Btcn1 tìm hiểu về Động cơ servo và vít me Đai ốc bi

Động cơ Servo là một loại động cơ điện được thiết kế đặc biệt đề cung cấp kiểm soát chính xác về vị trí, góc quay, hoặc vận tốc của đối tượng hoặc hệ thông mà nó điều khiển.. Ưu điểm và

DAI HOC QUOC GIA THANH PHO HO CHI MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA

KHOA CO KHI

đa TP.HCM

BTCNI: TÌM HIỂU VE DONG CO SERVO VA

VIT ME DAI OC BI

GVHD: Nguyễn Văn Thành SVTH: Vũ Quốc Trung — 2014895

Nhóm — Lớp: 08 — L0]

Thành phố Hồ Chí Minh — 2023

PHAN 1: TIM HIEU, GIOI THIEU VA SO SANH

VE 3 LOAI DONG CO SERVO

1 Dinh nghia

Servo la m6thé fhéng truyén déik diéu khién héi tiếp vòng kín, nhận tín hiệu

và thực hiện một cách nhanh chóng và chính xác theo lệnh tŠ PLC Động cơ Servo

là một bộ phận trong hệ thống Servo

Động cơ Servo là một loại động cơ điện được thiết kế đặc biệt đề cung cấp kiểm soát chính xác về vị trí, góc quay, hoặc vận tốc của đối tượng hoặc hệ thông

mà nó điều khiển Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu sự điều khiển chính xác và đáng tin cậy, như trong công nghiệp, tự động hóa, robot, máy CNG, máy ïn, và nhiều ứng dụng khác

2 Phan loại động cơ Servo

Dựa vào nguyên tắc hoạt động và các ứng dụng, hiện nay trên thị trường 3 động cơ thường gặp là Động cơ Servo AC, Động cơ Servo DC và Động cơ Servo

RC

2.1 Dong co Servo AC

a Phan loai

Trong động cơ đồng bộ thì rotor quay cùng tốc độ với tS trường quay của stator

Trong động cơ không đồng bộ thì rotor quay với tốc độ chậm hơn tS trường quay cua stator

Tốc độ của động cơ không đồng bộ hoàn toàn có thê được thay đôi Bằng cách

sử dụng một số phương pháp điều khiến Ví dụ như thay đôi số cực và tần số

b Cau tao

Cầu tạo của động cơ AC servo bao gồm 3 phần: stator, rotor (thường là nam châm vĩnh cửu) và encoder

Stator: là phần tĩnh của động cơ, chứa các cuộn dây dẫn điện được quấn quanh lõi, nôi với nguôn điện 3 pha đề cung câp nguôn cho động cơ

Rotor: là phân động của động cơ, được câu tạo bởi nam châm vĩnh cửu

ềncoder: là bộ phận giúp phản hồi dự liệu cho hệ thông như vi tri, góc, tốc

độ, thường được đặt ở phần dưới cùng của động cơ

Cuộn cảm chính

(phần Stator)

Cuộn cảm chính

Bộ dò (phần Stator)

Dây dẫn thứ cấp Nam châm vĩnh (Nhôm hoặc đồng) cửu (phần Rotor)

Vòng đoản mạch Động cơ servo AC đồng bộ Động cơ servo AC cảm ứng Hình 1: Cầu tạo của động cơ Servo AC đẳng bộ và không đồng bộ

c Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của động cơ Servo AC dựa trên cầu tạo của hai loại động

cơ AC Servo khác nhau là: đồng bộ và không đồng bộ

Với động cơ đồng bộ:

e Phan rotor cua động cơ đồng bộ AC là một nam châm vĩnh cửu

Điều này khác với động cơ không đồng bộ AC ở chỗ dòng điện trong rotor được tạo ra bởi điện fS Do đó chúng thường được gọi là động cơ servo không chỗi than

e Khi stator dugc kích bởi điện ap, rotor sé chay theo tS trudng xoay của nó với cùng tốc độ Với rotor nam châm vĩnh cửu này, không cần sử dụng dòng của rotor nên khi stator dŠng lại thì rotor cũng dŠng theo Do đó động cơ có hiệu suất cao hơn

