Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt. Không giống nhƣ động cơ thông thƣờng cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi đƣợc điều khiển
(bằng xung PPM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o. Mỗi loại servo có
kích thƣớc, khối lƣợng và cấu tạo khác nhau AC
Hình 1.13 Hình ảnh của động cơ AC servo đƣợc bán trên thị trƣờng
1.6.1 Cấu tạo
AC servo có cấu tạo về cơ bản giống động cơ xoay chiều đồng bộ. Tuy nhiên cấu tạo động cơ servo có thể khác nhau phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể, một động cơ AC servo cơ bản bao gồm các bộ phận:
Stato: là khối thép từ ghép từ các lá thép điện kỹ thuật, phía trong có xẻ rãnh phân bố đều để đặt cuộn dây phần ứng.
Hình 1.14 Stator của động cơ servo.
Rotor: Đối với loại động cơ điện xoay chiều AC servo đồng bộ, rotor đƣợc làm bằng nam châm vĩnh cửu với các cặp cực đối xứng nhau. Trong khi đó động cơ AC servo lồng sóc có rotor đƣợc ghép bởi nhiều thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm. Encoder: Đƣợc sử dụng để xác định vị trí của động cơ. Encoder có cấu tạo gồm 2 phần: một đĩa quay đƣợc mã hóa theo các khe nhỏ đồng tâm và các thành phần phát sáng, tế bào quang điện ở hai bên đĩa quay. Góc quay của động cơ sẽ xác định đƣợc nhờ vào trạng thái của các tế bào quang điện.
Có 2 loại encoder : Encoder tuyệt đối và encoder số gia. Encoder tuyệt đối cho tín hiệu hồi tiếp là vị trí của động cơ thông qua đĩa và thành phần phát sáng. Các encoder tuyệt đối thƣờng đƣợc tích hợp sẵn khối xử lý tín hiệu và truyền thông nối tiếp để để giảm số dây hồi tiếp của encoder. Encoder số gia chỉ hồi tiếp góc quay đã quay đƣợc thêm của động cơ, nhƣng bù lại tín hiệu hồi tiếp sẽ đơn giản hơn. Độ chính xác của encoder đƣợc đánh giá bằng độ phân giải số vị trí/vòng quay (với encoder tuyệt đối) hay xung/vòng (ppr – với encoder số gia).
Hình 1.16 Encoder loại số gia
1.6.2 Nguyên lý hoạt động
Khi cấp dòng điện đi vào các cuộn dây của stator sẽ tạo ra một từ trƣờng quay trục. Từ trƣờng quay này tác dụng tƣơng hỗ với từ trƣờng rotor nam châm vĩnh cửu của rotor làm động cơ quay với tốc độ của từ trƣờng quay.
Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ chuyển tiếp về mạch điều khiển hay vi xử lý. Nếu có lý do nào cản chở chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chƣa đạt đƣợc vị trí xác định trong bộ điều khiển. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt đƣợc vịt trí hay tốc độ điều khiển. Các driver còn có các chức năng nhƣ giảm rung động, suy giảm giao động cộng hƣởng…
Hình 1.17 Nguyên lý hoạt động của động cơ servo
1.6.3 Các đặc tính của động cơ servo
Đặc tính của động cơ servo phụ thuộc rất nhiều vào phƣơng pháp điều khiển động cơ servo.
Các động cơ bình thƣờng, muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần có một khoản thời gian quá độ. Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải tăng/giảm tốc nhanh chóng để đạt đƣợc một tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn nhất, hoặt đạt đƣợc một vị trí mong muốn nhanh nhất. Ví dụ bạn muốn điều khiển một cơ cấu từ vị trí X đến vị trí X’, ban đầu khi ở xa vị trí X’ thì động cơ quay với vận tốc lớn để tăng tốc, tuy nhiên khi đến gần X’ đòi hỏi động cơ cần giảm tốc tức thì để có thể đạt đƣợc vị trí mong muốn một cách chính xác và loại trừ sự vọt lố vị trí. Các động cơ thƣờng không thể đáp ứng đƣợc điều này. Để động cơ đáp ứng đƣợc những yêu cầu trên thì nó phải đƣợc thiết kế sao cho rút ngắn đáp ứng tốc độ của động cơ.
Muốn nhƣ vậy ta cần giảm mô-men quán tính và tăng dòng giới hạn cho động cơ. Để giảm mô-men quán tính thì động cơ servo có đƣờng kính rotor nhỏ hơn và loại bỏ các cơ cấu sắt không cần thiết. Để tăng dòng giới hạn, động cơ servo có thể sử dụng sắt Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng lõi sắt cho phù hợp. Đối với động cơ nam châm vĩnh cữu thì nó cần đƣợc thiết kế sao cho ngăn cản đƣợc sự khử từ (hình dạng mạch từ) và tăng khả năng từ tính của nam châm (sử dụng nam châm đất hiếm- Rare Earth Magnet).
Tăng khả năng đáp ứng
Một số động cơ nhƣ thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi đáp ứng tốc độ của cơ cấu phải “mềm”, tức là quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách tuyến tính. Để làm đƣợc điều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu. Các động cơ servo thuộc loại này thƣờng đƣợc thiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong mạch và có khả năng thu hẹp các vòng từ trong mạch từ khe hở không khí.
Tăng khả năng chịu đựng của động cơ
Một số động cơ servo đƣợc thiết kế sao cho có thể chịu đựng đƣợc các tín hiệu điều khiển ở tần số rất cao và có khả năng chịu đƣợc những yêu cầu tăng tốc bất ngờ từ bộ điều khiển (có thể tạo ra các xung điện hài bậc cao). Những động cơ nhƣ thế này thƣờng đƣợc cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và có thể chông lại đƣợc sự hao mòn do ma sát trên ổ bi bạc đạn.
Động cơ servo loại này thƣờng đƣợc thiết kế sao cho vận tốc quay của nó rất ổn định.Nhƣ các bạn biết là không có mạch điện hoàn hảo, không có từ trƣờng hoàn hảo trong thực tế. Chính vì thế một động cơ quay 1750 rpm không có nghĩa là nó luôn luôn quay ở 1750 rmp mà nó chỉ dao động quanh giá trị này. Động cơ servo khác biệt với động cơ thƣờng là ở chỗ độ ổn định tốc độ khác cao. Các động cơ servo loại này thƣờng đƣợc sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ chính xác
(nhƣ robot). Nó đƣợc thiết kế sao cho có thể gia tăng đƣợc dòng từ trong mạch từ lên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ. Các rãnh rotor đƣợc thiết kế với hình dáng đặc biệt và các cuộn dây rotor cũng đƣợc bố trí khác đặc biệt để có thể đáp ứng đƣợc yêu cầu này. Một hình ảnh minh hoạ :