Tính Toán Tốc Độ Yêu Cầu Chính Xác (N max) – Chìa Khóa Tối Ưu Hóa Động Cơ Servo

Trong thế giới tự động hóa chính xác, việc tính toán tốc độ yêu cầu (N max) là bước kỹ thuật cơ bản, định hình toàn bộ quá trình chọn kích cỡ servo (Sizing). N max chính là vận tốc quay tối đa mà động cơ servo cần đạt được để hoàn thành nhiệm vụ chu kỳ trong thời gian quy định của dây chuyền sản xuất công nghiệp. Bất kỳ sai sót nào trong việc tính toán tốc độ yêu cầu đều có thể dẫn đến lỗi hệ thống, giảm tuổi thọ thiết bị và gia tăng chi phí vận hành.

1. Nền Tảng Kỹ Thuật: Hiểu Về Hồ Sơ Chuyển Động (Motion Profile)

Mọi chuyển động trong hệ thống động cơ servo trong sản xuất công nghiệp đều được thực hiện theo một quy trình định sẵn, được gọi là Hồ sơ Chuyển động (Motion Profile). Đây là biểu đồ thể hiện sự thay đổi của Vị trí (Position), Vận tốc (Velocity), và Gia tốc (Acceleration) theo thời gian. Việc tính toán tốc độ yêu cầu N max không thể tách rời khỏi việc phân tích hồ sơ chuyển động này.

1.1. Các Loại Hồ sơ Chuyển động Phổ Biến

Trong tự động hóa, có hai dạng Hồ sơ chuyển động chính được sử dụng:

Dạng Hình Thang (Trapezoidal Profile): Đây là dạng cơ bản nhất, trong đó gia tốc và giảm tốc được thực hiện tức thời.

• Ưu điểm: Đạt tốc độ N max nhanh nhất, thời gian chu kỳ ngắn nhất.
• Nhược điểm: Sự thay đổi gia tốc tức thời tạo ra một lực giật cơ học lớn (Jerk), gây rung động và mài mòn cơ khí nghiêm trọng, đặc biệt trong các ứng dụng tải nặng hoặc tốc độ cao.

Dạng Đường Cong S (S-Curve Profile): Hồ sơ chuyển động hiện đại và tiên tiến hơn, được tạo ra bằng cách làm mịn (ramping) quá trình gia tốc và giảm tốc.

• Ưu điểm: Kiểm soát Jerk (lực giật) một cách hiệu quả, giảm thiểu rung động, giảm căng thẳng cơ học lên hộp số và khớp nối. Đây là lựa chọn tối ưu cho các hệ thống yêu cầu độ chính xác và độ bền cao.
• Nhược điểm: Cần thêm một chút thời gian cho việc tăng và giảm gia tốc, khiến tổng thời gian chu kỳ (T cycle) có thể dài hơn một chút so với Trapezoidal.

Mặc dù S-Curve mang lại lợi ích về độ mịn, nguyên tắc tính toán tốc độ yêu cầu N max vẫn dựa trên việc xác định quãng đường di chuyển và tổng thời gian vận hành.

1.2. Phân Tích Các Pha Chuyển Động và Thời Gian Vận Hành

Mọi hồ sơ chuyển động đều bao gồm bốn pha thời gian chính, tổng hợp lại tạo thành Thời gian Chu kỳ Tổng (T cycle):

• Thời gian Tăng tốc (t accel): Khoảng thời gian để động cơ servo tăng tốc từ vận tốc ban đầu (thường là 0) lên tốc độ yêu cầu N max.
• Thời gian Vận tốc Ổn định (t const): Khoảng thời gian động cơ servo duy trì vận tốc N max.
• Thời gian Giảm tốc (t decel): Khoảng thời gian để giảm tốc độ từ N max về vận tốc cuối (thường là 0).
• Thời gian Dừng nghỉ (t dwell/t stop): Khoảng thời gian motor dừng hẳn, chờ đợi thao tác tiếp theo (ví dụ: chờ robot gắp sản phẩm).

