Servo là gì

Servo là gì Cơ cấu servo Cấu tạo và ứng dụng

Trong kỹ thuật điều khiển, cơ cấu servo, đôi khi được gọi tắt là servo, là một thiết bị tự động có sử dụng lỗi cảm biến phản hồi âm để điều chỉnh hành động của một cơ cấu.^[1] Nó thường bao gồm một bộ mã hóa (encoder) đi kèm bên trong hoặc cơ cấu phản hồi vị trí khác để đảm bảo đầu ra đạt được hiệu quả mong muốn.^[2]

Thuật ngữ này chỉ áp dụng một cách chính xác đối với những hệ thống mà các thông tin phản hồi hoặc các tín hiệu điều chỉnh sai số giúp điều khiển vị trí cơ khí, tốc độ hay các thông số khác.^[3] Ví dụ, một điều khiển cửa sổ điện của ô tô không phải là một cơ cấu servo, vì không có thông tin phản hồi tự động để điều khiển vị trí-người vận hành thực hiện điều này bằng cách quan sát bằng mắt thường. Ngược lại điều khiển hành trình của xe ô tô sử dụng phản hồi vòng kín, thì được xếp vào như là một cơ cấu servo.

Ứng dụng Cơ cấu servo

Điều khiển vị trí 

Một loại servo phổ biến có hỗ trợ điều khiển vị trí. Thông thường, các cơ cấu servo có thể là điện, thủy lực hoặc khí nén. Chúng hoạt động trên nguyên lý phản hồi âm, trong đó đầu vào điều khiển được so sánh với vị trí thực tế của hệ thống cơ khí được đo lường bằng một số loại cảm biến tại đầu ra. Khoản chênh lệch giữa giá trị thực tế và giá trị mong muốn (một “tín hiệu sai số”) được khuếch đại (và chuyển đổi) và được dùng để điều khiển hệ thống theo hướng cần thiết để giảm hoặc loại bỏ sai số. Quá trình này là một trong những ứng dụng được sử dụng rộng rãi của lý thuyết điều khiển. Các servo điển hình có thể cung cấp một đầu ra là chuyển động tròn (góc quay) hoặc đầu ra chuyển động thẳng.

Điều khiển tốc độ 

Điều khiển tốc độ thông qua một thiết bị điều tốc là một loại cơ cấu servo khác. Động cơ hơi nước sử dụng các thiết bị điều tốc cơ khí; một ứng dụng ban đầu khác là để điều chỉnh tốc độ của bánh xe nước. Trước Thế chiến thứ II cánh quạt tốc độ không đổi được phát triển để điều khiển tốc độ động cơ máy bay. Điều khiển nhiên liệu cho động cơ tuabin khí sử dụng bộ điều tốc điện hoặc thuỷ lực.

Ứng dụng Khác 

Các cơ cấu servo vị trí đầu tiên được sử dụng trong điều khiển hỏa lực quân sự và thiết bị điều hướng hàng hải. Ngày nay, Cơ cấu servo được sử dụng trong các máy công cụ tự động, ăng-ten theo dõi vệ tinh, máy bay điều khiển từ xa, hệ thống định vị tự động trên tàu thuyền và máy bay, và hệ thống điều khiển súng phòng không. Những ví dụ khác là những hệ thống điều khiển bay trong máy bay, sử dụng các servo để phát động các bề mặt điều khiển của máy bay, và các mô hình điều khiển bằng radio sử dụng các RC servo với cùng mục đích. Nhiều máy ảnh tự động lấy nét cũng sử dụng một cơ cấu servo để di chuyển các ống kính một cách chính xác. Một ổ đĩa cứng có một hệ thống servo từ tính với độ định vị chính xác đến micromet. Trong các máy móc công nghiệp, servo được sử dụng để thực hiện các chuyển động phức tạp, trong nhiều ứng dụng.

Động cơ servo 

Bài chi tiết: Servomotor và servo (radio control)

Một cơ cấu servo là một loại động cơ cụ thể được kết hợp với một bộ mã hóa quay (encoder) hoặc một chiết áp để tạo thành một cơ cấu servo. Hợp bộ này có thể đến lượt nó tạo thành một phần của cơ cấu servo khác. Một chiết áp dùng để cung cấp một tín hiệu analog đơn giản để chỉ ra vị trí, trong khi một bộ mã hóa cung cấp vị trí và thường là tốc độ phản hồi, trong đó bằng cách sử dụng một bộ điều khiển PID cho phép điều khiển chính xác hơn vị trí và do đó đạt được vị trí ổn định nhanh hơn (đối với một động cơ nhất định). Các bộ chiết áp có thể bị trôi dạt khi nhiệt độ hay đổi trong khi bộ mã hóa thì ổn định và chính xác hơn.

