Hướng Dẫn Điều Khiển Động Cơ Servo

1. Khái niệm động cơ motor DC servo

Hiện nay, có nhiều loại động cơ servo với những tính năng chính là điều khiển chính xác được vị trí của trục. Việc điều khiển động cơ servo giúp cho một hệ thống vòng kín có thể sử dụng phản hồi vị trí để điều khiển được chuyển động và vị trí cuối cùng của nó.

Trong sản xuất công nghiệp, động cơ servo motor chính là loại cảm biến giúp phản hồi vị trí, thông thường là một bộ code hóa đem lại độ chính xác cao, trong khi trong đó các động cơ RC hoặc động cơ nhỏ hơn, cảm biến vị trí thường dùng là một chiết áp đơn giản. 

Vị trí thực tế được các thiết bị này tìm thấy sẽ được đưa trở lại bộ phát hiện lỗi ở nơi này, nó sẽ được so sánh cùng với vị trí đích. Sau đó, tùy theo lỗi mà bộ điều khiển sửa đổi vị trí thực tế của động cơ để cho khớp với vị trí đích. 

Động cơ thường được sử dụng là bộ truyền động có kích thước nhỏ được sử dụng để điều khiển những phương tiện như xe ô tô, thuyền, máy bay,… Chúng cũng được các sinh viên ngành kỹ thuật dùng để chế tạo robot, tạo ra bộ phận cánh tay robot, chế tạo ra robot lấy cảm hứng sinh học hay robot có hình người,…

2. Nguyên tắc điều khiển động cơ servo

Chúng ta hãy tiến hành kiểm tra những thông tin ở trên và làm một ví dụ thực tế về điều khiển một động cơ servo motor cổ điển bằng Arduino. Tốt nhất bạn nên sử dụng MG996R – đây là một động cơ servo có mô men xoắn cao và cả bánh răng kim loại, cùng với mô men xoắn là 10 kg-cm. Mô men xoắn cao của động cơ có dòng ổn định đo được là 2.5A. Dòng điện khi đó sẽ chạy từ 500mA – 900mA và điện áp của động cơ sẽ hoạt động từ 4,8 – 7,2V.

Xếp hạng hiện tại thể hiện rằng các bạn không thể kết nối trực tiếp được servo motor này với Arduino. Cho nên chúng ta phải sử dụng nguồn điện riêng biệt dành cho nó. 

Chúng ta chỉ cần kết nối phần chân điều khiển của servo motor với bất kỳ chân kỹ thuật số nào của board Arduino, đồng thời kết nối Ground và dây dương với nguồn điện 5V từ bên ngoài và kết nối ground của Arduino vào vị trí chân GND của động cơ servo.

3. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ servo

Trước tiên, chúng ta hãy nói về con servo, có thể thấy rằng đa phần để tiết kiệm chi phí sản xuất, người ta hay sử dụng những con servo motor đã qua sử dụng. Và để chọn lựa được một dòng động cơ servo cũ có thể hoạt động ổn định và độ chuẩn cao không phải điều dễ dàng, chúng ta nên test thật kỹ nó.

Chỉ cần đấu dây điện của con servo với bộ điều khiển có tính năng hiển thị các thông số chi tiết, sau đó bấm để hiệu chỉnh cho đến khi trên màn hình hiển thị luôn dòng chữ servo. Sau đó, bạn hãy lấy cây tua vít nhấn vào các nút có hình tam giác hướng lên hoặc hướng xuống cho đến khi thấy con servo hoạt động là được.

Quy trình điều khiển động cơ dc servo diễn ra như thế nào? Điều quan trọng nhất trong khi tiến hành sử dụng thiết bị điều khiển servo motor chính là các bạn phải hiểu rõ về vấn đề lập trình con PLC, chú ý sao cho nó có thể đọc được tín hiệu phát xung ra từ con servo.

• Phần này cũng tương tự như việc calip bộ điều khiển đem đấu nối vào con cảm biến nhiệt độ vậy. Nếu không nắm rõ được quy trình vận hành của bộ điều khiển nhiệt độ thì các bạn sẽ không bao giờ cài đặt được công tắc đóng – ngắt khi dòng nhiệt độ của động cơ tăng lên hay giảm xuống.

• Phần này rất khó, do đó bạn có thể xem các video thể hiện rõ phần lập trình này để cho dễ hiểu hơn. Quy trình đấu dây điều khiển động cơ DC servo motor được tiến hành như sau:

1. Bạn cần chuẩn bị một con mạch cầu bao gồm có 2 dây output ra ở bộ điều khiển (Thông thường, hệ thống mạch cầu thông dụng của động cơ sẽ có 2 kênh, và trong trường hợp này, các bạn chỉ cần sử dụng 1 kênh trên mạch cầu để điều khiển là đủ). 
2. Tiếp theo, bạn cần chuẩn bị thêm 1 con DC servo motor được tích hợp gồm có 6 dây. Trong đó, 2 dây sẽ tạo nguồn điện để đi nuôi động cơ vận hành, còn 2 dây nguồn đi nuôi cho động cơ encoder, đồng thời kết hợp 2 dây output về  con encoder và một giắc nguồn + 1 dây điện.

