Sự tiên hóa của điều khiển chuyển động động cơ bước (Phần cuối)
Diendan8X
THANH THẢO
Khác với chuyển động servo, truyền động động cơ kết hợp với hệ thống
động cơ bước không cần phải định chỉnh. Một lợi ích khác của động cơ
bước là thời gian đáp ứng nhanh. Đối với công nghệ servo, hiệu chỉnh
được tiến hành dựa trên lượng sai lệch (độ sai lệch giữa giá trị đặt
và giá trị thực) tuân theo luật điều khiển PID vòng kín.
Các động cơ hỗn hợp kiểu mới dòng h3 của Portescap tạo thêm 40% mômen
so với động cơ dòng h3 tiêu chuẩn có cùng kích cỡ.
(Tiếp theo Phần 1)
Tình hình hệ thống và thị trường
Một xu hướng nữa của Oriental Motor là tích hợp nhiều thành phần khác
nhau của truyền động hay của động cơ bước vào một giải pháp hệ thống
kết hợp. Đó chính là việc lắp tấm đệm, thiết bị ghép nối linh hoạt, bộ
suy giảm, bộ dây dẫn và bộ điều khiển. “Tích hợp nhiều thành phần vào
một hệ thống đầy đủ dẫn tới tổng giá thành của sản phẩm giảm đi”, ông
Johantgen cho biết thêm. Và đây là một yếu tố nữa củng cố thêm tính
cạnh tranh của chuyển động động cơ bước so với chuyển động servo.
Ba kiểu đầu bánh răng cho động cơ bước CKR cũng là một phần của hệ
thống được chào bán. Kiểu bánh răng cắt lăn giá thấp hơn có đường kính
khe hở từ 10 đến 35 arcmin (1 arcmin = 160 độ) (phụ thuộc vào tỉ số
bánh răng); kiểu bánh răng hình tinh có dải tỷ số bánh răng rộng và
đường kính khe hở 3 arcmin, và loại bánh răng hài hòa về cơ bản đã
loại bỏ được tất cả các khe hở.
Tổng quy mô của thị trường chuyển động dùng động cơ bước, bao gồm các
khu vực thương mại và tự động hóa là khá rộng. Theo kết quả nghiên cứu
thị trường mới nhất của Tổ chức Motion Tech Trends (MTT – Nhóm các tư
vấn công nghệ và thị trường điều khiển chuyển động), thì trên thực tế
khu vực công nghiệp chủ chốt – tự động hóa nhà máy (FA) – chiếm một
thị trưởng nhỏ hơn, với tổng giá trị các động cơ và bộ điều khiển động
cơ bước được tiêu thụ ở khu vực Bắc Mỹ trong năm 2006 đạt khoảng 156
triệu USD. Thị trường FA bao gồm máy công cụ, hệ thống robot, tất cả
các loại máy sản xuất OEM (bao gồm thiết bị bán dẫn, máy in chuyên
dụng trong ngành in, ngành dệt may, nhựa…). Những ước tính sơ bộ của
MTT cho thấy so với thị trường Mỹ thì quy mô thị trường động cơ bước ở
châu Âu lớn hơn 15% và Nhật Bản 50%.
Cuộc nghiên cứu này, do nhà phân tích Muhammad Mubeen tại MTT đứng
tên, cho thấy 2 kiểu thiết kế động cơ bước đang chiếm ưu thế trong các
ứng dụng tự động hóa nhà máy (xem sơ đồ “Thị trường”). Đó là các động
cơ bước kiểu “ti-can” (còn gọi là “can-stack”) và động cơ bước hỗn hợp
nam châm vĩnh cửu. Một kiểu thiết kế khách – động cơ bước không sử
dụng nam châm vĩnh vửu hay động cơ bước từ trở thay đổi (Variable
Reluctance – VR) đã gần như biến mất khỏi khu vực này.
Thị trường động cơ và bộ điều khiển trong tự động hóa sản xuất tại Bắc
Mỹ năm 2006 - Sau năm 2006, dự kiến tốc độ tăng trưởng của chuyển động
dùng động cơ bước tại Bắc Mỹ sẽ tăng 3-4%.
