Trả lời trực tiếp: Động cơ bước quay theo từng bước cố định do kết cấu răng từ quyết định, nên bộ điều khiển đếm xung là biết vị trí mà không cần đo. Servo thì đo vị trí thật rồi sửa liên tục theo sai lệch. Một bên tin vào cơ cấu, một bên tin vào phép đo.
Nội dung thuộc chuyên trang Tự động hóa & robot của cokhi.net, cụm PLC và điều khiển — ở góc nguyên lý. Bài không nêu trị số mô men, số bước một vòng hay dải tốc độ của bất kỳ dòng sản phẩm nào.
Vì sao động cơ bước quay được đúng từng bước?
Vì rotor của nó có sẵn những vị trí cân bằng rời rạc. Stator mang nhiều cuộn dây, rotor mang nhiều răng; khi một tổ hợp cuộn được cấp dòng, rotor tự xoay đến vị trí mà lực từ cân bằng và giữ nguyên ở đó. Đổi tổ hợp cuộn theo một trình tự nhất định thì các vị trí cân bằng ấy dịch đi từng nấc, và rotor bám theo.
Điều quan trọng là số vị trí cân bằng trong một vòng là đại lượng hình học — nó do số răng rotor và số pha stator quyết định, không do điện áp, không do tải, không do tốc độ. Chính vì vậy mà bộ điều khiển chỉ cần đếm số xung đã phát là suy ra được góc đã quay, mà không cần bất kỳ phép đo nào. Đây là ý nghĩa thật của chữ "vòng hở": không phải là không có phản hồi vì quên lắp, mà là hệ được thiết kế để không cần phản hồi.
Cách giữ vị trí cũng đáng chú ý. Khi rotor bị đẩy lệch khỏi vị trí cân bằng, xuất hiện một mô men kéo nó về, và mô men ấy tăng theo độ lệch giống như một lò xo xoắn — cho tới một đỉnh, rồi giảm. Nghĩa là động cơ bước giữ được vị trí ngay cả khi đứng yên, một đặc tính mà cơ cấu chấp hành khí nén không có, như đã đối chiếu ở bài cơ cấu chấp hành trong tự động hóa.
Mất bước xảy ra khi nào, và vì sao hệ không biết?
Mất bước xảy ra khi mô men cản vượt qua đỉnh của mô men giữ. Rotor không còn bị kéo về vị trí cân bằng cũ nữa mà trượt sang vị trí kế tiếp, và từ đó trở đi góc thật lệch khỏi góc lệnh.
Hai tình huống hay dẫn tới điều đó. Một là tải tăng đột ngột. Hai là tốc độ hoặc gia tốc lớn: cuộn dây có điện cảm, nên dòng cần thời gian để dựng lên; trình tự chuyển pha càng nhanh thì dòng càng chưa kịp đạt giá trị mong muốn trước khi phải đổi pha, và mô men đỉnh vì thế giảm dần khi tốc độ tăng. Đây là lý do một trục chạy tốt ở tốc độ thấp lại mất bước khi tăng tốc, dù tải không đổi.
Chỗ nguy hiểm nằm ở phần sau: hệ không có cách nào biết. Bộ điều khiển vẫn tiếp tục đếm xung như thường và vẫn tin rằng trục đang ở đúng chỗ. Sai lệch không tự mất đi, cũng không lớn dần theo cách gây chú ý — nó đứng nguyên đó cho tới lần về gốc kế tiếp. Chính vì thế mọi máy chạy vòng hở đều phải có hành trình về gốc, và mọi chương trình đều phải coi vị trí sau sự cố là không đáng tin cho tới khi về gốc xong.
Servo sửa sai lệch bằng những vòng nào?
| Vòng hở (động cơ bước) | Vòng kín (servo) | |
|---|---|---|
| Cái quyết định vị trí | Kết cấu răng từ của động cơ | Phép đo vị trí thật |
| Khi quá tải | Trượt bước âm thầm, hệ vẫn tin là đúng | Sai lệch tăng, hệ phát hiện được và báo lỗi |
| Ở trạng thái đứng yên | Giữ bằng mô men từ, dòng vẫn chạy trong cuộn | Giữ bằng vòng điều khiển, dòng thay đổi theo sai lệch |
| Thứ phải có thêm | Không cần gì thêm | Cảm biến vị trí, bộ điều khiển nhiều vòng |
Bảng nêu quan hệ nguyên lý – hành xử khi quá tải – thứ phải trang bị thêm; bảng không nêu trị số mô men, độ phân giải hay dải tốc độ, vì những trị số ấy thuộc tài liệu kỹ thuật của từng thiết bị.