Cơ cấu servo được sử dụng cho các ứng dụng cả cao cấp và thấp cấp. Cao cấp là những linh kiện công nghiệp chính xác sử dụng một bộ mã hóa quay. Thấp cấp là các servo điều khiển vô tuyến (RC servo) rẻ tiền được sử dụng trong các mô hình điều khiển bằng radio mà sử dụng một động cơ chuyển động tự do và một cảm biến vị trí chiết áp đơn giản với một bộ điều khiển nhúng. Thuật ngữ động cơ servo thường dùng để chỉ một thành phần công nghiệp cao cấp trong khi thuật ngữ servo thường được sử dụng để mô tả các thiết bị rẻ tiền có sử dụng một chiết áp. Các động cơ bướcĐộng cơ bước không được coi là động cơ servo, mặc dù chúng cũng được sử dụng để tạo nên các cơ cấu servo lớn hơn. Các động cơ bước định vị trí theo góc cố hữu, do cấu tạo của chúng, và điều này thường được sử dụng trong một cách thứ vòng hở mà không cần tới tín hiệu phản hồi. Chúng thường được sử dụng cho các ứng dụng có độ chính xác vừa phải.

Các servo RC được sử dụng để cung cấp sự phát động cho các hệ thống cơ khí khác nhau như hệ thống lái của xe hơi, các bề mặt điều khiển trên máy bay, hoặc bánh lái của một chiếc thuyền. Do có già thành hợp lý, tin cậy, và đơn giản vì được điều khiển bởi các bộ vi xử lý, chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng robot có quy mô nhỏ. Một bộ nhận RC tiêu chuẩn (hoặc một vi điều khiển) gửi các tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) đến servo này. Các thiết bị điện tử bên trong servo này sẽ dịch độ rộng xung này thành tín hiệu vị trí. Khi servo được ra lệnh xoay, động cơ này được cấp nguồn cho đến khi chiết áp đạt được giá trị tương ứng với vị trí ra lệnh.

Lịch sử 

Thiết bị điều tốc động cơ hơi nước của James Watt thường được coi là hệ thống phản hồi thật sự đầu tiên. Các đuôi quạt cối xay gió là một ví dụ sớm nhất của điều khiển tự động, nhưng vì nó không có một bộ khuếch đại hoặc độ lợi, cho nên nó thường không được coi là một cơ cấu servo.

Thiết bị điều khiển vị trí phản hồi đầu tiên là động cơ lái tàu, được sử dụng để xác định vị trí bánh lái của những con tàu lớn dựa trên vị trí của vô lăng của con tàu đó. John McFarlane Grey là người tiên phong trong lĩnh vực này. Thiết kế được cấp bằng sáng chế của ông đã được sử dụng trên tàu SS Great Eastern vào năm 1866. Joseph Farcot xứng đáng được nhớ đến với khái niệm phản hồi, với nhiều bằng sáng chế giữa năm 1862 và 1868.^[4]

Động cơ tổ hợp (telemotor) được phát minh khoảng năm 1872 bởi Andrew Betts Brown, cho phép tạo ra các cơ cấu giữa phòng điều khiển và động cơ được đơn giản hóa đi rất nhiều.^[5] Các động cơ lái hơi nước có những đặc điểm của một cơ cấu servo hiện đại: một đầu vào, một đầu ra, một tín hiệu sai số, và một phương tiện để khuếch đại tín hiệu sai số được sử dụng để phản hồi âm cho việc điều chỉnh sai số tiến tới giá trị zero. Cơ cấu công suất ngược Ragonnet là một bộ khuếch đại servo chạy bằng khí hoặc hơi nước đa mục đích dùng cho chuyển động thẳng được cấp bằng sáng chế vào năm 1909.^[6]

Các cơ cấu servo điện được sử dụng sớm nhất vào năm 1888 trong máy truyền điện bằng chữ viết của Elisha Gray.

