Là thành phần cốt lõi của bộ truyền động trong hệ thống điều khiển tự động, hiệu suất phanh của động cơ servo ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác định vị và độ tin cậy an toàn của thiết bị. Hiện nay, các phương pháp phanh chủ đạo cho động cơ servo bao gồm phanh động, phanh tái tạo và phanh cơ điện từ. Các phương pháp này thể hiện sự khác biệt đáng kể về nguyên tắc phanh, kịch bản ứng dụng và đặc tính kỹ thuật, đòi hỏi phải lựa chọn mục tiêu dựa trên các điều kiện vận hành cụ thể.
I. Phanh động: Phanh-Năng lượng phản ứng nhanh-Tiêu thụ năng lượng
Phanh động (DB) chuyển đổi động năng quay thành nhiệt tiêu tán bằng cách-đoản mạch các cuộn dây động cơ hoặc nối chúng với điện trở hãm trong khi cắt điện. Khi phát hiện lệnh dừng, bộ điều khiển servo ngay lập tức ngắt nguồn điện ba{2} pha đồng thời điều khiển mô-đun IGBT để tạo thành mạch kín giữa cuộn dây động cơ và điện trở hãm. Động cơ tiếp tục quay do quán tính. Dòng điện cảm ứng được tạo ra bằng cách cắt các đường sức từ sẽ tiêu tan khi nhiệt Joule chạy qua điện trở, tạo ra mô men hãm ngược với hướng của động cơ. Dữ liệu chuyên nghiệp cho thấy phương pháp này đạt được mômen phanh bằng 150%-200% mômen định mức với thời gian phản hồi thấp tới 10-50 mili giây, lý tưởng cho các tình huống dừng khẩn cấp.
Tuy nhiên, phương pháp "nhiệt-để-dừng" này có những hạn chế rõ ràng. Đầu tiên, việc hãm công suất cao- liên tục khiến nhiệt độ điện trở tăng nhanh. Dữ liệu thử nghiệm từ các kênh công nghệ cho thấy rằng 5 chu kỳ hãm-công suất tối đa liên tiếp có thể đẩy nhiệt độ bề mặt điện trở lên trên 200 độ, đòi hỏi phải có hệ thống làm mát không khí cưỡng bức. Thứ hai, việc không thu hồi được năng lượng phanh dẫn đến lãng phí. Trên các dây chuyền sản xuất thường xuyên khởi động và dừng, hệ thống phanh động có thể tiêu thụ hơn 15% tổng công suất của máy. Do đó, giải pháp này phù hợp hơn với các ứng dụng có công suất thấp{11}}đến{12}trung bình có tính năng phanh ngắt quãng, chẳng hạn như lập chỉ mục định vị trong máy đóng gói hoặc điều khiển chuyển động điểm-đến-điểm trong cánh tay robot.
II. Phanh tái tạo: Giải pháp xanh cho phản hồi năng lượng
Phanh tái tạo thể hiện hướng phát triển cho-hệ thống trợ động cao cấp, với công nghệ cốt lõi tập trung vào ứng dụng bộ chuyển đổi xung điện hai chiều. Khi động cơ hoạt động ở chế độ máy phát điện, biến tần sẽ phát hiện sự khác biệt về pha một cách thông minh để điều chỉnh EMF phía sau thành nguồn DC. Năng lượng này được đưa trở lại tụ điện bus và sau đó quay trở lại lưới điện thông qua một-bộ biến tần nối lưới. Báo cáo thử nghiệm của Mitsubishi Electric chỉ ra rằng trong điều kiện đóng/mở khuôn trong máy ép phun, phanh tái tạo có thể phục hồi 30%-45% năng lượng phanh, giúp giảm đáng kể chi phí vận hành hệ thống.
Việc triển khai công nghệ này đòi hỏi nhiều biện pháp bảo vệ: Đầu tiên, các mạch kẹp động phải được lắp đặt trên điện áp bus để ngăn chặn sự cố quá điện áp do phản hồi năng lượng gây ra. Thứ hai, các dãy tụ điện lưu trữ năng lượng có công suất cao-là điều cần thiết-hệ thống servo 400V thường yêu cầu tụ điện điện phân vượt quá 10.000μF. Thứ ba, phía lưới phải đáp ứng các yêu cầu kết nối-lưới với Tổng độ méo hài (THD) dưới 5%. Các nhà sản xuất trong nước như Inovance hiện đã nắm vững các thuật toán chuyển đổi năng lượng hai chiều, cho phép ứng dụng phanh tái tạo trên quy mô lớn trong hệ thống điều khiển góc tuabin gió và xe điện. Tuy nhiên, những hạn chế về chi phí đã hạn chế việc áp dụng nó trong các tình huống công suất thấp dưới 500W.
