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.
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.