Không quá lời khi nói rằng động cơ là thiết bị cực kì quan trọng trong các hệ thống máy móc và thiết bị của các lĩnh vực khác nhau của ngành công nghiệp hiện đại. Trong đó, động cơ servo và động cơ bước là hai loại động cơ được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển chuyển động (motion control systems). Tuy nhiên, chúng có những đặc điểm và ứng dụng khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống. Dưới đây XTMechanical Blog xin giới thiệu bài viết so sánh hoàn chỉnh về sự khác nhau giữa động cơ servo và động cơ bước.

1. Khái niệm cơ bản

• Động cơ servo (Servo Motor): Là loại động cơ có khả năng điều khiển chính xác vị trí, tốc độ và mô-men xoắn thông qua hệ thống hồi tiếp (feedback). Động cơ servo thường kết hợp với các bộ điều khiển(driver) để đạt được độ chính xác cao. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đòi hỏi định vị chính xác cao, chẳng hạn như robot công nghiệp và ổ đĩa máy móc chính xác.
• Động cơ bước (Stepper Motor): Là loại động cơ chuyển động theo các bước rời rạc, thường được điều khiển bằng cách cung cấp các tín hiệu xung điều khiển. Mỗi tín hiệu xung sẽ làm cho động cơ quay một góc nhất định, gọi là "bước".

2. Nguyên lý hoạt động

• Động cơ bước: Chuyển động của động cơ bước là kết quả của việc kích hoạt cuộn dây từ theo một trình tự cụ thể. Khi một tín hiệu xung được đưa vào, động cơ sẽ quay một góc cố định (bước) và dừng lại. Hoạt động này lặp đi lặp lại khi các tín hiệu xung tiếp tục được cung cấp.
• Động cơ servo: Động cơ servo hoạt động dựa trên cơ chế điều khiển vòng kín (closed-loop). Cảm biến vị trí (encoder) hoặc cảm biến tốc độ sẽ cung cấp tín hiệu hồi tiếp về bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ so sánh tín hiệu này với giá trị mong muốn, từ đó điều chỉnh lại dòng điện và tốc độ quay của động cơ để đạt được vị trí và tốc độ chính xác.

Sự khác biệt là: một động cơ servo phát hiện và điều khiển góc quay thực tế, trong khi một động cơ bước được điều khiển bởi số lượng đầu vào của tín hiệu để quay. Động cơ bước đôi khi cũng được bao gồm trong nhóm động cơ servo theo nghĩa là chúng có thể được điều khiển, nhưng cả hai được phân biệt bằng phương pháp điều khiển.

Động cơ servo phát hiện vị trí quay của chính nó bằng bộ mã hóa (encoder) và điều khiển tốc độ và vị trí bằng cách trao đổi thông tin với trình điều khiển.

Mặt khác, một động cơ bước quay đến một vị trí xác định trước theo số lượng xung của một tín hiệu nhất định và nó tiến bao xa được xác định bởi đầu vào của một xung. Ví dụ, một động cơ bước quay 1,8 độ cho một đầu vào xung duy nhất có thể được xoay 90 độ bằng cách nhập tín hiệu 50 xung.

Bằng cách này, sự khác biệt là động cơ servo phát hiện và điều khiển góc quay thực tế, và động cơ bước được điều khiển bởi số lượng đầu vào của tín hiệu để quay.

Bây giờ, chúng ta hãy phân loại những ưu điểm và nhược điểm của động cơ servo và động cơ bước.

3. Độ chính xác và phản hồi

• Động cơ bước: Động cơ bước có độ chính xác vị trí cao vì mỗi bước của động cơ tương ứng với một góc quay cụ thể. Tuy nhiên, nó không có hệ thống hồi tiếp nên không thể phát hiện lỗi nếu mất bước (step loss) xảy ra.
• Động cơ servo: Động cơ servo có khả năng điều khiển vị trí và tốc độ rất chính xác nhờ vào hệ thống hồi tiếp. Khi có sai lệch, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh động cơ để khắc phục lỗi, đảm bảo động cơ luôn đạt được vị trí mong muốn.

4. Tốc độ và mô-men xoắn

• Động cơ bước: Thường có mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp, nhưng mô-men xoắn giảm đáng kể khi tốc độ tăng lên cao. Vì vậy nó không là lựa chọn phù hợp trong các tình huống di chuyển nhanh, động cơ bước thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ thấp hoặc trung bình.
• Động cơ servo: Có khả năng duy trì mô-men xoắn cao ở nhiều tốc độ khác nhau, đặc biệt ở tốc độ cao. Điều này giúp động cơ servo phù hợp cho các ứng dụng cần tốc độ nhanh và điều khiển linh hoạt. Ngoài ra, có thể định vị chính xác cao vì vị trí quay được phát hiện trực tiếp.

5. Hiệu suất và nhiệt độ

• Động cơ bước: Có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài mà không cần hệ thống hồi tiếp. Tuy nhiên, vì nó thường sử dụng dòng điện ở mức cố định ngay cả khi không tải, nên động cơ bước có thể sinh nhiệt nhiều và tiêu hao năng lượng ngay cả khi không hoạt động.
• Động cơ servo: Hiệu suất cao hơn nhờ hệ thống hồi tiếp và chỉ tiêu thụ năng lượng khi có tải. Động cơ servo có thể điều chỉnh dòng điện dựa trên yêu cầu tải thực tế, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm sinh nhiệt.

6. Điều khiển

• Động cơ bước: Hệ thống điều khiển đơn giản hơn so với động cơ servo, không cần hệ thống hồi tiếp phức tạp. Tuy nhiên, khi yêu cầu độ chính xác cao hoặc khi sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao, việc điều khiển động cơ bước trở nên khó khăn và không ổn định.
• Động cơ servo: Động cơ servo cần có bộ điều khiển phức tạp và đắt đỏ hơn do sử dụng hệ thống hồi tiếp và các thuật toán điều khiển tiên tiến. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển này giúp động cơ hoạt động ổn định và chính xác trong nhiều điều kiện khác nhau.

7. Ứng dụng

• Động cơ bước: Thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí đơn giản, không đòi hỏi tốc độ cao hoặc phản hồi liên tục, chẳng hạn như trong máy in 3D, máy cắt laser, máy CNC đơn giản.
• Động cơ servo: Được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác và nhanh chóng, chẳng hạn như robot công nghiệp, máy móc tự động hóa, dây chuyền sản xuất.

8. Giá thành

• Động cơ bước: Thường rẻ hơn do cấu trúc đơn giản và không yêu cầu hệ thống hồi tiếp phức tạp.
• Động cơ servo: Thường đắt hơn do cần thêm cảm biến, bộ điều khiển và các thuật toán điều khiển phức tạp.

Kết luận

Cả động cơ bước và động cơ servo đều có những ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại ứng dụng khác nhau. Nếu bạn cần một hệ thống đơn giản, chi phí thấp và không đòi hỏi tốc độ cao hoặc độ chính xác quá lớn, động cơ bước là lựa chọn tốt. Ngược lại, nếu hệ thống của bạn yêu cầu điều khiển chính xác, tốc độ cao và khả năng hồi tiếp, động cơ servo sẽ là lựa chọn tối ưu.

Trên đây là bài viết về hai loại động cơ cực kì phổ biến hiện nay. Cảm ơn các bạn đã đón đọc bài viết, mọi phản hồi xin để lại ở phần bình luận bên dưới bài viết. Xin chào và hẹn gặp lại các bạn tại những bài viết tiếp theo.

Tác giả: Nguyễn Văn Hòa