III. Phanh điện cơ: Đảm bảo an toàn vật lý tuyệt đối
Phanh cơ điện đạt được khả năng phanh không-tiếp xúc bằng cách chống lại tải trước của lò xo bằng lực điện từ. Nguyên lý của nó: Khi được cấp điện, nam châm điện sẽ vượt qua áp suất của lò xo để nhả má phanh ra khỏi trục động cơ. Sau khi ngắt điện, lò xo ngay lập tức nén tấm ma sát để tạo ra lực phanh. Cấu trúc cơ học thuần túy này cung cấp mô-men xoắn giữ tĩnh lên đến ba lần mô-men xoắn định mức, loại bỏ hoàn toàn rủi ro dừng xe. Do đó, nó là bắt buộc trong các ứng dụng tải thẳng đứng (ví dụ: trục máy công cụ, máy kéo thang máy).
Tuy nhiên, phanh cơ học có những hạn chế cố hữu: Thứ nhất, chúng có độ trễ truyền động đáng kể. Dữ liệu thử nghiệm cho thấy phải mất 80-120 mili giây từ khi ngắt nguồn đến khi hoạt động hoàn toàn, chậm hơn nhiều so với phương pháp phanh điện tử. Thứ hai, vật liệu ma sát bị mòn. Báo cáo bảo trì của một thương hiệu mô tơ servo nhất định cho biết rằng sau 2 triệu lần vận hành liên tục, khoảng hở phanh tăng hơn 0,2mm. Thứ ba, chúng có thể gây ra rung động cơ học, đòi hỏi phải có thêm các thiết bị đệm trong các ứng dụng như nền tảng quang học chính xác. Các giải pháp hiện đại chủ yếu áp dụng phương pháp kết hợp "phanh điện tử làm phanh chính + phanh cơ học làm dự phòng". Ví dụ: hệ thống servo FANUC chỉ kích hoạt phanh cơ học khi tốc độ giảm xuống dưới 50 vòng/phút, đảm bảo an toàn đồng thời giảm thiểu hao mòn.
Hướng dẫn so sánh và lựa chọn kỹ thuật
Từ các đường cong đặc tính phanh, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng biệt: Phanh động vượt trội ở mô-men xoắn-ở tốc độ cao nhưng lại có sự suy giảm đáng kể ở tốc độ thấp; phanh tái tạo cho phép phanh êm ái ở mọi tốc độ nhưng phụ thuộc vào chất lượng lưới điện; phanh cơ học có lợi thế tuyệt đối khi giữ tốc độ bằng 0.{1}} Ma trận lựa chọn từ một diễn đàn tự động hóa cho thấy: phanh động mang lại tỷ lệ hiệu suất-chi phí tốt nhất cho băng tải ngang dưới 1kW; phanh cơ khí là bắt buộc đối với cơ cấu nâng của cần trục trên 3kW; trong khi các giải pháp kết hợp kết hợp phanh tái tạo với siêu tụ điện được khuyến nghị cho-thiết bị cao cấp như máy cắt tấm quang điện.
Với những tiến bộ trong thiết bị nguồn SiC, hệ thống trợ động-thế hệ tiếp theo đang vượt xa những hạn chế về phanh truyền thống. Ví dụ, dòng M800 mới ra mắt của Mitsubishi Electric sử dụng MOSFET SiC để nâng hiệu suất phanh tái tạo lên 93%. Nó cũng tích hợp giám sát tình trạng phanh cơ, sử dụng cảm biến rung để dự đoán độ mòn. Giải pháp tổng hợp thông minh này thể hiện quỹ đạo tương lai của công nghệ phanh servo, sẵn sàng cho các ứng dụng mang tính đột phá trong-các lĩnh vực tiên tiến như thiết bị bán dẫn và cơ cấu servo hàng không vũ trụ.