ hoạt động như thế nào?

Để hệ thống động cơ servo hoạt động tốt nhất, bạn cần căn chỉnh để đạt được điều đó.

Các tiêu chí hoạt động

Khi chúng ta nói một hệ điều khiển động cơ servo đã đạt tới các tiêu chí hoạt động, điều này bao hàm nhiều yếu tố gồm có:

• Sự ổn định
• Sai số tốc độ
• Sai số vị trí
• Tốc độ đáp ứng
• Hiện tượng cộng hưởng

Ví dụ như, nhiều máy chụp ảnh sử dụng một động cơ servo nhỏ để điều chỉnh tiêu điểm của ống kính trước khi chụp hình. Nếu tốc độ của động cơ thấp hoặc có sai số vị trí xảy ra, bức ảnh của chúng ta sẽ bị mờ, không rõ nét!

Trong các ứng dụng công nghiệp, các sai số này dẫn đến việc lãng phí nguyên vật liệu, nhiều phế phẩm hoặc có thể gây nguy hiểm vì tương tác giữa các bộ phận chuyển động có khối lượng lớn!

Các thông số căn chỉnh

Nguyên tắc cơ bản cho căn chỉnh đó là tính toán sai số và thực hiện phản hồi để triệt tiêu các sai số này. Đây chính là nguyên tắc cơ bản của mạch vòng điều khiển chúng ta đã được học trong các phần trước.

Chúng ta có thể điều chỉnh bộ khuếch đại có chức năng xử lý tín hiệu sai số để thay đổi tốc độ đáp ứng và lượng hiệu chỉnh trên một lượng sai số xác định.

Sự điều chỉnh này được gọi là các thông số căn chỉnh.

Tốc độ đáp ứng 

Tốc độ đáp ứng là độ lớn và tốc độ mà quá trình triệt tiêu sai lệch. Độ lớn và tốc độ này được xác định nhờ cài đặt các thông số căn chỉnh.

Đường cong A chỉ ra rằng hệ thống là hệ dao động.  Nó dao động xung quanh giá trị ổn định, qua mỗi chu kỳ dao động nó càng tiệm cận với giá trị ổn định nhưng không bao giờ trùng với giá trị ổn định.

Đường cong B chỉ ra rằng hệ thống là hệ ổn định nhanh. Nó không bị điều chỉnh quá mức và đạt tới giá trị ổn định trong một khoảng thời gian khá nhanh.

Đường cong C chỉ ra rằng hệ thống là ổn định chậm. Nó không bị điều chỉnh quá mức nhưng mất một thời gian dài để đạt tới giá trị ổn định.

Rung động cơ học

Trong bất kỳ hệ chuyển động cơ học nào đều có hiện tượng rung động.

Hiện tượng rung động gây ra bởi nhiều yếu tố. Khớp tiếp giáp, dây curoa và hộp số gắn với động cơ servo đều có thể gây ra hiện tượng rung động. Đây cũng là nguyên nhân gây ra sai số vị trí và sai số tốc độ trong hệ truyền động.

Hiện tượng cộng hưởng

Hiện tượng cộng hưởng là một dạng rung động xảy ra khi tần số rung động trùng với tần số tự nhiên của hệ cơ khí.

Vào năm 1940, cây cầu Tacoma Narrows ở bang Washington, Mỹ bắt đầu cộng hưởng khi một cơn gió có vận tốc 40 mph thổi qua cây cầu. Như các bạn thấy, cây cầu đổ sập ít phút sau đó và sự việc này đã vĩnh viễn thay đổi thiết kế kiến trúc để chống lại khả năng cộng hưởng do gió của các công trình.

Hiện tượng cộng hưởng cũng xảy ra ở hệ thống điều khiển động cơ servo nhưng được kiểm soát thông qua sự kết hợp việc điều chỉnh cơ khí và căn chỉnh chuẩn xác dựa vào phần mềm bộ lọc có chức năng làm giảm tần số cộng hưởng.

