Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp hiện đại, công nghệ servo đóng một vai trò quan trọng. Nó không chỉ là cốt lõi của điều khiển chuyển động chính xác mà còn là chìa khóa để nâng cao hiệu suất thiết bị và tối ưu hóa hiệu quả sản xuất. Với sự tiến bộ không ngừng của Công nghiệp 4.0 và sản xuất thông minh, nhu cầu về hệ thống servo có hiệu suất cao và khả năng năng động cao ngày càng trở nên cấp thiết.
Các hệ thống servo truyền thống thường gặp khó khăn trong việc cân bằng đồng thời hiệu suất cao và động lực học cao. Hiệu suất cao thường đề cập đến độ chính xác, độ cứng và độ ổn định của hệ thống trong quá trình vận hành ở trạng thái ổn định, trong khi tính năng động cao nhấn mạnh khả năng phản ứng nhanh với các lệnh, tăng tốc/giảm tốc và theo dõi các quỹ đạo chuyển động phức tạp. Tuy nhiên, trong nhiều tình huống ứng dụng—chẳng hạn như:
• Người máy: Robot tốc độ cao, độ chính xác cao yêu cầu phản ứng nhanh với các lệnh điều khiển và thực hiện linh hoạt các chuyển động phức tạp, đặt ra yêu cầu cực kỳ cao về động lực học của hệ thống servo.
• Gia công chính xác: Máy công cụ có độ chính xác cao yêu cầu hệ thống servo có độ cứng và ổn định đặc biệt để đảm bảo chất lượng gia công đồng thời cho phép tinh chỉnh nhanh chóng để nâng cao hiệu quả.
• Sản xuất chất bán dẫn: Các thiết bị như máy in thạch bản và kiểm tra tấm bán dẫn đặt ra các yêu cầu cực kỳ nghiêm ngặt về độ chính xác, tốc độ và động lực của hệ thống servo.
• Sản xuất điện tử: Các thiết bị như máy gắp và đặt SMT và hệ thống phân phối tốc độ cao phải hoàn thành nhiều hành động lặp đi lặp lại trong khung thời gian ngắn, thách thức hệ thống servo về tốc độ phản hồi và độ ổn định.
Vì vậy, việc phát triển công nghệ servo đáp ứng được cả yêu cầu về hiệu suất cao và tính năng động cao đã trở thành xu hướng tất yếu của ngành. Chỉ bằng cách khắc phục nút cổ chai này, chúng ta mới có thể giải quyết tốt hơn nhu cầu ứng dụng ngày càng tăng và nâng cao hiệu suất cũng như khả năng cạnh tranh của thiết bị tổng thể.
Đạt được các hệ thống servo hiệu suất cao và động năng cao không phải là nhiệm vụ dễ dàng, đòi hỏi phải vượt qua nhiều thách thức kỹ thuật, bao gồm:
• Hạn chế của thuật toán điều khiển: Điều khiển PID truyền thống gặp khó khăn với các hệ thống phức tạp và các yếu tố phi tuyến. Cần có các chiến lược điều khiển nâng cao—chẳng hạn như điều khiển dự đoán mô hình (MPC), điều khiển thích ứng và điều khiển mờ—để cải thiện tốc độ phản hồi, khả năng chống nhiễu và độ tin cậy.
• Điểm nghẽn về hiệu suất trong động cơ và bộ truyền động: Là bộ truyền động cốt lõi, hiệu suất của động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống. Động cơ hiệu suất cao như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) hoặc động cơ mô-men xoắn phải được sử dụng với thiết kế tối ưu để giảm quán tính và tăng mật độ mô-men xoắn. Ổ đĩa phải có tần số chuyển mạch cao hơn, độ chính xác hiện tại và độ trễ thấp hơn để đảm bảo phản hồi nhanh, chính xác.
• Độ chính xác của cảm biến và giới hạn tốc độ: Bộ mã hóa, cách tử và các cảm biến khác rất quan trọng đối với phản hồi vị trí/vận tốc. Độ chính xác và tốc độ của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác điều khiển và hiệu suất động. Cảm biến lấy mẫu nhanh hơn, độ phân giải cao hơn với khả năng lọc tiếng ồn hiệu quả là rất cần thiết.
