Hướng dẫn lựa chọn Servo – Công suất, mặt bích, quán tính, phanh

Chọn Servo đúng thông số ngay từ đầu là yếu tố quyết định đến độ chính xác, độ bền và chi phí vận hành của cả hệ thống tự động hóa. Không ít kỹ sư khi chọn Servo chỉ nhìn vào công suất mà bỏ qua các yếu tố quan trọng khác như phương thức truyền thông, quán tính, nguồn điện áp hay chức năng an toàn STO, dẫn đến tình trạng Motor chạy không ổn định, rung lắc hoặc quá tải sau một thời gian sử dụng. Bài viết dưới đây, Hoàng Ngân TEC sẽ hướng dẫn cách chọn Servo (cả Drive lẫn Motor).

Cách chọn drive servo

Drive Servo hay còn gọi là bộ điều khiển Servo là bộ phận nhận lệnh từ PLC/bộ điều khiển chuyển động, xử lý phản hồi Encoder rồi cấp dòng điện điều khiển Motor. Khi chọn Drive Servo, cần xác định rõ 3 yếu tố: phương thức truyền thông, công suất tương ứng Motor, và chức năng an toàn cần có.

Chọn phương thức truyền thông

Các phương thức điều khiển/truyền thông thường gặp trên servo Inovance gồm xung, EtherCAT, CANopen, CANlink và PROFINET tùy từng dòng drive. Trong đó, xung, EtherCAT và PROFINET là ba phương thức thường được quan tâm khi lựa chọn servo cho các hệ thống tự động hóa hiện nay. 

Điều khiển bằng xung

Phương pháp điều khiển xung thường sử dụng tín hiệu Pulse/Direction hoặc các dạng xung tương đương để xác định vị trí và chiều quay của động cơ.

Ưu điểm:

• Cấu hình tương đối đơn giản.
• Phù hợp với máy sử dụng PLC hoặc bộ điều khiển có ngõ ra xung.
• Dễ triển khai cho các hệ thống một hoặc một vài trục.
• Có thể sử dụng cho các ứng dụng định vị cơ bản.

EtherCAT

EtherCAT phù hợp với hệ thống điều khiển chuyển động nhiều trục, yêu cầu tốc độ trao đổi dữ liệu cao và đồng bộ chuyển động giữa các trục.

Có thể cân nhắc EtherCAT cho:

• Máy CNC và máy gia công.
• Máy đóng gói.
• Máy cắt.
• Máy pick & place.
• Hệ thống nhiều trục servo.
• Các ứng dụng yêu cầu đồng bộ chuyển động.

PROFINET

PROFINET thường được lựa chọn khi hệ thống sử dụng PLC hoặc thiết bị điều khiển hỗ trợ mạng PROFINET. Phương thức này thuận tiện cho việc tích hợp servo vào hệ thống điều khiển công nghiệp sử dụng Ethernet.

Vì vậy, khi chọn servo, không nên chỉ nhìn vào giá hoặc công suất drive mà cần kiểm tra PLC, motion controller đang sử dụng hỗ trợ phương thức truyền thông nào.

Chọn công suất động cơ AC servo

Công suất servo cần được xác định dựa trên tải thực tế thay vì chỉ lựa chọn theo công suất máy hoặc công suất của động cơ đang sử dụng.

Các thông số cần xem xét gồm:

• Khối lượng tải.
• Mô-men tải.
• Tốc độ yêu cầu.
• Gia tốc và giảm tốc.
• Chu kỳ hoạt động.
• Cơ cấu truyền động.
• Tỷ số truyền.
• Mô-men quán tính của tải.
• Yêu cầu về độ chính xác.

Đặc biệt, cần phân biệt công suất động cơ với mô-men động cơ. Hai động cơ có cùng công suất nhưng khác tốc độ có thể có mô-men định mức khác nhau.

Do đó, khi chọn công suất cho động cơ servo, nên tính toán mô-men và tốc độ cần thiết tại trục motor, sau đó đối chiếu với đường đặc tính của từng model servo.

Chọn chức năng bảo vệ STO 

STO là viết tắt của Safe Torque Off, có chức năng ngăn động cơ tạo mô-men bằng cách ngắt khả năng tạo mô-men của bộ công suất trong servo drive.

STO thường được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu chức năng an toàn như:

• Máy có cơ cấu chuyển động nguy hiểm.
• Máy tự động hóa công nghiệp.
• Hệ thống có cửa an toàn.
• Máy cần dừng mô-men khi kích hoạt mạch an toàn.
• Các ứng dụng yêu cầu tích hợp servo với hệ thống Safety.

