Điểm khác biệt của AC Servo Motor so với các động cơ thông thường là nó được tích hợp nhiều công cụ điện tử và cảm biến để truyền thông tin và điều khiển như: bộ khuếch đại, bộ điều khiể
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ AC SERVO
Cấu Tạo Và Chức Năng
AC Servo Motor là động cơ xoay điện 3 pha, hoạt động dựa trên nguyên lý nam châm vĩnh cửu, tương tự như động cơ trong máy bơm và máy quạt Sự khác biệt của AC Servo Motor so với động cơ thông thường là việc tích hợp các công cụ điện tử và cảm biến như bộ khuếch đại, bộ điều khiển, bộ mã hóa và màn hình Điều này không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn giúp dễ dàng điều khiển, đáp ứng yêu cầu sản xuất công nghiệp trong kỷ nguyên cách mạng công nghiệp 4.0 hiện nay.
Động cơ servo AC là loại động cơ tạo ra đầu ra cơ học từ đầu vào điện xoay chiều với vận tốc góc chính xác, có công suất đầu ra từ watt đến vài trăm watt Tần số hoạt động của động cơ này dao động từ 50 đến 400 Hz Đặc điểm nổi bật của động cơ servo AC bao gồm trọng lượng nhẹ, độ ổn định và độ tin cậy cao trong vận hành, không gây tiếng ồn, cung cấp tính năng tốc độ mô-men xoắn tuyến tính, và giảm chi phí bảo trì nhờ vào việc không sử dụng vòng trượt và bàn chải.
Cấu tạo của động cơ
Động cơ servo AC là loại động cơ cảm ứng hai pha, được chế tạo với stato và rôto tương tự như động cơ cảm ứng thông thường.
Stato của động cơ servo có cấu trúc nhiều lớp, bao gồm hai cuộn dây được bố trí cách nhau 90 độ Sự biến đổi pha giữa các cuộn dây này tạo ra một từ trường quay, giúp động cơ hoạt động hiệu quả.
Cuộn dây thứ nhất, hay còn gọi là cuộn dây chính, được cấp điện từ nguồn điện áp không đổi, trong khi cuộn dây điều khiển được kích hoạt bằng điện áp điều khiển thay đổi từ bộ khuếch đại servo Rôto của động cơ này là dạng lồng sóc, bao gồm các thanh nhôm được gắn trong các khe và được ngắn mạch qua các vòng cuối Để đạt được liên kết từ thông tối đa, khe hở không khí được giữ ở mức tối thiểu.
AC Servo Motor được cấu tạo từ 3 bộ phận chính:
Bộ điều khiển của AC Servo Motor bao gồm màn hình, nút bấm và các thiết bị tiếp nhận, phát thông tin Chức năng chính của bộ điều khiển là tiếp nhận và hiển thị thông tin về tốc độ, vị trí và moment trên màn hình chính Điều này giúp người dùng dễ dàng tùy chỉnh các thông số hoặc thiết lập PLC, đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả cho từng loại hình công việc.
- Bộ khuếch đại Servo: Thường được gắn chung với bộ điều khiển để tạo thành
Bộ khuếch đại nhận thông tin mã hóa từ bộ mã hóa và chuyển đến bộ điều khiển để hiển thị trên màn hình Chức năng chính của bộ này là liên tục điều chỉnh kết quả thực tế nhằm giảm thiểu chênh lệch và ra lệnh cho động cơ hoạt động Tính năng nổi bật này mang lại sự khác biệt cho AC Servo Motor, với khả năng tự động hóa cao và độ chính xác vượt trội, như được thể hiện qua các sản phẩm máy cắt CNC.
Thiết bị dò và dẫn động là phần quan trọng nhất của AC Servo Motor, bao gồm động cơ và bộ mã hóa (Encoder) Động cơ được cấu tạo từ Rotor, Stator, cuộn dây dẫn thứ cấp (nhôm hoặc đồng), nam châm, phanh điện từ và trục dẫn động, hoạt động dựa trên nguyên lý nam châm vĩnh cửu Bộ mã hóa tiếp nhận thông tin từ động cơ, chuyển đổi thành mã hóa và truyền đi để xử lý Ngoài ra, động cơ AC Servo còn được trang bị phanh tái sinh, giúp giảm tốc độ khi cần và tái sinh dòng điện, mang lại hiệu quả tiết kiệm điện năng tốt nhất trên thị trường hiện nay.