Công nghệ điều khiển động cơ Servo

Giới thiệu về công nghệ điều khiển động cơ Servo 

Động cơ servo là thành phần quan trọng của hệ thống điều khiển chuyển động.  

Để hoạt động được, chúng ta phải nối động cơ servo với các phần cứng, phần mềm hỗ trợ điều khiển chuyển động.

Động cơ servo được kết hợp cơ khí với các thiết bị máy móc khác để cung cấp lực di chuyển các thiết bị này theo yêu cầu của ứng dụng.

Trong bài học này, chúng ta sẽ cùng khám phá công nghệ để vận hành động cơ servo, bộ điều khiển động cơ servo và các phương pháp phản hồi để đạt được hoạt động như mong muốn.

Cấu hình hệ thống động cơ servo

Động cơ servo được sử dụng trong các hệ thống điều khiển chuyển động để cung cấp một lực cơ học cụ thể trong khoảng thời gian nhất định.

Để đạt được điều này, chúng ta phải điều khiển vị trí, vận tốc và mô men của động cơ servo theo yêu cầu ứng dụng.

Để hoạt động chuẩn xác, động cơ servo phải kết hợp với:

1. Bộ điều khiển – Thông thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng sẽ chạy chương trình điều khiển để thực hiện đúng theo yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.
2. Bộ điều khiển động cơ – Thiết bị điện tử có chức năng cung cấp đủ năng lượng cho động cơ theo đúng cách, đúng thời điểm.
3. Bộ mã hóa xung vòng quay – tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ.

Cấu trúc động cơ servo

Trong công nghiệp, hầu hết các dạng động cơ servo sử dụng động cơ một chiều không chổi than.

Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh. Stator của động cơ được cuốn các cuộn dây riêng biệt, được cấp nguồn theo một trình tự thích hợp để quay rotor.

Nếu thời điểm và dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác, chuyển động quay của rotor phụ thuộc vào tần số, pha, phân cực và dòng điện chạy trong cuộn dây stator.

Hãy kích chuột vào từng phần của động cơ servo để xem các thành phần bên trong của động cơ.

Bạn có thể thấy:

• Đĩa bộ mã hóa xung vòng quay
• Nam châm vĩnh cửu
• Cuộn dây stator

Chức năng của bộ điều khiển động cơ servo

Cần có nguồn điện cấp tương thích với thiết kế của động cơ servo. Bộ điều khiển động cơ servo thực hiện chức năng này.

Bộ điều khiển cung cấp nguồn cho động cơ servo đúng lượng, đúng thời điểm để điều khiển vị trí, tốc độ và mô men tương ứng với các đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động, phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và từ bản thân động cơ servo.

Các chức năng khác của bộ điều khiển bao gồm:

1. Truyền thông với bộ điều khiển chuyển động
2. Đọc phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và điều chỉnh thời gian thực cho mạch vòng điều khiển kín.
3. Xử lý các tín hiệu vào/ra ví dụ như các thiết bị an toàn, chế độ đầu vào và các tín hiệu đầu ra về trạng thái hoạt động.

Điều khiển năng lượng cho động cơ servo

Bộ điều khiển điện động cơ servo sử dụng một hàng các transistor công suất được gọi là Transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT)để kiểm soát năng lượng đưa vào động cơ servo.

IGBT có khả năng chuyển mạch nhanh với dòng lớn nên là lựa chọn lý tưởng cho ứng dụng này.

IGBT được điều khiển bằng các thiết bị điện tử nhằm sản sinh ra các dạng điện áp, dòng điện, tần số, phân cực và pha đặc thù cung cấp cho động cơ servo.

Vì lý do này, mỗi bộ điều khiển thường kết hợp với một dòng động cơ servo cụ thể.

Trong khi tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển động cơ servo là dòng một chiều (DC), đầu ra bộ điều khiển gần như là dạng sóng điện xoay chiều để điều khiển trơn tốc độ, gia tốc và mô men của động cơ servo.

