Директни погон у односу на ротациони сервомотор са зупчаником: Квантификација предности дизајна: Део 1

Циљеви учења

• Ротациони серво системи у стварном свету не постижу идеалне перформансе због техничких ограничења.
• Неколико врста ротационих сервомотора може пружити предности корисницима, али сваки има специфичан изазов или ограничење.
• Ротациони сервомотори са директним погоном нуде најбоље перформансе, али су скупљи од мотора са редукторима.

Деценијама су сервомотори са редукторима били један од најчешћих алата у индустријској аутоматизацији. Сервомотори са редукторима нуде позиционирање, усклађивање брзине, електронско померање брегастог осовина, намотавање, затезање, примене затезања и ефикасно усклађују снагу сервомотора са оптерећењем. Ово поставља питање: да ли је сервомотор са редуктором најбоља опција за технологију ротационог кретања или постоји боље решење?

У идеалном свету, ротациони серво систем би имао обртни момент и брзину који одговарају примени, тако да мотор није ни превелик ни премали. Комбинација мотора, елемената преноса и оптерећења требало би да има бесконачну торзиону крутост и нулти зазор. Нажалост, ротациони серво системи у стварном свету не испуњавају овај идеал у различитом степену.

У типичном серво систему, зазор се дефинише као губитак кретања између мотора и оптерећења узрокован механичким толеранцијама елемената преноса; ово укључује сваки губитак кретања у мењачима, каишевима, ланцима и спојницама. Када се машина први пут укључи, оптерећење ће плутати негде у средини механичких толеранција (слика 1А).

Пре него што мотор може покренути сам терет, мотор се мора окретати како би надокнадио сав постојећи лабави положај у елементима преноса (слика 1Б). Када мотор почне да успорава на крају кретања, положај терета може заправо престићи положај мотора јер моментум носи терет изван положаја мотора.

Мотор мора поново да надокнади зазор у супротном смеру пре него што примени обртни момент на оптерећење да би га успорио (слика 1C). Овај губитак кретања се назива зазор и обично се мери у лучним минутима, једнаким 1/60 степена. Мењачи дизајнирани за употребу са серво моторима у индустријским применама често имају спецификације зазора у распону од 3 до 9 лучних минута.

Торзиона крутост је отпор увијању вратила мотора, елемената преноса и оптерећења као одговор на примену обртног момента. Бесконачно крут систем би преносио обртни момент на оптерећење без угаоног отклона око осе ротације; међутим, чак ће се и чврсто челично вратило благо увијати под великим оптерећењем. Величина отклона варира у зависности од примењеног обртног момента, материјала елемената преноса и њиховог облика; интуитивно, дуги, танки делови ће се више увијати од кратких, дебелих. Овај отпор увијању је оно што покреће рад спиралних опруга, јер сабијање опруге благо увија сваки обрт жице; дебља жица чини чвршћу опругу. Све што је мање од бесконачне торзионе крутости доводи до тога да систем делује као опруга, што значи да ће потенцијална енергија бити ускладиштена у систему док се оптерећење опире ротацији.

Када се комбинују, коначна торзиона крутост и зазор могу значајно погоршати перформансе серво система. Зазор може унети несигурност, јер енкодер мотора показује положај вратила мотора, а не где је зазор дозволио да се оптерећење смири. Зазор такође доводи до проблема са подешавањем, јер се оптерећење накратко спаја и одваја од мотора када оптерећење и мотор промене релативни смер. Поред зазора, коначна торзиона крутост складишти енергију претварањем дела кинетичке енергије мотора и оптерећења у потенцијалну енергију, ослобађајући је касније. Ово одложено ослобађање енергије изазива осцилацију оптерећења, индукује резонанцију, смањује максимално употребљиво појачање подешавања и негативно утиче на време одзива и смиривања серво система. У свим случајевима, смањење зазора и повећање крутости система повећаће перформансе серво мотора и поједноставити подешавање.

Конфигурације сервомотора ротационе осе

Најчешћа конфигурација ротационе осе је ротациони сервомотор са уграђеним енкодером за повратну информацију о положају и мењачем за усклађивање расположивог обртног момента и брзине мотора са потребним обртним моментом и брзином оптерећења. Мењач је уређај за константну снагу који је механички аналог трансформатора за усклађивање оптерећења.

Побољшана хардверска конфигурација користи ротациони сервомотор са директним погоном, који елиминише елементе преноса директним спајањем оптерећења са мотором. Док конфигурација мотора са редуктором користи спојницу са вратилом релативно малог пречника, систем директног погона директно причвршћује оптерећење на много већи прирубнички део ротора. Ова конфигурација елиминише зазор и значајно повећава торзиону крутост. Већи број полова и намотаји са високим обртним моментом мотора са директним погоном одговарају карактеристикама обртног момента и брзине мотора са редуктором са односом 10:1 или већим.