Các cơ cấu servo điện đòi hỏi một bộ khuếch đại công suất. Thế chiến II đã nhìn thấy sự phát triển của các cơ cấu servo điều khiển hỏa lực điện, sử dụng một amplidyne làm bộ khuếch đại công suất. Các bộ khuếch đại ống chân khôngđược sử dụng trong truyền động ổ băng UNISERVO cho máy tính UNIVAC I. Hải quân Hoàng gia Anh đã bắt đầu thử nghiệm điều khiển công suất từ xa (RPC) trên HMS Champion vào năm 1928 và bắt đầu sử dụng RPC để điều khiển đèn pha rọi máy bay địch trong đầu thập niên 1930. Trong Thế chiến thứ II, RPC đã được sử dụng để điều khiển giá pháo và thiết bị chỉ thị mục tiêu cho pháo.

Cơ cấu servo hiện đại sử dụng các bộ khuếch đại công suất trạng thái rắn, thường được cấu tạo từ MOSFET hoặc thyristor. Các servo nhỏ có thể sử dụng các transistor công suất.

Nguồn gốc của từ này được cho là lấy từ tiếng Pháp “Le Servomoteur” hoặc slavemotor, lần đầu tiên được sử dụng bởi JJL Farcot vào năm 1868 để mô tả động cơ thủy lực và hơi nước được sử dụng trong hệ thống lái tàu thủy.^[7]

Loại servo đơn giản nhất sử dụng điều khiển bang-bang. Các hệ thống điều khiển phức tạp hơn sử dụng điều khiển tỷ lệ, điều khiển PID, và điều khiển không gian trạng thái, những điều này được nghiên cứu trong lý thuyết điều khiển hiện đại.

Phân loại theo tác dụng 

Servo có thể được phân loại theo cách thức làm việc của hệ thống điều khiển phản hồi của chúng:^[8]

• servo loại 0: trong điều kiện trạng thái ổn định chúng tạo ra một giá trị đầu ra không đổi với một tín hiệu sai số không đổi;
• servo loại 1: trong điều kiện trạng thái ổn định chúng tạo ra một giá trị đầu ra không đổi với tín hiệu sai số null, nhưng với tốc độ thay đổi của giá trị đặt không đổi ngụ ý một sai số không đổi trong việc theo dõi giá trị đặt;
• servo loại 2: trong điều kiện trạng thái ổn định chúng tạo ra một giá trị đầu ra không đổi với tín hiệu sai số null. Một tốc-độ-thay-đổi-giá-trị-đặt không đổi ngụ ý một sai số null trong việc theo dõi tín hiệu đặt. Một tốc độ-gia-tốc-của-giá-trị-đặt không đổi ngụ ý một sai số không đổi trong việc theo dõi giá trị đặt.

Băng thông servo chỉ thị khả năng làm theo những thay đổi nhanh chóng trong mệnh lệnh đầu vào của servo.

Điều khiển servoĐiều khiển servo được thực hiện bằng cách gửi đi một servo tín hiệu PWM (điều chế độ rộng xung), một loạt các xung lặp lại có chiều rộng thay đổi, trong đó chiều rộng của xung (servo hiện đại phổ biến nhất) hoặc chu kỳ làm việc của một mạch xung (ngày nay ít phổ biến hơn) để xác định vị trí đạt được bởi servo. Tín hiệu PWM có thể đến từ một bộ thu điều khiển vô tuyến tới servo hoặc từ các bộ vi-điều-khiển thông thường như Arduino.

Các servo nhỏ (thường được gọi là điều khiển vô tuyến, hoặc Servo RC) được kết nối thông qua một kết nối ba dây tiêu chuẩn: hai dây dành cho nguồn DC và một dây dành cho điều khiển, mang các xung điều khiển.

Các thông số cho xung là chiều rộng xung nhỏ nhất, độ rộng xung lớn nhất, và tốc độ lặp lại. Với các giới hạn về tốc độ quay của servo, điểm trung tính được định nghĩa là vị trí mà servo có chính xác cùng một số vòng quay cơ học tiềm năng theo chiều kim đồng hồ khi nó quay ngược chiều kim đồng hồ. Điều quan trọng cần lưu ý là các servo khác nhau sẽ có những giới hạn khác nhau về vòng quay nhưng tất cả chúng đều có một vị trí trung tính, và vị trí đó luôn luôn rộng khoảng 1,5 miligiây (ms).