• Tiến hành đấu nối cấp nguồn cho động cơ servo như sau: 

1. Lấy 2 dây cấp nguồn điện từ phía động cơ servo motor để đấu vào 2 chân từ kênh của con mạch cầu. Tiếp đến, các bạn hãy cấp nguồn cho con mạch cầu bằng cái giắc nguồn mà ở đó chân dương của giắc cắm vào chân + mạch cầu, còn dây điện âm của giắc sẽ kết hợp 1 đầu dây điện và đem đấu chung.
2. Sau đó, các bạn tiến hành cấp nguồn cho con encoder bằng cách: Dùng 2 chân âm và dương của động cơ encoder để cắm lần lượt, nối trực tiếp vào chân DND và chân 5V của hệ thống boar mạch arduino. Trên thực tế, nếu chú ý kỹ một chút, các bạn sẽ thấy 2 chân GND và chân 5V được đặt nằm sát nhau tại boar mạch của arduino.
3. Còn 2 chân tín hiệu trả về còn lại của con encoder, chúng ta sẽ đấu nối với chân cực 2 của các boar mạch arduino. Đối với chân còn lại của con encoder, bạn đem đấu vào bất kỳ chân nào của con arduino, có thể là chân 4 – 6 – 8 đều được.
4. Tiến hành đấu nối chung dây mát, nhưng trong trường hợp này, chúng ta sẽ lấy mát mạch cầu để đấu nối chung mát với arduino là được.
5. Sau đó, bạn hãy lấy 2 dây tín hiệu điều khiển từ mạch cầu để đem đấu vào 2 chân output của tín hiệu analog nằm trong boar mạch arduino, đó chính là chân 7 và chân 8. Tất nhiên, con arduino cũng có rất nhiều chân output tín hiệu analog, chính vì lẽ đó, các bạn có thể đấu nối vào các chân analog khác cũng không sao.
6. Cuối cùng, các bạn sử dụng dây nguồn 12V để cấp vào các giắc cắm là xong.

4. Cách điều khiển ac servo motor dùng code arduino

Bây giờ chúng ta hãy sử dụng code Arduino để tiến hành điều khiển động cơ servo. Code cũng rất đơn giản, chúng ta chỉ cần xác định chân mà động cơ servo đang được kết nối. Cần xác định chân đó chính là đầu ra và trong phần vòng lặp để tạo ra các xung với chu kỳ cùng với những tần số cụ thể như ở trên.

Sau khi thử nghiệm, chúng ta có thể đưa ra các giá trị nhận được trong 1 khoảng thời gian mà các xung hoạt động cùng với động cơ servo. Các xung có thời lượng 0,6ms sẽ tương ứng với vị trí trong khoảng 0 độ – 1,45ms – 90 độ và từ 2,3ms – 180 độ.

Tiến hành kết nối một thiết bị đo vạn năng để có thể nối tiếp với servo nhằm kiểm tra dòng điện. Mức dòng điện tối đa mà các bạn sẽ nhận được có thể lên đến 0,63A. Điều này hoàn toàn đúng, bởi vì đây không phải là bản gốc của động cơ TowerPro MG996R, mà chính là bản sao rẻ hơn, rõ ràng đem lại hiệu suất kém hơn.

Tuy nhiên, chúng ta hãy tham khảo một cách làm thuận tiện hơn để có thể điều khiển các servo motor bằng Arduino tốt nhất, đó là sử dụng thư viện Arduino Arduino. Chúng ta chỉ cần cài đặt thư viện, sau đó xác định đối tượng của servo và sử dụng hàm Attach để xác định chân mà servo motor được kết nối. 

Đồng thời, xác định giá trị tối thiểu và giá trị tối đa của thời lượng xung. Sau đó, bằng cách áp dụng hàm write, các bạn chỉ cần đặt vị trí của servo trong khoảng từ 0 – 180 độ. Với thư viện Arduino, chúng ta có thể điều khiển cùng lúc từ 12 – 48 servo bằng cách sử dụng hệ thống board Arduino Mega.

5. Trình điều khiển PWM/ Servo bằng Arduino và PCA9685

Bên cạnh đó, còn có một cách khác để có thể điều khiển servo bằng Arduino, đó là sử dụng trình điều khiển động cơ servo PCA9685. Đây là chương trình điều khiển servo và servo bao gồm 16 kênh 12 bit, có thể giao tiếp với Arduino bằng bus I2C. Động cơ này có một chiếc đồng hồ tích hợp giúp cho bạn có thể chạy được tới 16 động cơ cùng lúc, hoặc hoạt động độc lập đối với Arduino.