Với động cơ không đồng bộ:

e -_ Hầu hết các động cơ cảm ứng có chứa một phân tử xoay; rotor hoặc lỗng sóc

© - Chỉ có cuộn dây stator được cấp nguồn xoay chiều TS thông được tạo ra xung quanh cuộn dây stator với nguồn AC TS thông xoay chiều này quay với tốc độ đồng bộ

© TS thông quay vòng được gọi là tS trường quay Tốc độ tương đối giữa fŠ trường quay của stator và các dây dẫn của rotor tạo ra lực cảm ứng trong các dây dẫn rotor theo định luật Faraday

e Luc nay dong dién cam ing trong rotor cing tao ra mét tS thông xoay chiều xung quanh nó TS thông này sẽ chậm hơn tS thông của sfator

d Ưu điểm và nhược điểm

Động cơ Servo AC là một động cơ được sử dụng rộng rãi, nó có một số ưu nhược điểm sau đây:

Ưu điểm:

+ So với Servo DC thì loại AC điều khiến tốc độ tốt hơn, không có đao

động khi điều khiên trên toàn vùng tốc độ

+ Hiệu suất làm việc cao, luôn hơn 90% và ít tỏa ra nhiệt

Nhược điểm:

+ Diêu khiến phức tạp hơn, các thông sô 6 dia can phải điêu chính các

thông số PID đề xác định nhu cầu kết nối nhiều hơn

Gia thanh kha cao

e Ứng dụng

Nhờ có những ưu điểm vượt trội trên, động cơ servo AC được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là trong các ứng đụng yêu cầu kiểm soát chính xác vị trí, góc quay hoặc vận tôc

+ Công nghiệp sản xuất: Động cơ servo AC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thông tự động hóa công nghiệp như máy gia công kim loại, máy

ép nhựa, máy in, máy cắt, và máy đóng gói Chúng giúp kiểm soát chính xác vị trí và tốc độ của các công cụ và bộ phận trong quá trình sản xuất Robot công nghiệp: Các robot công nghiệp sử dụng động cơ servo AC

để thực hiện các tác vụ chính xác như vận chuyền, bồ trí, và lắp rap trong môi trường sản xuất Điều này giúp tăng hiệu suất và đảm bảo sự

an toàn trong quá trình làm việc cùng với con người

May céng cu CNC: Trong may céng cu CNC (Computer Numerical Control), d6ng co servo AC duge str dung đề kiểm soát vi trí và chuyển động của dao cắt hoặc đầu khoan Điều này đảm bảo quá trình gia công kim loại, 6, hoặc các vật liệu khác có độ chính xác cao

Hệ thống quạt và làm mát: Động cơ servo AC được sử dụng trong hệ thong lam mát tòa nhà và hệ thống quạt công nghiệp đề điều chỉnh vận tốc quạt và kiểm soát nhiệt độ môi trường

Công nghiệp thực phâm và đóng gói: Trong ngành công nghiệp thực pham và đóng gói, động cơ servo AC được sử dụng đề kiểm soát vận tốc và vị trí của các băng tải, máy đóng gói, và máy chế biến thực phẩm Ứng dụng y tế: Động cơ servo AC cũng được sử dụng trong các thiết bị

y tế như máy thở tự động, máy chạy máu, và các thiết bị y tế tự động khác đề đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn

2.2 Động cơ Servo DC

a Phan loai

Dong co DC Servo có 2 loại chính là động cơ có chổi than và động cơ không

có chỗi than Loại động cơ DC có chỗi than thường được sử dụng phố biến Động cơ DC không chỗi than có thể thay thế choi than vật lý và cô góp bằng một linh kiện điện tử để đạt được sự chuyên mạch Và thường sẽ thông qua việc sử dụng cảm biến Hall hoặc encoder

Hall Effect

Sensors

Commutator Magnet

Wound Armature Permanent

Magnet

Hình 2: Động cơ DC Semo có chối than và không có choi than

b Cau tao

DC servo motor co chéi than: Loại động cơ này thường bao gồm 4 bộ phận chính đó là stato, rotor, chỗi than cùng với cuộn cảm lối

