Servo AC và động cơ bước khác nhau thế nào?

Trả lời ngắn: Servo AC và động cơ bước khác nhau ở nguyên lý điều khiển: servo AC chạy vòng kín, có encoder đo vị trí liên tục và driver hiệu chỉnh liên tục, nên dừng đúng vị trí đã đặt và giữ được mô-men ở tốc độ cao. Động cơ bước chạy vòng hở, quay theo từng xung lệnh mà không có phản hồi, nên khi quá tải có thể mất bước và lệch vị trí mà hệ không biết.

1. Điểm khác cốt lõi: vòng kín và vòng hở

Điểm khác lớn nhất giữa servo AC và động cơ bước nằm ở vòng điều khiển. Servo AC chạy vòng kín: driver nhận lệnh, cấp điện cho motor quay, encoder đo vị trí thực tế của trục và gửi tín hiệu về driver, driver so sánh và hiệu chỉnh liên tục cho tới khi trục dừng đúng điểm đã đặt. Nhờ vòng kín mà servo biết mình đang ở đâu và tự sửa sai ngay trong lúc chạy. Động cơ bước chạy vòng hở: bộ điều khiển gửi từng xung lệnh, motor quay đúng một góc nhỏ sau mỗi xung, nhưng không có cảm biến nào xác nhận trục đã quay đủ góc hay chưa.

Vòng hở nghĩa là hệ tin rằng motor đã làm đúng lệnh, chứ không kiểm tra lại. Khi tải nhẹ và tốc độ vừa phải, động cơ bước thường làm đúng lệnh và chạy ổn định. Khi tải nặng bất ngờ, motor quay không kịp xung lệnh thì sẽ mất bước, tức là trục dừng thiếu vài bước so với lệnh, và hệ không hề biết đã lệch. Servo AC không gặp hiện tượng này, vì encoder phát hiện lệch ngay và driver bù lại ngay.

2. Encoder làm gì trong servo AC

Encoder là cảm biến đo vị trí gắn ở đuôi motor servo, và là bộ phận tạo nên sự khác biệt giữa servo AC và động cơ bước. Encoder quay cùng trục motor và phát tín hiệu về từng góc quay nhỏ, nhờ đó driver biết chính xác trục đang ở đâu, đang quay nhanh hay chậm, và có đang lệch khỏi lệnh hay không. Khi driver đặt một góc quay cần tới, encoder xác nhận trục đã tới đúng điểm rồi mới coi lệnh đã xong. Động cơ bước không có encoder, nên không có ai xác nhận vị trí thực tế của trục.

Nhờ encoder mà servo AC có ba chế độ điều khiển: vị trí, tốc độ và mô-men. Ở chế độ vị trí, driver điều khiển motor quay đúng góc đã đặt rồi dừng. Ở chế độ tốc độ, driver giữ tốc độ ổn định dù tải thay đổi. Ở chế độ mô-men, driver giữ lực xoắn ở mức đã đặt. Động cơ bước chủ yếu điều khiển theo xung, tức là quay bao nhiêu bước theo số xung nhận được, không có chế độ giữ mô-men hay giữ tốc độ theo phản hồi như servo.

3. Mô-men và tốc độ khi chạy nhanh

Servo AC và động cơ bước có đường đặc tính mô-men rất khác nhau khi tốc độ tăng. Servo AC giữ được mô-men tốt ở tốc độ cao, nhờ driver điều chỉnh điện cấp theo phản hồi encoder và motor được thiết kế để chạy ở tốc độ định mức trong thời gian dài. Dòng servo đang bán có công suất động cơ từ 100W tới 4,5kW, tốc độ 3000 vòng trên phút ở nhóm 40B, 60B và 80B, mô-men đã công bố của dãy SH4MN là 2,4 N.m, 4 N.m và 21,5 N.m.

Động cơ bước thì ngược lại: mô-men giảm nhanh khi tốc độ tăng, và rung lớn ở tốc độ thấp. Vì vậy động cơ bước hợp với tải nhẹ và tốc độ thấp, nơi mô-men còn đủ lớn và rung chưa đáng kể. Khi việc dùng đòi hỏi vừa chạy nhanh vừa giữ lực kéo, ví dụ trục cấp liệu máy CNC chạy nhanh mà vẫn phải đẩy phôi nặng, servo AC phù hợp hơn. Khi việc dùng chỉ cần quay chậm, tải nhẹ và dừng ở các vị trí cố định, động cơ bước vẫn làm tốt với chi phí thấp hơn.