Tín hiệu điều khiển động cơ servo 

Dựa vào dữ liệu lưu trong chương trình điều khiển chuyển động, bộ điều khiển nhận tín hiệu để thực hiện một dạng chuyển động nhất định.

Tín hiệu từ bộ điều khiển chuyển động gửi tới bộ điều khiển động cơ servo có thể có nhiều dạng:

• Điện áp một chiều dạng tương tự (ví dụ như từ -12VDC đến +12VDC)

• Dãy xung

• Gói dữ liệu truyền qua mạng

Phản hồi trong hệ thống động cơ servo

Bộ điều khiển và động cơ servo cùng hoạt động để vận hành trong chế độ mạch vòng kín.

Khi sử dụng mạch phản hồi, vị trí thực tế, vận tốc hay mô men của động cơ servo được so sánh với lệnh chuyển động và bất kỳ sai số nào giữa các cặp giá trị trên đều được xác định.

Sau đó, bộ điều khiển động cơ servo sẽ sử dụng các thông tin sai số này để điều chỉnh hoạt động của động cơ theo thời gian thực, sao cho quá trình hoạt động của động cơ đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng.

Chu trình phản hồi – xác định sai số – triệt tiêu sai số được gọi làmạch vòng điều khiển kín .

Mạch vòng điều khiển

Mạch vòng điều khiển được xử lý bởi bộ điều khiển động cơ servo, bộ điều khiển chuyển động hoặc cả hai tùy thuộc vào yêu cầu điều khiển.

Để đạt được chuyển động như mong muốn cho ứng dụng của mình, chúng ta có thể tách riêng các mạch vòng điều khiển cho vị trí, vận tốc và mô men.

Không phải tất cả các ứng dụng điều khiển đều bao gồm cả ba dạng mạch vòng điều khiển vừa nêu. Nhiều ứng dụng chỉ gồm có mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ dùng cho điều khiển tốc độ. Nhiều ứng dụng lại cần có cả ba mạch vòng điều khiển để điều khiển vị trí.

•  Điều khiển vị trí (position Loop)

Vị trí được hiểu là vị trí góc tuyệt đối của trục động cơ servo hoặc trong vài trường hợp, là vị trí của thiết bị truyền động bởi động cơ servo.

Khi động cơ servo thay đổi vị trí, bộ mã hóa xung vòng quay của động cơ servo sẽ gửi phản hồi vị trí thực tế của trục động cơ tới bộ điều khiển động cơ servo hoặc có thể gửi tín hiệu trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động.

Mạch vòng vị trí sẽ tiến hành so sánh vị trí đặt và vị trí thực tế; từ sai số nhận được và các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển tự động điều chỉnh vị trí trục quay động cơ theo thời gian thực để triệt tiêu sai lệch vị trí.

Theo cách này, động cơ servo sẽ thực hiện chính xác theo thông số đã đặt trước ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi. Ví dụ như, nếu thiết bị truyền động bởi động cơ servo trở nên khó di chuyển, bộ điều khiển động cơ servo sẽ điều khiển tăng mô men sinh ra và/hoặc điều khiển động cơ vận hành trong khoảng thời gian lâu hơn để đạt được vị trí mong muốn bất chấp ma sát của cơ cấu truyền động.

• Điều khiển tốc độ (Velocity Loop)

Tốc độ ở đây được hiểu là vận tốc và chiều quay của động cơ servo.

Khi động cơ servo tăng tốc hoặc giảm tốc, bộ mã hóa xung vòng quay sẽ gửi vận tốc và chiều quay thực tế tới bộ điều khiển động cơ servo hoặc gửi trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động.

Mạch vòng tốc độ sẽ so sánh tốc độ đặt với tốc độ hiện tại; dựa vào sai số tốc độ và các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộ điều khiển động cơ sẽ tự động điều chỉnh vận tốc động cơ theo thời gian thực để đạt được các yêu cầu của ứng dụng.

