Động cơ servo là gì? Cấu tạo, phân loại và ứng dụng chi tiết

Động cơ servo là một thành phần không thể thiếu của nhiều thiết bị công nghệ hiện đại, từ những cánh tay robot khổng lồ trong nhà máy sản xuất ô tô đến các loại máy CNC đòi hỏi sự tinh xảo. Với khả năng điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men xoắn một cách cực kỳ chính xác, động cơ servo chính là giải pháp tối ưu cho những ứng dụng yêu cầu hiệu suất và độ tin chính xác cao. Trong bài viết dưới đây, Cơ Khí Anpha – Anpha Tech sẽ đề cập chi tiết về động cơ servo là gì, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và những ứng dụng thực tế của nó. Cùng tìm hiểu chi tiết nhé.

Động cơ servo là gì?

Động cơ servo (hay Servo Motor) là một hệ thống truyền động hoàn chỉnh hoạt động theo cơ chế hồi tiếp vòng kín. Hiểu đơn giản, nó là một thiết bị có khả năng tự điều chỉnh để đạt được chính xác vị trí, tốc độ hoặc lực theo yêu cầu của bộ điều khiển. Một hệ thống servo hoàn chỉnh bao gồm ba thành phần cốt lõi là:

• Bộ điều khiển servo: Đóng vai trò là trung tâm điều khiển, là bộ não của thiết bị, nơi nhận tín hiệu lệnh và cung cấp nguồn điện phù hợp cho động cơ hoạt động
• Động cơ servo: Đây là bộ phận sẽ thực hiện các chuyển động quay, tạo ra lực cần thiết.
• Encoder (Bộ mã hóa): Bộ mã hóa được gắn với động cơ để liên tục đo lường và gửi tín hiệu vị trí, tốc độ thực tế về lại bộ điều khiển. từ đó bộ điều khiển phân tích và cung cấp nguồn điện phù hợp.

Chính nhờ cơ chế hoạt động hồi tiếp vòng kín này nên hệ thống luôn biết được trạng thái hiện tại của mình và tự động sửa lỗi nếu có bất kỳ sai lệch nào so với lệnh ban đầu. Đây chính là điểm khác biệt lớn nhất của động cơ servo so với các loại động cơ thông thường.

Cấu tạo chi tiết của động cơ servo

Một hệ thống servo hoàn chỉnh là kết quả của nhiều bộ phận phối hợp nhịp nhàng với nhau. Do vậy, trước khi tìm hiểu cấu tạo của động cơ servo, ta hãy cùng tìm hiểu về cấu tạo của hệ thống servo.

Cấu tạo cơ bản của một hệ thống servo

Một hệ thống servo đầy đủ là sự kết hợp của 5 thành phần chính, bao gồm: Bộ điều khiển Servo có chức năng nhận lệnh điều khiển và cấp nguồn cho động cơ; Một động cơ nam châm vĩnh cửu tham gia trực tiếp tạo để ra chuyển động; Bộ mã hóa dùng để cung cấp tín hiệu hồi tiếp; Cáp động lực để tải điện năng từ driver đến motor và cuối cùng là cáp tín hiệu Encoder dùng để dẫn truyền tín hiệu từ encoder về driver.

Ngoài ra, để ra lệnh cho toàn bộ hệ thống thì cần có thêm các thiết bị ngoại vi như: HMI để cài đặt thông số và lập trình PLC để lập trình các chu trình hoạt động phức tạp.

Cấu tạo động cơ servo

Động cơ servo có hai loại là động cơ servo AC và động cơ servo DC. Tuy nhiên do động cơ servo là loại phổ biến nhất trong công nghiệp hiện nay nên dưới đây ta sẽ tìm hiểu về cấu tạo của nó. Cấu tạo của động cơ servo AC gồm hai phần chính là Stator và Rotor.

Stator (phần tĩnh): Bộ phận này bao gồm các cuộn dây đồng được quấn quanh một lõi sắt. Khi bộ điều khiển cấp dòng điện xoay chiều ba pha vào đây, một từ trường quay sẽ được tạo ra.

Rotor (phần quay): Rotor của động cơ servo AC được làm từ nam châm vĩnh cửu có từ tính cực mạnh. Từ trường quay của stator sẽ tương tác với từ trường của nam châm trên rotor, tạo ra mô-men xoắn và làm quay rotor.

Encoder: Thường được gắn ở phần đuôi động cơ, có nhiệm vụ đọc và phản hồi tín hiệu vị trí, tốc độ của rotor về bộ điều khiển một cách chính xác nhất.

Chính nhờ cấu tạo này mà động cơ servo AC có khả năng tăng tốc nhanh chóng, hoạt động ổn định và hiệu quả cao, phù hợp cho các máy móc công nghiệp cần năng suất cao.

Nguyên lý hoạt động của động cơ servo

Điểm cốt lõi làm nên sự kỳ diệu của động cơ servo chính là nguyên lý hoạt động dựa trên một hệ thống hồi tiếp vòng kín. Hãy tưởng tượng bạn đang cố gắng di chuyển một vật đến vị trí X thì nguyên lý hoạt động của động cơ servo như sau:

Đầu tiên, bộ điều khiển sẽ gửi một tín hiệu lệnh (ví dụ: “di chuyển đến vị trí X với tốc độ Y”) tới Servo Drive. Lúc này Servo Drive nhận được tín hiệu, xử lý chúng và cung cấp một dòng điện phù hợp cho Servo Motor để bắt đầu quay. Trong suốt quá trình quay, Encoder sẽ liên tục đo lường vị trí và tốc độ thực tế của trục động cơ rồi gửi thông tin này ngược trở lại Servo Drive để so sánh tín hiệu lệnh ban đầu với tín hiệu phản hồi từ Encoder.

