ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC TRONG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG RỜI RẠC

chu kỳ cung cấp áp thông qua 3 cửa của động cơ. Áp suất được cung cấp theo dạng xung khí nén.

3.4 ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC TRONG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG RỜI RẠC RỜI RẠC

Ngày nay, động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động rời rạc vì những ưu điểm nổi bật của chúng và kỹ thuật điều khiển số ngày một thêm hoàn thiện. Động cơ bước thường được ứng dụng trong các hệ thống truyền động như: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm và máy in trong hệ thống máy tính; điều khiển robot; điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học; điều khiển định vị trong các hệ quang khắc phức tạp; điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát; điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt; điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay v.v… Trong đó đối với các hệ truyền động mà khi dừng cần có mômen giữ thì động cơ bước là cách lựa chọn phù hợp. Ví dụ như điều khiển các cơ cấu lái phương và hướng trong máy bay, cơ cấu quay bệ phóng tên lửa khi dừng để phóng đòi hỏi phải có gia tốc bằng không v.v…

Nhìn chung các hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều (servo) công suất nhỏ đều có thể thay thế động cơ một chiều thành động cơ bước với kích thước nhỏ hơn và tính năng hệ thống tốt hơn.

3.4.1 Những quan điểm chung nhất khi chọn động cơ bước và môđun điều khiển cho một hệ truyền động

Động cơ bước và môđun điều khiển tạo ra khả năng điều khiển chính xác tốc độ và vị trí ở một phạm vi rất rộng. Với động cơ bước, các thông tin số hoá có thể được biến đổi chính xác thành các góc quay mà không cần các dụng cụ hồi tiếp lắp vào các trục động cơ như ta-khô met, encorder v.v… Vì thế mà hệ thống điều khiển được coi là mở nên vấn đề trượt pha của vòng hồi tiếp và đi liền với nó là sự mất ổn định, thường thấy đối với động cơ một chiều, được loại bỏ.

Để chọn được động cơ và môđun điều khiển được phù hợp vối một ứng dụng nhất định, một loạt các vấn đề kỹ thuật cần được người thiết kế xem xét kỹ lưỡng. Đó là: đặc tuyến tải, yêu cầu kỹ thuật đặc trưng của hệ thống, các thiết kế cơ khí v.v…

Ba khía cạnh sau đây cần xem xét để có được lựa chọn tối ưu.

3.4.1.1 Khảo sát các tham số

+ Khoảng cách hay lượng góc quay cần thực hiện. + Thời gian tối đa cho phép khi chuyển động. + Yêu cầu về độ chính xác tĩnh.

+ Yêu cầu về độ chính xác động.

+ Thời gian quá độ cho phép từ khi dịch bước đến khi dừng (settle time).

+ Yêu cầu về độ phân giải góc bước, liên quan đến chọn số bước cho một vòng quay và hệ cơ khí cần thiết kế, ví dụ như đổi tốc, chuyển tải (nhìn chung các vấn đề đổi tốc và chuyển tải không đồng nhất với hộp số có bánh răng).

+ Ma sát của hệ, đối với tất cả các hệ cơ khí, lực ma sát luôn luôn tồn tại. Khi chọn động cơ cần nhớ rằng mômen của nó ngoài việc chịu được mômen tải cần phải thắng được tất cả các lực ma sát của hệ. Nhìn chung, cần thiết kế hệ cơ càng ít ma sát càng tốt, bởi vì ma sát làm tăng thời gian quá độ và giảm độ linh động của hệ. Khác với hệ chuyển động liên tục, hệ chuyển động rời rạc sử dụng động cơ bước dịch từng bước một; mỗi lần dịch bước là một lần khởi động, mà ma sát lúc khởi

động (ma sát nghỉ) bao giờ cũng lớn hơn ma sát lúc chuyển động liên tục. Do đó cần giảm ma sát.

+ Quán tính của hệ, là một đại lượng đặc trưng cho độ cản trở việc tăng hay giảm tốc độ của vật thể. Quán tính càng lớn thì động cơ càng khó tăng - giảm tốc độ của tải và thời gian để biến đổi tốc độ càng dài. Đối với một hệ quay đều thì quán tính không có tác động gì, mà nó chỉ cản trở khi hệ bắt đầu khởi động hoặc giảm tốc - dừng. Như đã nêu ở trên, trong quá trình quay, động cơ bước coi như luôn luôn phải khởi động và dừng ở các vị trí góc bước nên quán tính có vai trò cản trở lớn.