• Độ cứng cơ học và giảm chấn không đủ: Cấu trúc cơ khí—bao gồm cơ chế truyền tải và hỗ trợ—ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống. Độ cứng thấp dẫn đến rung động và cộng hưởng, gây tổn hại đến độ ổn định và độ chính xác, đồng thời giảm xóc không đủ sẽ làm chậm phản ứng và giảm hiệu suất động. Tối ưu hóa kết cấu, tăng cường độ cứng và kiểm soát giảm chấn chủ động (ví dụ: vật liệu giảm chấn) là cần thiết.
• Hiệu suất và độ tin cậy theo thời gian thực: Hệ thống servo phải hoàn tất việc thu thập, xử lý, điều khiển và thực thi dữ liệu trong khoảng thời gian cực ngắn, đòi hỏi hiệu suất thời gian thực cực cao. Ngoài ra, độ tin cậy là rất quan trọng trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Bộ xử lý hiệu suất cao, hệ điều hành thời gian thực (RTOS), dự phòng, chẩn đoán lỗi và kiểm soát khả năng chịu lỗi là những giải pháp quan trọng.
Để giải quyết những thách thức này, các chiến lược chính sau đây phải được áp dụng để mở khóa công nghệ servo tiên tiến và nắm bắt các cơ hội của ngành:
• Phát triển các thuật toán điều khiển nâng cao: Khám phá và áp dụng các thuật toán tiên tiến như MPC, điều khiển thích ứng, điều khiển mờ và điều khiển mạng thần kinh. Học máy có thể tối ưu hóa hơn nữa các thông số để điều chỉnh thích ứng.
• Sử dụng động cơ và bộ truyền động hiệu suất cao: Sử dụng PMSM hoặc động cơ mô-men xoắn với thiết kế được tối ưu hóa để có quán tính thấp hơn và mật độ mô-men xoắn cao hơn. Chọn các ổ đĩa có tần số chuyển đổi cao hơn, độ chính xác hiện tại và độ trễ thấp hơn. Thực hiện các chiến lược kiểm soát nâng cao như FOC và DTC.
• Sử dụng cảm biến tốc độ cao, độ chính xác cao: Sử dụng bộ mã hóa/thước cách tử có độ phân giải cao, lấy mẫu nhanh với tính năng lọc nhiễu. Sự kết hợp đa cảm biến có thể nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phép đo.
• Tối ưu hóa thiết kế cơ khí: Cải thiện độ cứng và giảm chấn thông qua phân tích phần tử hữu hạn (FEA), tối ưu hóa kết cấu và kỹ thuật giảm chấn chủ động.
• Nâng cao hiệu suất và độ tin cậy theo thời gian thực: Sử dụng bộ xử lý hiệu suất cao, RTOS, dự phòng và thiết kế có khả năng chịu lỗi. Các giao thức truyền thông thời gian thực (ví dụ: EtherCAT, PROFINET) đảm bảo đồng bộ.
• Ưu tiên mô phỏng và thử nghiệm: Tận dụng mô phỏng phần mềm và thử nghiệm phần cứng trong vòng lặp (HIL) để đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất toàn diện.
• Tăng cường hợp tác giữa ngành và học viện: Hợp tác với các trường đại học và viện nghiên cứu để thúc đẩy đổi mới và phát triển nhân tài.
Trong một thị trường cạnh tranh, chỉ có sự đổi mới liên tục mới có thể đảm bảo vị trí dẫn đầu ngành. Các khuyến nghị chính bao gồm:
Tăng đầu tư R&D: Dành nguồn lực để phát triển các công nghệ và sản phẩm servo độc quyền.
Tập trung vào nhu cầu thị trường: Hiểu những điểm khó khăn của người dùng và tùy chỉnh các giải pháp cho phù hợp.
Xây dựng giá trị thương hiệu: Nâng cao nhận diện thương hiệu và danh tiếng để thiết lập sự hiện diện mạnh mẽ trên thị trường.
Mở rộng ứng dụng: Khám phá các ngành công nghiệp mới và các lĩnh vực mới nổi cho công nghệ servo.
Phát triển hệ sinh thái: Hợp tác với các đối tác để thúc đẩy tiến bộ công nghệ servo.
Mở khóa công nghệ servo đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và động lực cực cao là yếu tố then chốt cho tự động hóa công nghiệp hiện đại. Bằng cách đón nhận sự đổi mới và vượt qua những thách thức, các doanh nghiệp có thể dẫn đầu ngành và định hình tương lai.
