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

Ciele vzdelávania

• Rotačné servo systémy v reálnom svete nedosahujú ideálny výkon kvôli technickým obmedzeniam.
• Niekoľko typov rotačných servomotorov môže používateľom priniesť výhody, ale každý z nich má špecifickú výzvu alebo obmedzenie.
• Rotačné servomotory s priamym pohonom ponúkajú najlepší výkon, ale sú drahšie ako prevodové motory.

Prevodové servomotory boli po desaťročia jedným z najbežnejších nástrojov v priemyselnej automatizácii. Prevodové servomotory ponúkajú aplikácie polohovania, prispôsobovania rýchlosti, elektronického vačkového riadenia, navíjania, napínania, uťahovania a efektívne prispôsobujú výkon servomotora záťaži. To vyvoláva otázku: je prevodový servomotor najlepšou voľbou pre technológiu rotačného pohybu, alebo existuje lepšie riešenie?

V ideálnom svete by mal rotačný servo systém krútiaci moment a otáčky, ktoré zodpovedajú aplikácii, takže motor nie je ani predimenzovaný, ani poddimenzovaný. Kombinácia motora, prevodových prvkov a záťaže by mala mať nekonečnú torznú tuhosť a nulovú vôľu. Bohužiaľ, skutočné rotačné servo systémy tento ideál v rôznej miere nespĺňajú.

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. Pri prvom zapnutí stroja sa záťaž bude pohybovať niekde v strede mechanických tolerancií (obrázok 1A).

Predtým, ako môže motor pohnúť samotným bremenom, musí sa motor otočiť, aby sa vyrovnala všetka vôľa existujúca v prevodových prvkoch (obrázok 1B). Keď motor začne spomaľovať na konci pohybu, poloha bremena môže v skutočnosti predbehnúť polohu motora, pretože hybnosť prenáša bremeno za polohu motora.

Motor musí opäť vyrovnať vôľu v opačnom smere predtým, ako na záťaž aplikuje krútiaci moment, aby ju spomalil (obrázok 1C). Táto strata pohybu sa nazýva vôľa a zvyčajne sa meria v oblúkových minútach, čo sa rovná 1/60 stupňa. Prevodovky určené na použitie so servopohonmi v priemyselných aplikáciách majú často špecifikácie vôle v rozmedzí od 3 do 9 oblúkových minút.

Torzná tuhosť je odpor hriadeľa motora, prevodových prvkov a záťaže voči krúteniu v reakcii na pôsobenie krútiaceho momentu. Nekonečne tuhý systém by prenášal krútiaci moment na záťaž bez uhlovej výchylky okolo osi otáčania; avšak aj pevný oceľový hriadeľ sa pri veľkom zaťažení mierne skrúti. Veľkosť výchylky sa mení v závislosti od aplikovaného krútiaceho momentu, materiálu prevodových prvkov a ich tvaru; intuitívne sa dlhé, tenké časti skrútia viac ako krátke, hrubé. Tento odpor voči skrúteniu je to, čo spôsobuje, že vinuté pružiny fungujú, pretože stlačenie pružiny mierne skrúti každú otáčku drôtu; hrubší drôt vytvára tuhšiu pružinu. Čokoľvek menšie ako nekonečná torzná tuhosť spôsobuje, že systém sa správa ako pružina, čo znamená, že potenciálna energia sa v systéme uloží, pretože záťaž kladie odpor otáčaniu.

Kombinácia konečnej torznej tuhosti a vôle môže výrazne znížiť výkon servosystému. Vôľa môže spôsobiť neistotu, pretože kodér motora indikuje polohu hriadeľa motora, nie miesto, kde vôľa umožnila usadenie záťaže. Vôľa tiež spôsobuje problémy s ladením, pretože záťaž sa krátkodobo pripája a odpája od motora, keď záťaž a motor zmenia smer otáčania. 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 kmitanie záťaže, vyvoláva rezonanciu, znižuje maximálne využiteľné zosilnenie ladenia a negatívne ovplyvňuje odozvu a čas usadzovania servosystému. Vo všetkých prípadoch zníženie vôle a zvýšenie tuhosti systému zvýši výkon servosystému a zjednoduší ladenie.

Konfigurácie servomotorov 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 otáčkam 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 prevodové prvky priamym spojením záťaže s motorom. Zatiaľ čo konfigurácia prevodového motora používa spojku s hriadeľom s relatívne malým priemerom, systém priameho pohonu pripevňuje 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 charakteristikám krútiaceho momentu a rýchlosti prevodového motora s pomerom 10:1 alebo vyšším.