“Hầu như không thấy động cơ bước VR trong các ứng dụng mới, đặcbiệt
khi các động cơ bước hỗn hợp có xuất xứ từ Trung Quốc được chào bán
với mứ giá mới đầy tính cạnh tranh”, ông Mubeen cho biết. Cũng có một
ngoại lệ dành cho động cơ bước VR, đó là trong những ứng dụng có nhiệt
độ cao, tuye nhiên ở thị trường này, động cơ VR cũng không được xếp
vào hàng động cơ có hiệu năng cao.
Berger Lahr Motion Technology Inc. (một công ty của Schneider
Electric) lại coi sự nhỏ gọn, đơn giản, và khả năng nối mạng là xu
hướng chủ đạo cho các hệ thống động cơ bước. Ông Sam Bandy – giám độc
dự án khu vực chuyển động, giải thích kích thước ngày càng thu nhỏ cảu
hệ truyền động và động cơ giúp giảm bớt yêu cầu không gian cho tủ điều
khiển và máy móc, đồng thời công việc thiết lập hệ thống có thể diễn
ra trong khoảng thời gian chưa đầy 1 giờ nhờ các cài đặt khóa chuyển
mạch DIP hoặc dạng xoay. Hệ truyền động của động cơ bước không cần
phần mềm chạy thử, cài đặt. “Tuy nhiên, một số hệ truyền động của động
cơ bước với các tính năng nhúng lại cần phần mềm cấu hình và màn hình
để nhập dữ liệu”, ông Bandy cho biết.
Khả năng nối mạng của các hệ truyền động sử dụng động cơ bước thông
qua các module truyền thông CAN-open, Profibus, Ethernet… đã thúc đẩy
phát triển các ứng dụng điều khiển đa trục, truyền thông với các bộ
điều khiển ở cấp cao hơn, và thực hiện thu thập dữ liệu giám sát trạng
thái của hệ thống.
Cuộc cạnh tranh với động cơ Servo
Bandy chỉ ra rằng, khác với chuyển động servo, truyền động động cơ kết
hợp với hệ thống động cơ bước không cần phải định chỉnh. “Điều này
khiến các chuyên gia không cần thực hiện quá trình cài đặt/chạy thử,
và như vậy cũng rút ngắn được thời gian thiết lập hệ thống”, ông nói.
Một lợi ích khác của động cơ bước là thời gian đáp ứng nhanh. Đối với
công nghệ servo, hiệu chỉnh được tiến hành dựa trên lượng sai lệch (độ
sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực) tuân theo luật điều khiển
PID vòng kín. “Phương pháp tác động sau trễ (reactive) này nhằm đạt
được vị trí mong muốn có đáp ứng chậm hơn trong một số ứng dụng như
trong máy tin và máy dán nhãn chuyên dụng”, Bandy cho biết. “Trong hệ
thống truyền động động cơ bước không sử dụng phương pháp tác động sau
trễ mà sử dụng phương pháp tác động trước (proactive) không phụ thuộc
vào trạng thái thực và có thể được thực hiện chỉ dựa vào điều khiển”.
Chuyên gia Bergsma của SKC tin rằng cuộc cạnh tranh giữa các hệ truyền
động sử dụng động cơ bước và hệ truyền động servo xoay quanh việc định
giá động cơ. Ông nhấn mạnh rằng: “Động cơ servo vẫn không thể cạnh
tranh được với động cơ bước về mặt giá cả. vì giá thành động cơ bước
vẫn tiếp tục giảm, nên có lẽ động cơ servo sẽ không bao giờ giành
chiến thắng trong cuộc cạnh tranh này”. Hơn nữa, ứng dụng tiêu biểu
của động cơ bước là các quá trình sản xuất với khối lượng lớn, do vậy
giá thành sản phẩm sẽ hơn. Để tiếp tục khẳng định quan điểm này,
Bergsma nói: “Động cơ bước có giá trị thương mại tốt hơn động cơ
servo”.
Nhu cầu đối với cái mà ông ta gọi là “hệ thống vận hành toàn diện”, sử
dụng cả động cơ bước hoặc động cơ servo, là thấp. Những ứng dụng 1
hoặc 2 động cơ như vậy thường sử dụng bộ điều khiển truyền động dạng
“hộp đen”, mà đôi khi thiết bị này xuất hiện với quá nhiều chức năng
và có thể được định giá quá cao. Ngược lại, “đa số các động cơ hiện
nay được tích hợp vào các ứng dụng đặc thù và chuẩn hóa, đó là các ứng
dụng yêu cầu sử dụng các động cơ với số lượng lớn”, Bergsma cho biết.
