Động cơ servo (servo motor) là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng

1.1 Hệ thống servo (servomechanism) là gì?

Cơ cấu servo, còn được gọi là hệ thống servo và thường được viết tắt là “servo” là một hệ thống điều khiển tự động có khả năng điều chỉnh đầu ra dựa trên phản hồi nhận được, qua đó đạt được độ chính xác vượt trội trong việc kiểm soát vị trí, tốc độ và chuyển động tổng thể của một đối tượng. Cơ cấu servo về cơ bản là một hệ thống điều khiển phản hồi bao gồm cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị truyền động:

• Cảm biến đo lường vị trí hoặc tốc độ của đối tượng và gửi thông tin này đến bộ điều khiển, nơi xử lý và xác định các điều chỉnh cần thiết.
• Thiết bị truyền động, thường là động cơ servo, thực hiện các điều chỉnh này để đưa đầu ra thực tế khớp với đầu ra mong muốn.

Điểm đặc biệt của cơ cấu servo là khả năng sửa lỗi trong thời gian thực. Điều này đạt được thông qua phản hồi âm, nơi hệ thống liên tục so sánh hành động mong muốn với hành động thực tế và giảm thiểu sai số giữa chúng. Quá trình điều chỉnh liên tục này cho phép cơ cấu servo duy trì khả năng kiểm soát chính xác các cơ chế mà nó điều khiển, khiến nó trở thành một thành phần không thể thiếu trong công nghệ hiện đại.

1.2 Động cơ servo là gì?

Động cơ servo (servo motor) là một phần của hệ thống servo. Đây là một loại động cơ quay hoặc tịnh tiến nhận năng lượng từ bộ khuếch đại servo (servo amplifier) và tạo ra mô-men xoắn hoặc lực tác động lên một hệ thống cơ học, chẳng hạn như thiết bị truyền động hoặc phanh. Nhờ khả năng điều khiển vị trí, tốc độ và gia tốc với độ chính xác cao, servo motor đã trở thành lựa chọn hàng đầu trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện đại.

Servo motor cho phép điều khiển chính xác các thông số như vị trí góc, gia tốc và tốc độ. Loại động cơ này được sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng kín, nơi đầu ra hiện tại được xem xét và điều chỉnh để đạt trạng thái mong muốn. Trong hệ thống này, hành động điều khiển được thực hiện dựa trên đầu ra của động cơ, sử dụng hệ thống phản hồi dương để kiểm soát chuyển động và vị trí cuối cùng của trục động cơ.

Servo motor mang lại sự linh hoạt cao trong môi trường sản xuất. Các ứng dụng điển hình bao gồm: robot cộng tác (cobot), băng tải, cửa tự động, máy tiện CNC, hệ thống radar, hệ thống theo dõi và các hệ thống tự động hóa.

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của servo motor

Động cơ servo được cấu tạo từ hai cuộn dây:

• Cuộn dây stator được quấn trên phần cố định của động cơ, còn được gọi là cuộn dây từ trường của động cơ.
• Cuộn dây rotor được quấn trên phần quay của động cơ, còn được gọi là cuộn dây phần ứng của động cơ.

Động cơ có hai ổ bi ở mặt trước và mặt sau để cho phép trục quay tự do. Bộ mã hóa (encoder) được tích hợp một cảm biến xấp xỉ để xác định tốc độ quay và số vòng quay mỗi phút (RPM) của động cơ.

Động cơ servo là một phần của hệ thống vòng kín, nhận lệnh từ bộ điều khiển servo và sử dụng thiết bị phản hồi để khép kín vòng điều khiển. Động cơ, bộ điều khiển và thiết bị phản hồi tạo thành một cơ cấu servo (servomechanism). Bộ điều khiển gửi lệnh đến động cơ, làm động cơ chuyển động, trong khi encoder gửi thông tin phản hồi (bao gồm dòng điện, tốc độ hoặc vị trí hiện tại của động cơ) về cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển so sánh dữ liệu phản hồi với các thông số lệnh và điều chỉnh hoạt động của động cơ khi cần thiết.

Chính nhờ cơ chế phản hồi vòng kín này mà servo motor có thể đạt được độ chính xác vượt trội so với các loại động cơ thông thường, đặc biệt là khi so sánh với động cơ bước (stepper motor).

Servo motor tuy nhỏ gọn nhưng đóng vai trò quan trọng trong hàng loạt ứng dụng công nghiệp yêu cầu điều khiển vị trí chính xác. Từ robot công nghiệp đến máy CNC, động cơ servo hiện diện ở hầu hết mọi dây chuyền sản xuất hiện đại.

• Robot: servo motor được sử dụng để khởi tạo chuyển động, điều chỉnh cánh tay robot đến các góc chính xác.
• Băng chuyền: động cơ servo điều khiển băng chuyền di chuyển sản phẩm qua các giai đoạn sản xuất, dừng và khởi động tại các thời điểm chính xác, chẳng hạn như trong quy trình dán nhãn, đóng chai và đóng gói.
• Máy ảnh: được tích hợp trong máy ảnh để điều chỉnh ống kính và cải thiện hình ảnh bị mờ nét.
• Cửa tự động tại siêu thị, bệnh viện và rạp chiếu phim để vận hành cửa.
• Ngành dệt may: điều khiển các máy dệt, máy đan, và các máy kéo sợi hoặc dệt vải.
• Hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời: được sử dụng để điều chỉnh góc nghiêng của các tấm pin mặt trời, giúp chúng luôn hướng về phía mặt trời.
• Máy gia công kim loại: cung cấp khả năng điều khiển chuyển động chính xác trong các máy phay, máy cắt và thiết bị gia công kim loại khác.

5.1 Vai trò của dây cáp điện đối với động cơ servo

Cáp servo motor là loại cáp chuyên dụng được sử dụng để truyền tải nguồn điện và tín hiệu điều khiển giữa servo motor và bộ điều khiển hoặc bộ truyền động. Chúng đảm bảo việc truyền dẫn tín hiệu điện diễn ra liên tục, hỗ trợ điều khiển chính xác vị trí, tốc độ và mô-men xoắn trong các hệ thống servo motor.

Cáp servo motor được thiết kế để chịu được các chuyển động liên tục và điều kiện làm việc khắc nghiệt thường gặp trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp và robot. Những loại cáp này không chỉ đảm bảo tính ổn định của tín hiệu mà còn đáp ứng độ bền cao và khả năng hoạt động trong môi trường phức tạp.

>>Xem thêm: Các dòng cáp servo, motor, feedback cho động cơ truyền động

5.2 Các loại dây cáp điện dùng cho servo motor

Các loại dây cáp điện dùng cho servo motor bao gồm:

• Cáp cấp nguồn: Dùng để truyền tải năng lượng điện cần thiết cho servo motor. Loại cáp này thường có tiết diện lớn để đảm bảo khả năng truyền tải dòng điện đủ lớn, đáp ứng nhu cầu vận hành của động cơ.
• Cáp phản hồi (cáp feedback): Kết nối servo motor với các thiết bị phản hồi, giúp giám sát các thông số như vị trí, tốc độ, và trạng thái hoạt động của động cơ theo thời gian thực để thực hiện điều khiển vòng kín.
• Cáp điều khiển: Truyền tín hiệu điều khiển và kết nối động cơ servo với bộ điều khiển.