Công thức Thời gian Chu kỳ Tổng (Cycle Time): T_cycle = t_accel + t_const + t_decel + t_dwell Để tính toán tốc độ yêu cầu N max, chúng ta cần xác định Thời gian Vận hành (Running Time), là tổng thời gian mà motor thực sự di chuyển tải: T_vận hành = T_cycle – t_dwell Trong thực tế, do N max là một ẩn số, chúng ta thường phải đặt trước tỷ lệ t accel : t const : t decel (ví dụ: 10% : 80% : 10%) và sử dụng công thức tính toán tốc độ yêu cầu để kiểm tra tính hợp lý của tỷ lệ đó.

2. Phương Pháp Tính Toán Tốc Độ Yêu Cầu (N max) Chi Tiết

Quá trình tính toán tốc độ yêu cầu N max phải xem xét loại cơ cấu truyền động được sử dụng, vì nó quyết định cách vận tốc tuyến tính (m/s) được quy đổi thành vận tốc quay (RPM) của trục động cơ servo.

2.1. Tính N max cho Hệ thống Vít Me Bi (Ball Screw)

Hệ thống vít me bi là cơ cấu truyền động tuyến tính phổ biến nhất trong các máy CNC và bàn trượt định vị chính xác. Trong trường hợp này, việc tính toán tốc độ yêu cầu phụ thuộc vào “Bước vít me” (Pitch – P), là quãng đường tải di chuyển sau một vòng quay của vít me.

Các thông số cần thiết:

• D: Quãng đường di chuyển yêu cầu (đơn vị: mét – m).
• P: Bước vít me (đơn vị: mét/vòng – m/rev).
• T vận hành: Thời gian motor thực hiện chuyển động (đơn vị: giây – s).

Công thức tính toán tốc độ yêu cầu (N max) tại trục vít me: Motor cần hoàn thành D/P số vòng quay trong T_vận hành giây. N_max (trục vít me) = (D / (P x T_vận hành)) x 60

• D/P: Tổng số vòng quay cần thiết để đi hết quãng đường D.
• 1/T_vận hành: Vận tốc trung bình (vòng/giây).
• Nhân với 60: Quy đổi từ vòng/giây sang vòng/phút (RPM).

Ảnh hưởng của Gearbox (Hộp Giảm Tốc): Nếu có Gearbox với Tỉ số truyền G (ví dụ: G = 5:1), tốc độ quay của trục động cơ servo sẽ phải lớn hơn tốc độ của trục vít me G lần: N_max (motor) = N_max (trục vít me) x G = ((D x G) / (P x T_vận hành)) x 60

Ví dụ thực tế: Giả sử cần di chuyển D = 0.5 mét (500mm), với P = 0.01 mét (10mm/vòng), và T_vận hành = 1 giây. Nếu G = 1 (truyền động trực tiếp): N_max = (0.5 x 1) / (0.01 x 1) x 60 = 3000 RPM. Nếu G = 5 (sử dụng Gearbox 5:1): N_max (motor) = (0.5 x 5) / (0.01 x 1) x 60 = 15000 RPM.

Lưu ý quan trọng: Đây là tốc độ trung bình, không phải tốc độ đỉnh (N max) thực tế trong hồ sơ chuyển động dạng hình thang, vì công thức trên giả định vận tốc là hằng số. Để tính toán tốc độ yêu cầu N max thực tế (khi có pha tăng tốc và giảm tốc), chúng ta cần điều chỉnh công thức: N_max (thực tế) = N_max (trung bình) x T_vận hành / (T_vận hành – (t_accel + t_decel) / 2) Tuy nhiên, trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, công thức đơn giản hóa vẫn thường được sử dụng để ước lượng nhanh. Việc tính toán tốc độ yêu cầu chi tiết phải dựa trên tỉ lệ thời gian đã phân bổ.

