Chọn động cơ là quyết định sớm nhất và khó sửa nhất trong thiết kế robot. Chọn sai thì mọi thứ phía sau đều phải bù, và thường bù không nổi.
Ba họ động cơ chính
Động cơ bước. Quay theo từng bước rời rạc. Biết vị trí mà không cần cảm biến, miễn không bị trượt bước. Rẻ, dễ điều khiển. Mô-men giảm mạnh khi tốc độ tăng, và khi quá tải thì trượt bước âm thầm — hệ thống tưởng đang ở một vị trí trong khi thực tế ở vị trí khác.
Động cơ servo có chổi than. Quay liên tục, có phản hồi vị trí. Điều khiển đơn giản, mô-men khởi động tốt. Chổi than mòn nên phải bảo trì, và sinh tia lửa nên không dùng ở môi trường dễ cháy.
Động cơ không chổi than. Loại phổ biến nhất trong robot hiện đại. Hiệu suất cao, tuổi thọ dài, tỷ lệ công suất trên khối lượng tốt. Cần bộ điều khiển phức tạp hơn và đắt hơn.
Servo mô hình. Thực chất là động cơ nhỏ tích hợp sẵn hộp số và mạch điều khiển vị trí. Rất tiện cho robot nhỏ và học tập. Độ chính xác và tuổi thọ hạn chế.
Chọn nhanh. Robot nhỏ và học tập thì servo mô hình hoặc động cơ bước. Robot cần chính xác và bền thì động cơ không chổi than có phản hồi. Đây là ranh giới thực tế phổ biến nhất.
Thông số cần đọc
Mô-men định mức và mô-men đỉnh. Định mức là mức chạy liên tục được; đỉnh là mức chịu được trong thời gian ngắn. Nhiều thông số quảng cáo nêu mô-men đỉnh, và thiết kế theo con số đó thì động cơ sẽ quá nhiệt.
Tốc độ định mức. Vòng mỗi phút ở tải định mức. Nhớ rằng mô-men và tốc độ đánh đổi nhau — không có động cơ nào cho cả hai ở mức tối đa cùng lúc.
Hằng số mô-men. Mô-men trên mỗi ampe. Cho biết cần bao nhiêu dòng để đạt mô-men mong muốn, và từ đó suy ra kích thước bộ điều khiển và dây dẫn.
Quán tính rotor. Quan trọng khi cần tăng giảm tốc nhanh. Rotor nặng thì phản ứng chậm dù mô-men lớn.
Điện áp làm việc. Quyết định tốc độ tối đa. Cùng động cơ chạy ở điện áp cao hơn thì quay nhanh hơn.
Cấp bảo vệ. Chống bụi và nước. Với robot làm việc trong môi trường thật thì đây là thông số quyết định tuổi thọ.
Nhiệt độ cho phép. Và nhớ rằng nhiệt độ môi trường ở Việt Nam cao hơn điều kiện thử của nhà sản xuất.
Tính mô-men cần thiết
Bước tính toán mà bỏ qua thì chọn sai chắc chắn.
Thành phần trọng lực. Mô-men cần để giữ tải ở tư thế bất lợi nhất. Với cánh tay thì đó là lúc duỗi ngang.
Thành phần quán tính. Mô-men cần để tăng tốc. Phụ thuộc khối lượng, khoảng cách tới trục và gia tốc mong muốn.
Thành phần ma sát. Trong ổ trục và hộp số. Thường ước lượng bằng phần trăm của mô-men tải.
Cộng lại rồi nhân hệ số an toàn. Hệ số hai là mức thông thường. Ít hơn thì không có dư địa; nhiều hơn thì động cơ nặng và tốn không cần thiết.
Sai lầm phổ biến nhất. Chỉ tính trọng lực mà quên quán tính. Với robot chuyển động nhanh thì thành phần quán tính có thể lớn hơn trọng lực nhiều lần.
Sai lầm thứ hai. Quên khối lượng của chính cánh tay. Với tay dài thì khối lượng bản thân nó thường lớn hơn tải mang.