Nếu vị trí thực tế khớp với vị trí mong muốn, động cơ sẽ giữ nguyên hoặc dừng lại. Trường hợp có bất kỳ sai lệch nào (vị trí thực tế chưa tới hoặc đã đi quá vị trí mong muốn), thì Servo Drive sẽ ngay lập tức điều chỉnh dòng điện cấp cho động cơ để bù trừ sai số, kéo trục quay về đúng vị trí yêu cầu. Quá trình này diễn ra liên tục hàng nghìn lần mỗi giây để đảm bảo động cơ luôn bám sát theo lệnh một cách chính xác gần như tuyệt đối.

Phân loại động cơ servo

Động cơ servo được phân thành hai loại dựa trên nguồn điện sử dụng: Servo AC và Servo DC. Mỗi loại đều có những đặc điểm và ứng dụng riêng.

Động cơ servo AC

Đây là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng công nghiệp hiện đại. Đặc điểm nổi bật nhất của động cơ servo AC có thể xử lý các dòng điện cao, tạo ra mô-men xoắn lớn và hoạt động bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt. Chúng có cấu tạo không dùng chổi than, giúp giảm thiểu nhu cầu bảo trì và tăng tuổi thọ sử dụng.

Trong động cơ servo AC lại được chia thành hai loại là động cơ servo đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PM) và động cơ servo không đồng bộ (IM). Trong đó, loại PM được ưa chuộng hơn cả nhờ khả năng đáp ứng tốc độ cao, mô-men xoắn ổn định và hiệu suất vượt trội.

Loại động cơ servo AC này thường được sử dụng trong các loại máy CNC, robot công nghiệp, máy ép nhựa, thiết bị đóng gói tốc độ cao,…

Động cơ servo DC

So với động cơ servo AC thì cấu tạo của động cơ servo DC đơn giản hơn nên việc điều khiển cũng dễ dàng hơn. Tuy nhiên, loại động cơ này sử dụng cơ cấu chổi than và cổ góp để truyền điện cho rotor. Những bộ phận này sẽ bị mài mòn theo thời gian nên động cơ servo DC cần được bảo dưỡng, thay thế định kỳ.

Động cơ servo DC thường được thiết kế cho các thiết bị nhỏ, các máy móc thế hệ cũ có công suất không lớn, robot mô hình sử dụng dòng điện thấp.

Ứng dụng của động cơ servo trong công nghiệp

Động cơ servo có mặt trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất và tự động hóa hiện nay. Một vài ứng dụng tiêu biểu có thể kể ra như:

Robot công nghiệp

Trong robot, servo là trái tim của mọi chuyển động. Chúng được dùng để điều khiển các khớp nối của robot công nghiệp như: Cánh tay robot, cổ tay, và các cơ cấu chấp hành khác.

Ví dụ, trong ứng dụng gắp và xếp bao lên pallet, động cơ servo có thể đảm bảo độ chính xác vị trí lặp lại lên đến ±0,01mm, điều này giúp robot hoạt động với tốc độ nhanh mà vẫn đảm bảo độ chính xác.

Máy CNC

Trong các hệ thống gia công cơ khí chính xác như máy phay, máy tiện CNC, động cơ servo được sử dụng để điều khiển chuyển động của các trục X, Y, Z. Khả năng đáp ứng tốc độ cao, gia tốc lớn và chịu quá tải trong thời gian ngắn của servo giúp máy CNC cắt gọt vật liệu nhanh hơn, bề mặt sản phẩm được cắt mịn, đẹp và đạt độ chính xác gần như tuyệt đối.

Các ứng dụng khác

Ngoài hai lĩnh vực trên, servo còn được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như: Các loại máy đóng gói tự động, máy cắt, máy in, trong dây chuyền lắp ráp và trong ngành dệt may,…

Sử dụng động cơ servo có những lợi ích vượt trội nào?

Đầu tư vào một hệ thống servo mang lại nhiều lợi ích cả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế cho doanh nghiệp, cụ thể như:

• Hiệu suất hoạt động của động cơ servo có thể đạt trên 90%, giúp chuyển đổi điện năng thành cơ năng hiệu quả hơn.
• Có khả năng điều khiển tốc độ và điều khiển mô-men xoắn chính xác.
• Tốc độ phản ứng nhanh, gần như tức thời với sự thay đổi của lệnh điều khiển.
• Động cơ servo có thể chịu quá tải trong một khoảng thời gian ngắn, giúp thiết bị vượt qua những giai đoạn cần lực lớn đột ngột.

• Động cơ Servo hoạt động rất nhẹ nhàng và ít gây tiếng ồn so với các loại động cơ khác.
• Kích thước nhỏ gọn giúp tiết kiệm không gian lắp đặt.
• Tiết kiệm điện năng nhờ hiệu suất cao và chỉ tiêu thụ năng lượng khi cần thiết
• Động cơ servo, đặc biệt là servo AC với cấu tạo không chổi than, giúp giảm thiểu việc bảo trì và tăng tuổi thọ cho thiết bị.

Lời kết

Qua bài viết maydonggoi.com.vn vừa chia sẻ trên, hy vọng bạn đọc đã biết được động cơ servo là gì, có cấu tạo như thế nào, nguyên lý hoạt động ra sao và được ứng dụng vào những mục đích gì trong các ngành công nghiệp.