Nghiên cứu phương pháp tính chọn thông số động cơ chấp hành cho truyền động điện

Nhiệm vụ đầu tiên cho kỹ sư thiết kế hệ thống chuyển động, trước khi điều chỉnh và lập trình các thành phần điện là để xác định một cách hợp lý phối hợp bộ truyền động và động cơ có kích

I ĐO N

x b d ế q ả

ự x ị ề d ế q ả í

ả

Ụ Ụ

L I ĐO N i

D NH Ụ Á HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v

D NH Ụ Á BẢNG BIỂU viii

HỮ VIẾT TẮT ix

Ở ĐẦU xii

CHƯƠNG 1 TẦ QU N TRỌNG Ủ T NH HỌN H Đ NG Ơ HẤP HÀNH 2

1.1 Tại sao phải tính chọn kích cỡ động cơ ? 2

1.2 Các khía cạnh kĩ thuật 3

1.3 Mục tiêu của việc chọn kích cỡ động cơ 6

CHƯƠNG 2 QUÁ TRÌNH T NH H VÀ Ự HỌN Đ NG Ơ 7

2.1 Lựa chọn các thành phần cơ khí 11

2.2 Xác định một chu kỳ tải 13

2.2.1 Chuyển động hình tam giác 14

2.2.2 Chuyển động hình thang 15

2.2.3 Xử lý độ dốc chuyển động 16

2.2.4 Phép tính độ dốc chuyển động 18

2.2.5 Các phương trình mô tả quá trình chuyển động 20

2.2.6 Giới hạn giật 21

2.2.6.1 Tính toán đường cong S 25

2.3 Tính toán tải 31

2.3.1.Tốc độ cực đại của tải 35

2.3.2 Quán tính tải và mômen cực đại 35

2.3.3 Mômen hiệu dụng (RMS) của tải 37

2.4 Lựa chọn động cơ 42

2.4.1 Kết hợp công nghệ động cơ cho các hệ thống 43

2.4.1.1 Động cơ bước 44

2.4.1.2 Động cơ một chiều có chổi than 45

2.4.1.3 Động cơ một chiều không chổi than 45

2.4.1.4 Động cơ cảm ứng 46

2.4.2.Các tiêu chí lựa chọn 46

2.4.2.1 Việc phù hợp quán tính 47

2.4.2.2 Giải thích đường cong mômen/tốc độ 49

2.4.2.3 Đường cong vận hành động cơ servo 49

2.4.2.4 Đường đặc tính động cơ bước 54

2.4.2.5 So sánh động cơ servo với động cơ bước 55

2.5 Cân nhắc thiết kế đặc biệt 56

2.5.1 Sự truyền động bánh răng 56

2.5.2 Các yêu cầu mômen động cơ và phanh giữ 58

2.5.3 Ứng dụng theo chiều dọc 62

2.5.4 Lực đẩy 64

2.5.5 Sự thay đổi các trọng tải 66

2.5.6 Hệ thống đa chiều (X – Y - Z) 68

2.5.7 Nghiên cứu nhiệt 70

2.6 Ứng dụng mẫu 72

CHƯƠNG 3 T NH TOÁN MÔMEN TẢI VÀ QUÁN T NH TẢI 75

3.1 Các tính toán cơ bản 75

3.1.1 Các phương trình cơ bản 75

3.1.2 Khối trụ đặc 76

3.1.3 Khối trụ rỗng 77

3.1.4 Khối hình hộp chữ nhật 78

3.2 Tính toán các thành phần cơ khí 79

3.2.1 Đĩa quay 80

3.2.2 Truyền động bằng xích 81

3.2.3 Khớp nối 83

3.2.4 Truyền động bánh răng 84

3.2.5 Hộp số/ servo giảm tốc 86

3.2.6 Puli-đai truyền 87

3.2.7 Băng chuyền 89

3.2.8 Cơ cấu vít me 91

3.2.9 Cơ cấu truyền động thẳng 92

3.2.10 Cơ cấu Máy cán 94

3.2.11 Cơ cấu truyền động thanh răng 96

3.2.12 Bàn xoay 98

3.2.13 Máy cuốn truyền động giữa 99

3.2.14 Máy cuốn truyền động bề mặt 100

ẾT UẬN 103

TÀI I U TH HẢO 104

D NH Ụ Á HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1.1: Chi phí vòng đời của một động cơ điện 2

Hình1.2.1: Ví dụ về đường đặc tính hiệu suất so với tải 4

Hình 1.2.2: Ví dụ Động cơ hiệu suất cao / thấp 5

Hình 2.1.1: Hệ truyền động sử dụng đĩa 12

Hình 2.2.1.1 Chuyển động hình tam giác 14

Hình 2.2.2.1 Chuyển động hình thang 15

Hình 2.2.3.1: Xác định gia tốc cực đại 16

Hình 2.2.3.2: Tính toán tăng tốc cho chuyển động phức tạp 17

Hình 2.2.3.3: Mômen trong quá trình chuyển động theo hình tam giác và hình thang 18 Hình 2.2.4.1: Dạng chuyển động hình thang 19

