ระบบเซอร์โว

เซอร์โวมอเตอร์คืออะไร? คำอธิบายอย่างละเอียดเกี่ยวกับหลักการทำงานและแอปพลิเคชัน

มอเตอร์เซอร์โวคืออะไร?

A เครื่องยนต์เซอร์โว โดยทั่วไปประกอบด้วยระบบเซอร์โวสมบูรณ์ซึ่งประกอบด้วยมอเตอร์ เซ็นเซอร์เข้ารหัสแบบความแม่นยำสูง (หรือเซ็นเซอร์ตอบกลับอื่น ๆ) ไดรฟ์เซอร์โว และตัวควบคุมหลัก ต่างจากมอเตอร์ทั่วไป ระบบนี้ใช้กลไกควบคุมแบบป้อนกลับวงจรปิด ทำให้สามารถควบคุมตำแหน่ง ความเร็ว และแรงบิดด้วยความแม่นยำสูงแบบเรียลไทม์ตามคำสั่งที่กำหนด และยังมีการตอบสนองที่รวดเร็ว

มอเตอร์เซอร์โวทำงานอย่างไร?

ความแม่นยำของมอเตอร์เซอร์โวเกิดจากระบบควบคุมแบบปิด (closed-loop control system) ซึ่งระบบดังกล่าวสามารถควบคุมด้วยความแม่นยำสูงได้ผ่านวงจรคำสั่ง-ตอบกลับ-แก้ไขอย่างต่อเนื่อง: ตัวควบคุมระดับสูงจะออกสัญญาณคำสั่งเป็นอันดับแรกเพื่อกำหนดตำแหน่งเป้าหมาย จากนั้นตัวขับเซอร์โวจะขยายสัญญาณนี้ให้กลายเป็นกระแสไฟฟ้ากำลังสูงเพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ ในเวลาเดียวกัน เอนโค้ดเดอร์หรือเซนเซอร์ที่ติดตั้งภายในมอเตอร์จะตรวจสอบตำแหน่งและความเร็วที่แท้จริงแบบเรียลไทม์ และส่งข้อมูลย้อนกลับไปยังตัวขับ ตัวขับจะเปรียบเทียบตำแหน่งเป้าหมายกับตำแหน่งที่แท้จริงอย่างต่อเนื่องโดยใช้กลยุทธ์ควบคุม เช่น อัลกอริธึม PID เมื่อตรวจพบความเบี่ยงเบน (เช่น เนื่องจากโหลดเปลี่ยนแปลง) จะปรับกระแสไฟฟ้าขาออกทันทีเพื่อทำการแก้ไขแบบไดนามิก กระบวนการทั้งหมดนี้เสร็จสิ้นภายในไม่กี่มิลลิวินาที ทำให้มอเตอร์สามารถไปถึงและรักษาตำแหน่งเป้าหมายได้อย่างแม่นยำ แม้ภายใต้การรบกวนจากภายนอก ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าระบบควบคุมแบบเปิด (open-loop) เช่น มอเตอร์สเต็ปเปอร์ อย่างชัดเจนในด้านการควบคุมแรงบิด ความเร็ว และตำแหน่ง

ประเภทของเครื่องขับเคลื่อนเซอร์โว
มอเตอร์เซอร์โวสามารถแบ่งออกได้เป็นมอเตอร์เซอร์โวกระแสตรง (DC Servo Motors) และมอเตอร์เซอร์โวกระแสสลับ (AC Servo Motors) ตามประเภทของแหล่งจ่ายไฟฟ้า

• เครื่องยนต์ servo
  
  ภายใต้สภาวะการจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) มอเตอร์จะถูกจัดประเภทหลักตามหลักการทำงานและโครงสร้างออกเป็นสองประเภท ได้แก่ มอเตอร์เซอร์โวแบบซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) และมอเตอร์เซอร์โวแบบแอซิงโครนัส (ASM) โดยมอเตอร์ PMSM มีข้อดีเช่นความแม่นยำสูงและการตอบสนองรวดเร็ว จึงถูกนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายในงานควบคุมที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น หุ่นยนต์อุตสาหกรรม เครื่องจักรกลซีเอ็นซี (CNC) อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ และสายการผลิตอัตโนมัติ ขณะที่มอเตอร์เซอร์โวแบบแอซิงโครนัสนั้น เหมาะสำหรับใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการกำลังไฟฟ้าและรอบเครื่องสูงแต่ความแม่นยำไม่สูงมากนัก เช่น เครื่องเหวี่ยงสาร (เซนทริฟิวจ์) คอมเพรสเซอร์ เป็นต้น
• มอเตอร์เซอร์โว DC
  