Hầu hết các ứng dụng chuyển động với khối lượng lớn đều được truyền
động bằng động cơ bước. Những hệ thống “nhạy cảm với giá cả” này tanạ
dụng ưu điểm về chi phí sản xuất thấp hơn rất nhiều cho các bộ điều
khiển động cơ bước, bằng cách sử dụng các mạch tích hợp hiện có của hệ
thống truyền động. Bergsma nói thêm rằng: “Các hệ truyền động servo
vẫn có mặt trong thiết bị OEM, nhưng chỉ chiếm khối lượng thấp/trung
bình và chỉ dành cho các ứng dụng yêu cầu khả năng phản hồi vòng kính
và tăng tốc/giảm tốc mà các động cơ servo có thể đem lại”.
Chủ đề tái diễn
Ông Connie Chick – giám đốc của GE Fanuc, thuộc Bộ phận kinh doanh các
hệ thống điều khiển, đưa ra một chủ đề đã được nhắc đến nhiều lần,
rằng động cơ bước phù hợp với các hệ chuyển động cấp thấp, trong đó độ
chính xác vị trí cuối cùng không phải là vấn đề then chốt. Động cơ
bước cũng làm việc tốt với các trục thiết lập đơn giản – ví dụ một số
ứng dụng chỉ dẫn như: chạy dao theo chiều dài, thanh dẫn hướng, và cữ
chặn cuối (hành trình). “Động cơ servo có giá trị tốc độ và mô-men
định mức cao hơn nhiều. Do vậy, các máy móc tốc độ cao với yêu cầu
định vị chính xác và/hoặc mô-men lớn thì không phải là các ứng dụng
dành cho động cơ bước”, ông nói.
Một nghiên cứu của GE tập trung vào các bộ vi điều khiển và “động cơ
bước thông minh”. Nó bao gồm một bộ khuếch đại động cơ bước được tích
hợp sẵn vào vỏ động cơ với các lệnh đầu vào qua một mạng thiết bị đơn
giản. Một hệ thống gồm thiết bị PLC VersaMax Micro64 với hệ số hình
thức nhro của GE Fanuc có sẵn tín hiệu điều khiển đầu ra là xung/hướng
và động cơ bước thông minh MotorCube mà không chiếm mất không gian
panel. Dự kiến hệ thống này sẽ phục vụ các ứng dụng chỉ mục đơn giản
với mục tiêu giá thành cực thấp, cách tiếp cận này cố giữ cho chi phí
điều khiển máy móc dưới 2000 USD được lắp đặt (cho một trục chuyển
động).
Ông Chick cho biết: “Giá thành của điều khiển servo đang giảm, nhưng
vẫn có chỗ cho các ứng dụng động cơ bước đơn giản”. GE Fanuc là nhà
cung cấp các hệ thống động cơ bước và servo tính năng cao.
Cũng liên quan tới vấn đề này, Portescap (một công ty của Danaher
Motion) ghi nhận khả năng định vị sẵn có không cần phản hồi của động
cơ bước – khi “được phân loại một cách hợp lý theo kích cỡ cho ứng
dụng trên”. Khả năng này là một lợi thế cạnh tranh so với các hệ thống
sử dụng động cơ servo. Dave Beckstoff, giám đốc sản phẩm của hãng nhấn
mạnh: “Điều khiển vòng hở, cùng với cải tiến trong thiết kế động cơ,
đã đem lại hiệu quả kinh tế cho các hệ thống truyền động sử dụng động
cơ bước”.
Ví dụ, Portescap đã tăng đáng kể giá trị mô-men đầu ra cho thành viên
mới nhất trong họ động cơ bước hỗn hợp dòng h3. Thiết kế vỏ nhôm tăng
cường sự tỏa nhiệt, do đó làm chậm lại quá trình tăng nhiệt độ động
cơ, đây vốn là nguyên nhân làm giảm hiệu năng mô-men theo thời gian,
Beckstoffer giải thích. “Đồng thời, nó cũng giảm mức tiêu thụ năng
lượng, do đó có lợi cho các yêu cầu năng lượng nói chung của cả hệ
thống động cơ bước”.