Hình 2.2.6.1: Đường biểu diễn tốc độ và mômen 22

Hình 2.2.6.2: Đường biểu diễn tốc độ và tăng tốc 23

Hình 2.2.6.3: Giới hạn giật 0% 23

Hình 2.2.6.4: Giới hạn giật 50% 24

Hình 2.2.6.5: Giới hạn giật 100% 24

Hình 2.2.6.6: Chuyển động thẳng và giới hạn giật 25

Hình 2.2.6.1.1: Độ dốc gia tốc 25

Hình 2.2.6.1.3: Tính toán vận tốc trong thời gian tăng tốc 27

Hình 2.2.6.1.4: Tính vận tốc trong thời gian gia tốc không đổi 28

Hình 2.2.6.1.5: Tính vận tốc trong thời gian giảm tốc 28

Hình 2.2.6.1.6: Kết quả phương trình đường cong S thông qua MS-Excel 29

Hình 2.3.1: Tải động cơ 31

Hình 2.3.2: Quá trình truyền tải tới động cơ 32

Hình 2.3.1.2: Xác định tốc độ cực đại 35

Hình 2.3.2.1: Ví dụ về mômen gia tốc và mômen cản 36

Hình 2.3.3.1: Mô tả các phân đoạn mômen và thời gian 38

Hình 2.3.3.2: Hình mô tả các phân đoạn mômen và thời gian 40

Hình 2.4.2.1 : So sánh tốc độ 47

Hình 2.4.2.3.1: Quan hệ mômen với tốc độ điển hình cho các động cơ servo 50

Hình 2.4.2.3.2: Ảnh hưởng của điện áp đối với Mômen /Tốc độ 51

Hình 2.4.2.3.3: Hệ thống 1 – sử dụng được 52

Hình 2.4.2.3.4 Hệ thống 2 – không sử dụng được 52

Hình 2.4.2.3.5: Hệ thống có tốc độ cao, mômen RMS thấp 53

Hình 2.4.2.4.1: Quan hệ mômen tốc độ điển hình của động cơ bước 54

Hình 2.4.2.5.1 Sự so sánh động cơ servo và động cơ bước 55

Hình 2.5.2.1: Hệ thống trục vít 58

Hình 2.5.2.2: Đồ thị vận tốc và mômen của hệ thống chuyển động tuyến tính ngang 59 Hình 2.5.2.3 Hệ thống trục vít có phanh 60

Hình 2.5.2.4: Ảnh hưởng của mômen quán tính phanh giữ tới mômen tổng 60

Hình 2.5.2.5: Mômen tổng trong hệ thống chuyển động thẳng đứng 61

Hình 2.5.2.6 Mômen tổng có phanh giữ 61

Hình 2.5.3.1: Hệ thống gắp và thả vật 63

Hình 2.5.4.1: Hệ thống khoan mẫu 65

Hình 2.5.4.2: Chu kỳ tải khoan 66

Hình 2.5.5.1: Ví dụ hệ thống gắp và thả vật 66

Hình: 2.5.5.2: Gắp và thả vật- dịch chuyển tải 67

Hình: 2.5.5.3: Gắp và thả vật– Chuyển động ngược trở về vị trí Gắp 67

Hình: 2.5.5.4: Gắp và thả - Tốc độ và mômen 68

Hình 2.5.6.1: Gắp và thả vật – Dịch chuyển tải 69

Hình 2.5.7.1: Ảnh hưởng nhiệt đến hiệu suất động cơ 70

Hình 3.1.2.1: Khối trụ đặc 76

Hình 3.1.3.1: Khối trụ rỗng 77

Hình 3.1.4.1: Khối hình hộp chữ nhật 78

Hình 3.2.1.1: Đĩa quay 81

Hình 3.2.2.1: Truyền động bằng xích 81

Hình 3.2.3.1: Khớp nối 83

Hình 3.2.4.1 Truyền động bánh răng 84

Hình 3.2.5.1 Hộp số 86

Hình 3.2.6.1 Puli-đai truyền 87

Hình 3.2.7.1 Cơ cấu băng chuyền 89

Hình 3.2.8.1 Cơ cấu vitme 91

Hình 3.2.9.1 Cơ cấu truyền động thẳng 92

Hình 3.2.10.1 Cơ cấu Máy cán 94

Hình 3.2.11.1 Cơ cấu truyền động thanh răng 96

Hình 3.2.12.1 Bàn xoay 98

Hình 3.2.13.1 Máy cuốn truyền động giữa 99

Hình 3.2.14.1 Máy cuốn 100

D NH Ụ Á BẢNG BIỂU

Biểu đồ 2.1: Sơ đồ quá trình tính kích cỡ và lựa chọn động cơ 10Biểu 2.4.1 Quá trình lựa chọn động cơ 42Bảng 2.4.1.1 Các đặc điểm công nghệ động cơ 44

HỮ VIẾT TẮT

Ý HI U Ý NGHĨ , IÊU TẢ

JB→M Mômen quán tính của dây đai tác dụng lên động cơ

Mômen quán tính của đĩa

tác dụng lên động cơ

NTL Số răng của đĩa xích trên tải/ Số răng của bánh phía tải

Ở ĐẦU

1 do c ọn t

Cùng với sự phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước trong thời đại hội nhập quốc tế, việc mở rộng phát triển công nghiệp là một đòi hỏi tất yếu Cùng với sự phát triển đó việc mở rộng sử dụng động cơ chấp hành cũng là một đòi hỏi khách quan

Phần lớn các hệ thống sản xuất tự động chính đều liên quan đến việc sử dụng

hệ điều khiển chuyển động phức tạp, bên cạnh thành phần cơ học, còn có các thành phần điện như động cơ servo, bộ khuyếch đại và bộ điều khiển

Nhiệm vụ đầu tiên cho kỹ sư thiết kế hệ thống chuyển động, trước khi điều chỉnh và lập trình các thành phần điện là để xác định một cách hợp lý phối hợp bộ truyền động và động cơ có kích cỡ nhỏ nhất mà vẫn có thể cung cấp mômen, tốc độ

và tăng tốc theo yêu cầu của thiết lập cơ học đã cho Tuy nhiên các kỹ sư thường quen thuộc với các chi tiết điện, nhưng thiếu kiến thức về làm thế nào để tính toán các yêu cầu momen của các thành phần cơ học được truyền động

Trên cơ sở phân tích trên tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp tính chọn thông số động cơ chấp hành cho truyền động điện”

2 ục t êu ng ên cứu của luận văn

Xây dựng các công thức tính chọn kích cỡ động cơ chấp hành phù hợp với yêu cầu truyền động điện như tốc độ, quán tính và mômen

3 Đố tƣợng ng ên cứu

Các động cơ chấp hành sử dụng trong các hệ truyền động điện

4 P ƣơng p áp ng ên cứu

Quá trình tính kích cỡ và lựa chọn động cơ dựa trên các phép tính mômen và quán tính được áp đặt bởi thiết lập cơ học cộng với tốc độ và sự tăng tốc theo yêu cầu của hệ truyền động Động cơ được lựa chọn phải có khả năng vận hành an toàn

bằng cách cung cấp đầy đủ mômen và tốc độ

1 1 Tạ sao p ả tín c ọn kích cỡ ộng cơ ?