Khi lựa chọn drive có STO, cần kiểm tra cấp độ an toàn mà thiết bị đáp ứng và đảm bảo thiết kế mạch an toàn phù hợp với yêu cầu thực tế của máy.

Cách chọn động cơ servo

Sau khi xác định servo drive, bước tiếp theo là chọn động cơ servo tương thích. Ngoài công suất, cần quan tâm đến mặt bích, quán tính, điện áp, encoder, phanh, bịt dầu và các thông số cơ khí khác.

Lựa chọn mặt bích motor servo

Mặt bích (kích thước khung động cơ) phải phù hợp với kết cấu cơ khí sẵn có – bao gồm lỗ bắt vít, đường kính trục và không gian lắp đặt. Dòng MS1 có các cỡ mặt bích phổ biến:

Khi thay thế Motor cũ, cần đo lại kích thước mặt bích và đường kính trục thực tế trên máy, không chỉ dựa vào công suất ghi trên tem, vì nhiều mức công suất có thể dùng chung một cỡ mặt bích khác nhau tùy dòng Motor (ví dụ 400W có cả bản mặt bích 60mm lẫn phối hợp với các cấu hình khác).

Chọn quán tính cao hay quán tính thấp

Quán tính Rotor ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng đáp ứng và độ ổn định của hệ thống khi tỷ lệ quán tính tải/quán tính Motor thay đổi.

Quán tính thấp (dòng MS1H1, MS1H2):

• Đáp ứng nhanh, phù hợp các ứng dụng cần gia tốc/giảm tốc liên tục ở tốc độ cao như máy đóng gói, máy dán nhãn, cơ cấu gắp nhả (Pick & Place).
• Phù hợp khi tải trọng gắn trực tiếp trên trục Motor nhỏ, ít quán tính bổ sung từ cơ cấu truyền động.

Quán tính cao (dòng MS1H3, MS1H4):

• Phù hợp các ứng dụng tải nặng, cần mô-men lớn ở tốc độ thấp, trung bình như trục vít me, băng tải tải nặng, cơ cấu nâng hạ, trục chính máy CNC cỡ lớn.
• Chịu được tỷ lệ quán tính tải lớn mà không gây rung động hoặc dao động vị trí khi dừng.

Nguyên tắc chung khi chọn quán tính Motor Servo: tỷ lệ giữa quán tính tải (quy đổi về trục Motor) và quán tính Rotor của Motor nên nằm trong khoảng 1–5 lần đối với ứng dụng tốc độ cao, và có thể lên đến 10 lần với các ứng dụng tốc độ thấp, tải ổn định. Nếu tỷ lệ này vượt quá 10 lần, nên liên hệ kỹ thuật để được tư vấn chọn Motor quán tính cao hơn hoặc thêm hộp giảm tốc.

Chọn nguồn servo

Nguồn điện là thông số bắt buộc phải xác định trước khi chọn servo drive và motor.

Hai cấu hình nguồn phổ biến gồm:

• 1 pha 220V
• 3 pha 380V

Với hệ thống điện 1 pha 220V, có thể lựa chọn dòng servo drive được thiết kế cho nguồn 1 pha nếu công suất và model đáp ứng yêu cầu.

Đối với hệ thống nhà máy sử dụng nguồn 3 pha 380V, nên lựa chọn servo drive tương ứng với điện áp nguồn của hệ thống.

Ngoài điện áp đầu vào, cần kiểm tra thêm dòng điện, công suất, khả năng quá tải và yêu cầu nguồn của đúng model drive.

Lựa chọn công suất động cơ servo

Khi chọn công suất động cơ servo, không nên chỉ dựa vào công suất của máy hoặc lấy theo công suất motor đang sử dụng. Công suất servo cần được xác định từ tải, tốc độ, gia tốc, cơ cấu truyền động và chu kỳ làm việc để đảm bảo motor vừa đáp ứng được yêu cầu chuyển động, vừa có đủ khả năng chịu tải trong quá trình vận hành.

Có thể thực hiện theo trình tự như sau:

1. Xác định tải và cơ cấu truyền động

Trước tiên cần xác định khối lượng hoặc lực tải mà motor phải truyền động. Đồng thời, cần biết cơ cấu sử dụng là vít me, pulley, bánh răng, thanh răng, hộp số hay truyền động trực tiếp. Mỗi cơ cấu có tỷ số truyền và hiệu suất khác nhau nên mô-men yêu cầu tại trục motor cũng khác nhau.

