Động cơ điện servo là gì
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.
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:
- Kích cỡ động cơ servo
- Căn chỉnh hệ thống động cơ servo
Kích cỡ động cơ Servo có ý nghĩa gì? Nó có thể là:
- Kích thước vật lý của động cơ servo?
- Mô men sinh ra bởi động cơ servo?
- 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 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.
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:
- Mức công suất của động cơ servo (Kilo Watts)
- 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.
