Priamy pohon vs. rotačný servomotor s prevodovkou: Kvantifikácia konštrukčnej výhody: Časť 1

Vzdelávacie ciele

• Reálne rotačné servosystémy nedosahujú ideálny výkon kvôli technickým obmedzeniam.
• Niekoľko typov rotačných servomotorov môže poskytnúť používateľom výhody, ale každý má špecifickú výzvu alebo obmedzenie.
• Rotačné servomotory s priamym pohonom ponúkajú najlepší výkon, ale sú drahšie ako prevodové motory.

Prevodové servomotory sú už desaťročia jedným z najbežnejších nástrojov v súprave nástrojov priemyselnej automatizácie. Prevodové sevromotory ponúkajú polohovanie, prispôsobenie rýchlosti, elektronickú vačku, navíjanie, napínanie, uťahovanie a efektívne prispôsobujú výkon servomotora záťaži. To vyvoláva otázku: je prevodový servomotor najlepšou voľbou pre technológiu rotačného pohybu, alebo existuje lepšie riešenie?

V dokonalom svete by rotačný servosystém mal krútiaci moment a otáčky, ktoré zodpovedajú aplikácii, takže motor nie je ani predimenzovaný, ani poddimenzovaný. Kombinácia motora, prevodových prvkov a zaťaženia by mala mať nekonečnú torznú tuhosť a nulovú vôľu. Bohužiaľ, skutočné rotačné servosystémy tento ideál v rôznej miere zaostávajú.

V typickom servosystéme je vôľa definovaná ako strata pohybu medzi motorom a záťažou spôsobená mechanickými toleranciami prevodových prvkov; to zahŕňa akúkoľvek stratu pohybu v prevodovkách, remeňoch, reťaziach a spojkách. Keď je stroj na začiatku zapnutý, náklad bude plávať niekde v strede mechanických tolerancií (obrázok 1A).

Predtým, ako motor môže pohnúť nákladom, musí sa motor otáčať, aby vyrovnal všetku vôľu v prevodových prvkoch (obrázok 1B). Keď motor začne spomaľovať na konci pohybu, poloha zaťaženia môže skutočne predbehnúť polohu motora, pretože hybnosť prenáša zaťaženie za polohu motora.

Pred použitím krútiaceho momentu na záťaž, aby sa spomalila, musí motor opäť zachytiť vôľu v opačnom smere (obrázok 1C). Táto strata pohybu sa nazýva spätný chod a zvyčajne sa meria v oblúkových minútach, ktoré sa rovnajú 1/60 stupňa. Prevodovky navrhnuté na použitie so servami v priemyselných aplikáciách majú často špecifikácie vôle v rozsahu od 3 do 9 oblúkových minút.

Torzná tuhosť je odolnosť voči krúteniu hriadeľa motora, prevodových prvkov a zaťaženia v reakcii na aplikáciu krútiaceho momentu. Nekonečne tuhý systém by prenášal krútiaci moment na zaťaženie bez uhlového vychýlenia okolo osi otáčania; aj pevný oceľový hriadeľ sa však pri veľkom zaťažení mierne skrúti. Veľkosť vychýlenia sa mení podľa použitého krútiaceho momentu, materiálu prevodových prvkov a ich tvaru; intuitívne sa dlhé tenké partie skrútia viac ako krátke, tučné. Táto odolnosť voči skrúteniu spôsobuje, že vinuté pružiny fungujú, pretože stlačenie pružiny mierne krúti každé otočenie drôtu; tučnejší drôt robí tuhšiu pružinu. Čokoľvek menšie ako nekonečná torzná tuhosť spôsobí, že systém bude pôsobiť ako pružina, čo znamená, že potenciálna energia bude uložená v systéme, keď záťaž odoláva rotácii.

Keď sa skombinujú, konečná torzná tuhosť a vôľa môžu výrazne zhoršiť výkon servosystému. Vôľa môže spôsobiť neistotu, pretože kódovač motora udáva polohu hriadeľa motora, nie miesto, kde vôľa umožnila usadenie záťaže. Vôľa tiež prináša problémy s ladením, keď sa záťaž nakrátko pripojí a odpojí od motora, keď záťaž a motor obrátia relatívny smer. Okrem vôle, konečná torzná tuhosť ukladá energiu premenou časti kinetickej energie motora a záťaže na potenciálnu energiu, ktorá sa neskôr uvoľní. Toto oneskorené uvoľnenie energie spôsobuje osciláciu záťaže, indukuje rezonanciu, znižuje maximálne použiteľné zisky ladenia a negatívne ovplyvňuje odozvu a čas ustálenia servosystému. Vo všetkých prípadoch zníženie vôle a zvýšenie tuhosti systému zvýši výkon serva a zjednoduší ladenie.

Konfigurácie servomotora rotačnej osi

Najbežnejšou konfiguráciou rotačnej osi je rotačný servomotor so vstavaným enkodérom pre spätnú väzbu polohy a prevodovkou na prispôsobenie dostupného krútiaceho momentu a otáčok motora požadovanému krútiacemu momentu a rýchlosti záťaže. Prevodovka je zariadenie s konštantným výkonom, ktoré je mechanickým analógom transformátora na prispôsobenie záťaže.

Vylepšená hardvérová konfigurácia využíva rotačný servomotor s priamym pohonom, ktorý eliminuje prenosové prvky priamym pripojením záťaže k motoru. Zatiaľ čo konfigurácia prevodového motora využíva spojku s relatívne malým priemerom hriadeľa, systém priameho pohonu priskrutkuje záťaž priamo k oveľa väčšej prírube rotora. Táto konfigurácia eliminuje vôľu a výrazne zvyšuje torznú tuhosť. Vyšší počet pólov a vinutia s vysokým krútiacim momentom motorov s priamym pohonom zodpovedajú charakteristike krútiaceho momentu a rýchlosti prevodového motora s pomerom 10:1 alebo vyšším.