Servo Drive vs Biến tần thông thường — Khác biệt cốt lõi
Cả servo drive và biến tần đều điều khiển motor bằng cách thay đổi điện áp và tần số. Nhưng mục tiêu khác nhau hoàn toàn:
| Tiêu chí | Biến tần (VFD) | Servo Drive |
|---|---|---|
| Mục tiêu điều khiển | Tốc độ (gần đúng) | Vị trí / tốc độ / lực mô-men (chính xác) |
| Phản hồi | Không (V/f) hoặc encoder (vector) | Bắt buộc có encoder (thường 2500-131072 ppr) |
| Độ chính xác vị trí | Không kiểm soát được | ±1 pulse encoder (vài micromet với gearing) |
| Đáp ứng động | Chậm (Hz đến vài chục Hz bandwidth) | Nhanh (100-1000 Hz bandwidth) |
| Moment khi dừng | Giảm hoặc mất | Duy trì moment đầy đủ (giữ vị trí) |
| Motor phù hợp | Motor cảm ứng 3 pha thông thường | Servo motor (PMSM — brushless AC servo) |
| Giá | Rẻ hơn nhiều | Đắt hơn 3-10 lần cùng công suất |
| Ứng dụng | Bơm, quạt, băng tải đơn giản | CNC, robot, máy dán nhãn, máy đóng gói |
Cấu trúc 3 vòng điều khiển servo
Servo drive thực hiện điều khiển theo 3 vòng lồng nhau — vòng trong nhanh hơn vòng ngoài:
- Vòng dòng điện (Current loop / Torque loop): Tốc độ cao nhất (~10kHz). Kiểm soát dòng điện cấp cho motor → kiểm soát lực mô-men. Đây là vòng nhanh nhất, cần tốt để 2 vòng ngoài hoạt động tốt.
- Vòng tốc độ (Speed loop / Velocity loop): ~1kHz. Nhận setpoint tốc độ, so sánh với tốc độ thực từ encoder, xuất lệnh moment cho vòng dòng điện.
- Vòng vị trí (Position loop): ~500Hz. Nhận lệnh vị trí (từ PLC dạng pulse), so sánh với vị trí thực từ encoder, xuất lệnh tốc độ cho vòng tốc độ.
Encoder trong servo
Encoder là cảm biến phản hồi vị trí gắn trên trục servo motor. Các loại encoder phổ biến:
- Incremental encoder: Xuất xung A/B (và Z cho vị trí gốc). Số xung/vòng (ppr): 2500-10000 ppr thông thường, 131072 (17-bit) cho servo cao cấp. Mất nguồn → mất vị trí, phải homing lại.
- Absolute encoder: Ghi nhớ vị trí tuyệt đối dù mất nguồn. Giao tiếp qua giao thức serial: EnDat (Heidenhain), HIPERFACE (Sick), BiSS-C. Không cần homing sau mất điện — quan trọng với trục thẳng đứng hoặc robot.
- Độ phân giải: 2500 ppr × 4 (quadrature) = 10000 counts/vòng. Servo 10000 counts/vòng với gương ren 10mm/vòng → độ phân giải tuyến tính = 10mm/10000 = 1 µm.
Chế độ điều khiển từ PLC
Pulse Train Input (PTI) — Điều khiển bằng xung
PLC xuất xung tốc độ cao (High Speed Pulse Output) để điều khiển servo:
- Mỗi xung = một bước di chuyển (tùy tỷ số electronic gear trong servo drive).
- Tần số xung = tốc độ motor. Số xung = vị trí đích.
- Dạng tín hiệu: Pulse/Direction (P+D) hoặc CW/CCW (xung tiến/lùi).
- Phổ biến trên Siemens S7-1200 (pulse output đến 100kHz), Mitsubishi FX3U (100kHz), Omron CP1H.
Analog ±10V — Điều khiển tốc độ
PLC xuất tín hiệu analog ±10VDC, servo drive dịch thành lệnh tốc độ. Đơn giản nhưng kém chính xác hơn xung. Dùng khi chỉ cần điều khiển tốc độ (không cần định vị chính xác).
Fieldbus — PROFINET, EtherCAT, CANopen
Servo drive cao cấp (Siemens SINAMICS, Beckhoff AX5000, Yaskawa Sigma-7) giao tiếp qua mạng trường real-time với độ trễ xác định (deterministic). EtherCAT cho phép đồng bộ nhiều trục servo với độ lệch pha <1µs — cần thiết cho robot và hệ thống multi-axis.
Quy trình chỉnh gain servo (tuning)
- Position gain (Kp): Tăng → phản ứng vị trí nhanh hơn nhưng dễ rung khi tải thay đổi.
- Speed gain (Kv): Tăng → cứng cơ học hơn, bám tải tốt hơn nhưng dễ cộng hưởng.
- Feedforward: Bù trước theo lệnh vị trí/tốc độ, giảm tracking error mà không cần tăng gain.
- Auto-tuning: Servo drive hiện đại (Panasonic MINAS, Yaskawa, Mitsubishi) có chức năng tự chỉnh gain bằng cách kích động nhỏ và đo đáp ứng.