Nguyên Lý Hoạt Động
Máy ra lệnh đầu vào theo vị trí trục, và khi tín hiệu phản hồi khác với đầu vào, tín hiệu lỗi sẽ cảnh báo người dùng Bộ khuếch đại chuyển tín hiệu này để điều khiển động cơ quay, và khi trục đạt vị trí yêu cầu, tín hiệu trở thành số không, khiến động cơ dừng lại Đầu vào lệnh là xung điện, trong đó tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với chênh lệch giữa vị trí hiện tại và vị trí cần thiết Lượng điện năng mà động cơ yêu cầu cũng tỷ lệ thuận với quãng đường cần di chuyển Động cơ kết hợp với Encoder cung cấp phản hồi vị trí và tốc độ, so sánh vị trí đo với vị trí lệnh để điều khiển Nếu vị trí đầu ra không đúng, tín hiệu lỗi sẽ được tạo ra, khiến động cơ quay đến vị trí thích hợp Khi gần đến vị trí mong muốn, tín hiệu lỗi giảm xuống không và động cơ dừng lại Động cơ Ac Servo là hệ thống điều khiển vòng kín, sử dụng thông tin phản hồi vị trí để điều khiển chuyển động.
Sử dụng động cơ Servo trong cắt kim loại mang lại nhiều lợi ích, nhưng khi lưỡi cắt tiếp xúc với khối thép, phản lực từ vật liệu có thể gây khó khăn cho quá trình cắt Điều này dẫn đến việc cắt không chính xác và sản phẩm cuối cùng có thể bị lỗi.
Encoder và bộ khuếch đại giúp truyền tải và xử lý thông tin phản lực một cách nhanh chóng, tăng tần số cho động cơ mà không có độ trễ, qua đó thực hiện điều khiển hồi tiếp cho AC Servo Motor, cho phép tự động điều khiển chính xác Có ba chế độ điều khiển động cơ: tốc độ, vị trí và moment, cần được cài đặt tùy theo mục đích sử dụng Mỗi AC Servo Motor chỉ tương thích với một Driver của hãng sản xuất để hoạt động hiệu quả Khi động cơ gặp hư hỏng, chẳng hạn như cháy cuộn dây, không nên tự ý quấn lại dây để tránh sai thông số của nhà sản xuất; tốt nhất là mang động cơ đến nhà sản xuất để bảo hành hoặc liên hệ với các công ty chuyên lắp đặt và sửa chữa.
Ứng dụng của AC Servo Motor
Động cơ servo là thiết bị nhỏ nhưng quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí chính xác Một ứng dụng phổ biến là điều khiển vị trí van cầu với bộ truyền động bộ định vị bằng khí nén, đảm bảo van mở đến vị trí mong muốn bất chấp ma sát Các cơ cấu servo có thể là điện, thủy lực hoặc khí nén, hoạt động dựa trên nguyên lý phản hồi âm, trong đó đầu vào điều khiển được so sánh với vị trí thực tế đo bằng cảm biến Khoản chênh lệch giữa giá trị thực tế và giá trị mong muốn, gọi là “tín hiệu sai số”, sẽ được khuếch đại và chuyển đổi để điều khiển hệ thống nhằm giảm hoặc loại bỏ sai số Quá trình này minh họa cho lý thuyết điều khiển, với các servo cung cấp đầu ra là chuyển động tròn hoặc chuyển động thẳng Một ứng dụng khác của servo là điều khiển tốc độ thông qua thiết bị điều tốc, như trong động cơ hơi nước và điều chỉnh tốc độ của bánh xe nước.
Cánh quạt tốc độ không đổi 7 thứ II được phát triển để điều khiển tốc độ động cơ máy bay, trong khi việc điều khiển nhiên liệu cho động cơ tuabin khí được thực hiện thông qua bộ điều tốc điện hoặc thủy lực.
