Động cơ nào là tốt nhất: Servo motor hay Step motor?

Động cơ step Closed-loop có lẻ là lựa chọn tốt nhất cho nhiệm vụ servo thông thường bởi vì động cơ step thông thường không thể giải quyết được nhiệm vụ này….!

Một trong những quyết định quan trọng của kỹ sư thiết kế đó là lựa chọn động cơ để giải quyết các vấn đề điều khiển chuyển động. Hai yếu tốt để bắt đầu khi lựa chọn động cơ là kích thước và loại (từ những yếu tốt này sẽ cho ra các thông kỹ thuật) quyết định đến độ hiệu quả khi máy vận hành. Hơn nữa, giá thành của động cơ cũng là một yếu tố phải được xem xét vì nó quyết định đến ngân sách thiết kế máy và giá thành sản phẩm

động cơ step closed loop

Những câu hỏi đầu tiên được đưa ra đó là:

  1. Loại động cơ này tốt nhất?
  2. Công việc có đòi hỏi cần phải sử dụng động cơ servo không?
  3. Giá thành của động cơ như thế nào?

Câu trả lời bắt đầu với những ứng dụng cụ thể. Có nhiều yếu tố được chỉ ra trươc xác định loại động cơ nào là tốt nhất cho nhu cầu công việc

1/ So sánh servo motor và step motor

Nguyên lý hoạt của động cơ servo và động cơ bước open-loop (vòng hở) có thể xem tương đương nhau. Tuy nhiên, điểm khác biệt giữa hai loại động cơ này mà các kỹ sư thiết kế máy cần phải biết để lựa chọn phù hợp cho nhu cầu công việc:

Điểm khác của động cơ servo: Trong các hệ thống servo truyền thống, một controller gửi tín hiệu đến driver thông qua xung và trực tiếp hoặc tín hiệu analog liên quan đến vị trí, tốc độ hoặc momen. Một số bộ điều khiển sử dụng phương thức bus-based, với các bộ điều khiển mới bây giờ thường sử dụng phương thức giao tiếp Ethernet-based. Driver sau đó sẽ gửi dòng tương thích đến mỗi pha của động cơ. Động cơ phản hồi về lại driver và nếu cần thiết sẽ là controller. Driver giựa vào các thông tin giao tiếp với động cơ để vận hành chính xác và gửi những thông tin về vị trí của trục động cơ. Vì vậy, servo motor được xem là một động cơ vòng kín (closed-loop) và có bộ encoder, dữ liệu về vị trí được gửi đến bộ điều khiển. Tín hiệu feedback này giúp controller kiểm soát động cơ. Controller có thể điều chỉnh nếu motor không chạy đúng.

Điểm khác của động cơ bước: Step motor cũng vận hành dựa trên những tín hiệu được gửi từ driver, tín hiệu này là xung (bước) và hướng. Tuy nhiên, động cơ step vòng hở (open-loop) không phản hồi tín hiệu về operator, vì vậy controller không thể biết chính xác vị trí và không thể điều chỉnh việc hoạt động của động cơ.

Ví dụ: Nếu một động cơ không đủ momen, động cơ có thể bị mất bước (trượt bước). Khi chuyện này xảy ra, vị trị cuối cùng sẽ không đạt được. Với một động cơ bước open-loop nó sẽ không thể điều chỉnh vì không có tín hiệu trả về

1.1/ Tại sao step motor vẫn được sử dụng phổ biến?

Động cơ servo có các lợi ích rất rõ ràng về độ hiệu quả và hiệu suất hoạt động, nhưng tại sao động cơ bước vẫn được chọn sử dụng rất nhiều?

Có 2 lý do để trả lời:

  • Giá thành của motor step thấp hơn so với motor servo, điều này dẫn đến chí phí sản xuất máy móc sẽ được giảm đáng kể. Không chỉ về giá thành
  • Việc bảo trì thường xuyên cũng có chi phí thấp hơn rất nhiều. Vì thế, nếu những lợi ích của động cơ servo không giải quyết được bài toán về chi phí thì step motor là đủ

Ngoài ra, từ đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt, có thể thấy step motor sử dụng dễ dàng hơn sơ với servo motor.