Đối với chuyển động quay, số đo quán tính được tính theo công thức: 2

.D m

J= (7) Trong đó: m- khối lượng của vật

D- khoảng cách từ tâm trục quay đến trọng tâm của vật.

Công thức (42) áp dụng cho trường hợp vật có khối lượng tập trung (quy về điểm trọng tâm). Trong trường hợp vật thể có khối lượng dàn trải và mật độ khối lượng không đồng nhất thì J tính theo công thức sau:

dx x m J R x 2 0 .

∫

Trong đó: R- khoảng cách điểm xa nhất của vật thể đến tâm quay. x- khoảng cách từ tâm quay đến điểm cần tính.

m_x- vi khối lượng của phần vật thể V_x trong khoảng không gian giữa hai mặt trụ tròn xoay đồng trục có đường tâm trục là đường tâm của trục quay và bán kính đáy lần lượt là x và (x + Δx) khi ∆x→0, hay:

x V m x x x x ∆ = → ∆ . lim 0 γ (9) x

γ - là mật độ khối lượng của vật thể trong phần thể tích V_x + Đặc tuyến mômen - tốc độ của động cơ

Mômen là lực quay được định nghĩa bằng tích của lực với bán kính quay:

R F

Mômen có đơn vị chuẩn Anh quốc là oz.in (ao-xơ – inh), đơn vị chuẩn quốc tế là Ncm.

Khi chọn động cơ và môđun điều khiển cần phải tính toán để mômen của động cơ thắng được tất cả các lực cản và mômen cản của tải (Mc). Cần nhớ là mômen của động cơ phụ thuộc vào công suất cấp của môđun điều khiển. Vận tốc quay càng cao thì mômen của động cơ càng giảm. Do đó khi thiết kế cần phải sử dụng các đường đặc tuyến mômen - tốc độ riêng biệt cho mỗi trường hợp.

+ Tỷ số

J M

giữa mômen và quán tính của động cơ

Được định nghĩa là mômen tối đa (M_max) của động cơ chia cho quán tính riêng của nó.

Tỷ số này cho bết khả năng gia tốc của động cơ để thắng bản thân khối lượng của chính nó. Các động cơ có cùng M_max nhưng có tỷ số

J M

khác nhau do cấu tạo riêng của chúng.

Hiển nhiên là động cơ có mômen sẽ quay được tải có mômen lớn. Nhưng đồng thời động cơ có quán tính lớn cũng sẽ quay được tải có quán tính lớn. Do đó không thể vì để có tỷ số

J M

lớn mà giảm khối lượng của rôto. Mặt khác khi tăng khối

lượng rôto mà bản thân mômen M của động cơ giảm nên tỷ số

J M

giảm nhanh (vì đồng thời J cũng tăng). Giải quyết vấn đề này là bài toán tối ưu hoá của các nhà chế tạo động cơ. Nhìn chung để có M và

J M

lớn người ta thường phải tăng kích thước của rôto.

Đặc tuyến mômen của động cơ được cho theo catalog. Nhưng quán tính của động cơ thường không được cung cấp. Vậy làm thế nào khảo sát được tham số này? Có hai cách, một là đo theo thực nghiệm, hai là tính gần đúng. Ta có thể tính gần đúng như sau:

Giả sử rôto của động cơ có khối lượng là m và mật độ khối lượng là đều (có nghĩa là khối lượng riêng γ không đổi), độ dài là h và bán kính là R. Theo công thức (8) và (9) ta tính quán tính quay J của động cơ.

(

)

(

)

∫

∫

(

)

Nhìn chung cần phải chọn động cơ cấp được mômen lớn hơn giá trị đã tính toán. Lượng mômen dự trữ này cần thiết cho các cơ cấu hộp số cơ khí, khi hệ bôi trơn bị khô dầu hoặc các loại ma sát khác phát sinh. Mặt khác, khi hệ cơ khí quay với tốc độ khác nhau, ở một số tốc độ, động cơ bị cộng hưởng cũng làm giảm đi phần nào mômen quay của nó. Cần phải chọn độ dự trữ về mômen ít nhất là 50%.