2.2. Tính N max cho Hệ thống Đai Răng/Puli (Belt & Pulley)

Hệ thống đai răng (timing belt) thường được sử dụng trong các ứng dụng di chuyển tải nhẹ, cần quãng đường dài và tốc độ cao. Nguyên lý tính toán tốc độ yêu cầu tương tự như vít me bi, nhưng thay thế Bước vít me bằng Chu vi Puli (C puli).

Các thông số cần thiết:

• D: Quãng đường di chuyển (mét – m).
• C puli: Chu vi của puli (đơn vị: mét – m), thường được tính bằng 2 x pi x R_puli.

Công thức tính toán tốc độ yêu cầu (N max) tại trục puli: N_max (trục puli) = (D / (C_puli x T_vận hành)) x 60

Sự khác biệt và Rủi ro: Trong hệ thống đai răng, độ chính xác có thể bị ảnh hưởng bởi độ giãn của đai và hiện tượng trượt đai (belt slip) nếu hệ thống không được căn chỉnh đủ căng. Khi tính toán tốc độ yêu cầu cho động cơ servo loại này, kỹ sư phải đảm bảo rằng tốc độ không vượt quá giới hạn an toàn của đai để tránh trượt, điều này làm giảm độ chính xác vị trí. Giống như vít me, phải áp dụng tỉ số truyền Gearbox nếu có.

2.3. Tính N max cho Chuyển Động Quay (Rotary Indexing)

Trong các ứng dụng phân chia (indexing), chẳng hạn như bàn xoay robot hoặc bộ chia độ, chuyển động được xác định bằng góc (độ hoặc radian).

Các thông số cần thiết:

• Góc xoay yêu cầu: Quãng đường góc cần di chuyển (đơn vị: Độ – Degree).
• T vận hành: Thời gian motor thực hiện chuyển động (giây – s).
• Tỉ số truyền tải: Tỉ số giữa trục motor và tải (Load).

Công thức tính toán tốc độ yêu cầu (N max): Đầu tiên, quy đổi quãng đường góc sang số vòng quay: Số vòng = Góc xoay / 360. N_max (motor) = (Góc xoay yêu cầu / (360 x T_vận hành)) x 60 x G

• Lưu ý: G là Tỉ số truyền từ motor đến trục tải.

3. Mối Quan Hệ Giữa N max và Việc Chọn Kích Cỡ Servo

Kết quả tính toán tốc độ yêu cầu (N max) là một trong ba thông số đầu vào quan trọng nhất, cùng với Mô-men xoắn Liên tục (T rms) và Mô-men xoắn Đỉnh (T peak), để chọn kích cỡ servo phù hợp. N max có mối quan hệ trực tiếp và phức tạp với hai đại lượng Mô-men xoắn còn lại.

3.1. Tác động của N max lên Mô-men xoắn Đỉnh (T peak)

Mô-men xoắn Đỉnh (Peak Torque – T peak) là Mô-men xoắn cần thiết để motor tăng tốc (T accel) và giảm tốc (T decel). Nó được xác định bởi định luật cơ học: T = J x alpha, trong đó J là tổng quán tính và alpha là Gia tốc góc.

• N max và Gia tốc góc (alpha): Gia tốc góc (alpha) là tốc độ thay đổi vận tốc quay, được tính bằng: alpha = Delta Vận tốc / Delta Thời gian = (N_max x 2 x pi / 60) / t_accel Rõ ràng, nếu tốc độ yêu cầu N max càng cao, thì Gia tốc góc alpha (đơn vị rad/s²) cần thiết để đạt tốc độ đó trong một khoảng thời gian t accel nhất định sẽ càng lớn.
• Hệ quả: T_accel = (J_motor + J_load quy đổi) x alpha N max cao -> alpha cao -> T accel cao -> T peak cao.

