Động cơ Servo là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Động cơ Servo là một trong những loại động cơ quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển chuyển động chính xác. Servo được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp cho các dòng như: robot, máy CNC, hệ thống băng tải, cánh tay cơ khí và nhiều thiết bị công nghiệp khác. Vậy động cơ Servo là gì? Nó có cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao? Hãy cùng Đức Phong tìm hiểu chi tiết qua bài viết dưới đây nhé.

Động cơ Servo là gì?

Động cơ servo (Servo motor) là một loại động cơ điện được thiết kế để điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men xoắn một cách chính xác nhờ vào hệ thống hồi tiếp. Đây là một loại động cơ có hộp số gắn liền không thể tháo rời, chủ yếu được thiết kế cho các những hệ thống hồi tiếp vòng kín, nó còn được gọi với cái tên khác là động cơ trục hoặc mô-men xoắn. Sự ra đời của động cơ servo là một bước tiến lớn trong ngành công nghiệp, đặc biệt là sản xuất máy CNC trên toàn thế giới, động cơ servo mang lại nhiều thay đổi tích cực cho lĩnh vực này. Hiện nay, động cơ servo đang được dần thay thế động cơ thường trong các ngành công nghiệp.

Cấu tạo của động cơ servo

Một hệ thống động cơ servo có cấu tạo bao gồm: 

Bộ điều khiển:

Bộ điều khiển đóng vai trò như bộ não của động cơ servo, nó nhận tín hiệu đầu vào và gửi lệnh điều khiển cho động cơ.

Hai cuộn dây stato và roto:

• Trong động cơ, cuộn dây stato được quấn trên phần tĩnh (đứng yên) và còn được gọi là cuộn dây trường. Stato đóng vai trò như một nam châm điện, tạo ra từ trường hỗ trợ quá trình làm việc của động cơ. Khi dòng điện chạy qua các cuộn dây đặt trong lõi thép, một lực điện từ sẽ được sinh ra, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.
• Cuộn dây rôto được bố trí trên phần quay của động cơ, còn gọi là dây quấn phần ứng. Rôto thường là nam châm vĩnh cửu và đảm nhận chức năng chuyển động trong hệ thống điện từ. Sự tương tác giữa từ trường stato và rôto tạo ra mô-men xoắn, khiến rôto quay quanh trục và sinh công cơ học.

Bộ mã hóa:

Đây là một loại cảm biến gắn trên trục động cơ, cung cấp tín hiệu phản hồi về vị trí và tốc độ quay thực tế của động cơ về bộ điều khiển. 

Nguyên lý hoạt động của động cơ servo

Tín hiệu điều khiển từ một nguồn bên ngoài được tuyền vào bộ điều khiển, thường là bộ điều khiển PID. Sau đó, bộ điều khiển này sẽ so sánh tín hiệu điều khiển với giá trị phản hồi từ cảm biến và tạo ta một tín hiệu để điều chỉnh vị trí của trục quay.

Tín hiệu đầu ra của động cơ được kết nối với mạch điều khiển. Khi động cơ quay, thông tin về vận tốc và vị trí sẽ được phản hồi về mạch này. Nếu vì bất kỳ lý do nào khiến động cơ không đạt được vị trí mong muốn, hệ thống hồi tiếp sẽ phát hiện sai lệch và mạch điều khiển sẽ điều chỉnh để động cơ di chuyển chính xác đến điểm cần thiết.

Một dạng phổ biến là động cơ servo RC (radio-controlled), được điều khiển thông qua tín hiệu từ máy thu vô tuyến trên mô hình máy bay hoặc xe hơi. Thực tế, động cơ servo không trực tiếp hoạt động bằng sóng vô tuyến, mà chỉ nhận tín hiệu điều khiển từ máy thu để thực hiện chuyển động.

Cảm biến phản hồi thường được sử dụng để đo lường góc quay hoặc vị trí của trục. Các loại cảm biến như encoder, potentiometer, hoặc hệ thống giảm chấn cơ học có thể được tích hợp vào động cơ servo để cung cấp thông tin về vị trí hiện tại của trục.

Lợi ích và ứng dụng của động cơ servo

Lợi tích mà động cơ servo mang lại

Động cơ servo mang lại nhiều lợi ích bất ngờ cho ngành công nghiệp hiện nay, có thể kể đến như:

• Điều khiển chính xác tốc độ, mô-men và vị trí.

• Tốc độ đáp ứng nhanh, độ trễ và quán tính gần như bằng 0.

• Hiệu suất cao (trên 90%), hoạt động ổn định, ít dao động và sinh nhiệt thấp.

• Tiết kiệm năng lượng hơn 5–20% so với động cơ thông thường.

• Vận hành êm ái, ít rung ồn.

• Kích thước gọn nhẹ, dễ lắp đặt.

• Có khả năng làm việc liên tục ở tốc độ cao, thay đổi tần suất nhanh.

• Độ bền cao, ít hỏng hóc, chi phí bảo trì thấp.

