Xu hướng sử dụng công nghệ điều khiển động cơ Servo trong công nghiệp

Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang bùng nổ, thúc đẩy tự động hóa trong mọi lĩnh vực sản xuất. Với khả năng điều khiển chính xác vị trí, tốc độ và mô-men, động cơ Servo giữ vai trò then chốt trong xu hướng tự động hoá hiện nay. Bài viết này, RX Tradex sẽ cung cấp cho quý doanh nghiệp thông tin chuyên sâu về “Xu hướng sử dụng công nghệ điều khiển động cơ Servo trong công nghiệp“, giúp quý doanh nghiệp lựa chọn giải pháp tự động hóa tối ưu, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

1. Cấu hình hệ thống của động cơ servo

Một hệ thống điều khiển động cơ servo điển hình bao gồm ba thành phần chính:

• Bộ điều khiển (Controller): Đây là bộ não của hệ thống, thường là một PLC (Programmable Logic Controller) hoặc một bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng. Bộ điều khiển chịu trách nhiệm gửi tín hiệu điều khiển đến bộ điều khiển động cơ dựa trên yêu cầu hoạt động cụ thể. Nó có khả năng lập trình và điều khiển phức tạp để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.
• Bộ điều khiển động cơ (Motor Driver): Thiết bị này nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và điều chỉnh năng lượng cấp cho động cơ servo, điều chỉnh tốc độ, vị trí và mô-men xoắn theo yêu cầu. Bộ điều khiển động cơ thường sử dụng các công nghệ tiên tiến như IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) để đảm bảo hiệu suất cao và phản ứng nhanh, giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng độ bền cho hệ thống.
• Bộ mã hóa xung vòng quay (Encoder): Cung cấp thông tin phản hồi về vị trí và tốc độ của động cơ. Thông tin này được gửi lại bộ điều khiển để so sánh với tín hiệu lệnh, từ đó thực hiện các điều chỉnh cần thiết. Bộ mã hóa có thể là loại tỷ lệ hoặc tuyệt đối, tùy thuộc vào yêu cầu chính xác của ứng dụng. Bộ mã hóa tỷ lệ thường dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao về tốc độ, trong khi bộ mã hóa tuyệt đối lại quan trọng trong các ứng dụng cần biết chính xác vị trí của trục động cơ ngay cả khi mất nguồn.

2. Cấu trúc động cơ servo

Trong công nghiệp, động cơ servo thường sử dụng động cơ một chiều không chổi than. Cấu trúc của động cơ servo gồm các phần chính:

• Rotor: Là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh, đóng vai trò là phần quay của động cơ.
• Stator: Chứa các cuộn dây riêng biệt, được cấp nguồn theo một trình tự thích hợp để quay rotor. Sự chuyển động của rotor phụ thuộc vào tần số, pha, phân cực và dòng điện chạy qua cuộn dây stator.
• Bộ cảm biến: Thường là bộ mã hóa xung vòng quay, cung cấp phản hồi về vị trí và tốc độ của rotor.
• Vỏ động cơ: Bảo vệ các thành phần bên trong khỏi các yếu tố môi trường.

Chức năng của bộ điều khiển động cơ servo

Bộ điều khiển động cơ servo có nhiệm vụ:

• Cung cấp nguồn điện: Đúng lượng, đúng thời điểm cho động cơ servo để điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men.
• Truyền thông với bộ điều khiển chuyển động: Để thực hiện các lệnh điều khiển từ hệ thống chính.
• Đọc phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay: Điều chỉnh thời gian thực cho mạch vòng điều khiển kín.
• Xử lý tín hiệu vào/ra: Bao gồm thiết bị an toàn, chế độ đầu vào và các tín hiệu trạng thái hoạt động.

Việc cấp nguồn và điều khiển chính xác giúp động cơ servo hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy trong các ứng dụng công nghiệp.