DC servo motor không có chỗi than: Có cấu trúc tương đối giống như động cơ

có chối than Điều khác biệt có bản là các cuộn pha được lắp ở cuộn rotor chính là động cơ vĩnh cửu Hoạt động vẫn êm và không gây tiếng ồn nên thường được sử dụng nhiều hơn so với dòng động cơ có chỗi than

Kep Nam cham

vĩnh cửu

(phần Stator)

Cuộn cảm lõi (Phần Rotor)

Hình 3: Cấu tạo động cơ DC Servo có chối than

c Nguyên lý hoạt động

Đề điều khiến tốc độ động cơ, một chiết áp sẽ tạo ra một điện áp đặt vào input của bộ khuếch đại lỗi Trong một số ứng dụng, xung điều khiển được sử dung dé tạo ra điện áp tham chiếu DC tương ứng với vị trí và tốc độ mong muốn của động

cơ

Độ lớn của xung quyết định đến điện áp đặt tại bộ khuếch đại tương ứng VỚI v1 trí và tốc độ mong muốn

Trong các ứng dụng điều khiên kỹ thuật số PLC hoặc bộ điều khiến chuyên động khác được dùng để tạo ra xung theo chu kỳ nhất định nhằm điều khiển chính xác hơn

Cảm biến tín hiệu hỏi tiếp thường là một chiết áp tạo ra điện áp tương ứng với góc tuyệt đối của trục động cơ thông qua cơ cấu bánh răng Sau đó giá trị điện áp hồi tiếp được áp lên đầu vào của bộ khuếch đại so sánh lỗi

Bộ khuếch đại nay so sánh điện áp tạo ra tŠ vị trí hiện tại của động cơ va vi tri mong muốn của động cơ đề tính ra điện áp chênh lệch (dương hoặc âm)

Miễn có lỗi thì bộ khuếch đại sẽ khuếch đại điện áp lỗi và cấp nguồn tương ứng cho phần ứng Động cơ quay cho đến khi sai số bằng 0 Nếu sai số âm, điện

áp phần ứng đảo chiều và xoay theo hướng ngược lại

Working Principles of a DC Servo Motor

Gear Assembly DC motor

Position Sensing

Device

Control Circuit

Hinh 4: Nguyén ly hoat déng cua déng co DC Servo

d Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

+ Kiểm soát tốc độ chính xác, đặc điểm tốc độ mô-men xoắn rất khó

+ Nguyên tắc điều khién đơn giản, để sử dụng

+ Giá thành rẻ

Nhược điểm:

+ Gây tiếng ồn, nhiệt độ cao và khi vận hành có quán tính cao

+ Giới hạn tốc độ, môi trường không có bụi sẽ không thích hợp Đề khắc phục điều này, người ta thường dùng động cơ Servo không chỗi than

e Ứng dụng

Cũng giống như động cơ Servo AC, động cơ này có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sông như:

+ May CNC (Computer Numerical Control): May CNC str dung dong cơ

DC servo đề kiểm soát chính xác vị trí và tốc độ của dao cắt hoặc đầu khoan Điều này cho phép gia công kim loại, gỗ và các vật liệu khác với

độ chính xác cao

+ Máy in và máy quét: Trong máy 1n và máy quét, động cơ DC servo được sử dụng để đi chuyền đầu in hoặc đầu quét theo đường thăng và kiểm soát chính xác vị trí và tốc độ

+ Ứng dụng thực phẩm và đóng gói: Trong ngành công nghiệp thực phẩm

và đóng gói, động cơ DC servo được sử dụng đề kiêm soát vận tốc và vi trí của các băng tải, máy đóng gói và máy chế biến thực phẩm + Xe tự động hóa và xe tự lái: Động cơ DC servo có thê được tim thay trong các ứng dụng xe tự động hóa, như xe nâng hàng và xe tự động lái,

để kiểm soát vị trí và chuyên động của bánh xe hoặc các bộ phận khác + Hệ thống máy bay và UAVs: Động cơ DC servo được sử dụng trong các

hệ thống máy bay và UAVs đề kiểm soát bề dày và vận tốc của bề đày

cánh hoặc bè mặt điều khiển, giúp kiêm soát độ bay và định vị

2.3 Dong co RC Servo

a Giới thiệu

Động cơ servo RC là một loại động cơ servo được thiết ké đặc biệt cho các ứng dụng điều khiển tS xa hoặc ứng dụng RC Động cơ servo RC thường là các thiết bị nhỏ gọn, nhẹ, và có hiệu suất tương đối tốt để thực hiện các chuyên động và điều khiển các bộ phận cơ khí trong các mô hình và thiết bị tương tự

b Cau tao

Về cơ bản, động cơ RC Servo gồm 4 bộ phần: Động cơ một chiều, hộp số, biến trở và mạch điều khiến

