Những vấn đề phổ biến khi sử dụng động cơ servo
Các hệ thống servo là một thành phần thiết yếu của các sản phẩm điện-cơ, mang lại mức độ đáp ứng động và mật độ mô-men xoắn cao nhất. Do đó, xu hướng phát triển của các hệ thống truyền động là thay thế các bộ truyền động thủy lực, một chiều (DC), bước (stepper) và tần số biến đổi xoay chiều (AC) truyền thống bằng các bộ truyền động servo xoay chiều (AC servo), nhằm đạt được một cấp độ mới về hiệu năng hệ thống, bao gồm thời gian chu kỳ ngắn hơn, năng suất cao hơn, độ tin cậy tốt hơn và tuổi thọ dài hơn. Để khai thác tối đa hiệu năng của động cơ servo, điều cần thiết là phải hiểu rõ đặc tính sử dụng của chúng.
Những vấn đề phổ biến khi sử dụng động cơ servo
Vấn đề 1: Tiếng ồn và mất ổn định
Khách hàng thường gặp phải tiếng ồn quá mức và hoạt động không ổn định khi sử dụng động cơ servo trên máy móc. Phản ứng đầu tiên của nhiều người dùng là cho rằng động cơ servo có chất lượng kém, bởi vì đôi khi việc thay thế nó bằng động cơ bước hoặc động cơ tần số biến đổi lại dẫn đến tiếng ồn và độ bất ổn giảm đáng kể. Nhìn qua thì dường như lỗi thuộc về động cơ servo, nhưng một phân tích cẩn thận về nguyên lý hoạt động của nó cho thấy kết luận này hoàn toàn sai lầm.
Một hệ thống servo xoay chiều bao gồm: bộ điều khiển servo, động cơ servo và cảm biến phản hồi (thông thường, động cơ servo có bộ mã hóa quang tích hợp). Tất cả các thành phần này hoạt động trong một hệ thống điều khiển vòng kín: bộ điều khiển nhận thông tin tham số từ bên ngoài, sau đó cung cấp một dòng điện nhất định cho động cơ, động cơ chuyển đổi dòng điện này thành mô-men xoắn để dẫn động tải. Tải di chuyển hoặc tăng tốc/giảm tốc theo đặc tính riêng của nó. Cảm biến đo vị trí của tải, khiến bộ điều khiển so sánh giá trị thông tin đặt trước với giá trị vị trí thực tế. Sau đó, bằng cách điều chỉnh dòng điện cấp cho động cơ, giá trị vị trí thực tế được giữ phù hợp với giá trị thông tin đặt trước. Khi tải thay đổi đột ngột gây ra sự thay đổi tốc độ, bộ mã hóa phát hiện sự thay đổi tốc độ này và phản hồi ngay lập tức tới bộ điều khiển servo. Bộ điều khiển sau đó điều chỉnh dòng điện cấp cho động cơ servo nhằm thích ứng với sự thay đổi tải và khôi phục lại tốc độ đặt trước. Hệ thống servo xoay chiều là một hệ thống vòng kín hoàn toàn, có độ phản hồi rất cao. Độ trễ thời gian giữa dao động tải và hiệu chỉnh tốc độ là rất ngắn. Do đó, yếu tố giới hạn thực sự đối với khả năng phản hồi của hệ thống chính là thời gian truyền động của các thiết bị kết nối cơ khí.
Vấn đề Hai: Phù hợp quán tính
Các vấn đề về quán tính thường gặp phải trong quá trình lựa chọn và hiệu chỉnh hệ thống servo!
Cụ thể, điều này biểu hiện theo các cách sau:
1. Khi lựa chọn hệ thống servo, ngoài việc xem xét các yếu tố như mô-men xoắn động cơ và tốc độ định mức, chúng ta còn cần tính toán quán tính của hệ thống cơ khí quy đổi về trục động cơ. Sau đó, dựa trên yêu cầu thực tế về chuyển động cơ khí cũng như yêu cầu chất lượng của các chi tiết gia công, ta chọn động cơ có giá trị quán tính phù hợp.