Các động cơ chấp hành đại diện cho các yếu tố chi phí có ảnh hưởng nhất trong thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động, không chỉ do giá thành, mà còn trong quá trình hoạt động Một động cơ mômen cao sẽ đòi hỏi một bộ khuếch đại mạnh mẽ hơn và do đó tốn kém hơn so với động cơ nhỏ hơn Sự kết hợp của động

cơ mômen cao kết hợp với bộ khuếch đại không chỉ dẫn đến chi phí ban đầu cao hơn, mà nó còn dẫn đến chi phí hoạt động cao hơn, đặc biệt tiêu thụ năng lượng tăng Người ta ước tính, giá mua chỉ có khoảng 2% tổng chi phí vòng đời, trong khi

đó điện là khoảng 96%

Chọn kích cỡ động cơ servo phù hợp sẽ không chỉ đảm bảo hiệu năng

Hình 1.1.1: Chi phí vòng đời của một động cơ điện

Chi phí năng lượng- 96%

Giá mua -2%

Chi phí dịch vu và bảo trì – 2%

chọn kích cỡ động cơ servo là dựa trên tính toán tải của hệ thống, sau đó xác định kích cỡ cần có của động cơ Tiêu chuẩn thực tiễn yêu cầu để thêm một hệ số an toàn cho của mômen bù vào các yếu tố ma sát, điều mà có thể xảy ra do sự lão hóa của các thành phần cơ khí Tuy nhiên, việc xác định tải của hệ thống và lựa chọn động

cơ servo phù hợp có thể cực kỳ tốn thời gian Mỗi động cơ có quán tính roto của riêng nó, và quán tính này tham gia vào mômen tải của hệ thống, mà ta biết mômen bằng quán tính nhân với gia tốc Sự tính toán mômen của hệ thống phải được tiến hành cho mỗi động cơ trong ứng dụng đang được xem xét

Kết quả, đó không phải là một nhiệm vụ dễ dàng để lựa chọn động cơ tối ưu cho ứng dụng đang xem xét khi biết rằng có rất nhiều số lượng lớn các động cơ servo có sẵn trên thị trường Nhiều động cơ, hiện đang được hoạt động, đã được chọn do nguyên nhân chúng lớn hơn so với yêu cầu và đã có sẵn (ví dụ như từ hàng tồn kho) Bộ Năng lượng Mỹ ước tính rằng khoảng 80% của tất cả các động cơ ở Hoa Kỳ được sử dụng quá kích cỡ

Những lý do chính khi chọn động cơ quá kích cỡ là:

- Các yêu cầu về tải không rõ ràng

- Cho phép tăng tải (ví dụ như do lão hóa các thành phần cơ khí)

- Khả năng sẵn có (ví dụ như hàng tồn kho)

Không chỉ có công suất tiêu thụ lớn hơn mà còn do một số nguyên nhân kỹ thuật quan trọng

1 2 ác k ía cạn kĩ t uật

Một động cơ quá cỡ tất nhiên phổ biến hơn động cơ dưới cỡ đó Một động

cơ dưới cỡ sẽ không có khả năng chuyển tải đầy đủ (hoặc không gì cả), và trong trường hợp đặc biệt, có thể bị quá nhiệt và bị cháy, đặc biệt là khi nó không thể tiêu tán nhiệt đủ nhanh Động cơ lớn hơn sẽ ở trạng thái mát, nhưng nếu nó là quá lớn,

nó sẽ lãng phí năng lượng trong quá trình hoạt động kém hiệu quả Sau cùng, quá trình tình chọn kích cỡ động cơ cũng có thể được xem như là một yếu tố cân bằng năng lượng

Động cơ xoay chiều có xu hướng chạy nóng khi nó bị quá tải và non tải Động cơ servo, loại quá cỡ hoặc loại dưới cỡ, chắc chắn sẽ bắt đầu bị rung hoặc đối mặt với vấn đề ngừng chạy

Một trong những quan niệm sai lầm lớn trong quá trình thiết kế chuyển động

là cho rằng việc lựa chọn động cơ lớn hơn yêu cầu chỉ là một chi phí nhỏ so với việc giữ được tải đã cho, nhất là khi tải có thể tăng trong suốt vòng đời sử dụng do mài mòn cơ khí Tuy nhiên, như thể hiện trong hình dưới đây, hiệu suất động cơ bị suy giảm nhanh chóng khi động cơ hoạt động non tải

Hình 1.2.1 cho thấy một ví dụ về hai động cơ 10 HP và 100 HP Trong cả hai trường hợp có một sự suy giảm mạnh hiệu suất của động cơ khi tải bằng khoảng 30% tải định mức

Tuy nhiên, các đường cong như trong hình, sẽ thay đổi đáng kể từ động cơ này sang động cơ kia và rất khó để nói chính xác khi nào một động cơ quá cỡ Khi động cơ hoạt động ở mức 40% hoặc ít hơn so với tải định mức, cần phải giảm kích

cỡ động cơ, đặc biệt là trong các trường hợp tải không thay đổi nhiều Các ứng dụng

sư dụng động cơ servo thường yêu cầu hoạt động ngắn hạn ở mức tải cao hơn, đặc

Hình1.2.1: Ví dụ về đường đặc tính hiệu suất so với tải

biệt là trong quá trình tăng tốc và giảm tốc độ, do đó cần xem xét mômen trung bình (RMS) và mômen cực đại trong việc vận hành động cơ này