3. Điều khiển năng lượng cho động cơ servo

Bộ điều khiển điện động cơ servo sử dụng các transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT) để kiểm soát năng lượng. IGBT cho phép chuyển mạch nhanh với dòng lớn, lý tưởng cho điều khiển động cơ servo, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

4. Tín hiệu điều khiển động cơ servo

Tín hiệu điều khiển động cơ servo có thể là điện áp một chiều dạng tương tự, dãy xung hoặc gói dữ liệu truyền qua mạng. Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ chương trình điều khiển chuyển động để thực hiện các dạng chuyển động nhất định. Việc sử dụng các giao thức truyền thông hiện đại như EtherCAT, PROFINET cũng giúp tăng khả năng tích hợp và điều khiển chính xác hơn.

5. Phản hồi trong hệ thống động cơ servo

Hệ thống servo hoạt động theo mạch vòng kín, trong đó vị trí, vận tốc và mô men thực tế của động cơ được so sánh với lệnh chuyển động. Bộ điều khiển điều chỉnh động cơ theo thời gian thực để triệt tiêu sai lệch, đảm bảo rằng động cơ luôn hoạt động theo đúng yêu cầu

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

6. Mạch vòng điều khiển

Mạch vòng điều khiển trong hệ thống động cơ servo có vai trò quan trọng, được điều khiển bởi bộ điều khiển động cơ servo hoặc bộ điều khiển chuyển động, hoặc cả hai tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Để đạt được chuyển động như mong muốn, có thể chia thành các mạch vòng điều khiển vị trí, vận tốc và mô men.

Không phải tất cả các ứng dụng điều khiển đều cần cả ba loại mạch vòng điều khiển này. Nhiều ứng dụng chỉ sử dụng mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ để điều khiển tốc độ vận hành. Tuy nhiên, nhiều ứng dụng phức tạp hơn lại yêu cầu cả ba loại mạch vòng để đảm bảo độ chính xác và đáp ứng nhu cầu vị trí chính xác.

Mạch vòng điều khiển vị trí (Position Loop): Mạch vòng điều khiển vị trí quản lý và điều chỉnh vị trí góc tuyệt đối của trục hoặc thiết bị truyền động. Khi động cơ servo thay đổi vị trí, bộ mã hóa xung vòng quay sẽ gửi phản hồi vị trí thực tế. Mạch vòng vị trí so sánh vị trí đặt và thực tế, và điều chỉnh động cơ để giảm thiểu sai số vị trí dựa trên thông số căn chỉnh.

Mạch vòng điều khiển tốc độ (Velocity Loop): Mạch vòng tốc độ quản lý vận tốc và hướng quay của động cơ servo. Bộ điều khiển điều chỉnh vận tốc để đảm bảo đạt được yêu cầu vận tốc và điều kiện vận hành thay đổi. Ví dụ, trong trường hợp tải nặng, động cơ có thể tăng mô men để duy trì tốc độ.

Mạch vòng điều khiển mô men (Current Loop): Mạch vòng mô men quản lý lực quay được tạo ra từ động cơ servo. Bằng cách đo dòng điện chạy qua cuộn dây stator, bộ điều khiển điều chỉnh dòng điện để đáp ứng yêu cầu mô men của ứng dụng. Điều này giúp đạt được mô men tối ưu trong các điều kiện khác nhau của quá trình sản xuất.

7. Bộ phản hồi mã hóa xung vòng quay

Bộ mã hóa xung vòng quay là một phần cứng quan trọng trong hệ thống động cơ servo, chịu trách nhiệm phản hồi thông tin về tốc độ và vị trí của động cơ. Thông thường, bộ mã hóa này được tích hợp hoặc gắn kèm với động cơ servo. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, bộ mã hóa xung vòng quay có thể được lắp đặt riêng biệt với động cơ để bắt các thông số chi tiết ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.

