Động cơ bước

TB17Oriental Motor – Motor Sizing Calculations (Technical Reference)

Số xung, tần số xung làm việc, mô-men tải, mô-men gia tốc và mô-men yêu cầu (× hệ số an toàn) – so với đường đặc tính kéo (pull-out) của động cơ.

Giải thích chi tiết

Bài toán dùng để làm gì

Động cơ bước rẻ, dễ điều khiển bằng xung từ PLC, phù hợp cho trục định vị nhẹ: cữ chặn tự động, trục chỉnh độ cao súng hàn, bàn xoay nhỏ. Nhưng động cơ bước không có phản hồi: nếu thiếu mô-men nó sẽ ‘trượt bước’ và sai vị trí mà không báo lỗi. Bài toán tính số xung, tần số xung, mô-men tải, mô-men gia tốc và mô-men yêu cầu có hệ số an toàn để so với đường đặc tính kéo của động cơ.

Hình dung đơn giản

Hãy tưởng tượng

Động cơ bước giống người đi theo nhịp trống: mỗi tiếng trống (một xung) bước đúng một bước nhỏ (1,8°). Trống đánh càng nhanh thì đi càng nhanh, nhưng nếu bắt người đó vác nặng lại đi nhanh quá thì sẽ lỡ nhịp (trượt bước) và đứng sai chỗ. Vì vậy phải chừa dư mô-men gấp 1,5–2 lần.

Kiến thức nền cần có

Đọc lại các mục sau ở Chương 0 nếu chưa nắm chắc: 0.4 mô-men · 0.10 ma sát · 0.11 chuyển động quay · 0.13 quán tính · 0.7 hệ số an toàn

Các đại lượng và lấy số liệu ở đâu

Ký hiệuÝ nghĩaĐơn vịLấy số liệu ở đâu
mechCơ cấu: vít me hay đai–Thiết kế trục
m, μ, θ, FAKhối lượng, hệ số ma sát, góc nghiêng, lực ngoàikg, –, °, NMô hình 3D; ray bi HIWIN, THK
Ph, ds, LsBước, đường kính, chiều dài vít memmCatalogue vít me
Dp, JpĐường kính puly và quán tính puly + đaimm, kg·m²Catalogue Misumi, Gates
ηHiệu suất cơ cấu–0,9
l, t0, t1Quãng đường định vị; thời gian định vị; thời gian tăng (= giảm) tốcmm, sYêu cầu nhịp máy
θsGóc bước°2 pha 1,8°; 5 pha 0,72° (không tính vi bước)
f1Tần số khởi động (tốc độ ban đầu)HzThường 0 hoặc vài trăm Hz
J0, TpoQuán tính rotor; mô-men kéo (pull-out) tại tốc độ làm việckg·m², NmCatalogue Oriental Motor PKP/AZ, Autonics, Leadshine: đọc đường đặc tính tốc độ – mô-men
SfHệ số an toàn–Oriental Motor: 1,5–2

Xây dựng công thức từng bước

Công thức tổng quát không “từ trên trời rơi xuống”: nó được ghép từ những công thức con đơn giản. Đi lần lượt từng bước:

Bước 1. Số xung định vị

Quãng đường chia quãng đường mỗi vòng ra số vòng, nhân số bước mỗi vòng (360/θs):


A = l / (Ph hoặc π·Dp) · 360/θs

Bước 2. Tần số xung làm việc và tốc độ

Với biên dạng hình thang (tăng tốc – chạy đều – giảm tốc), tần số ở đoạn chạy đều là:


f2 = (A − f1·t1)/(t0 − t1) ; N = f2·θs/6

Bước 3. Mô-men tải

Lực cản quy về trục động cơ:


F = FA + m·g·(sinθ + μ·cosθ) ; TL = F·Ph/(2π·η)

Bước 4. Quán tính tải và tỉ số quán tính

Quán tính vít me cộng khối lượng quy đổi; tỉ số với rotor nên ≤ 10:


JL = π·ρ·Ls·ds⁴/32 + m·(Ph/2π)² ; JL/J0 ≤ 10

Bước 5. Mô-men gia tốc

Mô-men để tăng tần số từ f1 lên f2 trong thời gian t1:


Ta = (J0 + JL)·(π·θs/180)·(f2 − f1)/t1

Bước 6. Mô-men yêu cầu

Cộng hai phần rồi nhân hệ số an toàn; so với mô-men kéo đọc trên đặc tính tại tốc độ N:


TM = (TL + Ta)·Sf ≤ Tpo

Hình TB17.2 – Sơ đồ hình thành công thức: số liệu → từng công thức con → kết luận
Hình TB17.2 – Sơ đồ hình thành công thức: số liệu → từng công thức con → kết luận

