Động cơ AC servo và ứng dụng giải pháp servo trong tự động hóa
Động cơ AC servo hiện tại đang được ứng dụng rất nhiều là máy móc dây chuyền công nghiệp, vậy động cơ AC servo là gì và ứng dụng của nó ra sao, mời các bạn cùng tìm hiểu bài viết sau đây.
Động cơ driver servo là gì ?
Thuật ngữ servo tiếng Anh có nghĩa là hệ thống điều khiển có phản hồi, cũng có thể hiểu là một chu trình điều khiển vòng kín, thuật ngữ servo này thường sử dụng trong nhiều ứng dụng như là van servo, động cơ AC servo, động cơ servo.
Trong phạm vi bài viết này đề cập tới loại động cơ ac servo tuy nhiên so với loại dc servo ít phổ biến hơn nên chính vì vậy mà khi nhắc tới động cơ servo thường người ta muốn ám chỉ động cơ ac servo. Khi muốn tìm kiếm tài liệu hay thông tin của của động cơ hay driver ac servo thì các bạn dùng từ khóa ac servo thì sẽ trả về kết quả phù hợp hơn về loại ac servo này.
Trong phạm vi bài viết này tác giả chỉ đề cập tới loại ac servo nên từ servo dùng trong toàn bộ nội dung bên dưới sẽ nói về loại servo này mà thôi. Các loại servo khác các bạn có thể tìm hiểu thêm thông tin từ mạng internet.
AC servo thường đi theo bộ bao gồm động servo và drive servo. Thông số chính của 1 bộ servo sẽ bao gồm cả thông số của động cơ như:
*Đối với động cơ servo bao gồm công suất, tốc độ, lực torque, độ phân giải encoder và thông số cơ khí bao gồm cốt, mặt bích, chiều dài…
*Còn drive servo có thông số liên quan tới chế độ điều khiển vị trí, vận tốc hay torque, khả năng nhận lệnh từ xung hay từ mạng truyền thông.
Cấu tạo của motor servo
Về cấu tạo cơ bản thì động cơ servo là dạng động cơ đồng bộ 3 pha dùng nam châm vĩnh cửu. Động cơ servo sẽ được tích hợp encoder độ phân giải lớn để giúp quá trình điều khiển chính xác. Để điều khiển động cơ này thì mỗi hãng sẽ tích hợp riêng drive cho động cơ của mình. Tùy mỗi ứng dụng thì động cơ AC servo thường có 3 chế độ điều khiển chính là tốc độ, vị trí và torque( momen), ở mỗi chế độ khác nhau thì chúng ta cần cài đặt tùy theo thông số của ứng dụng và tải.
Vì cấu tạo tương đối đặc biệt nên thường khi động cơ servo bị hư hỏng thường rất khó sửa chữa cũng như quấn dây lại. Bởi vì khi quấn lại không đúng thông số giống như nhà sản xuất thì rất khó điều khiển do không tương thích. Thường động cơ servo hãng nào chỉ sử dụng loại driver đúng hãng đó thì mới có thể điều khiển được.
Lưu ý trong một thời điểm AC servo chỉ chạy được một chế độ, một số loại servo mới hiện nay như servo Siemens, Yaskawa, Mitsubishi, Panasonic, Nidec, Delta thì có thể chuyển đổi giữa các mode điều khiển trong quá trình hoạt động. Ngoài ra khi sử dụng motor servo thì bắt buộc các bạn phải dùng của đúng hãng đó thì mới có khả năng hoạt động chính xác được.
Encoder của động cơ servo
Một trong những thành phần cũng tương đối quan trọng của động cơ ac servo đó chính là cảm biến hồi tiếp tốc độ hay còn gọi là encoder. Lưu ý có một số hãng thay vì dùng encoder thì dùng resolver, tuy nhiên về tính năng cũng là hồi tiếp tốc độ quay. Đặc trưng cho độ chính xác của động cơ ac servo đó chính là độ phân giải của encoder.
Ví dụ như động cơ ac servo có độ phân giải encoder là 2500 xung/ vòng thì bạn có thể điều khiển motor mỗi bước quay 1/2500 vòng.