Kiểm chứng thực tế. Sau khi lắp, đo dòng điện thật ở tư thế nặng nhất. Nếu gần mức định mức thì động cơ sẽ nóng và tuổi thọ ngắn.
Nhiệt — giới hạn thật của động cơ
Yếu tố quyết định mà ít người tính tới khi thiết kế.
Động cơ hỏng vì nhiệt, không vì mô-men. Mô-men lớn sinh dòng lớn, dòng lớn sinh nhiệt. Nhiệt tích tụ làm hỏng cách điện cuộn dây.
Vì thế mô-men liên tục thấp hơn mô-men đỉnh. Không phải vì động cơ không tạo được mô-men đó mà vì nó không thoát nhiệt kịp.
Chu kỳ làm việc quan trọng. Động cơ chạy tải nặng ba mươi giây rồi nghỉ ba mươi giây chịu được nhiều hơn động cơ chạy liên tục.
Giữ tư thế cũng tốn nhiệt. Robot đứng yên giữ tải vẫn tiêu dòng. Đây là chế độ khắc nghiệt vì không có gió làm mát từ chuyển động.
Nhiệt độ môi trường cộng vào. Động cơ định mức cho môi trường bốn mươi độ sẽ có giới hạn thấp hơn nhiều trong xưởng nóng.
Cách xử lý. Tản nhiệt tốt, thông gió, dùng hộp số để giảm dòng cần thiết, và giám sát nhiệt độ động cơ nếu có cảm biến.
Dấu hiệu quá nhiệt. Vỏ động cơ nóng không chạm tay được lâu, mô-men giảm dần theo thời gian chạy, bộ điều khiển tự giảm dòng. Phát hiện sớm thì sửa được; để lâu thì cháy cuộn dây.
Bộ điều khiển động cơ
Phần đi kèm mà không thể chọn tách rời.
Phải khớp về điện. Điện áp và dòng của bộ điều khiển phải đủ cho động cơ. Bộ điều khiển thiếu dòng thì động cơ không đạt mô-men dù bản thân nó làm được.
Chế độ điều khiển. Điều khiển dòng, tốc độ hay vị trí. Với robot cần điều khiển lực thì bắt buộc phải truy cập được chế độ dòng.
Giao tiếp. Bộ điều khiển giao tiếp bằng giao thức gì và ở tần số nào. Với vòng điều khiển tần số cao thì giao thức chậm là nút thắt.
Xử lý phản hồi vị trí. Bộ điều khiển đọc được loại cảm biến vị trí nào — cảm biến quang, cảm biến từ, cảm biến tuyệt đối.
Tính năng bảo vệ. Giới hạn dòng, bảo vệ quá nhiệt, phát hiện mất phản hồi. Những cái này bảo vệ cả động cơ lẫn người.
Lời khuyên thực dụng. Mua bộ động cơ và bộ điều khiển cùng hãng cho lần đầu. Tự ghép hai hãng khác nhau tốn thời gian gỡ lỗi hơn nhiều so với khoản tiền tiết kiệm được.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao động cơ bước nguy hiểm khi quá tải?
Vì nó trượt bước âm thầm — hệ thống tưởng đang ở một vị trí trong khi thực tế ở vị trí khác, và không có cảnh báo nào trừ khi có cảm biến vị trí riêng.
Sai lầm phổ biến nhất khi tính mô-men cần thiết?
Chỉ tính thành phần trọng lực mà quên quán tính. Với robot chuyển động nhanh, thành phần quán tính có thể lớn hơn trọng lực nhiều lần.
Vì sao mô-men liên tục thấp hơn mô-men đỉnh?
Không phải vì động cơ không tạo được mô-men đó mà vì không thoát nhiệt kịp. Động cơ hỏng vì nhiệt làm hỏng cách điện cuộn dây, không vì mô-men.
Nên mua động cơ và bộ điều khiển thế nào?
Cùng hãng cho lần đầu. Tự ghép hai hãng khác nhau tốn thời gian gỡ lỗi hơn nhiều so với khoản tiền tiết kiệm được.
Đọc thêm trong Camera & LiDAR và Cơ cấu kẹp & gripper.
