[Thảo luận] Động cơ và những thông tin cần biết

[Dương Trần]

Xin chào tất cả các bạn,
Như đã nêu ở trên, trong chủ đề này mình sẽ giới thiệu đến các bạn các loại động cơ điện thường dùng trong máy móc, thiết bị hiện nay. Việc lựa chọn, sử dụng động cơ hợp là một điều rất quan trọng trong mỗi hệ thống máy, thiết bị vì nó tác động trực tiếp đến hiệu quả, chức năng của hệ thống máy, thiết bị.
Nội dung chủ yếu mình muốn xoay quanh những ý sau:

1. Thông tin, kiến thức tổng quan về động cơ
2. Cách tính toán, lựa chọn
3. Các trường hợp áp dụng
4. Kinh nghiệm lựa chọn và xử lý vấn đề về động cơ
5. Cách điều khiển động cơ

Mình hy vọng những thông tin mình cung cấp trong chủ đề này sẽ giúp các bạn hiểu thêm hơn về động cơ. Mong nhận được sự quan tâm, trao đổi và chia sẻ của các bạn, các anh.

[Dương Trần]

P1: Tổng quan về động cơ điện

   Động cơ nói chung, thì được coi là thiết bị chuyển hóa năng lượng nào đó thành động năng (Wiki), ví dụ:

• Động cơ hơi nước, sử dụng nhiệt năng của hơi nước, chuyển hóa thành cơ năng
  
• Động cơ đốt trong sử dụng nhiệt năng từ xăng dầu Diesel để tạo ra chuyển động
  
• Động cơ điện sử dụng điện năng để tạo chuyển động
  
• ...
  

   Lướt qua một chút về lịch sử thì động cơ đã có từ thời xưa, những động cơ cổ xưa nhất sử dụng sức người (hoặc động vật, tự nhiên) để tạo chuyển động thông qua các cơ cấu như ròng rọc, cơ cấu tịnh tiến, guồng quay để tạo các dạng động năng khác nhau phục vụ đời sống.

   Dần dần, các dạng năng lượng mới được phát minh, khiến cho động cơ ngày càng khỏe và hiệu quả hơn. Động cơ cũng đóng vai trò lớn trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 1 và thứ 2. Và động cơ sử dụng năng lượng điện được xem là động cơ có hiệu suất cao nhất hiện nay (khoảng 90% - về tỷ lệ năng lượng sinh ra và năng lượng tiêu thụ), còn các động cơ khác, phần lớn năng lượng bị biến đổi thành các dạng khác.

   Trong ngành tự động hóa nói riêng và ngành cơ khí nói chung, động cơ điện là thiết bị gần như có mặt trong hầu hết các hệ thống tự động. Động cơ đóng vai trò chính trong việc tạo ra chuyển động trong các cơ cấu.
   Động cơ điện gồm các loại: AC-AC Servo, DC-DC Servo, Brushless DC và Brushed DC.
<còn tiếp>

Cảm ơn các bạn đã theo dõi!

[Lê Phát Viên]

Hi! Em rất hóng đến phần tính toán và lựa chọn động cơ, anh Dương ra bài viết tần suất cao hơn đi ạ 

[Dương Trần]

P1 - Tổng quan về động cơ điện (tiếp)

...
   Động cơ điện nói chung là máy điện (motor) dùng năng lượng điện sản sinh ra năng lượng cơ. Hầu hết các động cơ điện hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ.

   Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hoặc gắn nam châm vĩnh cửu. Khi cuộn dây trên rotor và stator được nối với nguồn điện, hiện tượng cảm ứng điện từ xuất hiện và làm quay trục rotor 

   Trong lĩnh vực tự động hóa và cơ khí, cả động cơ điên xoay chiều 3 pha, 1 pha và một chiều đều được sử dụng rộng rãi với tùy chức năng và điều kiện sử dụng.