3.4.1.2 Tính toán cân nhắc trước khi lựa chọn

* Đối với động cơ bước, vòng điều khiển từ môđun điều khiển ra trục động cơ là mạch hở không có hồi tiếp (đầu trục không gắn ta khô – mét hoặc encorder) nên động cơ không thể “biết” nó có đáp ứng được các lệnh ra hay không. Hai trường hợp có thể xảy ra:

- Trong trường hợp điều khiển ở chế độ cả bước hoặc nửa bước, nếu tải trọng quá lớn động cơ có thể không dịch được bước (mất bước).

- Trong trường hợp điều khiển vi bước, động cơ có thể nhảy quá một số bước do dòng điện điều khiển không chuẩn (trường hợp này gọi là bỏ bước).

Khắc phục hiện tượng trên có hai cách:

- Lắp encorder vào đầu trục động cơ để giám sát việc dịch bước của động cơ. Đây là phương án tốn kém nhưng chắc chắn. Hiện nay một số hãng đã chế tạo động cơ bước có trục hở cả hai đầu để có thể lắp được encorder. Đối với hệ điều khiển

bám sát vị trí, ngoài encorder lắp ở đầu trục động cơ còn phải lắp encorder vào đầu trục của đối tượng điều khiển để giám sát được vị trí thật của đối tượng (có nghiã là kiểm tra được cả hệ thống truyền động của hộp số, trục cơ…).

- Tính toán độ dự trữ thật cao và chọn môđun điều khiển thật chính xác để chắc chắn rằng động cơ và hệ cơ khí đáp ứng trung thành các lệnh điều khiển.

* Chọn quán tính tải từ 4 đến 10 lần quán tính của động cơ. - Với hệ chất lượng cao (chẳng hạn quay nhanh), tỷ số này ≤4. - Với hệ chất lượng vừa phải, chọn tỷ số này từ 4 đến 10.

3.4.1.3 Chọn kích thước động cơ bằng kinh nghiệm

Kích thước động cơ có ảnh hưởng đến đặc tuyến động của cả hệ. Các yếu tố cần tính đến là ma sát của hệ, quán tính tải và hiện tượng cộng hưởng. Như đã đề cập, cũng một đường đặc tuyến mômen - tốc độ, động cơ nào có kích thước lớn hơn và có quán tính rôto lớn hơn thì có khả năng thắng ma sát nghỉ và quay được tải có quán tính lớn hơn. Việc cân nhắc này nhìn chung khá phức tạp, chủ yếu dựa vào kinh nghiệm.

3.4.2 Thiết kế hệ cơ khí sử dụng động cơ bước và chọn động cơ

Cũng như mọi hệ truyền động khác, hệ truyền động sử dụng động cơ bước cần có bộ giảm tốc - chuyển tải (hay đơn giản gọi là hộp số) nối ghép từ trục động cơ ra trục quay của đối tượng. Ở đây đề cập chủ yếu hai vấn đề:

- Tính toán tỷ số truyền cho bộ giảm tốc - chuyển tải. - Chọn phương án giảm tốc - chuyển tải.

3.4.2.1 Tính toán tỷ số truyền và chọn động cơ

Tỷ số truyền cần đáp ứng ba điều kiện sau: - Độ phân giải về góc và tốc độ quay. - Tăng đủ mômen quay cho tải. - Tăng đủ quán tính quay cho tải.

Trừ trường hợp đặc biệt điều khiển theo vi bước, độ phân giải về góc của động cơ bước cố định là αhoặc

2 α

đối với điều khiển cả bước và nửa bước. (Ở đó αlà góc bước cho theo catalog, ví dụ α=1,8⁰ ). Độ phân giải của đối tượng điều khiển yêu cầu cao hơn nhiều, chẳng hạn 0,06⁰ (tương ứng 6000 bước trong một vòng quay).

Gọi tỷ số truyền là Z, độ phân giải của đối tượng là θ, ta phải chọn sao cho

θ α . 2 ≥ Z (12)

Với ví dụ trên ta phải có: 15 12 , 0 8 , 1 = ≥ Z

Bộ giảm tốc sẽ làm giảm tốc độ quay của đối tượng so với tốc độ quay của động cơ. Gọi tốc độ quay của đối tượng là VT, tốc độ quay của động cơ là VM, ta phải có:

T

M Z V

V ≥ . (13)

* Điều kiện về mômen

Trong trường hợp tải quay trong mặt phẳng thẳng đứng (trục quay nằm ngang) mà mật độ trọng lực không phân bố đều và đối xứng qua tâm (có nghĩa là trọng lực của tải có cánh tay đòn so với trục quay luôn thay đổi) thì phải lấy mômen tải (Mc) ở giá trị cực đại để tính toán.

