Thiết bị phản hồi trong hệ thống dùng biến tần và servo

Thiết bị phản hồi là gì?

Thiết bị phản hồi là các cảm biến hoặc thiết bị được sử dụng để thu thập thông tin về trạng thái hoạt động của động cơ, chẳng hạn như vị trí, tốc độ hoặc hướng quay. Dữ liệu này được gửi đến bộ điều khiển (controller) của biến tần hoặc hệ thống servo để điều chỉnh hoạt động động cơ theo thời gian thực.

Trong các ứng dụng công nghiệp, thiết bị phản hồi là yếu tố không thể thiếu để đảm bảo độ chính xác, hiệu suất và an toàn.

Tại sao cần thiết bị phản hồi?

• Độ chính xác cao: Giúp hệ thống điều khiển đạt được vị trí và tốc độ mong muốn với sai số tối thiểu.
• Hiệu suất tối ưu: Phản hồi thời gian thực cho phép điều chỉnh tức thì, giảm lãng phí năng lượng và tăng hiệu quả.
• An toàn: Đảm bảo động cơ hoạt động đúng theo yêu cầu, đặc biệt trong các ứng dụng nhạy cảm như robot công nghiệp hoặc máy móc y tế.

Các loại thiết bị phản hồi phổ biến

Dưới đây là các loại thiết bị phản hồi được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng biến tần và servo, cùng với đặc điểm và ưu nhược điểm của từng loại.

1. Bộ mã hóa (Incremental Encoder)

Bộ mã hóa tăng dần chuyển đổi chuyển động cơ học thành tín hiệu số, cung cấp thông tin về vị trí tương đối và tốc độ của động cơ. Chúng thường tạo ra các xung vuông (square pulses) được bộ điều khiển đếm để xác định chuyển động.

• Ưu điểm:
  • Độ chính xác cao, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu điều khiển tốc độ và vị trí chính xác.
  • Chi phí hợp lý, dễ tích hợp vào hệ thống.
  • Linh hoạt với nhiều độ phân giải (resolution) khác nhau.
• Nhược điểm:
  • Dễ bị ảnh hưởng bởi rung động hoặc nhiễu điện trong môi trường công nghiệp.
  • Chỉ cung cấp dữ liệu tương đối, cần tham chiếu ban đầu (homing) để xác định vị trí tuyệt đối.

Ứng dụng: Hệ thống băng chuyền, robot công nghiệp, máy CNC.

2. Resolver

Resolver là thiết bị phản hồi điện từ, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng từ. Chúng sử dụng hai cuộn dây (sin và cos) để tạo tín hiệu analog, giúp xác định vị trí và tốc độ trục động cơ.

• Ưu điểm:
  • Độ bền cao, chịu được nhiệt độ khắc nghiệt, rung động và môi trường bụi bẩn.
  • Không cần bảo trì thường xuyên, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp nặng.
  • Cung cấp dữ liệu vị trí tuyệt đối trong một vòng quay.
• Nhược điểm:
  • Độ phân giải thấp hơn so với bộ mã hóa.
  • Yêu cầu mạch điện tử phức tạp để xử lý tín hiệu analog.

Ứng dụng: Công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ, môi trường khắc nghiệt như nhà máy thép.

3. Bộ mã hóa tuyệt đối (Absolute Encoder)

Bộ mã hóa tuyệt đối cung cấp thông tin vị trí chính xác mà không cần tham chiếu ban đầu. Chúng sử dụng các giao thức kỹ thuật số như BiSS, EnDat hoặc Hiperface để truyền dữ liệu.

• Ưu điểm:
  • Cung cấp vị trí tuyệt đối, ngay cả khi mất điện.
  • Độ chính xác và độ phân giải cao, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao.
  • Hỗ trợ giao tiếp kỹ thuật số, giảm nhiễu tín hiệu.
• Nhược điểm:
  • Chi phí cao hơn so với bộ mã hóa tăng dần.
  • Kích thước lớn hơn, có thể không phù hợp với các hệ thống nhỏ gọn.