Tuy nhiên, có những ưu điểm của việc sử dụng động cơ quá cỡ:

 Thành phần cơ khí (ví dụ như khớp nối, vòng bi, vv) có thể, tùy thuộc vào môi trường và chất lượng dịch vụ, bị mài mòn và kết quả là có thể tạo ra lực ma sát cao hơn Lực ma sát tham gia vào mômen không đổi của thiết lập cơ học

không cần thiết phải thay thế động cơ

 Các động cơ quá cỡ có thể chịu được tải lớn không lường trước được

điện áp thấp Nói chung, một động cơ quá cỡ lên đến 20% là hoàn toàn chấp nhận được Những động cơ hiệu suất cao, so với động cơ tiêu chuẩn, sẽ duy trì mức độ hiệu suất của chúng trên một phạm vi rộng lớn hơn nhiều (xem hình 1.2.2) và phù hợp hơn với việc quá cỡ này

Hiệu suất cao cao cao

Hiệu suất thấp

1 3 ục t êu của v ệc c ọn kích cỡ ộng cơ

Mục tiêu chính của tính kích cỡ động cơ được dựa trên tiêu chí kinh doanh:

có được hiệu suất tốt nhất với giá thấp nhất Như chúng ta đã học được từ chương trước các chi phí vòng đời của một động cơ điện là:

 Chi phí mua hàng - 2%

 Sửa chữa, dịch vụ, bảo trì, - 2%

 Chi phí hoạt động (điện) - 96%

Để có được hiệu suất tốt nhất với giá tốt nhất, điều bắt buộc là cần tìm động

cơ nhỏ nhất đáp ứng được các yêu cầu, tức là động cơ có mômen càng gần với moomen yêu cầu thì càng tốt Có một sự thừa nhận (đúng đối với phần lớn các trường hợp) là mômen nhỏ tỷ lệ thuận với kích cỡ nhỏ hơn, chi phí thấp hơn và tiêu thụ điện năng thấp hơn Tiêu hao năng lượng nhỏ hơn dẫn đến việc sử dụng bộ truyền động/bộ khuếch đại nhỏ hơn và giá thành thấp hơn

Từ quan điểm kỹ thuật đó việc cần làm là tìm động cơ có quán tính phù hợp với quán tính của các thiết lập cơ học càng gần càng tốt, tức là tỷ lệ tối ưu giữa tải

và quán tính rotor là 1: 1 Việc phù hợp quán tính sẽ tạo ra hiệu suất tốt nhất Tuy nhiên, với những động cơ servo ở tỷ lệ 6:1 vẫn có thể tạo ra hiệu suất hợp lý Bất kỳ

tỷ lệ cao hơn sẽ dẫn đến sự không ổn định của hệ thống và cuối cùng sẽ dẫn đến nhiều trục trặc

Trong nhiều trường hợp, cần phải thêm hộp số giữa động cơ và tải trọng thực

tế Hộp số làm giảm quán tính, theo tỷ lệ thuận của tỷ số truyền Trường hợp này cho phép chạy động cơ nhỏ hơn với mức giá phải trả là thêm hộp số vào hệ thống Mặt khác, giảm giá thành bằng cách sử dụng một sự kết hợp động cơ/bộ truyền động nhỏ hơn là chỉ có thể bù đắp cho giá của hộp số

Như vậy mục tiêu của việc chọn kích cỡ động cơ là để:

 Có được hiệu suất tốt nhất với giá tốt nhất

 Quán tính của động cơ phù hợp với quán tính tải càng gần càng tốt

 Tìm một động cơ phù hợp hoặc vượt quá tốc độ yêu cầu

HƯƠNG 2 QUÁ TRÌNH T NH H VÀ Ự HỌN Đ NG Ơ

Quá trình tính kích cỡ và lựa chọn động cơ dựa trên các phép tính mômen và quán tính được áp đặt bởi thiết lập cơ học cộng với tốc độ và sự tăng tốc theo yêu cầu của ứng dụng (hệ truyền động) Động cơ được lựa chọn phải có khả năng vận hành an toàn thiết lập cơ học bằng cách cung cấp đầy đủ mômen và tốc độ

Một khi các yêu cầu đã được thành lập, dễ dàng để tìm các đường cong mômen với tốc độ hoặc các thông số kỹ thuật động cơ và lựa chọn đúng động cơ Quá trình xác định kích cỡ liên quan đến các bước sau:

a.T n lập các mục t êu c uyển ộng

Các ý chính sau của hệ điều khiển chuyển động sẽ giúp thiết lập các thông số cần thiết cho các bước tiếp theo

 Có cần định vị chính xác?

 Có cần lặp lại vị trí?

 Có cần tốc độ chính xác?

 Chuyển động tuyến tính hoặc quay?

 Nếu chuyển động tuyến tính: chuyển động theo chiều ngang hay theo chiều đứng ?

 Có cần quan tâm yếu tố nhiệt - Nhiệt độ môi trường xung quanh?

 Công nghệ động cơ nào phù hợp nhất cho hệ truyền động

b ựa c ọn của các t n p ần cơ ọc

Người kỹ sư phải quyết định thành phần cơ học nào được sử dụng cho hệ truyền động đã cho Ví dụ: hệ truyền động tuyến tính có thể cần vít dẫn hướng hoặc băng tải Để chuyển đổi tốc độ, có thể sử dụng hộp số hoặc dây đai (đai truyền)

 Truyền động trực tiếp ?