Có hai dạng chính của bộ mã hóa xung vòng quay:

7.1. Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ

Bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ hoạt động dựa trên nguyên lý quang học, sử dụng một đĩa thủy tinh trong suốt có các vạch đối xứng tỏa tròn được in khoảng cách đều. Đĩa này được gắn cố định với trục của động cơ servo và quay cùng với rotor của động cơ. Các vạch trên đĩa được phát hiện bởi một cảm biến quang điện. Mỗi lần có sự thay đổi từ trạng thái sáng sang tối hoặc ngược lại, đầu ra của cảm biến thay đổi, tương ứng với tốc độ vòng quay của động cơ. Tín hiệu đầu ra này, hay còn gọi là tín hiệu Pha A, không chỉ cho biết tốc độ mà còn dùng để xác định hướng quay. Để biết chiều quay, bộ mã hóa cần sử dụng thêm một cảm biến quang thứ hai, được đặt một khoảng cách nhất định so với cảm biến thứ nhất.

Khi thay đổi chiều quay, các xung từ cảm biến thứ hai sẽ lệch pha 90 độ so với cảm biến thứ nhất. Điều này gọi là chậm pha ¼ chu kỳ. Bằng cách so sánh hai dãy xung lệch pha này, ta có thể xác định được hướng quay của động cơ. Ngoài tín hiệu Pha A và Pha B, bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ còn có thể có đầu ra thứ ba gọi là Pha Z. Tín hiệu này chỉ phát ra một xung duy nhất mỗi vòng quay, được sử dụng để xác định vị trí gốc hoặc vị trí tham chiếu. Tín hiệu từ Pha Z là điểm xuất phát để tính toán vị trí tuyệt đối bằng cách đếm số lượng xung từ vị trí đã biết.

7.2. Bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối

Bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối cũng sử dụng đĩa trong suốt, nhưng thay vì 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 đồng thời đọc tất cả các vùng này. Dữ liệu từ đĩa là duy nhất và tương ứng với mỗi vị trí góc của trục động cơ. Dữ liệu này có thể được gửi từ bộ mã hóa theo cách song song hoặc chuyển đổi sang dạng dữ liệu nối tiếp.

Số bit trong dữ liệu quy định độ phân giải góc của bộ mã hóa xung vòng quay. Ví dụ, một bộ mã hóa xung vòng quay 12 bit sẽ sinh ra 4096 mã khác nhau khi quay một vòng 360 độ; có nghĩa là mỗi lần trục động cơ quay 0.088 độ sẽ tạo ra một mã khác biệt. Các yếu tố khác cũng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác thực tế, vì vậy các bộ mã hóa 20 bit cũng không phải là hiếm. Một phương pháp khác để xác định vị trí tuyệt đối là kết hợp bộ mã hóa xung vòng quay tỷ lệ với một bộ nhớ phần cứng và phần mềm đặc biệt, thay vì sử dụng đĩa đắt tiền của bộ mã hóa tuyệt đối. Thiết bị này sử dụng các xung lượng giữ lại từ bộ mã hóa để tạo ra một vị trí tuyệt đối ảo trong bộ nhớ phần cứng, giữ cho thông tin này ngay cả khi hệ thống mất nguồn điện. Cả hai loại bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối đều cung cấp phản hồi vị trí cần thiết cho bộ điều khiển động cơ servo.

8. Tổng kết

Công nghệ điều khiển động cơ Servo ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ khả năng điều khiển chính xác, hiệu suất cao và độ tin cậy cao. Hy vọng rằng với nội dung bài viết trên đây, RX Tradex đã cung cấp cho quý doanh nghiệp thông tin chi tiết về cấu hình hệ thống, cấu trúc động cơ, điều khiển năng lượng, tín hiệu điều khiển, phản hồi, mạch vòng điều khiển và bộ phản hồi mã hóa xung vòng quay của động cơ Servo. Ngoài ra, nếu quý doanh nghiệp muốn tìm hiểu thêm các giải pháp tự động hoá tiên tiến hay cập nhật những xu hướng sản xuất mới nhất trong ngành sản xuất điện tử, đừng bỏ lỡ cơ hội tham gia triển lãm quốc tế NEPCON Việt Nam lớn nhất và duy nhất trong năm do RX Tradex tổ chức. Đăng ký tham gia ngay tại đây.