Nếu tính toán tốc độ yêu cầu N max quá cao, T peak yêu cầu có thể vượt quá khả năng cung cấp Mô-men xoắn Đỉnh tức thời của motor (T motor, peak), dẫn đến lỗi hệ thống hoặc motor không thể hoàn thành hồ sơ chuyển động đúng thời gian. Do đó, tính toán tốc độ yêu cầu chính xác là nền tảng để tránh việc phải chọn một động cơ servo quá lớn và đắt tiền.

3.2. Mối liên hệ gián tiếp với Tỷ lệ Quán tính (Inertia Ratio – IR)

Tỷ lệ Quán tính (IR) là tỷ lệ giữa Quán tính tải đã quy đổi (J_load quy đổi) và Quán tính động cơ (J_motor): IR = J_load quy đổi / J_motor.

• Sự ràng buộc của N max: Trong nhiều trường hợp, để giữ cho N max (motor) nằm trong phạm vi tốc độ định mức (ví dụ: dưới 3000 RPM), kỹ sư phải sử dụng Gearbox với Tỉ số truyền G lớn. Tuy nhiên, nếu tốc độ yêu cầu N max ban đầu đã rất cao, kỹ sư có thể bị buộc phải chọn một Gearbox có tỉ số truyền G nhỏ.
• Hệ quả đối với IR: Khi tỉ số truyền G nhỏ, Quán tính tải quy đổi về trục motor (J_load quy đổi / G^2) sẽ lớn hơn so với khi dùng tỉ số truyền G lớn. Điều này làm tăng tử số của IR, dẫn đến Tỷ lệ Quán tính cao hơn. Tỷ lệ Quán tính cao (thường > 10:1) là nguyên nhân chính gây ra rung động và làm giảm độ cứng vững của hệ thống, khiến việc điều chỉnh (Tuning) động cơ servo trở nên cực kỳ khó khăn.

Tóm lại, tính toán tốc độ yêu cầu N max không chỉ ảnh hưởng đến Mô-men xoắn, mà còn gián tiếp quyết định sự ổn định và khả năng điều khiển của toàn bộ hệ thống thông qua việc ràng buộc lựa chọn Gearbox.

3.3. Động cơ Servo và Vận hành Tốc độ Cao

Khi tốc độ yêu cầu N max vượt qua tốc độ định mức của motor, động cơ servo sẽ hoạt động trong vùng suy giảm Mô-men xoắn (Field Weakening Region).

• Vùng Tốc độ Định mức: Trong vùng này, motor có thể cung cấp Mô-men xoắn Liên tục (T motor, cont) tối đa.
• Vùng Vượt Tốc độ Định mức: Khi N motor > N định mức (ví dụ: N max > 3000 RPM), Mô-men xoắn tối đa mà motor có thể cung cấp sẽ bắt đầu giảm mạnh.
• Rủi ro: Nếu tính toán tốc độ yêu cầu N max cao, motor sẽ mất đi khả năng tạo ra T peak cần thiết để tăng tốc hoặc T rms cần thiết để hoạt động liên tục. Kỹ sư phải kiểm tra biểu đồ đặc tuyến Mô-men xoắn-Tốc độ (Torque-Speed Curve) của động cơ servo đã chọn để đảm bảo rằng T peak và T rms yêu cầu vẫn nằm dưới giới hạn của motor tại tốc độ yêu cầu N max.

4. Kết Luận

Quá trình tính toán tốc độ yêu cầu (N max) là xương sống trong toàn bộ quy trình chọn kích cỡ servo. Bằng cách hiểu rõ cơ chế quy đổi từ chuyển động tuyến tính sang quay, phân tích sâu hồ sơ chuyển động, và kiểm soát chặt chẽ các giới hạn cơ khí, kỹ sư có thể đảm bảo động cơ servo hoạt động không chỉ với hiệu suất tối đa mà còn với tuổi thọ lâu dài. Việc liên kết chính xác tính toán tốc độ yêu cầu với Mô-men xoắn Đỉnh và Tỷ lệ quán tính là yếu tố quyết định sự ổn định và độ chính xác của mọi Động cơ Servo trong sản xuất công nghiệp.