 Hệ truyền động đặc biệt hay các thiết bị cơ học tiêu chuẩn?

 Nếu hệ truyền động tuyến tính: dùng động cơ tuyến tính hay vít dẫn hướng, băng tải, vv…?

 Giảm tốc - Hộp số, dây đai, vv?

 Kiểm tra kích thước trục - chọn khớp nối

 Kiểm tra thành phần cơ khí để giới hạn tốc độ và gia tốc

a Xác ịn một c u trình ( ộ dốc) tả

Người kỹ sư phải xác định vận tốc cực đại, gia tốc cực đại, thời gian chu trình làm việc, độ dốc tăng tốc và giảm tốc, thời gian dừng, vv, đặc trưng cho hệ truyền động đã cho

 Xác định các thông số chuyển động quan trọng như vận tốc, độ tăng tốc,

 Độ dốc chuyển động hình tam giác, hình thang hay hình khác?

 Nếu hệ truyền động tuyến tính: cần đảm bảo chu trình làm việc không vượt quá phạm vi hoạt động của thiết bị chuyển động tuyến tính

 Có cần giới hạn giật ?

 Xem xét trọng tải lực đẩy?

 Tải có thay đổi trong chu trình làm việc?

 Có giữ phanh không khi vận tốc bằng không?

d.Tín toán tả

Tải được xác định bởi mômen cần thiết để vận hành hệ truyền động đã cho Giá trị mômen xác định bởi quán tính "phản ánh" sự tác động của hệ truyền động đến động cơ và sự tăng tốc trên trục động cơ

 Tính quán tính của tất cả các thành phần chuyển động

 Xác định vận tốc, gia tốc trên trục động cơ

 Tính toán mômen tăng tốc trên trục động cơ

 Xác định lực không quán tính như trọng lực, ma sát, lực trước tải,

 Tính toán mômen không đổi trên trục động cơ

việc) trên trục động cơ

e Lựa c ọn ộng cơ

Động cơ phải có khả năng cung cấp mômen theo yêu cầu của các thiết lập cơ khí

cộng với mômen gây ra bởi chính rotor của động cơ Mỗi động cơ có quán tính rotor riêng của nó, góp phần vào mômen của toàn bộ hệ thống chuyển động Khi lựa

chọn một động cơ, kỹ sư cần phải tính toán lại mômen tải cho mỗi động cơ

 Quyết định công nghệ động cơ để sử dụng (động cơ một chiều có chổi than, động cơ một chiều không chổi than, động cơ bước, vv)

 Chọn sự kết hợp động cơ/bộ truyền động (hệ truyền động/động cơ)

 Động cơ có đảm bảo tốc độ tối đa cần thiết không? Nếu không, chọn hệ truyền động/động cơ tiếp theo

 Sử dụng quán tính rotor để tính toán gia tốc (cực đại) của hệ thống (động cơ cộng với thành phần cơ khí) và mômen hiệu dụng (RMS)

 Mômen định mức động cơ có chịu được mômen hiệu dụng của hệ thống? Nếu không, chọn hệ truyền động/động cơ tiếp theo

 Mômen gián đoạn động cơ có chịu được mômen cực đại của hệ thống không? Nếu không, chọn hệ truyền động/động cơ tiếp theo

 Đường cong hoạt động của động cơ (mômen theo tốc độ) có đáp ứng được yêu cầu về mômen và tốc độ không? Nếu không, chọn hệ truyền động/động

cơ tiếp theo

 Nếu tỷ lệ tải so với quán tính rotor vượt quá phạm vi nhất định (đối với động

cơ servo là 6:1) cần xem xét việc sử dụng hộp số hoặc tăng tỷ số truyền của hộp số hiện có Động cơ servo không nên vận hành với tỷ lệ lớn hơn 10:1 Như đã đề cập trước đó, kích cỡ động cơ vượt quá lớn hơn lên đến 20% là hoàn toàn chấp nhận được Yếu tố vượt quá kích cỡ này nên được thực hiện trong quá trình kiểm tra mômen cần thiết

Quá trình lựa chọn động cơ được mô tả trên đây giải thích sự phổ biến của các chương trình tính chọn kích cỡ động cơ Quá trình tính toán lại các yêu cầu mômen cho hệ truyền động/động cơ có thể cực kỳ tốn thời gian nếu xem xét số lượng lớn các động cơ có sẵn trong công nghiệp Mục tiêu của tính chọn kích cỡ động cơ là để tìm thấy động cơ tối ưu cho các ứng dụng và động cơ đó phải có sẵn Biểu đồ dưới đây mô tả quá trình tính kích cỡ và lựa chọn động cơ

saiđúng

Động cơ mômen đánh giá? Ứng dụng mô men RMS?

Động cơ mômen cực đại? Ứng dụng mô- men cực đạị

Mômen được đánh giá/ Tốc độ bằng không?

* Đường cong mômen/ tốc độ đã có sẵn ? Các bảng dữ liệu động cơ cần cung cấp thông tin mômen định mức và mômen gián đoạn Trong trường hợp các đường cong vận hành (mômen với tốc độ) đã có sẵn hãy sử dụng các đường cong này, khi đó chúng cho kết quả lựa chọn tốt hơn

* Tỷ số Mômen định mức/tốc độ đạt yêu cầu ? Hãy chắc chắn rằng mômen RMS và vận tốc tối đa của hệ thống được đảm bảo

* Tỷ số Mômen cực đại/ tốc độ đạt yêu cầu ? Đảm bảo rằng mỗi phân đoạn mô- men / tốc độ của chu trình làm việc được được đảm bảo

Các mục sau đây sẽ giải thích các bước giữa "Lựa chọn các thành phần cơ khí” và “Lựa chọn động cơ” chi tiết hơn, có ứng dụng mẫu minh họa

2.1 ựa c ọn các t n p ần cơ k í

Người kỹ sư phải quyết định thành phần cơ khí nào được dùng đối với ứng dụng đã cho Ví dụ, một hệ truyền động tuyến tính có thể cần hệ dẫn vít hoặc băng tải Để thay đổi tốc độ, có thể sử dụng hộp số hoặc đai truyền

Để chuyển đổi tốc độ, có thể sử dụng hộp số hoặc dây đai (đai truyền)

 Truyền động trực tiếp ?