   Động cơ điện 3 pha thường được sử dụng trong các khu công nghiệp, máy móc công nghiệp do điện lưới thường là ba pha và cho công suất cũng lớn hơn so với các động cơ còn lại, hơn nữa động cơ 3 pha có thể điều khiển tốc độ dễ dàng thông qua biến tần hơn so với động cơ 1 pha. Với cùng công suất thì động cơ 3 pha sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn. Ngoài ra, động cơ 3 pha sẽ có moment khởi động lớn hơn động 1 pha do động cơ 3 pha có thể sinh ra từ trường quay, trong khi động cơ 1 pha phải dùng tụ điện để khởi động.

   Động cơ điện một chiều sử dụng dòng điện một chiều để khởi động, nó có thể đạt được moment cực đại khi ở vận tốc nhỏ nên thường được sử dụng làm motor đề, khởi động để phụ trợ cho các hệ thống khác. Ví dụ như bộ đề trong xe máy, ô tô 

[Dương Trần]

Hi! Em rất hóng đến phần tính toán và lựa chọn động cơ, anh Dương ra bài viết tần suất cao hơn đi ạ 

E cùng tìm hiểu đi, rồi mọi người sẽ trao đổi thêm nhé. Phân tính toán và lựa chọn động cơ không phải đơn giản, cần nhiều kinh nghiệm lựa chọn thực tế và xử lý vấn đề. A cũng sẽ cố gắng thu thập thêm thông tin, kinh nghiệm để chia sẻ cùng ae.

[Dương Trần]

P3: Động cơ Servo - Part 1
_____
Xin chào mọi người, để tiếp tục chủ đề về động cơ, hôm nay mình sẽ giới thiệu về một trong những loại động cơ được áp dụng rất nhiều trong các cơ cấu tự động cần độ chính xác cao - Servo motor.

1. Định nghĩa Servo
     Theo các định nghĩa về Servo, cơ cấu "Servo" là thiết bị tự động có sử dụng cảm biến phản hồi để điều chỉnh hành động của cơ cấu. Nó thường bao gồm bộ đếm mã hóa (Encoder) đi kèm bên trong hoặc cơ cấu phản hồi vị trí (ví dụ cảm biến) để đảm bảo cơ cấu chấp hành đầu ra đạt được hiệu quả mong muốn. [1]

     Thuật ngữ này chỉ áp dụng một cách chính xác đối với những hệ thống mà các thông tin phản hồi hoặc các tín hiệu điều chỉnh sai số về vị trí cơ khí, tốc độ... Các cơ cấu Servo có thể dùng để điều khiển vị trí, tốc độ hay moment xoắn.

2. Động cơ Servo
     Một cơ cấu "Servo" có thể là một loại động cơ cụ thể được kết hợp với một bộ mã hóa quay hoặc tịnh tiến (Encoder), hoặc cũng có thể là chiết áp (biến trở) để trờ thành cơ cấu servo. Vì điều này mà động cơ Servo có nhiều loại: AC Servo, DC Servo,...
     Cấu hình của một động cơ Servo thường bao gồm: Động cơ servo, bộ khuếch đại servo, bộ điều khiển servo.

(Minh họa cơ cấu Servo. Nguồn: Realpar)

     Ví dụ với hình minh họa phía trên:
- Động cơ Servo gồm: Servo motor (kèm Encoder gắn phía đuôi) là động cơ AC hoặc DC.

- Bộ khuếch đại tín hiệu Servo: Amplifier (hay còn gọi là Servo Drive), có chức năng nhận tín hiệu lệnh từ bộ điều khiển, khuếch đại tín hiệu đó lên sau đó truyền đi dưới dạng tín hiệu điện tới động cơ Servo để tạo ra chuyển động tỷ lệ với tìn hiệu đầu vào nhằm điều khiển cơ cấu chấp hành theo mong muốn. Các cảm biến gắn trên cơ cấu sẽ báo vị trí thực của cơ cấu chấp hành, so với tín hiệu yêu cầu, từ đó đưa ra lệnh điều chỉnh hành động của động cơ. Thông thường, mỗi loại (dòng động cơ mỗi hãng) sẽ yều cầu loại Drive riêng. Tuy nhiên, cũng có những loại Drive có thể tương thích với nhiều loại động cơ.