Thời gian xung 

Trong các Servo RC hiện đại, góc quay cơ học được xác định bởi chiều rộng của một xung điện phát lên dây điều khiển. Đây là một hình thức điều chế độ rộng xung. Servo RC điển hình dự kiến ​​sẽ thấy một xung mỗi 20 ms, tuy nhiên điều này có thể thay đổi trong một phạm vi rộng khác nhau từ servo này sang servo khác. Chiều rộng của xung sẽ xác định được tốc độ của động cơ. Ví dụ, trong nhiều Servo RC một xung 1,5 ms sẽ làm cho động cơ quay về vị trí 90 độ (vị trí trung tính). Thời gian của giá trị thấp (và tổng thời gian) có thể thay đổi trong phạm vi rộng, và thay đổi từ xung này sang xung kế tiếp, mà không ảnh hưởng đến vị trí của động cơ servo.

Vị trí của servo RC hiện đại không được xác định bởi chu kỳ làm việc PWM (nghĩa là, thời gian ON, OFF) mà chỉ bằng chiều rộng của xung. (Điều này rất khác so với PWM từng được sử dụng trong một số hệ thống khác. Đặc biệt, điều khiển tốc độ động cơ PWM DC rối rắm hoạt động theo cách thức khác hoàn toàn). Hầu hết các động cơ Servo RC di chuyển chính xác đến cùng vị trí khi chúng nhận được một xung 1,5 ms mỗi 6 ms (một chu kỳ làm việc là 25%) như khi chúng nhận được một xung 1,5 ms mỗi 25 ms (chu kỳ làm việc là 6%) ​​- trong cả hai trường hợp, chúng chuyển sang vị trí trung tâm (vị trí trung tính). Với nhiều servo RC, miễn là tốc độ làm tươi (số lần mỗi giây mà xung được gửi đi, tức là tốc độ lặp lại xung) nằm trong khoảng 40 Hz đến 200 Hz, giá trị chính xác của tốc độ làm tươi là không cần thiết.^{[1][2][3][4][5][6][7][8][9]}

Chu kỳ 20 ms (50 Hz) bắt nguồn từ thời tín hiệu được mã hoá trong định dạng PPM (Pulse Position Modulation-điều chế vị trí xung) được gửi đi qua không khí.^[10] Chu kỳ PPM là khoảng 22,5 ms, và chuyển đổi sang PWM bình thường: thời gian của PWM trạng thái cao là thời gian vị trí của xung PPM cho servo đó.

Hầu hết các bộ thu RC đều gửi xung đến servo RC với tốc độ khung cố định, chỉ thay đổi trong thời gian cao. Tuy nhiên, có thể ra lệnh cho một servo RC để di chuyển trên toàn bộ phạm vi của nó với một máy phát hàm được thiết lập chu kỳ làm việc không đổi là 10% bằng cách thay đổi mỗi tần số không thôi (tốc độ khung).^[11]

Lực 

Khi những servo này được ra lệnh di chuyển, chúng sẽ di chuyển đến vị trí cần đến và giữ nguyên ở vị trí đó. Nếu một ngoại lực đẩy servo trở lại trong khi servo đang giữ nguyên ở một vị trí, servo sẽ cản trở di chuyển ra khỏi vị trí đó. Lực tối đa mà servo có thể gây ra là chính là mô men xoắn của servo. Servo sẽ không giữ nguyên vị trí của chúng mãi mãi mặc dù xung vị trí phải được lặp lại để ra lệnh cho servo giữ nguyên vị trí.

Các biến thể 

Khi một xung được gửi đến một servo nhỏ hơn 1,5 ms, servo sẽ quay tới một vị trí và giữ trục đầu ra của nó ở một số số độ ngược chiều kim đồng hồ từ điểm trung tính. Khi xung này rộng hơn 1,5 ms thì xảy ra ngược lại. Chiều rộng tối thiểu và chiều rộng tối đa của xung mà sẽ ra lệnh cho servo chuyển sang một vị trí hợp lệ là đặc trưng riêng của mỗi servo. Các hãng khác nhau, và thậm chí servos khác nhau của cùng một hãng sẽ có chiều rộng tối thiểu và tối đa khác nhau. Nói chung, xung tối thiểu sẽ rộng khoảng 1 ms và xung tối đa sẽ rộng khoảng 2 ms.