Bảng 3.2 Bảng so sánh động cơ bước và servo
Động cơ bước Động cơ servo
Mạch driver
Mạch đơn giản
Mạch phức tạp, thường phải mua driver từ nhà sản xuất
Nhiễu và rung động Đáng kể Rất ít
Tốc độ Trung Bình( 2000-4000rpm) Nhanh(3000-5000rpm)
Hiện tượng trượt bước Xảy ra khi tải quá lớn Khó xảy ra
Phương pháp điều
khiển Vòng hở (không có encoder)
Điều khiển vòng kín(có encoder) Độ phân giải Động cơ 2 pha : 1.8° (200 ppr) hoặc 0.9° (400 ppr) Động cơ 5 pha : 0.72° (500 ppr) hoặc 0.36° (1000 ppr)
Phụ thuộc độ phân giải của encoder.
Thông thường vào khoảng 0.36° (1000ppr) – 0.036° (10000ppr)
Mô-men
Ở tốc độ thấp cho mô-men lớn, và ngược lại ở tốc độ cao thì cho mô-men nhỏ
Ở tốc độ thấp thì cho mô- men xoắn nhỏ, ở tốc độ cao thì cho mô-men xoắn lớn
37
Hình 3.4 . Biểu đồ mô-men xoắn của động cơ bước và servo
❖ Ưu, nhược điểm của động cơ servo:
Ưu điểm: Là hệ thống hồi tiếp vòng kín chính vì vậy động cơ servo DC rất dễ điều khiển, dễ sử dụng. Bên cạnh đó động cơ còn giúp kiểm soát tốc độ chính xác, đảm bảo quá trình vận hành được ổn định. Hiện nay giá thành của động cơ Servo DC rẻ hơn so với các loại động cơ khác.
Nhược điểm: Vì cấu tạo có bộ phận chổi than nên điểm hạn chế lớn nhất của loại động cơ này chính là dễ gây ra tiếng ồn, nhiệt độ cao khi vận hành và quán tính cao khi giảm tốc độ. Nếu sử dụng động cơ DC servo không chổi than thì sẽ khiến động cơ chạy êm và vận hành tốt hơn.
Khâu 1 Khâu 2 Khâu 3 Khâu 4 Sản phẩm
Chiều dài L1=50mm L2=120mm L3=100mm L4=60mm 20x20x20mm
Khối lượng 600g 80g 60g 50g 10g
Khối lượng khâu 2: 135(g) Khối lượng khâu 3: 115(g) Khối lượng khâu 4: 105(g)
38
𝑃𝑣 = 0,01.9,8 = 0,098(𝑁) (3.27) 𝑃2 = 0,135.9,8 = 1,323(𝑁) (3.28) 𝑃3 = 0,115.9,8 = 1,127(𝑁) (3.29) 𝑃4 = 0,105.9,8 = 1,029(𝑁) (3.30)
Tổng momen tĩnh do trọng lực gây ra lên trục 𝑂1
𝑚𝑡2 = 𝑃2. 0,06 + 𝑃3. 0,17 + 𝑃4. 0,25 + 𝑃5. 0,28 = 0,531(𝑁𝑚) (3.31)
Ngoài ra khi làm việc từ trạng thái ban đầu đứng yên, lực quán tính sinh ra kết hợp với tải tĩnh sẽ gây ra lực cản lớn nhất lên khớp 2. Ở đây ta bỏ qua ma sát.
Tính momen cản do quán tính của các bộ phận chuyển động( xem thanh thẳng dồng chất, trục quay ở 1 đầu quay).
