Редукторный серводвигатель может быть полезен для технологии вращательного движения, но существуют проблемы и ограничения, о которых пользователи должны знать.
Автор: Дакота Миллер и Брайан Найт
Цели обучения
- Реальные роторные сервосистемы не достигают идеальной производительности из-за технических ограничений.
- Несколько типов поворотных серводвигателей могут принести пользу пользователям, но каждый из них имеет определенные проблемы или ограничения.
- Поворотные серводвигатели с прямым приводом обеспечивают наилучшие характеристики, но они дороже мотор-редукторов.
На протяжении десятилетий серводвигатели с редуктором были одним из наиболее распространенных инструментов в наборе инструментов промышленной автоматизации. Серводвигатели с редуктором обеспечивают позиционирование, согласование скорости, электронный кулачок, намотку, натяжение, затяжку и эффективно согласовывают мощность серводвигателя с нагрузкой. Возникает вопрос: является ли серводвигатель с редуктором лучшим вариантом для технологии вращательного движения или есть лучшее решение?
В идеальном мире роторная сервосистема имела бы номинальные крутящий момент и скорость, соответствующие конкретному применению, поэтому двигатель не был бы ни слишком большим, ни заниженным. Комбинация двигателя, элементов трансмиссии и нагрузки должна иметь бесконечную жесткость на кручение и нулевой люфт. К сожалению, реальные роторные сервосистемы в той или иной степени не соответствуют этому идеалу.
В типичной сервосистеме люфт определяется как потеря движения между двигателем и нагрузкой, вызванная механическими допусками элементов передачи; сюда входят любые потери движения в редукторах, ремнях, цепях и муфтах. При первом включении машины нагрузка будет плавать где-то посередине механических допусков (рис. 1А).
Прежде чем двигатель сможет перемещать саму нагрузку, двигатель должен вращаться, чтобы компенсировать весь люфт, имеющийся в элементах передачи (рис. 1B). Когда двигатель начинает замедляться в конце движения, положение нагрузки может фактически обогнать положение двигателя, поскольку импульс выносит нагрузку за пределы положения двигателя.
Двигатель должен снова компенсировать слабину в противоположном направлении, прежде чем прикладывать крутящий момент к нагрузке для ее замедления (рис. 1C). Эта потеря движения называется люфтом и обычно измеряется в угловых минутах, что равно 1/60 градуса. Редукторы, предназначенные для использования с сервоприводами в промышленных целях, часто имеют характеристики люфта от 3 до 9 угловых минут.
Жесткость на кручение – это сопротивление скручиванию вала двигателя, элементов трансмиссии и нагрузки в ответ на приложение крутящего момента. Бесконечно жесткая система будет передавать крутящий момент на нагрузку без углового отклонения вокруг оси вращения; однако даже прочный стальной вал слегка скручивается под большой нагрузкой. Величина отклонения зависит от приложенного крутящего момента, материала элементов трансмиссии и их формы; интуитивно понятно, что длинные и тонкие детали будут скручиваться сильнее, чем короткие и толстые. Именно это сопротивление скручиванию заставляет винтовые пружины работать, поскольку при сжатии пружины каждый виток проволоки слегка скручивается; более толстая проволока делает пружину более жесткой. Все, что меньше бесконечной крутильной жесткости, заставляет систему действовать как пружина, а это означает, что потенциальная энергия будет накапливаться в системе, поскольку нагрузка сопротивляется вращению.
В сочетании друг с другом конечная жесткость на кручение и люфт могут значительно ухудшить производительность сервосистемы. Люфт может внести неопределенность, поскольку энкодер двигателя указывает положение вала двигателя, а не то место, где люфт позволил нагрузке установиться. Люфт также создает проблемы с настройкой, поскольку нагрузка на короткое время соединяется и отсоединяется от двигателя, когда нагрузка и двигатель меняют относительное направление. Помимо люфта, конечная крутильная жесткость сохраняет энергию, преобразуя часть кинетической энергии двигателя и нагрузки в потенциальную энергию, высвобождая ее позже. Это задержанное высвобождение энергии вызывает колебания нагрузки, вызывает резонанс, снижает максимально полезный коэффициент усиления настройки и отрицательно влияет на скорость реагирования и время стабилизации сервосистемы. Во всех случаях уменьшение люфта и увеличение жесткости системы повысят производительность сервопривода и упростят настройку.
Конфигурации серводвигателя поворотной оси
Наиболее распространенной конфигурацией поворотной оси является поворотный серводвигатель со встроенным энкодером для обратной связи по положению и редуктором, который согласовывает доступный крутящий момент и скорость двигателя с требуемым крутящим моментом и скоростью нагрузки. Редуктор представляет собой устройство постоянной мощности, являющееся механическим аналогом трансформатора согласования нагрузки.
В улучшенной аппаратной конфигурации используется роторный серводвигатель с прямым приводом, который исключает элементы передачи за счет прямого подключения нагрузки к двигателю. В то время как в конфигурации мотор-редуктора используется муфта с валом относительно небольшого диаметра, система прямого привода прикрепляет нагрузку непосредственно к фланцу ротора гораздо большего размера. Такая конфигурация исключает люфт и значительно увеличивает жесткость на кручение. Обмотки с большим количеством полюсов и высоким крутящим моментом двигателей с прямым приводом соответствуют характеристикам крутящего момента и скорости мотор-редуктора с передаточным числом 10:1 или выше.
Время публикации: 12 ноября 2021 г.