Nếu trục quay thẳng đứng, cần cố gắng cân bằng tải ở mọi phía theo phương nằm ngang. Khi đã cân bằng thì mômen tải tương đối đều, trừ khi khởi động phải thêm mômen do ma sát nghỉ sinh ra.

Trong mọi trường hợp quan hệ mômen đều phải thoả mãn: 0

max Z.M

M < (14)

Trong đó, M_max là giá trị lớn nhất của mômen tải;

M₀ là giá trị mômen của động cơ ứng với tốc độ quay lớn nhất mà động cơ cần phải đạt trong hệ truyền động.

Quán tính quay không phụ thuộc vào trạng thái của trục quay trong không gian (thẳng đứng, nằm ngang hay nghiêng bao nhiêu độ) mà chỉ phụ thuộc vào khối lượng và sự phân bố mật độ khối lượng so với trục quay.

Quán tính quay của động cơ có thể tính gần đúng theo công thức 2

. 2 1 R m J = .

Quán tính quay của tải nhìn chung phải tính theo công thức J m x dx

R x 2 0 .

∫

không phải dựa vào kinh nghiệm và thử nghiệm.

Mối quan hệ về quán tính quay cần thoả mãn điều kiện: 2

. .

4 J Z

J_T = _M (15)

J_T và J_M lần lượt là quán tính quay của tải và của động cơ.

Từ các phân tích ở trên, khi tính toán tỷ số truyền và chọn động cơ bước cần làm các bước sau: - Từ công thức θ α . 2 ≥ Z tính Z_min

- Thay Z_min vào J_T =4.J_M.Z2 để chọn Z, nếu Z_min thoả mãn thì lấy Z₀ = Z_min, nếu không buộc phải lấy Z₀ > Z_min thoả mãn công thức 2

. .

4 J Z

J_T = _M

- Từ Z₀ thay vào V_M ≥Z.V_T để tính min (V_M) sau đó chọn V_M0 > min (V_M) - Thay Z0 vào M_max <Z.M₀ để chọn min (M0)

- Từ V_M0 và min (M₀) tìm động cơ có đặc tuyến mômen - tốc độ thoả mãn (tra theo catalog).

3.4.2.2 Chọn phương án giảm tốc - chuyển tải

Khi đã có tỷ số truyền Z₀, đối với hệ truyền động thông thường chỉ cần thiết kế hộp số bằng bánh răng là được. tuy nhiên các bánh răng cần phải có bước răng và số răng tiêu chuẩn nên hệ số truyền Z₀ thường phải hiệu chỉnh một lần nữa. Quá trình hiệu chỉnh này vẫn luôn phải để ý đến các điều kiện đã nêu ra trong khi chọn tỷ số truyền Z₀.

Đối với hệ truyền động sử dụng động cơ bước, hộp số bằng bánh răng có một số nhược điểm sau:

- Do chuyển động quay của động cơ bước “giật cục” từng bước và có thể đảo chiều đột ngột (vừa quay vừa đảo chiều, không cần dừng trước khi đảo chiều) nên các răng thường bị các xung lực đột ngột, tức là bị va đập liên tục. Hiện tượng này làm cho bánh răng nhanh bị rơ rão, đặc biệt là các then cố định bánh răng vào đầu trục dễ bị hỏng.

- Hệ thống cơ khí dễ bị cộng hưởng và có tiếng ồn, nhất là khi quay ở tốc độ thấp.

Chính vì lẽ đó, đối với động cơ bước ta không nên chọn hộp số bằng bánh răng thuần tuý mà chọn hai phương án giảm tốc sau:

+ Phương án trục vít – bánh vít + Phương án đai truyền có răng

Hai phương án này đều có tác dụng giảm chấn do tránh được việc phải lắp ghép các bánh răng trực tiếp với nhau.

3.4.3 Một số đề xuất khi sử dụng động cơ bước

3.4.3.1 Động cơ bước trong hệ truyền động không có bộ giảm tốc

Đối với hệ truyền động sử dụng động cơ bước, yêu cầu về độ phân giải và tốc