  เมื่อใช้ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เป็นแหล่งจ่ายไฟ เซอร์โวมอเตอร์โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ เซอร์โวมอเตอร์แบบมีแปรงถ่าน (Brushed DC Servo Motors) และเซอร์โวมอเตอร์แบบไม่มีแปรงถ่าน (Brushless DC Servo Motors หรือ BLDC) โดยขึ้นอยู่กับโครงสร้างและการทำงานของมัน ความแตกต่างหลักระหว่างทั้งสองประเภทอยู่ที่วิธีการสลับขั้ว (commutation): เซอร์โวมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านใช้การสลับขั้วแบบกลไก โดยอาศัยการสัมผัสทางกายภาพระหว่างแปรงถ่านกับคอมมิวเตเตอร์ ในขณะที่เซอร์โวมอเตอร์แบบ BLDC ใช้การสลับขั้วแบบอิเล็กทรอนิกส์ โดยใช้เซ็นเซอร์ตำแหน่งและตัวขับเคลื่อนเพื่อการควบคุมที่แม่นยำ ในปัจจุบัน เซอร์โวมอเตอร์แบบ BLDC ด้วยข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งาน ได้ค่อย ๆ แทนที่ประเภทแบบมีแปรงถ่าน และกลายเป็นทางเลือกหลักสำหรับการใช้งานเซอร์โวที่ต้องการความแม่นยำและความน่าเชื่อถือสูง

การประยุกต์ใช้งานเซอร์โวมอเตอร์

คุณสมบัติเฉพาะตัวของเซอร์โวมอเตอร์ทำให้มันมีความจำเป็นอย่างมากในหลากหลายสาขา:

• ระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม: หุ่นยนต์ เครื่องจักร CNC อุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ เป็นต้น
• หุ่นยนต์: การควบคุมข้อต่อแขนและขาหุ่นยนต์ให้เคลื่อนที่อย่างแม่นยำ
• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค: ขับเคลื่อนเลนส์ในกล้องเพื่อให้เกิดการโฟกัสอัตโนมัติ และควบคุมการเคลื่อนที่ของหัวพิมพ์ในเครื่องพิมพ์ 3 มิติระดับสูง
• อุปกรณ์ทางการแพทย์: ให้พลังงานกับเครื่องมือที่มีความแม่นยำในหุ่นยนต์ผ่าตัด และควบคุมปั๊มของเหลวในเครื่องมือวินิจฉัย

ผลิตภัณฑ์มอเตอร์เซอร์โวที่แนะนำ

• มอเตอร์เซอร์โว DC แบบบูรณาการ NEMA 23 : มอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงถ่านขนาดเฟรม 57 มม. ที่ติดตั้งเซ็นเซอร์แบบ 16 บิตและตัวขับเซอร์โวเข้าด้วยกัน
   
• มอเตอร์เซอร์โว AC แบบ EtherCAT : มอเตอร์เซอร์โวที่ครอบคลุมช่วงกำลังไฟฟ้าที่ใช้กันทั่วไปตั้งแต่ 0.05 กิโลวัตต์ ถึง 7.5 กิโลวัตต์ พร้อมเซ็นเซอร์แม่เหล็กหลายรอบแบบสัมบูรณ์ 17 บิต ตัวขับเซอร์โวรองรับระบบจ่ายไฟแบบเฟสเดียวและสามเฟส พร้อมการสื่อสารแบบ EtherCAT
   
• มอเตอร์เซอร์โว AC แบบ Pulse : มอเตอร์เซอร์โวที่ครอบคลุมช่วงกำลังไฟฟ้าที่ใช้กันทั่วไปตั้งแต่ 0.05 กิโลวัตต์ ถึง 7.5 กิโลวัตต์ พร้อมเซ็นเซอร์แม่เหล็กหลายรอบแบบสัมบูรณ์ 17 บิต ตัวขับเซอร์โวรองรับระบบจ่ายไฟแบบเฟสเดียวและสามเฟส พร้อมการสื่อสารแบบ Pulse