2. Trong quá trình hiệu chỉnh (ở chế độ thủ công), thiết lập chính xác tham số tỷ lệ quán tính là điều kiện tiên quyết để khai thác tối đa hiệu năng của hệ thống cơ khí và hệ thống servo. Điều này đặc biệt rõ rệt ở các hệ thống yêu cầu tốc độ cao và độ chính xác cao (các tham số tỷ lệ quán tính của servo Delta nằm trong khoảng 1–37, JL/JM).
Ảnh hưởng: Quán tính của bộ truyền động ảnh hưởng đến độ chính xác, độ ổn định và đáp ứng động của hệ thống servo. Quán tính lớn dẫn đến hằng số cơ học lớn, tốc độ đáp ứng chậm và làm giảm tần số tự nhiên của hệ thống, khiến hệ thống dễ xảy ra cộng hưởng. Điều này giới hạn dải thông servo và ảnh hưởng đến độ chính xác cũng như tốc độ đáp ứng của servo. Việc tăng quán tính một cách phù hợp chỉ có lợi trong việc cải thiện hiện tượng trượt ở tốc độ thấp. Do đó, trong thiết kế cơ khí, cần giảm thiểu quán tính ở mức tối đa có thể mà không làm ảnh hưởng đến độ cứng của hệ thống.
Cách xác định đặc tính động học của một hệ thống cơ khí: Khi đo đặc tính động học của một hệ thống cơ khí, quán tính càng nhỏ thì đáp ứng động học của hệ thống càng tốt; quán tính càng lớn thì tải đặt lên động cơ càng cao và việc điều khiển càng khó khăn. Tuy nhiên, quán tính của hệ thống cơ khí phải phù hợp với quán tính của động cơ. Các cơ cấu khác nhau có những nguyên tắc khớp quán tính khác nhau, và những lựa chọn này mang lại các hiệu quả khác nhau.
Ví dụ, khi một trung tâm gia công CNC thực hiện cắt tốc độ cao bằng động cơ servo, việc tăng quán tính tải sẽ gây ra các vấn đề sau:
1. Khi lệnh điều khiển thay đổi, động cơ sẽ mất nhiều thời gian hơn để đạt tới tốc độ yêu cầu bởi lệnh mới;
2. Khi máy công cụ thực hiện cắt nhanh theo đường cong cung tròn trên hai trục, sẽ xuất hiện sai số đáng kể. Thông thường, trong điều kiện bình thường, nếu JL ≦ JM thì các vấn đề nêu trên sẽ không xảy ra;
3. Khi JL ≥ 3 × JM, khả năng điều khiển động cơ sẽ giảm đáng kể, đặc biệt rõ rệt trong quá trình cắt cong ở tốc độ cao.
Các thao tác cơ khí khác nhau và các yêu cầu về chất lượng gia công khác nhau quy định các mối quan hệ khác nhau giữa JL và JM. Việc xác định sự phù hợp về quán tính cần dựa trên đặc điểm quy trình cơ khí và các yêu cầu về chất lượng gia công.
Câu hỏi 3: Lựa chọn động cơ servo
Sau khi lựa chọn sơ đồ truyền động cơ khí, cần lựa chọn và xác nhận kiểu mẫu cũng như kích thước của động cơ servo.
(1) Các điều kiện lựa chọn
Nói chung, khi lựa chọn động cơ servo phải đáp ứng các điều kiện sau:
1. Tốc độ động cơ tối đa > tốc độ hệ thống yêu cầu tối đa.
2. Quán tính rô-to động cơ phù hợp với quán tính tải.
3. Mô-men xoắn làm việc liên tục dưới tải ≤ mô-men xoắn định mức của động cơ.
4. Mô-men xoắn đầu ra tối đa của động cơ > mô-men xoắn hệ thống yêu cầu tối đa (mô-men xoắn trong quá trình tăng tốc).
(2) Tính toán lựa chọn
1. Tính toán khớp quán tính (JL/JM)
2. Tính toán tốc độ quay (tốc độ đầu tải, tốc độ đầu động cơ)
3. Tính toán mô-men xoắn tải (mô-men xoắn làm việc liên tục của tải, mô-men xoắn trong quá trình tăng tốc)