Chúng ta có thể cùng 1 lúc xâu chuỗi lên tới 62 trình điều khiển này ở trên cùng một bus I2C. Chính vì vậy, về mặt lý thuyết, chúng ta sẽ có thể điều khiển được cùng lúc tới 992 động cơ chỉ với hai chân con I2C từ board Arduino. 6 chân chọn vị trí được sử dụng để đặt cho địa chỉ I2C khác nhau đối với mỗi chương trình điều khiển bổ sung. Cuối cùng, chúng ta chỉ cần kết nối các miếng hàn của sơ đồ theo bảng này là được.

Các linh kiện mà bạn cần chuẩn bị để tiến hành điều khiển đó là động cơ Servo MG996R, trình điều khiển Servo PCA9685 PWM, mạch điều khiển board Arduino, nguồn cung cấp điện có điện áp 5V- 6A DC,… Bây giờ hãy tìm hiểu code Arduino. Để điều khiển được trình điều khiển servo motor hiệu quả, chúng ta sẽ sử dụng thư viện PCA9685, bạn có thể tải xuống từ trang GitHub.

6. Lịch Sử và Phát Triển của Động Cơ Servo

Động cơ servo có nguồn gốc từ các hệ thống điều khiển tự động trong ngành hàng không vào đầu thế kỷ 20. Chúng được sử dụng để điều khiển bánh lái và cánh tà trên máy bay. Sau đó, servo được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp để điều khiển chính xác vị trí, tốc độ và gia tốc của các cơ cấu.

Công nghệ servo đã phát triển mạnh mẽ kể từ những năm 1950 với sự ra đời của mạch điện tử điều khiển và cảm biến phản hồi. Điều này cho phép chúng hoạt động hiệu quả và chính xác hơn. Ngày nay, động cơ servo sử dụng công nghệ số và trí tuệ nhân tạo (AI) để tự động hóa quá trình điều chỉnh cho phù hợp với tải trọng và điều kiện hoạt động.

7. So Sánh Các Loại Động Cơ Servo

Có ba loại động cơ servo chính:

– Servo AC sử dụng nguồn điện xoay chiều. Chúng cung cấp mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp.
– Servo DC sử dụng nguồn điện một chiều. Chúng nhỏ gọn và đơn giản hơn.
– Servo tuyến tính (linear servo) tạo chuyển động tuyến tính thay vì xoay.

So với các loại động cơ khác, servo cho độ chính xác cao hơn nhờ vào hệ thống điều khiển phản hồi nội tại. Tuy nhiên, chúng có giá thành ban đầu cao hơn.

8. Ứng Dụng Thực Tế của Động Cơ Servo

Động cơ servo được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp tự động hóa. Chúng điều khiển chính xác vị trí và chuyển động của robot công nghiệp, máy CNC, máy đóng gói, và nhiều thiết bị khác.

Trong sản xuất ô tô, servo điều khiển vị trí của các cánh tay robot hàn và lắp ráp. Trong in 3D, chúng di chuyển đầu in với độ chính xác cực cao. Động cơ servo góp phần quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

9. Hướng Dẫn Lựa Chọn và Bảo Trì Động Cơ Servo

Khi chọn mua servo, cần xem xét các thông số như công suất, tốc độ, mô-men xoắn và độ chính xác phù hợp với ứng dụng. Ngoài ra cũng cân nhắc độ bền, độ tin cậy, tiêu thụ điện năng và khả năng tương thích.

Để bảo trì tốt, cần kiểm tra định kỳ cáp điện, mức độ bôi trơn và nhiệt độ hoạt động. Thay thế kịp thời các linh kiện hao mòn như gối đỡ, bạc đạn. Làm sạch bụi bẩn và các vật lạ có thể gây hư hỏng.

10. Xu Hướng và Tương Lai của Động Cơ Servo

Xu hướng phát triển mới của động cơ servo là tích hợp cảm biến, bộ điều khiển và giao tiếp không dây trong cùng một hệ thống (servo thông minh). Chúng cho phép giám sát và điều chỉnh hoạt động linh hoạt hơn.

Nhiều chuyên gia dự đoán servo sẽ đóng vai trò then chốt trong công nghiệp 4.0. Khả năng tự động hóa, tự cảm biến và tự điều chỉnh của chúng sẽ là trụ cột của hệ thống sản xuất thông minh trong tương lai.

11. Phân Tích Kỹ Thuật và So Sánh với Các Loại Động Cơ Khác

So với động cơ DC thông thường, servo cho độ chính xác cao hơn nhờ vào hệ thống điều khiển phản hồi nội tại. Tuy nhiên, chi phí ban đầu của servo cao hơn.

Động cơ bước có độ chính xác tương đương servo nhưng chỉ hoạt động tốt ở tốc độ thấp. Ưu điểm của chúng là giá thành rẻ, cấu tạo đơn giản.

So với các loại động cơ khác, servo kết hợp tốt cả hai yếu tố: độ chính xác cao và khả năng điều khiển linh hoạt ở nhiều tốc độ khác nhau.