1.2/ Step và servo sử dụng trong trường hợp nào?

Lợi ích được mang lại bởi 2 loại động cơ này là khác nhau. Servo motor là một lựa chọn nếu bạn cần tốc độ cao (3000 vòng/phút trở lên) va momen xoắn lớn. Ngược lại, nếu bạn không cần tốc độ cao và momen xoăn lớn thì lựa chọn step motor luôn là tốt nhất. Servo motor là quá thừa cho các ứng dụng tốc độ thấp

Bằng nhiều đặt điểm trong thiết kế, step motor có thể được điều khiển và chạy với tốc độ giới hạn. Tốc độ giới hạn thông thường khoảng dưới 1000 vòng/phút

2/ Giải quyết vấn đề vòng hở (open-loop) trên step motor

Qua nhiều thập kỷ, có nhiều hướng được đưa ra để giải quyết vấn để đối với step motor vòng hở. Sử dụng cảm biến cho động cơ là một phương thức nhưng nó thật sự không hiệu quả và không giải quyết được toàn bộ vấn đề.

Thêm phản hồi để phát hiện nếu động cơ bị dừng hoặc bị mất bước. Các kỹ sư tại một công ty chuyên về motion control đã tạo ra tính năng “phát hiện dừng” và “duy trì vị trí”. Thậm chí còn có một vài cách giúp chúng giống hệt với động cơ servo hoặc ít nhất là sử dụng các thuật toán đặc biệt

2.1/ Tích hợp encoder vào step motor

Có một công nghệ để giải quyết được vấn đề này đó là động cơ bước vòng kín (closed-loop). Nó là  tốt nhất và giá thành thấp để giải quyết vấn đề về độ chính xác và tốc độ đối với động cơ bước. Bằng việc áp dụng thiết bị phản hồi tín hiệu với độ phân giải cao để tạo thành vòng kính.

Closed-loop step motor cung cấp tất cả các lợi của step motor: dễ dàng sử dụng, đơn giản và có thể chạy với tốc độ thấp và dừng chính xác. Thêm vào đó, nó sẽ phản hồi tín hiệu giống như cách mà động cơ servo làm. Một điều may mắn, nó không có nhược điểm lớn nhất của sero motor đó là giá thành cao…

step 86 encoder
Động cơ bước 86 được tích hợp Encoder

Dựa vào nguyên tắt hoạt động của động cơ bước, nó sẽ được tích hợp thêm encoder ở phần đuôi động cơ và tính hiệu được phản hồi về driver. Từ đó sẽ tạo thành một vòng kín, loại động cơ này còn được gọi với một số tên khác như: Step motor hybrid, servo hybrid step,… (có thể tạm hiểu là động cơ lai)

Lợi ích từ việc sử dụng step motor closed-loop cho một số ứng dụng nhất định giúp gia tăng sự phổ biến của động cơ này trong motion-control. Đặc biệt, trong 2 ngành công nghiệp nổi bật: công nghiệp bán dẫn và thiết bị y tế đã sử dụng rất nhiều động cơ bước vòng kính. Các kỹ sư thiết kế máy buộc phải biết chính xác trị trí của tải hoặc cơ cấu chấp hành như dây đai hoặc vít me bi. Tín hiệu phản hồi vòng kính sẽ cho biết chính xác điều này. Vi bươc ở tốc độ thấp cũng hiệu quả hơn so với servo

Nói chung là, Nhiều ứng dụng cần các yêu cầu về giá thành thấp hơn động cơ servo và có khả năng chạy ở tốc độ thấp tương đối thì lựa chọn step motor close-loop là ưu tiên hàng đầu

Bài viết liên quan