Khi sử dụng động cơ ac servo ta cần quan tâm tới độ phân giải của encoder vì nó sẽ ảnh hưởng đến sai số của máy móc. Độ phần giải đối với servo hiện nay dao động từ 2500 cho đến 2^17 hoặc 2^20 xung trên một vòng, khi độ phân giải encoder quá cao thì các bạn nên quan tâm tới hộp số điện tử khi điều khiển motor servo.
Tuy nhiên trên thực tế ứng dụng vào máy móc thì thường các bạn chỉ cần độ phân giải khoảng 10,000 xung trên vòng trở xuống là đảm bảo, độ phân giải quá cao cũng có thể gây khó khăn cho bạn bởi tốc độ phát xung trên plc dòng cơ bản cũng chỉ từ khoảng 100khz trở xuống.
Đối với một số dòng servo cũ thì tín hiệu encoder sẽ được nối trực tiếp với driver, một số dòng servo mới sau này encoder có độ phân giải rất cao nên thường được tích hợp board mạch để chuyển đổi dạng tín hiệu này thành truyền thông để gửi vị trí encoder cho driver. Chính vì vậy đối với một số động cơ servo các bạn thường rất khó tận dụng động cơ để làm encoder.
Đặc điểm kỹ thuật khác của động cơ servo
Mỗi loại động cơ servo đều được nhà sản xuất cung cấp tài liệu hướng dẫn sử dụng cũng như thông số kỹ thuật. Khi chọn động cơ servo các bạn nên quan tâm tới một số thông số như sau:
- Motor có thắng cơ hay không ? motor có thắng thường sử dụng trong một số trường hợp trục Z của máy CNC để tránh tình trạng khi máy đang chạy lỡ có bị mất điện thì trục chính không bị rớt xuống phôi. Nếu không rơi vào trường hợp này thì bạn không nên chọn thắng vì bản thân motor đã có tích hợp thắng điện không cần phải chọn thêm thắng cơ sẽ làm giá thành motor tăng thêm từ 20-40%.
- Cốt motor là loại trơn hay có rãnh then ? rãnh then dùng để gắn thêm chốt để có thể siết chặt vào khớp nối hay hộp số. Đối với một số loại công suất nhỏ thì thường chỉ cần cốt trơn là được.
- Tiêu chuẩn chống dầu của motor là bao nhiêu ? đối với một số ứng dụng motor sẽ hoạt động trong môi trường có dầu nhớt công nghiệp nên các bạn phải chọn loại motor có thêm tiêu chuẩn bảo vệ này để tăng độ bền cho motor.
- Ngoài ra thì các bạn cũng phải quan tâm tới kích thước cốt và mặt bích của động cơ để thuận tiện cho việc tính toán gá lắp về cơ khí.
Cấu tạo của driver servo
Còn đối với driver ac servo thì về mặt cấu tạo của nó tương đối giống với biến tần, các bạn có thể tham khảo qua bài viết sau để hiểu rõ hơn: Cấu tạo của biến tần
Tuy nhiên driver servo cũng có một số điểm khác biệt sau so với biến tần.
- Driver servo tích hợp sẵn khả năng đọc encoder gắn ở motor servo để đảm bảo khả năng điều khiển chính xác hơn. Còn biến tần thì chỉ có một số dòng cao cấp mới có khả năng đọc được encoder và phải gắn thêm option card thì mới đọc được
- Thường thì driver servo nào chỉ đi với động cơ servo cùng hãng và nằm trong dải công suất cho phép. Đối với biến tần thì dùng hãng biến tần bất kỳ nào cho động cơ cũng được mà không quan tâm tới công suất và thương hiệu.
- Driver servo hiện nay thường được tích hợp đầy đủ 3 chế độ bao gồm vị trí, tốc độ và torque có thể linh động chuyển đổi các chế độ trong quá trình sử dụng. Còn biến tần đối với dòng cao cấp thì thường chỉ có 2 chế độ là tốc độ và torque.
