Прямий привід проти редукторного ротаційного серводвигуна: Кількісна оцінка конструктивних переваг: Частина 1

Навчальні цілі

• Реальні обертові сервосистеми не досягають ідеальної продуктивності через технічні обмеження.
• Кілька типів ротаційних серводвигунів можуть надати переваги користувачам, але кожен має певні проблеми чи обмеження.
• Ротаційні серводвигуни з прямим приводом пропонують найкращу продуктивність, але вони дорожчі, ніж мотор-редуктори.

Десятиліттями редукторні сервомотори були одним із найпоширеніших інструментів у наборі інструментів промислової автоматизації. Серводвигуни з редукторами пропонують позиціонування, узгодження швидкості, електронні кулачки, намотування, натягування, затягування й ефективне узгодження потужності сервомотора з навантаженням. У зв’язку з цим виникає питання: чи є редукторний серводвигун найкращим варіантом для технології обертового руху, чи є краще рішення?

У ідеальному світі обертова сервосистема мала б значення крутного моменту та швидкості, які б відповідали застосуванню, щоб двигун не був ні завеликим, ні заниженим. Комбінація двигуна, елементів трансмісії та навантаження повинна мати нескінченну жорсткість на кручення та нульовий люфт. На жаль, реальні обертові сервосистеми різною мірою не відповідають цьому ідеалу.

У типовій сервосистемі люфт визначається як втрата руху між двигуном і навантаженням, викликана механічними допусками елементів трансмісії; це включає будь-які втрати руху в коробках передач, ременях, ланцюгах і муфтах. Коли машина спочатку вмикається, навантаження буде плавати десь посередині механічних допусків (Малюнок 1A).

Перед тим, як сам вантаж може бути переміщений двигуном, двигун повинен обертатися, щоб усунути всю слабину, яка існує в елементах передачі (Малюнок 1B). Коли двигун починає сповільнюватися в кінці руху, положення вантажу може фактично випередити положення двигуна, оскільки імпульс переносить вантаж за межі положення двигуна.

Двигун повинен знову компенсувати слабину в протилежному напрямку, перш ніж прикладати крутний момент до навантаження, щоб уповільнити його (Малюнок 1C). Ця втрата руху називається люфтом і зазвичай вимірюється в кутових хвилинах, що дорівнює 1/60 градуса. Коробки передач, розроблені для використання з сервоприводами в промислових цілях, часто мають люфт від 3 до 9 кутових хвилин.

Жорсткість на кручення — опір скрученню вала двигуна, елементів трансмісії та навантаження у відповідь на прикладення крутного моменту. Нескінченно жорстка система передає крутний момент навантаження без кутового відхилення навколо осі обертання; однак навіть міцний сталевий вал буде злегка перекручуватися під великим навантаженням. Величина прогину змінюється залежно від прикладеного крутного моменту, матеріалу елементів трансмісії та їх форми; інтуїтивно зрозуміло, що довгі тонкі частини скручуються більше, ніж короткі товсті. Цей опір скрученню змушує гвинтові пружини працювати, оскільки стискання пружини злегка скручує кожен виток дроту; товстіший дріт робить пружину жорсткішою. Усе, що є меншим ніж нескінченна торсійна жорсткість, змушує систему діяти як пружина, тобто потенційна енергія буде зберігатися в системі, оскільки вантаж чинить опір обертанню.

У поєднанні кінцева жорсткість на кручення та люфт можуть значно погіршити продуктивність сервосистеми. Люфт може внести невизначеність, оскільки кодер двигуна вказує положення вала двигуна, а не те, де люфт дозволив осісти навантаженню. Люфт також створює проблеми з налаштуванням, оскільки навантаження з’єднується та від’єднується від двигуна на короткий час, коли навантаження та двигун змінюють відносний напрямок. Окрім люфту, кінцева жорсткість на кручення зберігає енергію, перетворюючи частину кінетичної енергії двигуна та навантаження на потенційну енергію, вивільняючи її пізніше. Це сповільнене вивільнення енергії викликає коливання навантаження, індукує резонанс, зменшує максимальні корисні підсилення налаштування та негативно впливає на чутливість і час встановлення сервосистеми. У всіх випадках зменшення люфту та збільшення жорсткості системи збільшить продуктивність сервоприводу та спростить налаштування.

Конфігурації сервомотора поворотної осі

Найпоширенішою конфігурацією поворотної осі є обертовий серводвигун із вбудованим енкодером для зворотного зв’язку щодо положення та коробкою передач, щоб узгодити наявний крутний момент і швидкість двигуна з необхідним крутним моментом і швидкістю навантаження. Редуктор - це пристрій постійної потужності, який є механічним аналогом трансформатора для узгодження навантаження.

Покращена апаратна конфігурація використовує обертовий серводвигун з прямим приводом, який усуває елементи трансмісії шляхом безпосереднього з’єднання навантаження з двигуном. У той час як у конфігурації мотор-редуктора використовується з’єднання з валом відносно малого діаметра, система прямого приводу прикручує вантаж безпосередньо до значно більшого фланця ротора. Така конфігурація усуває люфт і значно підвищує жорсткість на кручення. Більша кількість полюсів і високий крутний момент обмоток двигунів з прямим приводом відповідають характеристикам крутного моменту та швидкості двигуна-редуктора з співвідношенням 10:1 або вище.