Theo cách này, động cơ servo sẽ thực hiện đúng theo các thông số đã cài đặt ngay cả khi điều kiện vận hành thay đổi. Ví dụ như, nếu động cơ servo truyền động cho một cơ cấu có trọng lượng lớn, động cơ sẽ rất khó để giảm tốc. Trong trường hợp này, động cơ có thể tăng mô men nghịch để dừng tải trong khoảng thời gian và khoảng cách theo yêu cầu của ứng dụng.

• Điều khiển Mô men (Current Loop)

Mô men của động cơ Servo là lực tạo ra từ chuyển động quay của rotor động cơ.

Mô men tạo ra tỷ lệ thuận với dòng điện hiệu dụng chạy trong cuộn dây stator của động cơ. Dòng hiệu dụng càng cao, mô men sinh ra càng lớn.

Bộ điều khiển động cơ servo đo trị số dòng hiệu dụng chạy trong cuộn dây stator và dùng phản hồi giá trị này để tự động điều chỉnh dòng điện trong động cơ theo thời gian thực nhằm đáp ứng được yêu cầu mô men của ứng dụng.

Mạch vòng dòng điện đôi khi được hiểu là mạch vòng mô men.

Trong ví dụ sau, bộ điều khiển gửi đi 32 xung để điều khiển vị trí động cơ.

Bộ mã hóa xung vòng quay gửi tín hiệu phản hồi vị trí của động cơ. Sai số nhận được sẽ được sử dụng để điều chỉnh động cơ đến vị trí đúng.

Do quán tính nên động cơ chuyển động vượt quá vị trí chuẩn một chút, sai số vị trí này sẽ được dùng để điều chỉnh động cơ về vị trí đúng.

Bộ phản hồi mã hóa xung vòng quay 

Bộ mã hóa xung vòng quay (encoder) là thiết bị phần cứng thiết yếu của hệ thống động cơ servo có tác dụng phản hồi tốc độ và vị trí.

Thông thường, bộ mã hóa xung vòng quay nằm trong hoặc được gắn với động cơ servo. Trong một vài ứng dụng, bộ mã hóa xung vòng quay là thiết bị được gá lắp riêng biệt với động cơ. Cách gá lắp này giúp cho bộ mã hóa xung vòng quay ghi nhận được các thông số khác ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ servo.

Có hai dạng bộ mã hóa xung vòng quay chính:

1. Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ (incremental)
2. Bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối (absolute)

Cấu trúc vật lý của bộ mã hóa xung vòng quay quyết định dạng tín hiệu phản hồi. Chúng ta hãy cùng xem chúng khác nhau như thế nào!

1. Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ

Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ áp dụng nguyên lý quang học sử dụng một đĩa thủy tinh trong suốt được in các vạch đối xứng tỏa tròn theo khoảng cách đều. Đĩa này được gắn cố định với trục động cơ và quay cùng rotor của động cơ.

Các vạch trên đĩa được phát hiện bởi một cảm biến quang điện. Đầu ra của cảm biến thay đổi mỗi khi có sự thay đổi từ sáng sang tối hoặc từ tối sang sáng. Tốc độ thay đổi này tỷ lệ thuận với vận tốc động cơ. Đầu ra của bộ mã hóa xung vòng quay là một dải xung tỷ lệ với vận tốc động cơ. Đầu ra này đôi lúc còn được gọi là tín hiệu Pha A.

Như vậy, với bộ mã hóa này chúng ta không thể biết được chiều quay mà chỉ biết được tốc độ của động cơ.

Để biết được chiều quay, bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ cần lắp thêm một cảm biến quang thứ hai, cách cảm biến thứ nhất một khoảng cách nhất định.

Khi thay đổi chiều quay thì xung cũng thay đổi

Vị trí của cảm biến thứ hai được lắp ở trị trí sao cho sự thay đổi sáng tối làm cho đầu ra của cảm biến thứ hai lệch pha 90 độ so với cảm biến thứ nhất. Quan hệ giữa các xung này được gọi là chậm pha ¼ chu kỳ.