- Về giá thành thì cùng 1 công suất thì driver ac servo sẽ có giá thành cao hơn rất nhiều so với biến tần bởi vì bên trong nó chứa nhiều thuật toán điều khiển và giám sát phức tạp hơn.
Ứng dụng của driver động cơ servo
Ứng dụng của động cơ AC servo hiện nay trong rất nhiều lĩnh vực và máy móc. Đối với một số loại máy công cụ như CNC chấn đột dập để di chuyển theo trục X, Y, Z thì thường được sử dụng servo để có thể di chuyển các trục này một cách chính xác. Một số dây chuyền chiết rót, đóng gói cần chạy và dừng đúng vị trí cũng yêu cầu bắt buộc phải sử dụng động cơ ac servo.
Đối với một số loại máy cắt bao bì thì motor servo cũng dùng cho trục dao cắt để giúp cho máy có thể cắt theo những vị trí đã được lập trình sẵn trên plc. Ngoài ứng dụng động cơ ac servo cho việc chạy vị trí thì chúng còn được dùng cho một số ứng dụng liên quan đến điều khiển torque để giúp việc thu xả cuộn có tỷ lệ chính xác cao hơn.
Khi sử dụng động cơ ac servo cho một số ứng dụng thì chúng ta nên sử dụng thêm hộp số giảm tốc để tăng lực momen. Khi tính toán hộp số servo ta cần chọn chính xác về tỷ lệ để đảm bảo tốc độ đầu ra của hộp số đủ dùng cho ứng dụng. Khi chọn động cơ và hộp số các bạn nên dựa vào những thiết kế cũ có sẵn hoặc bắt buộc phải dùng công cụ cơ khí tính toán thì mới cho ra được thông số chính xác.
Trong một số máy móc cơ khí phức tạp sử dụng nhiều trục servo từ 5 trở lên thì người ta thường sử dụng loại động cơ ac servo có driver nhận tiến hiệu điều khiển từ mạng truyền thông để chúng có thể phối hợp nhiều trục với nhau thực hiệu những quá trình điều khiển cơ khí phức tạp. Ví dụ tiêu biểu cho ứng ứng này đó chính là những cánh tay robot tốc độ cao hay những loại dây chuyền liên động tốc độ cao.
Một trong những đặc điểm quan trọng nữa của động cơ ac servo đó chính là có kích thước khả nhỏ gọn so với động cơ điện 3 pha bình thường nên trong một số loại máy yêu cầu kích thước nhỏ gọn và nhẹ thì người ta cũng sử dụng động cơ ac servo tương đối nhiều.
Cách chọn công suất động cơ servo
Những ứng dụng có yêu cầu về độ chính xác và tốc độ cao thì giải pháp đầu tiên nên nghĩ tới là dùng động cơ ac servo nhưng đi kèm với đó là chi phí đầu tư sẽ cao hơn. Bạn phải tham khảo thực tế loại máy của mình có cần phải dùng servo để đáp ứng đủ nhu cầu hay không ?
ó một số giải pháp khác cũng có thể đáp ứng được nhu cầu nhưng với chi phí thấp hơn như dùng biến tần + động cơ thường hay là dùng động cơ bước. Ở đây bài toán bạn cần cân nhắc kỹ liên quan tới yêu cầu kỹ thuật, đặc tính của máy, chi phí đầu tư sẽ giúp bạn đưa ra quyết định chính xác.
Tính toán công suất cần dùng của motor động cơ servo
Sau khi đã xác định ứng dụng cần thiết phải dùng động cơ servo thì bạn sẽ đi vào bước tiếp theo là chọn công suất. Đối với máy mới hoàn toàn thì bạn phải tính toán thông số chính xác về tải, cơ khí để chọn công suất phù hợp cho motor servo, nếu tính dư thì tốn chi phí cao, tính thiếu thì phải mất công đổi lại công suất cao, việc tính toán này đòi hỏi các bạn phải có kiến thức tốt về cơ khí và chế tạo máy.
Ngoài ra việc chọn công suất động cơ servo còn có thể dựa vào máy cũ tương tự hoặc trước đó sử dụng động cơ thường, động cơ bước công suất bao nhiêu để chọn.