 Hệ truyền động đặc biệt hay các thiết bị cơ học tiêu chuẩn?

 Nếu hệ truyền động tuyến tính: dùng động cơ tuyến tính hay vít dẫn hướng, băng tải, vv…?

 Giảm tốc - Hộp số, dây đai, vv?

 Kiểm tra kích thước trục - chọn khớp nối

 Kiểm tra thành phần cơ khí để giới hạn tốc độ và gia tốc

Các thành phần cơ khí phổ biến nhất cho một hệ truyền động là:

 Dẫn vít

 Cơ cấu chấp hành tuyến tính

 Cơ cấu thanh răng

Trong phần sau đây, chúng ta sẽ xem xét một ứng dụng cơ khí rất đơn giản, tức là một động cơ và một đĩa như trong hình dưới đây

Hình 2.1.1: Hệ truyền động sử dụng đĩa

Đĩa này đại diện cho phần lớn các thành phần tải của động cơ, tức là khi tính toán quán tính của đĩa, ta có thể làm tương tự cho vít dẫn hướng, băng tải, dây ròng rọc, và các loại tải khác Cánh quạt, ròng rọc, bánh răng, vv có thể được xem như là đĩa và do đó sử dụng cùng phương trình quán tính

Hệ truy n ộng mẫu Hệ truy n ộng sử dụng ĩa

1

Mục tiêu chuyển động của Hệ truyền động mẫu

này là có được độ dốc chuyển động hình thang, tức

là tăng tốc đĩa tới một tốc độ nhất định, giữ tốc độ một thời gian và sau đó giảm tốc độ về không một lần nữa Đĩa có đường kính 2 inch, độ dày 1.2 inch Nguyên vật liệu là thép, trong đó có mật độ nguyên liệu là 0,28 lbs/in3

2.2 Xác ịn một c u kỳ tả

Một chu kỳ tải, tức là cách chuyển động thực tế được sử dụng, có thể có nhiều hình dạng.Ví dụ, có nhiều ứng dụng đơn giản như máy thổi, truyền động băng tải, máy bơm, vv gây ra mômen không đổi hoặc thay đổi ít trong một thời gian dài Xác định kích cỡ động cơ cho các ứng dụng này khá đơn giản và không yêu cầu sử

lý nào nữa của chu trình chuyển động Luận văn này chủ yếu liên quan với các ứng dụng servo, yêu cầu thay đổi mômen đột ngột và thường xuyên trong chu kỳ tải

Các hình thức đơn giản nhất của chu kỳ tải servo là độ dốc chuyển động hình tam giác và hình thang (như được giải thích chi tiết trong các chương tiếp theo) Chúng xác định các dữ liệu quan trọng như tốc độ tối đa và sự tăng tốc tối đa và bao trùm phần lớn các ứng dụng chuyển động Theo tự nhiên có chuyển động rất phức tạp và xử lý phân tích chi tiết chúng sẽ cho kết quả chính xác hơn của các yêu cầu mômen RMS, trong khi các yêu cầu mômen cực đại (ngắt quãng) phụ thuộc chủ yếu vào khả năng tăng tốc tối đa bên trong chu trình chuyển động

Để xử lý các chu kỳ tải người kỹ sư phải xác định vận tốc tối đa, tăng tốc tối

đa, thời gian chu kỳ làm việc, độ dốc tăng tốc và giảm tốc, thời gian dừng, vv, đặc trưng cho ứng dụng

 Xác định các thông số chuyển động quan trọng như vận tốc, độ tăng tốc,

 Độ dốc chuyển động hoặc hình tam giác, hình thang và hình khác?

 Nếu ứng dụng tuyến tính: hãy chắc chắn rằng chu kỳ làm việc không vượt quá phạm vi làm việc của thiết bị chuyển động tuyến tính

 Giới hạn giật có cần không ?

 Xem xét lực đẩy trọng tải?

 Có sự thay đổi tải trong chu kỳ làm việc?

 Giữ phanh được áp dụng trong thời gian vận tốc bằng không?

Có 2 loại cơ bản (và tương tự) của độ dốc chuyển động (chu trình tải /làm việc):

 Chuyển động theo hình tam giác

 Chuyển động theo hình thang

2.2.1 Chuyển động hình tam giác

Hình 2.2.1.1 Chuyển động hình tam giác

Động cơ tăng tốc đến vận tốc cực đại và sau đó ngay lập tức giảm tốc xuống bằng 0 Tùy thuộc vào ứng dụng động cơ có thể vẫn còn dừng lại trong một thời gian

Đối với các ứng dụng tuyến tính không theo trục ngang, tức là trọng tải đang được di chuyển theo góc lên hoặc xuống, lúc này việc quan trọng cân nhắc việc dùng phanh để giữ Động cơ cần bù vào lực hấp dẫn trên trọng tải trong chu kỳ tốc

độ bằng không, mà không sử dụng phanh, sẽ dẫn đến yêu cầu mômen cao hơn

2.2.2 C uyển ộng ìn t ang

Hình 2.2.2.1 Chuyển động hình thang

Động cơ tăng tốc đến vận tốc tối đa, giữ vận tốc như vậy ở một khoảng thời gian và sau đó giảm tốc tới số không Tùy thuộc vào ứng dụng động cơ có thể vẫn còn dừng lại trong một thời gian