Bằng cách so sánh hai dãy xung lệch pha này, ngoài xác định được vận tốc quay còn có thể xác định được chiều quay!
Đầu ra từ cảm biến thứ 2 còn được gọi là tín hiệu Pha B.

Bên cạnh tín hiệu pha A và pha B, bộ mã hóa xung vòng quay có thể có đầu ra thứ ba được gọi là Pha Z.

Pha Z chỉ xuất đi một xung ứng với mỗi vòng quay. Tín hiệu này có tác dụng xác định vị trí gốc ban đầu hoặc vị trí tham chiếu.

Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ sử dụng xung tham chiếu này là điểm bắt đầu để từ đó xác định vị trí tuyệt đối bằng cách đếm số xung bắt đầu từ một vị trí đã biết.

2. Bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối

Bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối cũng sử dụng một đĩa trong suốt; nhưng thay vì dùng các vạch in, đĩa này có các vùng trong suốt và vùng mờ sắp xếp theo mã nhị phân.

Mỗi bit mã hóa là một vùng riêng biệt trên đĩa và các cảm biến quang sẽ đồng thời đọc tất cả các vùng này.

Dữ liệu đọc từ đĩa là duy nhất ứng với mỗi vị trí góc của trục động cơ. Dữ liệu này có thể được gửi đi từ bộ mã hóa theo phương thức song song hoặc được chuyển đổi sang kiểu dữ liệu nối tiếp.

Số bit trong mã dữ liệu quy định độ phân giải góc của bộ mã hóa xung vòng quay. Theo lý thuyết, một bộ mã hóa xung vòng quay có độ phân giải 12 bit sẽ sinh ra 4096 mã đơn nhất khi quay một vòng 360 độ; hay nói cách khác khi trục động cơ quay được 0.088 độ sẽ xuất ra một mã đơn nhất. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới việc tăng thêm số góc thực tế nhưng bộ mã hóa 20 bit cũng không phải là hiếm gặp!

Một phương pháp khác để xác định vị trí tuyệt đối là kết hợp một dạng đặc biệt của bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ với một bộ nhớ phần cứng cùng với một phần mềm riêng thay vì sử dụng chiếc đĩa đắt đỏ của bộ mã hóa tuyệt đối.

Thiết bị sử dụng các xung lũy tiến từ bộ mã hóa để tạo một vị trí ảo tuyệt đối trong bộ nhớ phần cứng. Nhờ có pin, bộ nhớ được duy trì ngay cả khi ngắt nguồn của hệ thống.

Cả hai dạng bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối đều có thể gửi phản hồi vị trí cần thiết đến bộ điều khiển động cơ servo.

Năng lượng tái tạo

Hãy kích chuột vào nút Play để quan sát năng lượng tái sinh được tô màu đỏ.

Các bạn có thể sẽ ngạc nhiên khi biết rằng động cơ servo có thểphát điện!

Nếu quay một động cơ servo bằng một ngoại lực (ví dụ như quay bằng tay), một dòng điện sẽ được cảm ứng trong stator của động cơ!

Khi dùng một động cơ servo để nâng thiết bị công nghiệp theo phương thẳng đứng, động cơ phải thắng được trọng lực và phải sản sinh nhiều mô men hơn. Mặc dù vậy, khi thiết bị được hạ xuống, trọng lực này lại làm quay trục động cơ!

Đối với các chuyển động ngang, khi bộ điều khiển động cơ muốn giảm nhanh tốc độ một tải trọng nặng (phanh), quán tính của tải trọng sẽ làm trục động cơ tiếp tục quay và năng lượng điện thừa sinh ra cần phải được tiêu tán.

Năng lượng này được gọi là năng lượng tái sinh, và bộ điều khiển động cơ servo được thiết kế để tiêu tán một lượng năng lượng tái sinh nhất định.
Nếu năng lượng tái sinh này vượt quá khả năng tiêu tán của bộ điều khiển, chúng ta cần lắp thêm điện trở hãm  để tiêu tán năng lượng này thành dạng nhiệt năng.