Ứng dụng: Máy y tế, robot phẫu thuật, hệ thống điều khiển chuyển động chính xác.

4. Thiết bị phản hồi kỹ thuật số (Digital Feedback Devices)

Các thiết bị phản hồi kỹ thuật số sử dụng các giao thức tiên tiến như BiSS, EnDat, hoặc Hiperface để truyền dữ liệu tốc độ cao. Chúng thường được tích hợp vào các bộ mã hóa tuyệt đối hoặc bộ mã hóa đa vòng (multi-turn).

• Ưu điểm:
  • Tốc độ truyền dữ liệu nhanh, giảm độ trễ.
  • Khả năng chống nhiễu tốt nhờ giao tiếp kỹ thuật số.
  • Hỗ trợ các tính năng nâng cao như chẩn đoán lỗi và lưu trữ thông tin động cơ.
• Nhược điểm:
  • Yêu cầu phần mềm và phần cứng tương thích để xử lý giao thức.
  • Chi phí cao hơn so với các thiết bị analog.

Ứng dụng: Hệ thống servo tiên tiến, máy công cụ CNC, robot công nghiệp.

So sánh các thiết bị phản hồi

Ứng dụng của thiết bị phản hồi trong biến tần và servo

1. Ứng dụng trong biến tần

Trong các hệ thống tự động hóa sử dụng biến tần, thiết bị phản hồi được sử dụng để cải thiện hiệu suất điều khiển tốc độ và mô-men xoắn. Ví dụ:

• Băng chuyền công nghiệp: Bộ mã hóa tăng dần giúp biến tần duy trì tốc độ ổn định, đảm bảo dây chuyền sản xuất không bị gián đoạn.
• Máy bơm và quạt: Resolver cung cấp dữ liệu tốc độ đáng tin cậy, giúp biến tần điều chỉnh lưu lượng và áp suất một cách hiệu quả.
• Hệ thống thang máy: Bộ mã hóa tuyệt đối đảm bảo vị trí chính xác của cabin thang máy, tăng độ an toàn và thoải mái cho người sử dụng.

2. Ứng dụng trong hệ thống servo

Hệ thống servo yêu cầu độ chính xác cao hơn, và thiết bị phản hồi là yếu tố cốt lõi để đạt được điều này. Ví dụ:

• Robot công nghiệp: Bộ mã hóa tuyệt đối hoặc thiết bị phản hồi kỹ thuật số giúp robot thực hiện các chuyển động phức tạp với độ chính xác cao.
• Máy CNC: Bộ mã hóa cung cấp dữ liệu vị trí và tốc độ, đảm bảo các công cụ cắt gọt hoạt động chính xác theo thiết kế.
• Thiết bị y tế: Resolver hoặc bộ mã hóa tuyệt đối được sử dụng trong các thiết bị như máy quét CT hoặc robot phẫu thuật, nơi độ tin cậy và an toàn là tối quan trọng.

Lựa chọn thiết bị phản hồi phù hợp

Khi chọn thiết bị phản hồi cho ứng dụng biến tần hoặc servo, cần xem xét các yếu tố sau:

1. Yêu cầu ứng dụng: Ứng dụng yêu cầu vị trí tương đối hay tuyệt đối? Độ phân giải cần thiết là bao nhiêu?
2. Môi trường hoạt động: Thiết bị có phải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, rung động, bụi bẩn) hay không?
3. Ngân sách: Chi phí của thiết bị và hệ thống tích hợp có phù hợp với ngân sách không?
4. Khả năng tương thích: Thiết bị phản hồi có tương thích với bộ điều khiển và phần mềm hiện có không?
5. Giao thức giao tiếp: Các giao thức như BiSS, EnDat, hoặc Hiperface có được hỗ trợ không?

Ví dụ, trong một nhà máy thép với môi trường khắc nghiệt, resolver là lựa chọn lý tưởng nhờ độ bền cao. Trong khi đó, một hệ thống robot phẫu thuật sẽ cần bộ mã hóa tuyệt đối để đảm bảo độ chính xác và an toàn tối đa.