Xác định các thông số kỹ thuật còn lại của driver động cơ servo
Sau khi chọn được công suất động cơ, các bạn chọn loại driver để phù hợp với động cơ này, thông số driver phải tương thích về công suất với động cơ, đọc được encoder của động cơ. Lưu ý về công suất một số loại servo cho phép công suất driver lớn hơn công suất động cơ nên có thể chọn driver có công suất lớn hơn động cơ, ngoài ra chúng ta còn quan tâm tới một số thông số khác như điều khiển chế độ vị trí, tốc độ, torque…Driver chạy truyền thông hay loại nhận xung.
Vấn đề chọn công suất cho motor servo
Đối với trường hợp lắp servo thay thế cho servo cũ sẵn có thì cách chọn công suất sẽ đơn giản các bạn chỉ cần chọn đúng công suất hoặc cao hơn so với loại đang dùng thì sẽ chạy được. Lưu ý về mối quan hệ giữa tốc độ định mức và công suất, motor có tốc độ định mức lớn thì sẽ có momen nhỏ hơn motor có tốc độ định mức nhỏ nên có nhiều trường hợp chọn motor bằng công suất nhưng có tốc độ định mức cao dẫn tới momen thấp nên khi gắn vào khi chạy vẫn báo lỗi.
Ví dụ như motor đang dùng có công suất là 2.0kW tốc độ định mức là 1000v/phút thì bạn phải chọn loại có thông số tương tự. Nếu bạn chọn loại 2.0kW mà có tốc độ định mức lên tới 2000v/phút thì momen định mức sẽ nhỏ hơn loại 1000v/phút và khi sử dụng có thể gây ra lỗi quá tải.
Khi chọn động cơ servo theo loại đang có sẵn các bạn nên quan tâm thêm thông số về cốt và mặt bích xem có giống với loại cũ không ? để tránh phải gia công thêm mặt bích giả hoặc đệm cốt.
Chọn công suất động cơ servo theo tính toán cơ khí
Khi thiết kế một máy móc hay dây chuyền mới hoàn toàn thì bắt buộc chúng ta phải tính toán về cơ khí mới chọn được công suất của motor. Ví dụ khi thiết kế 1 băng tải chạy bằng động cơ servo các bạn cần các bước tính toán như sau. Đầu tiên là tốc độ chạy của băng tải là bao nhiêu ? Momen cần để băng tải chạy nổi là bao nhiêu ? Sau đó dựa vào thông số tốc độ và momen này thì các bạn sẽ chọn được công suất động cơ ac servo phù hợp .
Bạn lưu ý khi tính toán dựa trên thông số cơ khí các bạn phải dựa trên công thức đúng theo từng trường hợp để ra momen chuẩn xác mới có thể chọn được motor servo cho thích hợp. Bởi vì hiện nay có khá nhiều bạn tính cơ khí bị sai dẫn tới chọn động cơ servo quá yếu không thể kéo được tải.
Ý nghĩa thông số momen lực torque của motor servo
Định nghĩa momen lực hay torque của động cơ servo là gì ?
Torque hay momen lực của động cơ ac servo có nghĩa là khả năng kéo tải của motor. Đơn vị thường là N.m. Có thể tạm hiểu là khả năng kéo của cốt motor thì khéo 1 vật theo phương thẳng đứng. Ví dụ motor có lực 10 N.m có khả năng kéo trực tiếp 1 vật khoảng 1kg theo phương thẳng đứng.
Lưu ý rằng momen của động cơ ac servo sẽ không đổi trong một khoảng tốc độ nó hoàn toàn khác với động cơ 3 pha không đồng bộ chỉ đạt định momen khi quay ở tốc độ định mức.
Trong tài liệu của các hãng servo thì mỗi một động cơ thường có hai thông số liên quan tới momen bao gồm torque định mức và torque max tức thời.