Trong đó, động cơ có tốc độ cao và momen thấp nên phải có hộp số để giảm tốc độ và đồng thời tăng momen đề điều khiên vị trí tốt hơn Sau khi qua hộp giảm tốc, động cơ có tốc độ khoảng 60 vòng/phút

Biến trở được nối với hộp số hoặc trục động cơ, chính vì vậy mà khi động cơ quay biến áp sẽ quay theo Trong lúc biến trở quay sẽ ứng với động cơ quay theo một góc tuyệt đối so với vị trí ban đầu Ở một số loại RC Servo còn tích hợp thêm mạch cầu H để chỉnh động cơ quay theo vị trí mong muốn cho đến khi sai số giữa

2 tín hiệu điện áp bằng 0

Động cơ DC Biến trở

Mạch điều khiển Hình 5: Cấu tạo của động cơ RC

c Nguyên lý hoạt động

Theo như nghiên cứu và giám sát cho thấy động cơ RC servo hoạt động dựa trên nguyên lý PWM Cụ thê:

¢ Servo sé dap ing mot day xung s6 6n định Chi tiết hơn là mạch điều khiên

sẽ đáp ứng một số tín hiệu tng voi cac xung bién déi tS 1-2ms Cac xung này sẽ được gửi đi 50 lần/ giây - đồng nghĩa với việc cung cấp xung mỗi 20ms một lần Động cơ RC servo đòi hỏi 30- 60 xung/giây Nếu số này quay không đáp ứng đủ điều kiện và quay quá thấp sẽ dẫn đến độ chính xác

va công suât servo giảm

¢ Chiéu dai (d6 réng) cia cac xung sé quyét dinh đến vị trí góc trục của động co:

¢ D6 rộng của xung l.5ms thì cho trục động cơ quay đến vị trí góc 90 độ (được gọi là Neutral)

® - Độ rộng xung nhỏ hơn I.5ms thì cho trục động cơ quay ở vị trí góc 0 độ

© D6 rộng xung lớn hơn 1.5ms thi trục động cơ sẽ quay đến vị trí góc 180 độ

® Các servo khác nhau ở góc quay được cùng với tín hiệu I - 2ms thì các servo chuẩn được thiết kế đề quay tới và lui tS 90 - 180 độ Lúc này sẽ được cung cấp toàn bộ chiều dài xung Hâu hết các servo đều có thể quay được 180 độ hay gần 180 độ

Nếu cô khiến servo quay quá giới hạn cơ học thì truc ra của động cơ sẽ đụng vật cản bên trong khiến các bánh răng bị mài mòn, bị rơ Nếu cứ đề hiện tượng kéo đài lâu ngày động cơ bánh răng sẽ bị hủy

d Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

+ Kiểm soát chính xác tốc độ, góc, phản ứng nhanh, đễ sử dụng + Đa dạng về kích thước và công suất

+ Tích hợp sẵn hệ thông giảm tốc,

Nhược điểm:

+ Có giới hạn về tốc độ và lực xoắn

+ Cân nguồn điện cung cấp liên tục

+ Khả năng kiểm soát vị trí tương đối hạn chế

+ Giá thành cũng khá cao

e Ứng dụng

Các servo RC được sử dụng chủ yếu để cung cấp các phát động cho các hệ thống cơ khí khác nhau như:

Các bề mặt điều khiển trên máy bay

Hệ thống đánh lái của một chiếc thuyền

Trong các mô hình điều khiển bằng radio mà sử dụng một động cơ chuyển động tự do và một cảm biến vị trí chiết áp đơn giản với một bộ

điều khiến nhúng

PHAN 2: GIOI THIEU CAU TAO VA HOAT DONG CUA

VIT ME DAI OC BI