Servo hoạt động bằng ba vòng lồng nhau. Trong cùng là vòng dòng điện, tức vòng mô men, chạy nhanh nhất. Bao ngoài nó là vòng tốc độ. Ngoài cùng là vòng vị trí, so vị trí lệnh với vị trí đo được rồi sinh ra lệnh tốc độ. Phép đo ở vòng ngoài cùng do encoder cung cấp; khác biệt giữa loại tuyệt đối và tương đối cùng hệ quả khi mất điện nằm ở bài encoder tuyệt đối và tương đối.
Cách bố trí vòng lồng nhau ấy giải thích một hành xử thường gây ngạc nhiên: servo không đứng yên tuyệt đối. Nó liên tục dao động quanh vị trí đích với biên độ nhỏ, vì vòng điều khiển chỉ tác động khi có sai lệch. Trục servo hoàn toàn "chết cứng" thường là dấu hiệu vòng đã bị ngắt chứ không phải dấu hiệu chỉnh tốt. Toàn bộ kiến trúc lệnh – phản hồi này là nền của bài nguyên lý robot công nghiệp, còn phía trên nó là lớp logic tuần tự đã trình bày ở bài nguyên lý PLC và chu kỳ quét.
Vì sao gắn thêm encoder vào động cơ bước chưa biến nó thành servo?
Vì hai thứ dùng phép đo vào việc khác nhau. Ở động cơ bước có phản hồi, encoder được dùng để phát hiện đã lệch bao nhiêu bước rồi phát bù thêm chừng ấy xung; cấu trúc điều khiển bên dưới vẫn là chuỗi bước rời rạc. Ở servo, phép đo được đưa thẳng vào vòng sinh mô men, nên mô men thay đổi liên tục theo sai lệch chứ không nhảy theo nấc.
Hệ quả là chúng giải hai bài toán khác nhau. Thêm encoder cho động cơ bước xóa được cái nguy hiểm nhất của vòng hở — lỗi âm thầm — và cho phép hệ dừng lại khi sai. Nhưng nó không đem lại đặc tính động lực của servo: khả năng bám theo quỹ đạo thay đổi nhanh, khả năng nhận biết tải nặng lên qua chính dòng điện, và khả năng giữ vị trí bằng đúng lượng mô men cần thiết thay vì bằng dòng cố định. Việc dòng chạy trong cuộn dây cả khi đứng yên còn kéo theo phát nhiệt và nhiễu điện, cùng lớp vấn đề với hiện tượng mô tả ở bài động cơ rò điện khi dùng biến tần.
Bộ truyền giữa động cơ và tải ảnh hưởng gì đến vị trí?
Rất nhiều, và đây là chỗ hay bị bỏ qua khi đã chọn xong động cơ. Phép đo đặt ở đâu thì chỉ biết được cái ở đó: encoder gắn trên trục động cơ không nhìn thấy phần sai lệch sinh ra phía sau bộ truyền. Khe hở ăn khớp làm tải đứng yên trong lúc động cơ đã quay được một đoạn khi đảo chiều, còn độ xoắn của trục làm tải về đích trễ hơn động cơ.
Vì thế cơ cấu biến chuyển động quay thành tịnh tiến được chọn theo tiêu chí khe hở chứ không chỉ theo tiêu chí lực, như trình bày ở bài vít me bi và dẫn hướng thẳng. Bộ giảm tốc cũng vậy: nó nhân mô men lên và chia sai số góc xuống theo tỷ số truyền, nhưng chỉ với phần sai số nằm trước nó — quan hệ giữa tỷ số truyền và số cấp được phân tích ở bài hộp giảm tốc và tỷ số truyền nhiều cấp.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao trục chạy tốt ở tốc độ thấp lại mất bước khi tăng tốc? Vì mô men đỉnh của động cơ bước giảm khi tốc độ tăng: cuộn dây có điện cảm nên dòng cần thời gian dựng lên, mà chuyển pha càng nhanh thì thời gian ấy càng thiếu. Tải không đổi nhưng mô men khả dụng đã tụt xuống dưới mức cần, nên rotor trượt bước.
Servo có bị mất vị trí không? Không mất theo kiểu âm thầm như vòng hở, vì mọi sai lệch đều được đo. Nhưng nếu dùng encoder tương đối thì vị trí gốc mất khi mất điện và phải về gốc lại; và mọi sai lệch nằm sau điểm đo — khe hở, độ xoắn của bộ truyền — thì servo cũng không nhìn thấy.
Vì sao động cơ bước nóng cả khi máy đứng yên? Vì nó giữ vị trí bằng cách duy trì dòng trong cuộn dây, và dòng ấy sinh nhiệt bất kể trục có quay hay không. Đây là đặc điểm của nguyên lý giữ bằng mô men từ, không phải dấu hiệu hỏng.