Theo báo cáo, các nam châm Nd được sử dụng trong thiết kế động cơ bước
kiểu mới này tối ưu hóa mật độ mô-men mà không hệ làm tăng thêm kích
cỡ của gói sản phẩm. Đã được sử dụng trong các động cơ bước kiểu can-
stack một khoảng thời gian, nam châm có thành phần hóa học từ các
nguyên tố hiếm Nd-Fe-B là giải pháp khá mới nhằm tối ưu hóa mật độ mô-
men trong động cơ bước hỗn hợp, Beckstoffer cho biết. Những đổi mới
này cũgn giúp giảm tiếng ồn và sự cộng hưởng cho động cơ. Ông cũng cho
biết thêm: “Các vòng bi của động cơ bước dòng h3 được bảo vệ bằng vòng
kẹp và vòng chữ 0, giúp các vòng bi không chệch (tức là luôn chuyển
động quanh trục trong khi làm việc). Đây là nguyên nhân điển hình gây
nên tiếng ồn của động cơ bước”. So với các độngcơ bước hỗ hợp tiêu
chuẩn, các vòng bi lớn có khả năng xử lý được các tải với kích cỡ và
bán kính lớn hơn.
Những ứng dụng mũi nhọn cho công nghệ chuyển động bước là gì?
Theo hãng SKC, hệ chuyển động động cơ bước có cùng khả năng cạnh tranh
với hệ thống servo trong các ứng dụng điều khiển vòng hở mà không cần
có phản hồi encoder – như đóng gói, xử lý vật liệu và lắp ráp – và ở
cả những khu vực mà yếu tốc độ độ cao hay khả năng tăng tốc/giảm tốc
không đóng vai trò then chốt. Bergsma nói thêm rằng: “Các hệ truyền
động servo phát huy hiệu quả hoạt động cao nhất trong các ứng dụng
điều khiển vòng kín khắt khe”.
Hãng Baldor cho biết, trong số các ứng dụng khác động cơ bước tuyến
tính tỏ ra cạnh tranh trong sản xuất chất bán dẫn và cáp quang, các
ứng dụng máy xén cắt laze, máy tạo lớp lát bán dẫn mỏng, thiết bị y
tế. Các hệ truyền động dùng động cơ bước tuyến tính thường được đánh
giá cao nhờ chi phí bảo trì thấp so oviứ các hệ thống thay thế khác.
“Bất cứ ứng dụng điểm-điểm nào trong môi trường điều khiển, trong đó
việc xác định chính xác tọa độ giữa các trục không quan trọng, đều là
một ứng cử viên tuyệt với cho giải pháp dùng động cơ bước với chi phí
thấp”, ông Feyh, giám đốc sản phẩm của hãng Parker cho biết thêm. Ông
chỉ ra vô số cacds ứng dụng như vậy trong ngành công nghiệp ứng dụng
các tri thức khoa học để phục vụ cuộc sống, các hệ thống thiết bị đo
ye tế, và các thiết bị để bàn khác.
Tổ chức MTT chỉ ra các ví dụ điển hình của động cơ bước kiểu tin-can
trong những ứng dụng tự động hóa nhà áy như máy đặt và xếp sản phẩm,
băng tải, máy xử lý/ đóng gói vật liệu có kích thước khá nhỏ.
Hãng Portescap coi động cơ bước là công nghệ được ưa chuộng hơn trong
sản xuất hàng máy mặc, lắp ráp điện tử, các hành trình tuyến tính, và
dụ cụ phân tích y học. Cũng có rất nhiều động cơ bước được sử dụng
trong sản xuất ô tô, nhưng chúng thường là những cấu hình có cỡ lớn và
tính năng mạnh mẽ hơn.
Các ứng dụng trọng tâm cho hệ thống động cơ bước mà Berger Lahr/
Schneider Electric đề cập bao gồm những ứng dụng yêu cầu ít về bảo trì
và các hệ thống OEM cần giải pháp chuyển động chi phí thấp. Chỉ với kỹ
năng ở mức trung bình, kỹ thuật viên đã có thể cài đặt được hệ thống
độngcơ bước, nên các nhà xuất khẩu máy cũng thường ưa chuộng hệ thống
này hơn là hệ servo.
Nhìn chung, các hệ truyền động dùng động cơ bước vẫn tồn tại và phát
triển rất tốt. Những cải tiến vẫn tiếp tục diễn ra trên toàn bộ dải
công suất của sản phẩm các nhà sản xuất chào bán. Tuy nhiên, kích cỡ
nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng hơn chính là những cải biến dễ nhận
thấy nhất của các hệ truyền động bằng động cơ bước.