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

Cíle učení

• Rotační servo systémy v reálném světě nedosahují ideálního výkonu kvůli technickým omezením.
• Několik typů rotačních servomotorů může uživatelům poskytnout výhody, ale každý z nich má specifické výzvy nebo omezení.
• Rotační servomotory s přímým pohonem nabízejí nejlepší výkon, ale jsou dražší než převodové motory.

Po celá desetiletí patří převodové servomotory k nejběžnějším nástrojům v průmyslové automatizaci. Převodové servomotory nabízejí polohování, přizpůsobení rychlosti, elektronické vačkování, 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 ideálním světě by rotační servosystém měl jmenovitý točivý moment a otáčky odpovídající aplikaci, takže motor není ani předimenzovaný, ani poddimenzovaný. Kombinace motoru, převodových prvků a zátěže by měla mít nekonečnou torzní tuhost a nulovou vůli. Reálné rotační servosystémy bohužel tento ideál v různé míře nesplňují.

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. Při prvním zapnutí stroje se zátěž bude pohybovat někde uprostřed mechanických tolerancí (obrázek 1A).

Než může motor pohnout samotným břemenem, musí se motor otočit, aby se vyrovnala veškerá vůle v převodových prvcích (obrázek 1B). Když motor na konci pohybu začne zpomalovat, může poloha břemene ve skutečnosti překonat polohu motoru, protože hybnost přenáší břemeno za polohu motoru.

Motor musí znovu kompenzovat vůli v opačném směru, než na zátěž působí krouticím momentem, který ji zpomalí (obrázek 1C). Tato ztráta pohybu se nazývá vůle a obvykle se měří v obloukových minutách, což se rovná 1/60 stupně. Převodovky určené pro použití se servy v průmyslových aplikacích mají často specifikace vůle v rozmezí od 3 do 9 obloukových minut.

Torzní tuhost je odpor hřídele motoru, převodových prvků a zatížení proti kroucení v reakci na působení krouticího momentu. Nekonečně tuhý systém by přenášel krouticí moment na zatížení bez úhlové výchylky kolem osy otáčení; i pevná ocelová hřídel se však při velkém zatížení mírně zkroutí. Velikost výchylky se mění v závislosti na aplikovaném krouticím momentu, materiálu převodových prvků a jejich tvaru; intuitivně se dlouhé a tenké části zkroutí více než krátké a tlusté. Tento odpor proti kroucení je to, co způsobuje, že vinuté pružiny fungují, protože stlačení pružiny mírně zkroutí každou otáčku drátu; tlustší drát vytváří tužší pružinu. Cokoli menšího než nekonečná torzní tuhost způsobí, že systém se chová jako pružina, což znamená, že v systému bude uložena potenciální energie, protože zatížení klade odpor otáčení.

V kombinaci mohou konečná torzní tuhost a vůle výrazně snížit výkon servosystému. Vůle může způsobit nejistotu, protože kodér motoru indikuje polohu hřídele motoru, nikoli místo, kde vůle umožnila ustálení zátěže. Vůle také způsobuje problémy s laděním, protože zátěž se krátce připojuje a odpojuje od motoru, když zátěž a motor obrátí vzájemný směr. Kromě vůle konečná torzní tuhost ukládá energii přeměnou části kinetické energie motoru a zátěže na potenciální energii, která se později uvolní. Toto zpožděné uvolnění energie způsobuje kmitání zátěže, vyvolává rezonanci, snižuje maximální využitelné zesílení ladění a negativně ovlivňuje odezvu a dobu ustálení servosystému. Ve všech případech snížení vůle a zvýšení tuhosti systému zvýší výkon servosystému a zjednoduší ladění.

Konfigurace servomotorů rotačních os

Nejběžnější konfigurací rotační osy je rotační servomotor s vestavěným enkodérem pro zpětnou vazbu polohy a převodovkou pro přizpůsobení dostupného točivého momentu a otáček motoru požadovanému točivému momentu a otáček zátěže. Převodovka je zařízení s konstantním výkonem, které je mechanickou obdobou transformátoru pro přizpůsobení zátěže.

Vylepšená hardwarová konfigurace využívá rotační servomotor s přímým pohonem, který eliminuje převodové prvky přímým spojením zátěže s motorem. Zatímco konfigurace s převodovým motorem používá spojení s hřídelí s relativně malým průměrem, systém přímého pohonu připevňuje 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 otáček převodového motoru s poměrem 10:1 nebo vyšším.