Đối với các ứng dụng tuyến tính không theo trục ngang, tức là trọng tải đang được di chuyển theo góc lên hoặc xuống, lúc này việc quan trọng cân nhắc việc dùng phanh để giữ Động cơ cần bù vào lực hấp dẫn trên trọng tải trong chu kỳ tốc

độ bằng không, mà không sử dụng phanh, sẽ dẫn đến yêu cầu mômen cao hơn

2 2 3 Xử l ộ dốc c uyển ộng

Các phương trình sau đây là chung cho độ dốc chuyển động hình tam giác và hình thang, các độ dốc chuyển động hình tam giác giống như chuyển động hình thang mà không có thời gian vận tốc không đổi (thời gian ở tốc độ không đổi)

Để tính toán các yêu cầu mômen, cần có dữ liệu từ các phần chuyển động sau đây:

 Mômen hiệu dụng (RMS):

 Tổng thời gian chu trình

 Thời gian tăng tốc/giảm tốc độ

 Thời gian vận tốc không đổi (thời gian ở tốc độ không đổi, sẽ là số không cho cấu hình tam giác)

 Thời gian tạm dừng (thời gian ở tốc độ bằng không)

 Mômen cực đại (không liên tục):

 Tăng tốc/giảm tốc cực đại (Mômen = Quán tính nhân với gia tốc) Các thông số chu trình làm việc để xác định mômen RMS có thể lấy trực tiếp

từ độ dốc chuyển động Sự tăng tốc tối đa được tính như hình dưới đây:

1 Tăng tốc: a max

a

V a

Để xác định gia tốc/giảm tốc độ tối đa, cần sử dụng giá trị giảm tốc tuyệt đối, tức là khi giảm tốc được coi là tăng tốc âm Mômen cực đại sẽ xảy ra trong quá trình tăng tốc/giảm tốc độ cao nhất

Trong trường hợp, độ dốc chuyển động phức tạp hơn cần phải xử lý tất cả các phân đoạn thời gian để tính toán mômen RMS Để tính toán mômen cực đại (không liên tục), kỹ sư cần phải ghi lại sự tăng tốc/giảm tốc độ của từng phân đoạn thời gian và xác định trị số tăng tốc cực đại từ các giá trị này (xem ví dụ tiếp theo)

Hình 2.2.3.2: Tính toán tăng tốc cho chuyển động phức tạp

Một số ứng dụng có thể yêu cầu độ giảm tốc khác nhau Ví dụ, một để giảm tốc thường xuyên (lệnh dừng thường xuyên) và một để hoạt động khẩn cấp (lệnh dừng khẩn cấp) Trong trường hợp như vậy, dừng khẩn cấp giảm tốc có thể xác định yêu cầu của mômen cực đại

Hình sau đây miêu tả sự khác biệt giữa độ dốc chuyển động theo hình tam giác và hình thang do yêu cầu của mômen

Tăng tốc

Hình 2.2.3.3: Mômen trong quá trình chuyển động theo hình tam giác và hình thang

Cả hai cấu hình chuyển động sử dụng thời gian chu kỳ tổng giống nhau Tuy nhiên, chuyển động hình thang cần tỷ lệ tăng tốc/giảm tốc cao hơn và cần mômen lớn hơn

Độ dốc chuyển động hình thang sử dụng các thông số sau đây:

ta = td = 1s

tc = 2s

to = 1s

Vmax = 1000rpm = 16,67 rev/s Các thông số thu được là:

ttotal = 4s

amax = vmax / ta = 16,67 / 1 = 16,67 rev/sec2

quãng đường dịch chuyển, rad/s cho vận tốc và rad/s2 cho gia tốc (tăng và giảm tốc)

Các phương trình đối với chuyển động hình thang (2.2.4.1):

Các phương trình này có thể được tính bằng diện tích giữa các phần vận tốc với thời gian, đặc trưng cho quãng đường di chuyển được và độ dốc của các đoạn này chính là gia tốc Do đó các phương trình dựa trên các tính toán diện tích của hình chữ nhật, hình tam giác và các góc tương ứng

Thực tế, có những ứng dụng chuyển động đòi hỏi một chu kỳ tải phức tạp hơn, do đó phần xử lý chuyển động có quan hệ chặt chẽ với mômen tải Ví dụ: các chuyển động thẳng đứng, giới hạn Jerk (hay còn gọi là giới hạn giật hay đường cong S) sẽ được giải thích cụ thể hơn ở phần sau Để dễ hiểu chúng ta xây dựng các công thức cơ bản trước khi tìm hiểu các mô hình toán phức tạp hơn

2 2 5 ác p ƣơng trìn mô tả quá trình c uyển ộng

Thông số chưa

biết (ẩn)

Thông số đã biết

     

ax

m

 0, , t  max  0     t 

mịn màng hơn bằng cách giảm chấn động (thay đổi tỉ lệ) trong quá trình tăng tốc và giảm tốc

Với mục đích loại trừ chấn động cơ khí sinh ra khi tốc độ thay đổi và có thể dùng để giảm thiểu sự mài mòn, tối ưu chuyển động, giảm độ rung khi vận chuyển các chất lỏng, ngăn chặn việc đổ khi dịch chuyển các hộp trên băng chuyền, vv…

Giới hạn giật được định nghĩa là phần trăm của quá trình tăng tốc và giảm tốc, được tính bằng cách chia đều giữa khoảng thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc của quá trình Ví dụ, với một quá trình tăng tốc trong một giây và giới hạn giật

là 50% thì nó bao gồm 25% (từ 0 đến 0,25 giây) mở đầu và 25% cuối (từ 0,75 đến 1 giây) Giá trị 0 dùng cho gia tốc tuyến tính

Hình 2.2.6.1: Đường biểu diễn tốc độ và mômen

Vòng

Hình 2.2.6.2: Đường biểu diễn tốc độ và tăng tốc

Hình 2.2.6.2 mô tả sự khác nhau trong quá trình tăng tốc giữa gia tốc tuyến tính (không có giới hạn giật) và đường cong S (có giới hạn giật)

