Sự khác nhau cơ bản giữa động cơ bước và động cơ servo là gì?

Mục lục

1. Giới thiệu
2. Động cơ bước
3. Động cơ servo
4. Kết luận

---

Giới thiệu

Có một sự thật về kỹ thuật là không có giải pháp nào hoàn hảo mà chỉ có giải pháp tốt nhất cho vấn đề hiện tại. Động cơ bước và động cơ servo cũng vậy, cả hai đều được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Khi áp dụng đúng, cả động cơ bước và servo sẽ không chỉ đem lại hiệu quả tiết kiệm về kinh tế và năng lượng mà còn tạo ra một hệ thống hoạt động trơn tru. Có nhiều tiêu chí để chọn lựa giữa hai loại động cơ, nhưng quan trọng nhất vẫn là tốc độ gia tốc và giá thành

Động cơ bước:

Động cơ bước bao gồm rotor với nam châm vĩnh cửu và stator chứa cuộn dây. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây stator nó sẽ sản sinh ra từ thông tương tác với từ trường của roto tạo ra ngẫu lực. Động cơ bước có rất nhiều cặp cực, vào khoảng 50 hoặc hơn. Driver cấp điện vào từng cặp cực một theo thứ tự nhất định làm động cơ quay dần dần theo từng bước. Với số lượng bước rất lớn, chúng tạo ra cảm giác quay liên tục và mượt mà.

Động cơ bước có một số tính chất khá ưu việt. Với nguyên lý quay dần theo từng bước, điều khiển động cơ bước sẽ thường là điều khiển vòng hở, giảm được giá thành. Có nhiều cặp cực sẽ giúp động cơ bước sản sinh ra được momen lớn khi vận tốc bằng 0, hay nói cách khác là momen giữ khá lớn. Ngoài ra chúng còn khá nhỏ gọn và giá cả hợp lí.

Động cơ bước hoạt động rất tốt đối với những ứng dụng yêu cầu không cao về  tốc độ, gia tốc, độ chính xác.

Nhưng ngược lại, động cơ bước lại có tốc độ hạn chế, cao nhất chỉ khoảng 1200 RPM hoặc thấp hơn. Có momen giữ cao khi đứng yên, tuy nhiên momen lại giảm khi tốc độ tăng dần.

Như chúng ta đã biêt, hộp số có tác dụng tăng momen nhưng làm giảm tốc độ. Trong trường hợp sử dụng HGT 1:10 với động cơ bước giả thử có tốc độ tối đa là 1200 RPM khi qua giảm tốc chỉ còn 120RPM. Trong nhiều ứng dụng sẽ không đáp ứng được nếu ứng dụng đó yêu cầu tốc độ cao

Động cơ bước thường không có sẵn ở những framesize lớn hơn NEMA34, Hầu hết các ứng dụng chúng ta chỉ dùng dưới NEMA 17 hoặc NEMA 23. Chính vì vậy chúng ta khá khó khăn trong việc tìm động cơ bước có momen trên 14Nm

Như hình ảnh trên ta thấy rằng momen của động cơ bước đạt cao nhất  tại vị trí tốc độ bằng 0, và giảm dần khi tốc độ tăng lên(xanh lá). Trong khi đó servo duy trì được momen ban đầu trong một dải tốc độ nhất định (đỏ, xanh da trời).

Động cơ bước cũng có khả năng hoạt động hạn chế, có thể mất bước nếu gặp tải trọng lớn hoặc chạy ở tốc độ cao.

Việc lắp thêm encorder cho động cơ bước sẽ là một giải pháp hợp lí để tăng độ chính xác nhưng do một số tính chất vật lí của động cơ chúng vẫn có thể bị sai lệch. Đối với những ứng dụng cần yêu cầu độ chính xác cao, ta sẽ ưu tiên sử dụng động cơ Servo thay vì động cơ bước

 

Động cơ Servo

Servo tương đồng với động cơ bước ở điểm rotor có nam châm vĩnh cửu và cuộn dây ở stator, dòng điện tạo ra từ trường làm cho rotor quay. Tuy vậy, servo lại có ít cặp cực hơn đáng kể so với động cơ bước. Chính vì thế để điều khiển servo cần điều khiển vòng kín.

Trong thực tế, servo tối tân hơn so với động cơ bước. Chúng chạy nhanh hơn nhiều với tốc độ có thể lên tới hàng nghìn RPM, điều này cho phép servo có thể sử dụng được hộp số có tỉ số lớn, tạo ra momen lớn với một tốc đáp ứng được yêu cầu của bài toán đặt ra. Động cơ servo có thể duy trì được momen trong một dải tốc độ nhất định. Không giống như động cơ bước, Servo không có momen giữ sẵn có. Nhưng với bộ điều khiển vòng kín, driver servo sẽ giữ tải ở mọi vị trí, hay nói cách khác động cơ sẽ chạy liên tục để giữ đúng vị trí. Vì vậy servo vẫn có momen giữ. Momen giữ khi tốc độ bằng 0 phụ thuộc vào size của động cơ

Động cơ servo sử dụng nam châm đất hiếm trong khi động cơ bước lại chỉ sử đụng loại nam châm rẻ tiền hơn. Nam châm đất hiếm có thể tạo ra momen lớn với size động cơ nhỏ. Vì vậy Servo được lợi về mặt momen so với kích thước của mình. Servo có thể cung cấp được momen lên tới 300 Nm

Sự kết hợp của các yếu tố vận tốc, momen làm cho servo vượt trội hơn so với động cơ bước về mặt gia tốc. Độ chính xác cũng cao hơn do bộ điều khiển vòng kín.

Kết luận:

Không thể phủ nhận được sự vượt trội của động cơ servo. Tuy nhiên động cơ bước cũng có những điểm mạnh của mình. Động cơ bước không yêu cầu phản hổi và đôi khi không cần sử dụng đến hộp giảm tốc vì nhiều cặp cực tạo momen giữ cao, tiêu tốn ít điện hơn so với servo, giá thành rẻ. Động cơ bước sẽ là một giải pháp tối ưu về mặt chi phí hơn so với servo.

Động cơ bước là một giải pháp tốt đối với những ứng dụng cần tốc độ thấp, gia tốc thấp, và không yêu cầu cao về độ chính xác. Chúng được thiết kế được hướng đến sự nhỏ gọn và giá thành hợp lí, phù hợp với các ứng dụng về y tế, sinh học, an ninh và quốc phòng, ứng dụng sản xuất sản xuất các linh kiện bán dẫn, máy CNC gỗ, máy thở..vv. Động cơ servo được dùng cho các ứng dụng tốc độ cao, gia tốc cao, độ chính xác cao, và tất nhiên giá thành cũng sẽ cao, cách sử dụng sẽ phức tạp hơn. Ví dụ trong các lĩnh vực đóng gói, gắp nhả linh kiện…