- Cơ cấu chấp hành (Actuator): Cơ cấu chấp hành cho ví dụ trên là cơ cấu bàn di chuyển với bộ truyền trục vitme bi-đai ốc. 

     Động cơ Servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu đầu ra được nối với mạch điều khiển. Khi động cơ quay, thông tin về vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Các cơ cấu điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ Servo RC (Radio-controlled).

(Minh họa sơ đồ khối về mạch điều khiển kín của Servo. Nguồn: Internet)

3. Cấu tạo Động cơ Servo

(Minh họa về cấu tạo của động cơ Servo. Nguồn: Oriental Motor)

Cấu tạo chung của động cơ Servo gồm có:

1. Stator - Bộ phận cố định, chứa các cuộn dâu cảm ứng.

2. Winding - Các cuộn dây đồng có chức năng tạo ra từ trường

3. Bearing - Vòng bi

4. Shaft - Trục quay của động cơ

5. Rotor - Bộ phận chuyển động, gồm những nam châm lắp trên trục

6. Encoder - Bộ mã hóa giúp xác định vòng quay trục động cơ

7. Phanh

4. Ứng dụng động cơ Servo

a. Cần sự chính xác về vị trí

Khi cần có sự chính xác về vị trí cho trước của cơ cấu chấp hành, Servo motor sẽ được sử dụng. Ví dụ các trường hợp:

Ảnh 1: Các robot vận chuyển trong các nhà kho thông minh, dùng Sevo để truyền động, đưa hàng hóa đến vị trí mong muốn trên các giá kệ...

Ảnh 2: Dùng Servo ở các trục trong máy CNC giúp điều khiển tọa độ phôi theo mong muốn

b. Cần sự chính xác về tốc độ

Khi cần sự chính xác về tốc độ, hoặc có thể điều khiển tốc độ theo ý muốn, ví dụ: điều khiển tốc độ băng tải trong dây chuyền sản xuất

c. Cần sự chính xác về moment

Khi cần điều khiển về moment của trục động cơ, có thể sử dụng Servo motor để điều khiển. 

[Dương Trần]

Động cơ Servo - Part 2
_____
Chào mọi người, hôm nay mình sẽ thảo luận về một số điểm cần lưu ý khi lựa chọn động cơ Servo. Mong các bạn, các anh có kinh nghiệm về lựa chọn, sử dụng động cơ sẽ cùng thảo luận để chủ đề này có ý nghĩa.

I. Điều kiện làm việc hiệu quả của động cơ
1. Mức quán tính cho phép (Permissible Inertia)
   - Là mức quán tính cho phép được chỉ định dành cho động cơ Servo để điều khiển ổn định. Quán tính của động cơ Servo phải lớn giá trị tính toán của tải trọng.
   - Quán tính tải trọng (Jl) bằng tổng các quán tính thành phần.
   - Quán tính là đại lượng biểu thị cho khả năng chống lại sự thay đổi chuyển động của vật (còn gọi là tính ì). Tính chất này của vật đặc trưng cho xu hương giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động đều (được miêu tả trong định luật I Newton). Quán tính gắn liền với khối lượng của vật, một vật có khôi lượng lớn thì mức quán tính lớn và cần có lực lớn để làm thay đổi chuyển động của nó.
   - Trong bất kỳ hệ thống mà động cơ điều khiển tải trọng đạt đến vị trí, tốc độ và moment chính xác, thì tỷ số giữa quán tính của tải trọng và động cơ đóng vai trò quan trọng để xác định khả năng đáp ứng của động cơ có đủ để điều khiển tải trọng hay không, đặc biệt trong quá trình khởi động (tăng tốc) và giảm tốc.

Hình 1: Một số công thức tính quán tính các hệ dẫn động. Nguồn: Internet.