Giới hạn giật đòi hỏi trị số mômen lớn và dẫn đến việc chọn động cơ lớn hơn, nghĩa là các hệ số giật lớn hơn cần một mômen cực đại lớn hơn từ động cơ Ví

dụ, một quá trình có giới hạn giật 100% cần mômen đỉnh(gia tốc) gấp 2 lần so với mômen của quá trình tương tự nhưng có gia tốc tuyến tính

Các hình dưới đây đưa ra một so sánh các phần trăm giới hạn giật khác nhau dẫn đến các yêu cầu về mômen khác nhau:

Độ giật cực đại khi

không có giới hạn giật Độ giật cực tiểu khi có giới hạn giật (100%)

Tăng tốc Giảm tốc

Chú ý rằng giá trị 0% dẫn đến dạng chuyển động và mômen tuyến tính Mômen gián đoạn (đỉnh) trong trường hợp này không vượt quá 8 in-lbs

Hình 2.2.6.4: Giới hạn giật 50%

Tương tự ví dụ trên, nhưng giới hạn giật là 50%, các ảnh hưởng của giới hạn giật rất rõ rệt Mômen có dạng hình thang Cũng cần chú ý rằng mômen gián đoạn cần thiết cao hơn một chút so với hình trước, nghĩa là cao hơn 8 in-lbs

Hình 2.2.6.5: Giới hạn giật 100%

Hình 2.2.6.5 cho thấy ảnh hưởng của giới hạn giật 100% (sử dụng cùng một ứng dụng tương tự như hình trên) Chú ý rằng mômen có dạng hình tam giác, các mômen yêu cầu cao hơn đáng kể lên tới 11 in-lbs

Chúng ta thấy là ứng dụng mẫu trên đây cần một mômen không đổi khoảng

3 in-lbs Quan điểm trước đó nói rằng giới hạn giật 100% cần mômen cực đại gấp 2 lần so với gia tốc tuyến tính vẫn đúng

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, hình 2.2.6.6 giải thích nguyên nhân tại sao mômen gián đoạn cần phải cao hơn khi có giới hạn giật

Hình 2.2.6.6: Chuyển động thẳng và giới hạn giật Dạng chuyển động có giới hạn giật cần có tỉ lệ tăng tốc và giảm tốc cao hơn so với chuyển động tuyến tính và độ tăng tốc/giảm tốc cao hơn dẫn đến mômen cao hơn

Mẫu đường cong cho thấy dạng tốc độ với giới hạn giật 100%

Dựa vào hình 2.2.6.1.1, vận tốc cuối có thể tính được như sau:

Vòng /phút

ax

2

m f

   (Phương trình 2.2.6.1.1: Vận tốc cuối theo đường cong S)

vf : vận tốc cuối

amax : gia tốc cực đại

t: tổng thời gian tăng tốc

Tuy nhiên, để thành lập tất cả các phần trăm giới hạn giật có thể tồn tại chúng ta cần xem xét đường cong gia tốc khác Hình 2.2.6.1.2 miêu tả độ dốc gia tốc tổng quát

t1 : Thời gian tăng tốc

t2 : Thời gian gia tốc không đổi

t3 Thời gian giảm tốc

t1 = t3 = 0 Giới hạn giật = 0%

t2 = 0 Giới hạn giật = 100%

Hình 2.2.6.1.2: Độ dốc gia tốc đường cong S tổng quát

Hình 2.2.6.1.2 cho thấy độ dốc của gia tốc đặc trưng cho giới hạn giật 60% Như đã giải thích trước đó, tỉ lệ phần trăm được chia đều cho phần đầu và phần cuối của quá trình Ví dụ, một quá trình gia tốc diễn ra trong một giây và giới hạn giật là 60% thì 30% đầu tiên (từ 0 đến 0,3 giây) và 30% cuối cùng (0,7 đến 1 giây) của quá trình được tính là giới hạn giật Giá trị 0 dùng cho gia tốc tuyến tính

Dựa trên định nghĩa về phần trăm giật, có thể giả thiết rằng t1 và t3 bằng nhau Vận tốc cuối của độ dốc đường cong S trong trường hợp tổng quát được tính như sau:

Giả thiết tiếp theo là các kỹ sư điều khiển chuyển động có xu hướng xác định vận tốc cực đại cho một ứng dụng xác định và để tạo ra một dạng vận tốc, các phương trình cần cung cấp thông tin của vận tốc tại bất kỳ thời gian nào

Với vận tốc cuối cùng vf được biết và giả thiết rằng tỉ số độ dốc tăng tốc và giảm tốc cũng biết, chúng ta có thể tính gia tốc tối đa

ax

f m

Trong phần sau đây chúng ta nghiên cứu ba giai đoạn khác nhau của độ dốc gia tốc

• Gia tốc tăng (tăng tốc)

• Gia tốc không đổi

• Gia tốc giảm (giảm tốc)

1 Tăng tốc: 0 ≤ t ≤ t 1

Hình 2.2.6.1.3: Tính toán vận tốc trong thời gian tăng tốc

a.Tăng tốc tại bất kỳ thời điểm t:

b.Vận tốc vt tại bất kỳ thời điểm t:

2

m t

2 ax

1

2

m t

Hình 2.2.6.1.4: Tính vận tốc trong thời gian gia tốc không đổi

1 Gia tốc tại bất kỳ thời điểm t a a max

2 Thời gian điều chỉnh: t  t t1

3 Vận tốc vt tại bất kỳ thời điểm t: ax 1

Hình 2.2.6.1.5: Tính vận tốc trong thời gian giảm tốc

1.Tăng tốc tại bất kỳ thời điểm t ax