Cách chọn momen lực hay toruqe của động cơ servo
Mỗi dòng động cơ ac servo khác nhau sẽ có momen và lực khác nhau tùy vào công suất cũng như tốc độ định mức. Để lựa chọn chính xác lực torque bạn cần sử dụng thì các bạn phải tính toán cơ khí ra lực cần thiết sau đó dựa vào catalogue của nhà sản xuất motor servo để chọn ra mã hàng phù hợp. Một lưu ý là trong tài liệu này thường sẽ có giản đồ momen theo từng tốc độ, các bạn phải chú ý thêm giản đồ này để tính toán ra lực của motor khi quay ở tốc độ quá thấp hoặc quá cao.
Lưu ý một vấn đề đó chính là momen của động cơ servo thường thì tỷ lệ nghịch với tốc độ. Ví dụ động cơ servo có tốc độ định mức 3000V/phút sẽ có momen nhỏ hơn so với motor servo có tốc độ 1500V/phút ở cùng công suất.
Thông số cơ khí của động cơ servo liên quan tới thiết kế cơ khí
Khi chọn động cơ servo cho việc thiết kế cơ khí thì chúng ta cần quan tâm tới hai thông số quan trọng như sau. Một là tốc độ định mức của motor để có thể tính toán tới đáp ứng về thời gian của cơ cấu mà chúng ta thiết kế như tốc độ trượt của thanh ray hay tốc độ cắt của dao.
Hai là momen định mức của động cơ giúp chúng ta tính toán khả năng nâng hay chịu lực của cơ cấu. Lực của motor servo có thể giúp ta tính được khả năng nâng hạ hoặc chịu trọng lực bao nhiêu của vitme.
Khi tính toán thông số cho motor các bạn cần phải biết rằng momen và tốc độ thường tỷ lệ nghịch với nhau. Cùng một công suất nếu động cơ có tốc độ càng lớn thì momen sẽ càng nhỏ.
Ví dụ như motor có tốc độ 3000v sẽ có momen nhỏ hơn 2 lần so với động cơ có tốc độ 1500v ở cùng công suất.
Một lưu ý nhỏ là khi tính thông số lực của cơ cấu ngoài thông số lực của servo thì cần quan tâm tới thông số lực của thiết bị liên quan như vitme đai truyền hay nhông.
Thông số cơ khí của motor servo liên quan tới lắp đặt
Khi đã chọn được thông số về tốc độ và momen định mức cho động cơ servo thì chúng ta cần quan tâm tới việc lắp đặt nó lên máy. Những thông số cơ bản thường được quan tâm bao gồm 3 thông số chính. Đầu tiên là đường kính của cốt để tính toán liên quan tới việc chọn hộp số giảm tốc hoặc chế tạo nhông, puly.
Thứ hai là đường kính mặt bính của motor servo để tính toán khả năng gá lắp motor lên máy. Thông số cuối cùng đó chính là chiều dài của motor, đối với một số loại máy không gian chật hẹp thì nên chung ta cần phải xem xét và chọn động cơ có kích thước phù hợp để gắn và không gian đó.
Cách chọn mua driver động cơ servo
Khi chọn mua động cơ ac servo thì các bạn bắt buộc phải nắm một số thông tin kỹ thuật liên quan tới sản phẩm như sau:
- Loại driver mà bạn đang cần là sử dụng điều khiển bằng xung hay mạng. Đối với loại nhận xung thì các bạn phải tìm hiểu về chân nhận xung là dạng opto hay linedriver( loại linedrive sẽ nhận xung thì plc được). Còn đối với loại chạy mạng thì các bạn cần phải xác định driver chạy loại mạng gì ? một số loại mạng truyền thông thường dùng cho driver servo bao gồm: Modbus, Mechatrolink, CClink, Ethercat, Can-open.
- Tiếp theo các bạn cần tìm hiểu loại driver này có tích hợp màn hình để cài đặt hay không ? nếu loại driver này không tích hợp màn hình cài đặt thì các bạn phải tìm cáp kết nối để kết nối với máy tính và sử dụng phần mềm để cài đặt parameter.
- Các bạn cũng nên xem kỹ trước khi sử dụng bao gồm: điện áp nguồn cấp cho driver là bao nhiêu, thường là 24V DC, 90VDC, 110VAC, 220VAC và 380VAC.
