Přímý pohon vs. rotační servomotor s převodovkou: Kvantifikace konstrukční výhody: Část 1

Učební cíle

• Reálné rotační servosystémy nedosahují ideálního výkonu kvůli technickým omezením.
• Několik typů rotačních servomotorů může uživatelům poskytnout výhody, ale každý má specifickou výzvu nebo omezení.
• Rotační servomotory s přímým pohonem nabízejí nejlepší výkon, ale jsou dražší než převodové motory.

Po desetiletí jsou převodové servomotory jedním z nejběžnějších nástrojů v sadě nástrojů průmyslové automatizace. Převodové sevromotory nabízejí polohování, přizpůsobování rychlosti, elektronickou vačku, navíjení, napínání, utahování a efektivně přizpůsobují výkon servomotoru zátěži. To vyvolává otázku: je převodový servomotor nejlepší volbou pro technologii rotačního pohybu, nebo existuje lepší řešení?

V dokonalém světě by rotační servosystém měl točivý moment a otáčky, které odpovídají aplikaci, takže motor není ani příliš velký, ani poddimenzovaný. Kombinace motoru, převodových prvků a zátěže by měla mít nekonečnou torzní tuhost a nulovou vůli. Bohužel, skutečné rotační servosystémy tomuto ideálu v různé míře nedosahují.

V typickém servosystému je vůle definována jako ztráta pohybu mezi motorem a zátěží způsobená mechanickými tolerancemi převodových prvků; to zahrnuje jakoukoli ztrátu pohybu v převodovkách, řemenech, řetězech a spojkách. Když je stroj zpočátku zapnutý, bude zátěž plavat někde uprostřed mechanických tolerancí (obrázek 1A).

Před tím, než motor může pohnout samotnou zátěží, musí se motor otáčet, aby vyrovnal veškerou vůli v převodových prvcích (obrázek 1B). Když motor začne zpomalovat na konci pohybu, poloha zatížení může ve skutečnosti předběhnout polohu motoru, protože hybnost přenáší zatížení za polohu motoru.

Motor musí znovu zachytit vůli v opačném směru, než aplikuje točivý moment na zátěž, aby ji zpomalil (obrázek 1C). Tato ztráta pohybu se nazývá vůle a obvykle se měří v úhlových minutách rovnající se 1/60 stupně. Převodovky navržené pro použití se servy v průmyslových aplikacích mají často specifikace vůle v rozsahu od 3 do 9 obloukových minut.

Torzní tuhost je odolnost vůči kroucení hřídele motoru, převodových prvků a zatížení v reakci na aplikaci točivého momentu. Nekonečně tuhý systém by přenášel točivý moment na zátěž bez úhlové výchylky kolem osy otáčení; i pevná ocelová hřídel se však při velkém zatížení mírně zkroutí. Velikost výchylky se mění s aplikovaným kroutícím momentem, materiálem převodových prvků a jejich tvarem; intuitivně se dlouhé tenké části zkroutí více než krátké tlusté. Tato odolnost vůči kroucení je to, co způsobuje, že spirálové pružiny fungují, protože stlačování pružiny mírně zkroutí každé otočení drátu; tlustší drát dělá tužší pružinu. Cokoli menšího než nekonečná torzní tuhost způsobí, že systém bude fungovat jako pružina, což znamená, že potenciální energie bude uložena v systému, když zátěž odolává rotaci.

Když se spojí dohromady, konečná torzní tuhost a vůle mohou výrazně snížit výkon servosystému. Vůle může způsobit nejistotu, protože kodér motoru udává polohu hřídele motoru, nikoli místo, kde vůle umožnila usazení zátěže. Vůle také přináší problémy s laděním, protože zátěž se krátce připojuje a odpojuje od motoru, když zátěž a motor obrátí relativní směr. Kromě vůle ukládá konečná torzní tuhost energii přeměnou části kinetické energie motoru a zátěže na potenciální energii, kterou později uvolňuje. Toto opožděné uvolnění energie způsobuje oscilaci zátěže, vyvolává rezonanci, snižuje maximální využitelné zisky ladění a negativně ovlivňuje odezvu a dobu ustálení servosystému. Ve všech případech snížení vůle a zvýšení tuhosti systému zvýší výkon serva a zjednoduší ladění.

Konfigurace servomotoru rotační osy

Nejběžnější konfigurací rotační osy je rotační servomotor s vestavěným enkodérem pro zpětnou vazbu polohy a převodovkou pro přizpůsobení dostupného momentu a otáček motoru požadovanému momentu a rychlosti zátěže. Převodovka je zařízení s konstantním výkonem, které je mechanickým analogem transformátoru pro přizpůsobení zatížení.

Vylepšená hardwarová konfigurace využívá rotační servomotor s přímým pohonem, který eliminuje přenosové prvky přímým připojením zátěže k motoru. Zatímco konfigurace převodového motoru používá spojku k hřídeli s relativně malým průměrem, systém přímého pohonu přišroubuje zátěž přímo k mnohem větší přírubě rotoru. Tato konfigurace eliminuje vůli a výrazně zvyšuje torzní tuhost. Vyšší počet pólů a vinutí s vysokým točivým momentem u motorů s přímým pohonem odpovídají charakteristikám točivého momentu a rychlosti převodového motoru s poměrem 10:1 nebo vyšším.