𝐼 = 1 3𝑚𝑙
2 (3.32)
Momen quán tính của Khâu 2:
𝐼2 =1
3. 0,135. 0,12
2 = 6,48. 10−4(𝑁𝑚2) (3.33)
Momen quán tính của Khâu 3:
𝐼3=1
3. 0,115. 0,1
2 = 3,83. 10−4(𝑁𝑚2) (3.34)
Momen quán tính của Khâu 3 so với trục 𝑂1:
𝐼30 = 𝐼3+ 𝑚3𝑑2 = 3,83. 10−4+ 0,06. 0,172 = 2,117. 10−3(𝑁𝑚2) (3.35) Tương tự ta có: 𝐼4 =1 3. 0,105. 0,06 2 = 1,26. 10−4(𝑁𝑚2) (3.36) 𝐼40 = 𝐼4+ 𝑚4𝑑2 = 1,26. 10−4+ 0,05. 0,252 = 3,251. 10−3(𝑁𝑚2) (3.37)
Momen quán tính của vật nặng
𝐼𝑣 = 𝑚𝑣𝑙2 = 0,1. 0,282 = 7,84. 10−4(𝑁𝑚2) (3.38)
Với yêu cầu động cơ tăng tốc từ 0 lên 60o/0,2s trong 0,5s ta tính được gia tốc góc yêu cầu:
𝜀𝑑𝑐 =100.2𝜋
1.60 = 10,47 ( 𝑟𝑎𝑑
𝑠 ) (3.39)
Momen lực sinh ra do quán tính
𝑀𝑞𝑡2 = (𝐼2+ 𝐼30+ 𝐼40+ 𝐼𝑣). 𝜀𝑑𝑐 = 0,0512 𝑁𝑚 (3.40)
39
𝑀𝑐2 = 𝑚𝑡2+ 𝑀𝑞𝑡2 = 0,513 + 0,0512 = 0,5642 𝑁𝑚 (3.41)
Suy ra momen yêu cầu trên trục động cơ là:
𝑀 > 𝐾𝑡. 𝑀𝑐2 = 1,3.0,5642 = 0,7335 𝑁𝑚 = 7,479 𝐾𝑔𝑐𝑚 (3.42)
Suy ra chon servo MG996R cho khâu 2.
Tổng momen tĩnh do trọng lực gây ra lên trục 𝑂2
𝑚𝑡3 = 𝑃3. 0,05 + 𝑃4. 0,13 + 𝑃𝑣. 0,16 = 0,2058(𝑁𝑚) (3.43)
Momen lực sinh ra do quán tính:
𝑀𝑞𝑡3 = (𝐼3+ 𝐼40+ 𝐼𝑣). 𝜀𝑑𝑐 = (𝐼3+ 1,26. 10−4+ 0,05. 0,132+ 0,01. 0,162). 𝜀𝑑𝑐
= 0,0168 𝑁𝑚 (3.44)
Momen cản trên trục:
𝑀𝑐3= 𝑚𝑡3+ 𝑀𝑞𝑡3 = 0,2058 + 0,0168 = 0,2226 𝑁𝑚 (3.45)
Suy ra momen yêu cầu trên trục động cơ là:
𝑀 > 𝐾𝑡. 𝑀𝑐3= 1,3.0,2226 = 0,28938 𝑁𝑚 = 2,951 𝐾𝑔𝑐𝑚 (3.46)
Suy ra chọn Servo MG996R cho khâu 3.
Tổng momen tĩnh do trọng lực gây ra lên trục 𝑂3
𝑚𝑡4 = 𝑃4. 0,03 + 𝑃𝑣. 0,06 = 0,03675(𝑁𝑚) (3.47)
Với yêu cầu servo thay đổi vận tốc từ 0- 0,16s/ 60o trong vòng 1s ta có:
𝜀𝑠𝑣 = 60.2𝜋
360.0,16= 6,54 ( 𝑟𝑎𝑑
𝑠 ) (3.48)
Momen lực sinh ra do quán tính
𝑀𝑞𝑡4 = (𝐼4+ 𝐼𝑣). 𝜀𝑑𝑐 = (𝐼4+ 0,01. 0,062). 𝜀𝑠𝑣 = 1,06. 10−3 𝑁𝑚 (3.49)
Momen cản trên trục:
𝑀𝑐4 = 𝑚𝑡4+ 𝑀𝑞𝑡4 = 0,03675 + 1,06. 10−3 = 0,0378𝑁𝑚 (3.50)
Suy ra momen yêu cầu trên trục động cơ là:
𝑀 > 𝐾𝑡. 𝑀𝑐4= 1,3.0,0378 = 0,049 𝑁𝑚 = 0,499 𝐾𝑔𝑐𝑚 (3.51)
Suy ra chọn servo SG90 cho khâu 4
Đối với khâu 1 chỉ cần xét sao cho thắng được momen quán tính gây ra trên trục và do khoảng cách khâu 1 tới khâu 2 và các khâu còn lại như nhau.
Momen lực sinh ra do quán tính:
𝑀𝑞𝑡1 = 𝑀𝑞𝑡2+ 𝐼1 = 𝑀𝑞𝑡2+1 2𝑚. 𝑟
2 = 0,0521 + 0,5.0,6. 0,052 = 0,0529 𝑁𝑚 (3.52)
40
𝑀 > 𝐾𝑡. 𝑀𝑞𝑡1 = 1,3.0,0529 = 0,06877𝑁𝑚 = 0,701 𝐾𝑔𝑐𝑚 (3.53)
Suy ra chọn servo MR996R cho khâu 1.