Cơ cấu servo hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ điều khiển hỏa lực quân sự và thiết bị điều hướng hàng hải đến máy công cụ tự động và ăng-ten theo dõi vệ tinh Chúng đóng vai trò quan trọng trong các máy bay điều khiển từ xa, hệ thống định vị tự động trên tàu thuyền và máy bay, cũng như trong hệ thống điều khiển súng phòng không Ngoài ra, servo cũng được sử dụng trong các hệ thống điều khiển bay của máy bay và các mô hình điều khiển bằng radio Nhiều máy ảnh tự động lấy nét nhờ vào cơ cấu servo để điều chỉnh ống kính một cách chính xác Hơn nữa, ổ đĩa cứng sử dụng hệ thống servo từ tính với độ chính xác micromet, trong khi trong ngành công nghiệp, servo thực hiện các chuyển động phức tạp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, quy trình sản xuất và đóng chai đồ uống yêu cầu độ chính xác cao trong việc di chuyển các vật thể Chẳng hạn, trong sản xuất nước ngọt đóng chai, việc đưa chai thủy tinh và máy rót đến đúng vị trí là rất quan trọng Sử dụng động cơ AC Servo, quy trình tự động này được thực hiện dễ dàng nhờ vào cảm biến và phanh điện tử, giúp chai thủy tinh hoặc sản phẩm đóng gói được đưa đến đúng miệng máy Điều này không chỉ nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu lỗi sản phẩm phát sinh.
Điều Khiển Động Cơ AC Servo
Động cơ AC Servo là hệ thống điều khiển vòng kín, sử dụng phản hồi vị trí để kiểm soát chuyển động chính xác Khi sử dụng động cơ Servo trong cắt kim loại, phản lực từ khối thép có thể làm giảm độ chính xác cắt Tuy nhiên, nhờ có Encoder và bộ khuếch đại, thông tin phản lực được truyền và xử lý ngay lập tức, giúp tăng tần số hoạt động của động cơ mà không có độ trễ Quá trình này, gọi là điều khiển hồi tiếp, cho phép động cơ AC Servo tự động điều chỉnh để đạt hiệu suất cao nhất.
Có 3 chế độ điều khiển động cơ: Tốc độ, vị trí và moment, cần cài đặt tùy theo mục đích sử dụng động cơ
Mỗi AC Servo Motor chỉ tương thích với một Driver của cùng hãng, điều này là cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả Khi động cơ gặp hư hỏng, chẳng hạn như cháy cuộn dây, việc tự quấn lại dây có thể dẫn đến sai lệch thông số kỹ thuật của nhà sản xuất Do đó, khi gặp sự cố, tốt nhất bạn nên đưa động cơ đến nhà sản xuất để được bảo hành hoặc liên hệ với các công ty chuyên lắp đặt, bảo trì và sửa chữa.
Máy in công nghiệp thường gặp vấn đề về lực xoay các trục (moment) khi không sử dụng động cơ Servo, dẫn đến sự không ổn định trong quá trình in Điều này có thể gây hỏng hóc, tạo ra nếp nhăn trên bao bì hoặc in bị lem Tính năng điều khiển moment đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng in ấn.
AC Servo Motor giúp cho giấy được kéo và căng đều để không có nếp nhăn hoặc bề mặt lún trên giấy in
Máy cắt và tạo hình kim loại sử dụng động cơ servo mang lại khả năng điều khiển chuyển động chính xác cho các máy phay, máy tiện, mài, định tâm, đục lỗ, ép và uốn trong ngành chế tạo kim loại Thiết bị này đảm bảo an toàn và ổn định, phù hợp cho việc sản xuất các sản phẩm như nắp đậy cho bánh xe ô tô.
Máy dệt may sử dụng động cơ servo để kiểm soát máy kéo sợi và quy trình dệt công nghiệp, giúp duy trì chế độ điều khiển tốc độ ổn định Điều này cho phép sản xuất các sản phẩm có giá trị cao như thảm, vải, và các mặt hàng thời trang như vớ, mũ, găng tay.
Chế biến gỗ với công nghệ CNC sử dụng động cơ servo giúp điều khiển các cơ cấu khắc gỗ, bao gồm máy tiện để định hình chân bàn và trục cầu thang Ngoài ra, quy trình này còn hỗ trợ gia công và khoan các lỗ cần thiết cho việc lắp ráp sản phẩm sau này.