Ứng dụng của động cơ servo 

Nhờ sở hữu nhiều lợi ích vượt bậc so với động cơ thường, nên động cơ servo được ứng dụng khá phổ biến trong ngành công nghiệp hiện nay:

• Trong ngành robot công nghiệp nói riêng, động cơ trục được ứng dụng để điều khiển chuyển động các cơ cấu của robot công nghiệp như cánh tay robot, khớp nối hay các bộ phận chuyển động khác.
• Được sử dụng cho các loại máy cnc cơ khí, động cơ servo đóng vai trò chuyển động các trục của máy cnc, giúp định vị chính xác và thực hiện các hoạt động gia công.
• Động cơ servo được lắp cho các loại máy in 3D, thực hiện di chuyển đầu in và kiểm soát vị trí cũng như tốc độ in 3D
• Được ứng dụng vào các thiết bị tự động hóa khác như băng tải, van và các thiết bị khác để thực hiện điều khiển chuyển động của các cơ cấu, băng tải. Trong các dây truyền sản xuất tự động, động cơ servo dùng để bắt đầu, di chuyển hay dừng các băng tải chuyển động hàng hóa qua nhiều giai đoạn. Ví dụ: Ghi nhãn, đóng gói, dán tem, ... Ngoài ra nó còn được ứng dụng nhiều ngành khác như: thực phẩm, cắt tạo hình, dệt may, chết biến gỗ, ...
• Sử dụng trong ngành máy ảnh, động cơ servo được tích hợp vào với tác dụng điều chỉnh, xác định vị trí của thấu kính, lấy nét, làm sắc nét hình ảnh khi bị mất nét.
• Động cơ trục (Servo) được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển từ xa, theo dõi vệ tinh hay các chòm sao, nó sử dụng để định vị góc phương vị và trục độ cao của Ăng-ten, kính thiên văn.
• Ứng dụng cho các thiết bị cắt, máy cắt CNC, tạo hình kim loại để cấp cho máy phay có khả năng chuyển động chính xác.

Cùng tham khảo cách mà động cơ servo hoạt động (Nguồn: Dynamixel)

So sánh động cơ bước (Step motor) và động cơ servo (servo motor)

Động cơ bước là loại động cơ không có tiếp xúc trượt và thường có từ 50–100 điểm cực, cho phép di chuyển chính xác đến từng vị trí mà không cần bộ mã hóa. Nhờ cấu tạo nhiều cực từ, động cơ bước có thể kiểm soát vị trí một cách trực tiếp thông qua số bước di chuyển.

Ngược lại, động cơ servo trong máy CNC chỉ có 4–12 điểm cực, nhưng được trang bị bộ mã hóa (encoder) để xác định chính xác vị trí. Servo hoạt động dựa trên việc đọc tín hiệu phản hồi từ encoder và các cảm biến, sau đó điều chỉnh dòng điện cung cấp để đưa trục động cơ về đúng vị trí yêu cầu.

Xét về điều khiển, động cơ servo phức tạp hơn nhiều so với step motor. Hệ thống driver servo thường yêu cầu công suất cao, trong khi momen xoắn ở tốc độ thấp lại yếu hơn so với động cơ bước.

Bảng so sánh chi tiết:

Tiêu chí	Động cơ bước (Step motor)	Động cơ servo (Servo motor)
Số cực từ	50 – 100 cực	4 – 12 cực
Cách điều khiển	Điều khiển bằng số bước, dịch chuyển từng bước một	Điều khiển dựa trên tín hiệu phản hồi từ encoder và cảm biến
Cần bộ mã hóa (encoder)	Không cần, vì tự định vị theo bước	Bắt buộc có encoder để xác định vị trí
Độ chính xác	Chính xác theo từng bước, dễ bị mất bước nếu tải quá nặng	Chính xác cao nhờ vòng lặp phản hồi (closed-loop)
Momen xoắn ở tốc độ thấp	Momen lớn, ổn định	Momen yếu hơn ở tốc độ thấp
Khả năng đạt tốc độ cao	Hạn chế, dễ rung và mất bước	Rất tốt, vận hành mượt ở tốc độ cao
Yêu cầu driver	Driver đơn giản, công suất thấp	Driver phức tạp, công suất cao
Ứng dụng điển hình	Máy in 3D, CNC mini, máy cắt laser nhỏ	Máy CNC công nghiệp, robot, máy gia công tốc độ cao

Và trên đây là toàn bộ thông tin chi tiết về động cơ trục hay động cơ servo mà Thiết bị cơ khí Đức Phong đã mang tới cho bạn. Hy vọng rằng bạn có thể hiểu hơn về loại động cơ này, cũng như vài trò của nó trong công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp CNC, tự động hóa. Hãy theo dõi chúng tôi để có thể cập nhật những kiến thức, thông tin thú vị về cơ khí. Nếu có bất kì thắc mắc nào, đừng ngần ngại mà liên hệ ngay tới chúng tôi để được giải đáp:

THIẾT BỊ CƠ KHÍ ĐỨC PHONG

Hà Nội: Tầng 7, Căn số 32V5A, KĐT Văn Phú, phường Phú La, quận Hà Đông, TP. Hà Nội (Xem địa chỉ map)

Hotline: 0985779287 (Zalo)

website: https://ducphongstore.vn/

Mail: Info@ducphong.vn

Hỗ trợ 24/7

Chi nhánh Hồ Chí Minh: 228/55, Thống Nhất, P. 10, Q. Gò Vấp, TP. HCM