2. Moment xoắn định mức của động cơ (Rated Torque)
   - Đây là thông số chỉ thỉ mức moment xoắn tham chiếu mà động cơ có thể hoạt động trong phạm vi dài. Theo tài liệu từ Oriental Motor, để động cơ hoạt động hiệu quả, thì moment định mức phải lớn gấp từ 1.5 - 2 lần moment xoắn do tải trọng gây ra. Còn theo Panasonic, trong tài liệu hướng dẫn thì họ khuyên nên chọn động cơ sao cho moment tải bằng hoặc ít hơn 80% so với moment định mức của động cơ.

3. Moment xoắn tức thời tối đa 
   - Momen xoắn tức thời tối đa (Max Instantaneous hoặc Peak Torque) là đại lượng chỉ thị moment xoắn lớn nhất mà động cơ có thể tải được, thường là thời điểm tăng tốc và giảm tốc. Giá trị Tmax của tải trọng (khi tăng hoặc giảm tốc) không nên vượt quá 80% giá trị Moment xoắn lớn nhất của động cơ.
   - 

4. Moment xoắn tải trọng hiệu quả (Effective Load Torque hoặc Trms)
   - Motor có thể được điều khiển khi hệ số an toàn tải trọng hiệu quả, là tỷ số giữa moment xoắn định mức và moment tải trọng hiệu quả bằng 1.5 ~2 hoặc hơn.

5. Điện áp
   - Tùy thuộc vào điện lưới nhà máy mà sử dụng động cơ DC, AC sao cho phù hợp

II. Tóm tắt quy trình lựa chọn động cơ Servo (theo hướng dẫn của hãng Oriental)
► Bước 1:  Một số thông số quan trọng cần thiết để lựa chọn động cơ: 

   - Các thông số từ 1-5 có được bằng cách "dịch" từ yêu cầu thiết kế về sản lượng, sai số cho phép, khối lượng tải,v...v

   - Các thông số 6, 7 có được từ việc lựa chọn hệ dẫn động, các bộ phận trong bộ truyền.

► Bước 2: Tính độ phân giải yêu cầu của động cơ

   - Bước này tính độ chính xác của động cơ (cũng có nghĩa độ chia nhỏ nhất mà Ecoder có thể đọc được). Giả sử độ chính xác yêu cầu tính toán là 0.72  , như vậy độ chính của động cơ cần phải đạt là 0,36 độ. 

   - Tùy theo mỗi bộ truyền, công thức tính sẽ khác nhau, ví dụ với bộ truyền Vitme-đai ốc:

                         Độ phân giải = (360*Độ chính xác nhỏ nhất)/Bước vít

► Bước 3: Xác định mô hình vận hành

  - Bước này xác định thời gian hoạt động, thời gian dừng, thời gian tăng, giảm tốc mà động cơ sẽ tuân theo

  - Tính sơ bộ vận tốc của động cơ

  - Vẽ đồ thị hoạt động của động cơ 

 

► Bước 4: Tính moment xoắn tác dụng lên trục động cơ

  - Một số công thức tính với các bộ truyền thường dùng:

► Bước 5: Tính quán tính bộ truyền

► Bước 6: Lựa chọn sơ bộ động cơ

► Bước 7: Tính moment xoắn tăng-giảm tốc

► Bước 8: Tính moment xoắn yêu cầu

   - Moment xoắn yêu cầu là moment tính toán lớn nhất có thể gây ra trên trục động cơ khi tăng hoặc giảm tốc:

   - Theo Oriental, Tm = Ta + Tl, trong đó:
                                        Tm: moment xoắn yêu cầu

                                        Ta: moment tăng tốc

                                        Tl: moment tải trọng

    

► Bước 9: Tính moment xoắn tải trọng hiệu quả

   - Cách tính momnet tải trọng hiệu quả:

   

   Trong đó: 

t1 - thời gian tăng tốc

t2 - thời gian hoạt động

t3 - thời gian giảm tốc

t4 - thời gian dừng

tf - chu kỳ hoạt động