Giải thích chi tiết: Chọn động cơ bước cho trục vít me / đai

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

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 hiệu	Ý nghĩa	Đơn vị	Lấy số liệu ở đâu
mech	Cơ cấu: vít me hay đai	–	Thiết kế trục
m, μ, θ, FA	Khối lượng, hệ số ma sát, góc nghiêng, lực ngoài	kg, –, °, N	Mô hình 3D; ray bi HIWIN, THK
Ph, ds, Ls	Bước, đường kính, chiều dài vít me	mm	Catalogue vít me
Dp, Jp	Đường kính puly và quán tính puly + đai	mm, kg·m²	Catalogue Misumi, Gates
η	Hiệu suất cơ cấu	–	0,9
l, t0, t1	Quãng đường định vị; thời gian định vị; thời gian tăng (= giảm) tốc	mm, s	Yêu cầu nhịp máy
θs	Góc bước	°	2 pha 1,8°; 5 pha 0,72° (không tính vi bước)
f1	Tần số khởi động (tốc độ ban đầu)	Hz	Thường 0 hoặc vài trăm Hz
J0, Tpo	Quán tính rotor; mô-men kéo (pull-out) tại tốc độ làm việc	kg·m², Nm	Catalogue Oriental Motor PKP/AZ, Autonics, Leadshine: đọc đường đặc tính tốc độ – mô-men
Sf	Hệ 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

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:

TT	Đại lượng	Ký hiệu	Giá trị	Đơn vị	Ghi chú / nguồn
1	Cơ cấu	mech	Vít me
2	Khối lượng di chuyển	m	10	kg
3	Hệ số ma sát	μ	0,05
4	Góc nghiêng	θ	0	°
5	Lực ngoài	FA	0	N
6	Bước vít me	Ph	10	mm
7	Đường kính vít	ds	12	mm
8	Chiều dài vít	Ls	400	mm
9	Đường kính puly (đai)	Dp	30	mm
10	Quán tính puly + đai	Jp	1e-05	kg·m²
11	Hiệu suất	η	0,9
12	Quãng đường định vị	l	100	mm
13	Thời gian định vị	t0	1	s
14	Thời gian tăng (= giảm) tốc	t1	0,1	s
15	Góc bước	θs	1,8	°	2 pha: 1,8° ; 5 pha: 0,72°
16	Tần số khởi động	f1	0	Hz
17	Quán tính rotor	J0	4e-05	kg·m²	60 mm 2 pha ≈ 4·10⁻⁵
18	Mô-men kéo (pull-out) tại tốc độ làm việc	Tpo	0,8	Nm	Đọc đặc tính catalogue
19	Hệ số an toàn	Sf	2		1,5–2 (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:

TT	Đại lượng	Ký hiệu	Kết quả	Đơn vị	Công thức / cách tính
20	Quãng đường 1 vòng	lead	10	mm
21	Số xung định vị	A	2 000	xung	A = l/(quãng đường 1 vòng)·360/θs
22	Tần số xung làm việc	f2	2 222	Hz	f2 = (A − f1·t1)/(t0 − t1)
23	Tốc độ động cơ	N	666,7	v/ph	N = f2·θs/6
24	Lực cản	F	4,91	N	F = FA + m·g·(sinθ + μcosθ)
25	Mô-men tải	TL	0,00867	Nm	TL = F·Ph/(2πη) (đai: F·D/(2η))
26	Quán tính tải	JL	3,17e-05	kg·m²	Vít: πρL·d⁴/32 + m(Ph/2π)² ; đai: m(D/2)² + Jpuly
27	Tỉ số quán tính JL/J0	ratio	0,793		Nên ≤ 10 (vượt 30 → dùng hộp số)
28	JL/J0 ≤ 10	Kiểm tra	ĐẠT
29	Mô-men gia tốc	Ta	0,0501	Nm	Ta = (J0 + JL)·(π·θs/180)·(f2 − f1)/t1
30	MÔ-MEN YÊU CẦU	TM	0,117	Nm	TM = (TL + Ta)·Sf
31	Mô-men kéo ≥ yêu cầu	Kiểm tra	ĐẠT

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.