2. Xác định tốc độ và gia tốc

Tốc độ làm việc và thời gian tăng tốc/giảm tốc ảnh hưởng trực tiếp đến mô-men mà servo cần tạo ra. Với những máy có chu kỳ chuyển động ngắn, thường xuyên tăng giảm tốc hoặc đảo chiều, cần kiểm tra cả mô-men tăng tốc chứ không chỉ mô-men tải ổn định.

3. Tính mô-men yêu cầu

Sau khi xác định tải, cơ cấu truyền động, tốc độ và gia tốc, cần quy đổi tải về trục motor để xác định mô-men yêu cầu. Khi tính toán nên xem xét cả:

• Mô-men do tải tạo ra.
• Mô-men quán tính của cơ cấu.
• Mô-men cần thiết trong giai đoạn tăng tốc.
• Ma sát của cơ cấu.
• Hiệu suất truyền động.
• Mô-men khi giảm tốc hoặc đảo chiều.

4. Đối chiếu công suất và đường đặc tính motor

Sau khi có mô-men và tốc độ yêu cầu, tiến hành đối chiếu với thông số kỹ thuật của từng model servo. Không nên chỉ nhìn vào thông số kW mà cần kiểm tra mô-men định mức, mô-men cực đại và khả năng đáp ứng ở tốc độ làm việc thực tế.

Một motor có công suất lớn hơn chưa chắc phù hợp nếu không đáp ứng được đặc tính mô-men – tốc độ hoặc không tương thích với servo drive.

5. Kiểm tra khả năng quá tải và chu kỳ làm việc

Servo thường phải đáp ứng các khoảng thời gian tăng tốc, giảm tốc và tải đỉnh. Vì vậy, sau khi chọn sơ bộ công suất cần kiểm tra khả năng quá tải của motor và drive trong đúng chu kỳ hoạt động của máy.

Đối với máy chạy liên tục, tải lớn hoặc chu kỳ thay đổi liên tục, nên lựa chọn theo điều kiện làm việc thực tế thay vì chỉ dựa trên tải định mức.

Có nên chọn servo công suất dư không?

Không nên chọn motor dư công suất quá nhiều nếu không có yêu cầu kỹ thuật cụ thể. Motor quá nhỏ có thể dẫn đến quá tải, nhiệt độ tăng và không đáp ứng được tốc độ hoặc gia tốc yêu cầu; ngược lại, motor quá lớn làm tăng chi phí và có thể khiến việc lựa chọn drive, nguồn điện và cơ khí trở nên không tối ưu.

Vì vậy, cách chọn công suất động cơ servo phù hợp là xác định chính xác mô-men và tốc độ yêu cầu, sau đó đối chiếu với đặc tính của motor và drive. Với những ứng dụng có tải biến thiên lớn hoặc yêu cầu chuyển động phức tạp, nên kiểm tra thêm biểu đồ mô-men – tốc độ và chu kỳ tải trước khi chốt model.

Lựa chọn phanh và bịt dầu

Phanh (Brake): Bắt buộc chọn Motor có tích hợp phanh (mã đuôi có số 2 hoặc 4 trong tên Motor) đối với các trục đứng, trục nâng hạ hoặc bất kỳ cơ cấu nào có nguy cơ tải rơi tự do khi mất điện đột ngột. Với trục ngang không có nguy cơ trôi tải, có thể chọn Motor không phanh để giảm chi phí và kích thước.

Bịt dầu (Oil seal): Nên chọn Motor có bịt dầu (mã đuôi có số 1 hoặc 4) khi lắp đặt trong môi trường có dầu bôi trơn, hơi ẩm hoặc bụi bẩn dễ xâm nhập vào trục Motor – ví dụ các máy gia công cơ khí có dầu tưới nguội, dây chuyền thực phẩm có hơi nước. Lưu ý Motor có bịt dầu thường bị derating khoảng 10% công suất so với bản tiêu chuẩn do ma sát tăng thêm ở phớt chắn dầu.

Cách lựa chọn cáp servo

Cáp Servo gồm 2 loại chính: cáp nguồn động lực nối từ Drive đến Motor, và cáp Encoder truyền tín hiệu phản hồi vị trí. Chọn sai loại cáp là nguyên nhân phổ biến gây lỗi Encoder hoặc chập cháy khi vận hành.