CÁNH TAY ROBOT
Cấu tạo và chức năng
Robot hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực khoa học và công nghệ, cho phép hoạt động theo ý muốn của người điều khiển Chúng thực hiện hiệu quả các công việc lặp đi lặp lại, yêu cầu độ chính xác, độ bền, tốc độ và độ tin cậy cao Do đó, nhiều công việc từng do con người đảm nhận đang dần được robot thay thế Các loại robot công nghiệp, robot nông nghiệp, và robot di động đang trở nên phổ biến Trong số đó, cánh tay robot được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong các ngành công nghiệp.
Tay máy là bộ phận chính của robot, bao gồm nhiều đoạn nối với nhau qua các khớp, giúp robot di chuyển linh hoạt Bàn tay của robot có thể được thiết kế thành nhiều hình dạng như kẹp, giác hút, mũi khoan, đầy hàn, hoặc các công cụ khác, tùy thuộc vào chức năng mà robot đảm nhận.
Động cơ servo là thành phần chính của tay máy, chịu trách nhiệm thực hiện các chuyển động cần thiết Mỗi động cơ sẽ quay theo một chiều nhất định, giúp bàn tay robot di chuyển đến vị trí mong muốn Bên cạnh đó, hệ thống truyền động như bánh răng cũng có thể được tích hợp để nâng cao hiệu suất hoạt động của robot.
Bộ điều khiển là phần quan trọng nhất của robot, có chức năng tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ người điều khiển cũng như các cảm biến hồi tiếp Nó thực hiện nhiều nhiệm vụ như xác định tọa độ, vị trí thao tác và thiết lập quỹ đạo Các cảm biến thường được sử dụng bao gồm cảm biến quang để nhận biết vật thể, cảm biến vị trí và encoder trong servo để cung cấp thông tin về vị trí của cánh tay robot, từ đó thực hiện các chuyển động như quay, tịnh tiến, cầm, khoan và hàn Để giao tiếp với bộ điều khiển, người dùng cần một phần mềm tương thích.
Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ người điều khiển qua phần mềm, bao gồm thông số và đặc điểm của chi tiết mà robot cần tác động Sau đó, bộ điều khiển xử lý tín hiệu và truyền đến từng động cơ, giúp các khâu của robot di chuyển chính xác.
Bộ điều khiển thiết lập vị trí cho 14 thiết bị, trong khi các cảm biến tiếp nhận tín hiệu từ môi trường bên ngoài Những tín hiệu này được gửi lại cho bộ điều khiển để xử lý và đưa ra lệnh thao tác phù hợp.
Proportional Integral Derivative (PID) control là một hệ thống điều khiển phản hồi được sử dụng để duy trì một giá trị mong muốn trong một hệ thống
PID control bao gồm ba thành phần chính: Proportional (P), Integral (I) và Derivative (D), giúp điều chỉnh và duy trì đầu ra của hệ thống Ba thành phần này phối hợp với nhau để giảm thiểu độ chệch giữa giá trị đầu ra thực tế và giá trị mong muốn.
Điều chỉnh đầu ra của hệ thống theo phương pháp Proportional (P) dựa trên sự chênh lệch giữa giá trị đầu ra thực tế và giá trị đặt trước, giúp giảm thiểu độ chệch hiện tại.
Tích phân (I) là quá trình tính toán giá trị chênh lệch theo thời gian, giúp giảm thiểu độ chệch tích tụ và đạt được sự ổn định cho hệ thống.
Derivative (D): Giảm tốc độ thay đổi của chênh lệch Hành động này giúp hệ thống tránh được đột ngột hoặc dao động không mong muốn
Trong hệ thống phanh chống bó cứng (ABS) của ô tô, PID control đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì áp suất phanh tối ưu, ngăn chặn bánh xe khóa và đảm bảo khả năng lái tốt nhất trong điều kiện trơn trượt Khi bánh xe bị khóa, hệ thống ABS điều chỉnh áp suất phanh qua các van điều khiển, giúp bánh xe tiếp tục quay và duy trì khả năng điều khiển PID control trong ABS giúp giảm độ chệch giữa tốc độ bánh xe và tốc độ ô tô, đảm bảo hệ thống phanh hoạt động hiệu quả trong các tình huống khẩn cấp, đặc biệt là khi phanh trên bề mặt trơn trượt.