4. Độ chính xác và hiện tượng mất bước

Độ chính xác là điểm servo AC vượt trội rõ nhất. Nhờ encoder đo vị trí liên tục và driver hiệu chỉnh liên tục, trục servo dừng đúng vị trí đã đặt và lặp lại chính xác qua nhiều chu kỳ. Khi tải thay đổi đột ngột, driver tăng hoặc giảm điện cấp để bù, nên vị trí cuối cùng vẫn đúng. Động cơ bước không có phản hồi để bù, nên độ chính xác phụ thuộc hoàn toàn vào việc motor có quay đủ số bước hay không. Khi tải vượt quá khả năng kéo của motor ở tốc độ đang chạy, motor mất bước và vị trí thực tế lệch khỏi lệnh mà hệ không biết.

Mất bước là lỗi âm thầm và khó phát hiện nhất của động cơ bước, vì motor vẫn quay, máy vẫn chạy, chỉ có vị trí là sai. Với servo AC, lỗi tương tự sẽ được encoder phát hiện ngay và driver bù lại trong lúc chạy, hoặc dừng máy và báo lỗi nếu lệch quá giới hạn. Vì vậy máy làm việc theo tọa độ tuyệt đối, như máy CNC và robot, thường dùng servo AC.

5. Chọn loại nào theo việc dùng

Chọn servo AC hay động cơ bước nên bắt đầu từ việc dùng, không bắt đầu từ giá hay thói quen. Chọn servo AC khi việc dùng cần định vị chính xác, lặp lại nhiều chu kỳ, chạy nhanh mà vẫn giữ lực kéo, hoặc tải thay đổi trong lúc chạy. Ứng dụng đã công bố của dòng servo đang bán gồm máy CNC, robot, dây chuyền tự động và máy đóng gói, đều là những máy cần dừng đúng vị trí và đáp ứng nhanh. Trong dòng này, tải nhẹ bắt đầu từ 40B 100W, tải lớn dùng tới SH4MN180A 4,5kW, rồi đối chiếu driver theo dải công suất đã công bố.

Chọn động cơ bước khi tải nhẹ, tốc độ thấp, vị trí dừng cố định và tải ổn định, không đổi đột ngột trong lúc chạy. Những việc này không cần phản hồi vị trí liên tục, nên động cơ bước đáp ứng đủ với cấu hình đơn giản hơn. Một điểm cần phân biệt thêm là servo AC khác cả thiết bị điều khiển tốc độ thông thường: biến tần chỉ điều khiển tốc độ của động cơ thường, không có vòng kín vị trí như servo, nên không thay được servo khi việc dùng cần định vị chính xác. Trước khi quyết định, đọc bài servo AC là gì để nắm hệ vòng kín, rồi mở trang danh mục servo AC để đối chiếu đủ 16 model theo dải đã công bố.

6. Câu hỏi thường gặp

Servo AC có phải là động cơ bước không?

Không. Servo AC chạy vòng kín, có encoder đo vị trí liên tục và driver hiệu chỉnh liên tục. Động cơ bước chạy vòng hở, quay theo từng xung lệnh mà không có phản hồi. Hai loại khác nguyên lý, khác bộ điều khiển và khác việc dùng, không thay thế nhau tùy tiện.

Động cơ bước có dùng được cho máy CNC không?

Dùng được cho máy CNC nhỏ, tải nhẹ và tốc độ thấp, nơi mô-men còn đủ lớn và nguy cơ mất bước thấp. Máy CNC lớn, tải nặng và chạy nhanh thường dùng servo AC.

Tại sao động cơ bước bị mất bước?

Vì motor chạy vòng hở, không có cảm biến xác nhận trục đã quay đủ góc hay chưa. Khi tải nặng bất ngờ hoặc tốc độ đặt quá cao, motor quay không kịp xung lệnh nên mất bước, trục dừng thiếu vài bước so với lệnh, và hệ không hề biết đã lệch.

Servo AC có cần driver riêng không?

Có. Motor servo luôn cần driver servo đi kèm, vì driver là bộ phận đọc tín hiệu encoder và cấp điện cho motor theo lệnh vị trí, tốc độ hoặc mô-men. Khi chọn, đối chiếu dải công suất driver với công suất motor và điện áp 220V.

Chọn servo AC bắt đầu từ đâu?

Bắt đầu từ việc dùng: cần định vị chính xác hay chỉ cần quay, tải nặng hay nhẹ, chạy nhanh hay chậm. Sau đó chốt công suất, tốc độ và mô-men theo model, rồi đối chiếu driver và hộp số theo dải đã công bố. Mô-men, encoder, kiểu lắp, khung và trọng lượng của 40B, 60B và 80B hiện chưa công bố.

Mở trang danh mục servo AC để đối chiếu đủ 16 model theo dải đã công bố trước khi quyết định.