Lời giải mẫu từng bước (số liệu mẫu của công cụ tính ở đầu trang)

Bước A – Số liệu đầu vào (ô vàng của công cụ tính). Đây là bộ số ví dụ có sẵn; khi làm thật bạn thay bằng số của mình:

TTĐại lượngKý hiệuGiá trịĐơn vịGhi chú / nguồn
1Cơ cấumechVít me
2Khối lượng di chuyểnm10kg
3Hệ số ma sátμ0,05
4Góc nghiêngθ0°
5Lực ngoàiFA0N
6Bước vít mePh10mm
7Đường kính vítds12mm
8Chiều dài vítLs400mm
9Đường kính puly (đai)Dp30mm
10Quán tính puly + đaiJp1e-05kg·m²
11Hiệu suấtη0,9
12Quãng đường định vịl100mm
13Thời gian định vịt01s
14Thời gian tăng (= giảm) tốct10,1s
15Góc bướcθs1,8°2 pha: 1,8° ; 5 pha: 0,72°
16Tần số khởi độngf10Hz
17Quán tính rotorJ04e-05kg·m²60 mm 2 pha ≈ 4·10⁻⁵
18Mô-men kéo (pull-out) tại tốc độ làm việcTpo0,8NmĐọc đặc tính catalogue
19Hệ số an toànSf21,5–2 (Oriental Motor)

Bước B – Tính lần lượt (web tự tính, bạn có thể bấm tay để kiểm tra lại). Dòng xanh lá là kết quả chính:

TTĐại lượngKý hiệuKết quảĐơn vịCông thức / cách tính
20Quãng đường 1 vònglead10mm
21Số xung định vịA2 000xungA = l/(quãng đường 1 vòng)·360/θs
22Tần số xung làm việcf22 222Hzf2 = (A − f1·t1)/(t0 − t1)
23Tốc độ động cơN666,7v/phN = f2·θs/6
24Lực cảnF4,91NF = FA + m·g·(sinθ + μcosθ)
25Mô-men tảiTL0,00867NmTL = F·Ph/(2πη) (đai: F·D/(2η))
26Quán tính tảiJL3,17e-05kg·m²Vít: πρL·d⁴/32 + m(Ph/2π)² ; đai: m(D/2)² + Jpuly
27Tỉ số quán tính JL/J0ratio0,793Nên ≤ 10 (vượt 30 → dùng hộp số)
28JL/J0 ≤ 10Kiểm traĐẠT
29Mô-men gia tốcTa0,0501NmTa = (J0 + JL)·(π·θs/180)·(f2 − f1)/t1
30MÔ-MEN YÊU CẦUTM0,117NmTM = (TL + Ta)·Sf
31Mô-men kéo ≥ yêu cầuKiểm traĐẠT

Bước C – Kết luận ví dụ

Kết quả chính: Tần số xung làm việc = 2 222 Hz; Tốc độ động cơ = 666,7 v/ph; MÔ-MEN YÊU CẦU = 0,117 Nm.

Kiểm tra: JL/J0 ≤ 10: ĐẠT; Mô-men kéo ≥ yêu cầu: ĐẠT.

Nếu đổi số liệu ở ô vàng, mọi kết quả tự tính lại. Ô nào báo KHÔNG ĐẠT thì xem mục Áp dụng thực tế bên dưới để biết cần sửa gì.

Áp dụng thực tế và lưu ý

  • Đọc Tpo trên đường cong pull-out ở đúng tốc độ N (v/ph) hoặc tần số f2 với đúng điện áp driver; mô-men động cơ bước giảm mạnh khi tốc độ tăng.
  • Nếu KHÔNG ĐẠT: tăng thời gian tăng tốc t1, dùng driver điện áp cao hơn (24 V → 48 V giữ mô-men ở tốc độ cao tốt hơn), chọn khung lớn hơn, hoặc chuyển sang động cơ bước có encoder (closed-loop, ví dụ Oriental Motor AZ).
  • Tỉ số quán tính vượt 30: thêm hộp số; động cơ bước rất nhạy với quán tính lớn.
  • Tránh dải tốc độ cộng hưởng (thường 100–200 Hz với 2 pha): dùng vi bước hoặc tăng tốc nhanh qua dải này.
  • Lỗi hay gặp: không nhân hệ số an toàn; dùng mô-men giữ (holding torque) trong catalogue thay vì mô-men kéo ở tốc độ làm việc.

← TB16 Chọn servo / động cơ bước  ·  TB18 Động cơ băng tải →

Lên đầu trang