PV: đầu vào, được xác định bằng biến biểu thị trạng thái hiện tại của hệ thống
Sau khi tính toán sự chênh lệch (giá trị lỗi), hàm lỗi 𝑂𝑢𝑡(𝑡) = 𝐶𝑝 𝑒(𝑡) sẽ được nhân với tỷ lệ và điều chỉnh độ lớn tương ứng với Out(t)% Nếu lượng đầu ra vượt quá yêu cầu, Out(t) sẽ đổi dấu, khiến van đóng lại ở mức Out(t)% so với giá trị ban đầu.
Việc này sẽ làm cho van tự điều chỉnh cho đến khi chạm đến SETPOINT tránh việc nó dao động qua lại điểm SETPOINT
I (Integral) – lỗi theo thời gian:
Khi tốc độ van thay đổi rất chậm để đạt được tốc độ dòng chảy mong muốn
Khi tốc độ van không thay đổi thì qua đó I sẽ tăng Out(t)% lên
D (Derivative) là thành phần ít được sử dụng trong hệ thống PID, vì hầu hết chỉ cần P và I Nếu chỉ có thành phần D, hệ thống không thể tự đạt được SETPOINT Tuy nhiên, D đóng vai trò quan trọng trong việc chống lại những thay đổi đột ngột và giảm thiểu sự khác biệt về lỗi, ngay cả khi chúng ta đang cải thiện và giảm dần lỗi.
𝑑𝑡 = 𝑒(𝑡) − 𝑒(𝑡 − 1) Vậy điều này giải quyết vấn đề:
Hệ số đạo hàm Kd cao có thể giúp điều chỉnh đầu ra một cách hiệu quả bằng cách giảm tốc độ thay đổi khi sai số đã giảm Điều này rất hữu ích trong việc từ từ tiếp cận SetPoint và tránh việc vượt quá mức cần thiết.
Khi có một tác động làm tăng nhanh lỗi, bộ điều khiển P và I nhận định rằng sai lệch sẽ tiếp tục gia tăng và lập tức thực hiện điều chỉnh Do đó, bộ D được thiết lập nhằm giảm tốc độ điều chỉnh đột ngột.
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC SERVO TRONG CÁNH TAY
Hàm Truyền Theo Tần Số Của Hệ Thống Điều Khiển
Các giá trị P, I, D của Position PID Controller và Speed PID Controller:
Sử dụng Matlab để tính toán xuất biểu đồ Bode và Nyquist cho cả 3 trường hợp:
Trong đó: G3 là G(s), GB là hàm truyền được tối ưu bởi Speed PID
Controller và G là hàm truyền được tối ưu bởi cả hai PID
Thay đổi hàm muốn xuất biểu đồ và ta được kết quả dưới đây:
Trường hợp 1: Chỉ có hàm truyền Plant:
Trường hợp 2: Hàm truyền Plant được tối ưu bởi Speed PID Controller:
Trường hợp 3: Hàm truyền được tối ưu bởi cả hai PID:
Hàm Truyền Theo Thời Gian Của Hệ Thống Điều Khiển
Các hàm truyền theo thời gian ứng theo các trường hợp và biểu đồ của chúng:
Trường hợp 1: Chỉ có hàm truyền Plant:
Trường hợp 2: Hàm truyền Plant được tối ưu bởi Speed PID Controller:
Trường hợp 3: Hàm truyền được tối ưu bởi cả hai PID:
Dựa vào hình trên ta rút ra một số nhận xét:
- Hàm truyền ban đầu cần mất nhiều thời gian để đạt được trạng thái ổn định (10s) và sai số rất lớn
- Khi sử dụng Speed PID Controller để điều khiển thì thời gian đạt ổn định ngắn hơn và sai số nhỏ hơn, tuy nhiên độ vọt lố lớn
Sử dụng đồng thời Speed PID Controller và Position PID Controller giúp rút ngắn thời gian ổn định, đồng thời giảm thiểu độ vọt lố, mang lại hiệu quả điều khiển tốt hơn.