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 předimenzovaný, 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 vinuté pružiny fungují, protože stlačení 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.