Độ dài cáp servo

Cáp Servo dòng SV660/MS1 có sẵn các độ dài tiêu chuẩn 3m, 5m và 10m cho cả cáp nguồn và cáp Encoder. Khi chọn độ dài, cần đo khoảng cách thực tế từ vị trí lắp Drive đến Motor, cộng thêm phần dư để đi dây gọn trong máng cáp, tránh kéo căng cáp gây đứt gãy lõi dây khi Motor di chuyển (đặc biệt với cơ cấu trục di động dùng cáp động). hông nên tự ý nối dài cáp encoder vượt quá chiều dài được nhà sản xuất cho phép. Với các chiều dài đặc biệt, cần đối chiếu đúng manual của drive/motor và loại cáp đang sử dụng. 

Cáp chống nhiễu

Cáp Encoder bắt buộc phải là loại cáp có lớp bọc chống nhiễu (Shielded cable), vì đây là đường tín hiệu vi sai điện áp thấp (PS+/PS-, +5V/0V) rất nhạy với nhiễu điện từ từ các thiết bị công suất lân cận như biến tần, contactor. Hai đầu lớp vỏ bọc chống nhiễu cần được nối đất (PE) đúng cách, thường nối vào vỏ đầu nối ở cả hai đầu Drive và Motor để đảm bảo tín hiệu phản hồi ổn định, tránh lỗi Encoder khi Motor chạy tốc độ cao hoặc trong môi trường có nhiều thiết bị gây nhiễu.

Cáp nguồn động lực tuy không nhạy nhiễu bằng cáp Encoder nhưng vẫn nên chọn tiết diện phù hợp với dòng điện định mức và dòng đỉnh của Motor để tránh sụt áp, phát nhiệt khi chạy tải nặng liên tục. 

Các câu hỏi thường gặp khi chọn Servo

Chọn servo theo công suất hay mô-men?

Nên xem xét cả hai. Công suất liên quan đến khả năng đáp ứng ở một mức tốc độ nhất định, trong khi mô-men quyết định khả năng tạo lực quay của motor. Đối với các ứng dụng chuyển động, cần xác định mô-men, tốc độ và chu kỳ làm việc trước khi chọn công suất motor.

Có thể dùng servo công suất lớn hơn tải yêu cầu không?

Có thể, nhưng không nên chọn dư công suất quá nhiều nếu không có lý do kỹ thuật. Motor quá lớn có thể làm tăng chi phí và không tối ưu về kích thước, tuning cũng như hiệu suất hệ thống.

Khi nào nên chọn motor servo có phanh?

Nên cân nhắc motor có phanh khi tải cần được giữ cố định sau khi dừng, đặc biệt với trục đứng, cơ cấu nâng hạ hoặc tải có nguy cơ dịch chuyển do trọng lực.

Servo quán tính cao hay thấp tốt hơn?

Không có lựa chọn nào tốt tuyệt đối. Motor quán tính thấp thường phù hợp với chuyển động nhanh và yêu cầu đáp ứng cao, trong khi motor quán tính cao có thể phù hợp hơn với tải có quán tính lớn. Cần xem xét tỷ số quán tính motor – tải và đặc tính chuyển động thực tế.

Làm thế nào để chọn CB cho hệ servo?

Khi chọn CB cho hệ servo, không nên chỉ dựa vào công suất motor. Cần xem xét dòng điện đầu vào của servo drive, điện áp nguồn, số lượng drive, đặc tính quá tải, dòng ngắn mạch và yêu cầu bảo vệ của hệ thống. CB phải được lựa chọn theo hướng dẫn kỹ thuật của drive và thiết kế điện tổng thể.

Kết luận

Chọn servo là quá trình cần xem xét đồng bộ từ servo drive đến động cơ, nguồn điện, công suất, mô-men, mặt bích, quán tính, phanh, bịt dầu và cáp kết nối thay vì chỉ dựa vào một thông số riêng lẻ. Với mỗi máy, cần bắt đầu từ yêu cầu tải và chuyển động để xác định cấu hình servo phù hợp, đồng thời kiểm tra tính tương thích giữa motor và drive trước khi đặt hàng.

Nếu bạn cần tư vấn chọn động cơ servo, chọn công suất, mặt bích, quán tính, phanh hoặc servo drive phù hợp với hệ thống thực tế, vui lòng liên hệ Hoàng Ngân TEC qua Hotline 0962.070.538 hoặc Zalo OA để được hỗ trợ kiểm tra model và thông số.