Редукторный серводвигатель может быть полезен для технологии вращательного движения, но существуют проблемы и ограничения, о которых пользователям следует знать.
Автор: Дакота Миллер и Брайан Найт
Цели обучения
- Реальные роторные сервосистемы не достигают идеальных характеристик из-за технических ограничений.
- Несколько типов роторных серводвигателей могут обеспечить пользователям определенные преимущества, но каждый из них имеет определенные проблемы и ограничения.
- Прямоприводные роторные серводвигатели обеспечивают наилучшую производительность, но они дороже редукторных двигателей.
На протяжении десятилетий редукторные серводвигатели были одним из самых распространенных инструментов в наборе инструментов промышленной автоматизации. Редукторные серводвигатели предлагают позиционирование, согласование скорости, электронную кулачковую обработку, намотку, натяжение, затягивание и эффективное согласование мощности серводвигателя с нагрузкой. Это поднимает вопрос: является ли редукторный серводвигатель лучшим вариантом для технологии вращательного движения или есть лучшее решение?
В идеальном мире роторная сервосистема имела бы крутящий момент и номинальные скорости, соответствующие применению, поэтому двигатель не был бы ни слишком большим, ни слишком маленьким. Сочетание двигателя, элементов трансмиссии и нагрузки должно иметь бесконечную жесткость на кручение и нулевой люфт. К сожалению, реальные роторные сервосистемы в разной степени не дотягивают до этого идеала.
В типичной сервосистеме люфт определяется как потеря движения между двигателем и нагрузкой, вызванная механическими допусками элементов трансмиссии; сюда входят любые потери движения в редукторах, ремнях, цепях и муфтах. Когда машина изначально включена, нагрузка будет плавать где-то посередине механических допусков (рисунок 1A).
Прежде чем сам груз может быть перемещен двигателем, двигатель должен вращаться, чтобы выбрать все провисание, существующее в элементах трансмиссии (рисунок 1B). Когда двигатель начинает замедляться в конце движения, положение груза может фактически обогнать положение двигателя, поскольку импульс переносит груз за пределы положения двигателя.
Двигатель должен снова выбрать слабину в противоположном направлении, прежде чем приложить крутящий момент к нагрузке, чтобы замедлить ее (рисунок 1C). Эта потеря движения называется люфтом и обычно измеряется в угловых минутах, равных 1/60 градуса. Редукторы, предназначенные для использования с сервоприводами в промышленных приложениях, часто имеют характеристики люфта в диапазоне 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 нагрузке без углового отклонения вокруг оси вращения; однако даже сплошной стальной вал будет слегка скручиваться под большой нагрузкой. Величина прогиба зависит от приложенного крутящего момента, материала элементов трансмиссии и их формы; интуитивно понятно, что длинные, тонкие детали будут скручиваться больше, чем короткие, толстые. Это сопротивление скручиванию заставляет работать спиральные пружины, поскольку сжатие пружины слегка скручивает каждый оборот проволоки; более толстая проволока делает пружину более жесткой. Все, что меньше бесконечной жесткости на кручение, заставляет систему действовать как пружина, то есть потенциальная энергия будет сохраняться в системе, поскольку нагрузка сопротивляется вращению.
При совместном использовании конечная крутильная жесткость и люфт могут значительно ухудшить производительность сервосистемы. Люфт может вносить неопределенность, так как энкодер двигателя указывает положение вала двигателя, а не то, где люфт позволил нагрузке стабилизироваться. Люфт также вносит проблемы с настройкой, так как нагрузка на короткое время соединяется и разъединяется с двигателем, когда нагрузка и двигатель меняют относительное направление. В дополнение к люфту конечная крутильная жесткость сохраняет энергию, преобразуя часть кинетической энергии двигателя и нагрузки в потенциальную энергию, высвобождая ее позже. Это замедленное высвобождение энергии вызывает колебания нагрузки, вызывает резонанс, снижает максимально полезные коэффициенты настройки и отрицательно влияет на скорость реагирования и время стабилизации сервосистемы. Во всех случаях уменьшение люфта и увеличение жесткости системы повысит производительность сервопривода и упростит настройку.
Конфигурации серводвигателей с вращающейся осью
Наиболее распространенная конфигурация поворотной оси — это поворотный серводвигатель со встроенным энкодером для обратной связи по положению и редуктором для согласования имеющегося крутящего момента и скорости двигателя с требуемым крутящим моментом и скоростью нагрузки. Редуктор — это устройство постоянной мощности, которое является механическим аналогом трансформатора для согласования нагрузки.
Улучшенная конфигурация оборудования использует роторный серводвигатель с прямым приводом, который устраняет элементы трансмиссии, напрямую соединяя нагрузку с двигателем. В то время как конфигурация мотор-редуктора использует соединение с валом относительно малого диаметра, система прямого привода прикручивает нагрузку непосредственно к гораздо большему фланцу ротора. Такая конфигурация устраняет люфт и значительно увеличивает крутильную жесткость. Большее количество полюсов и обмотки с высоким крутящим моментом двигателей с прямым приводом соответствуют характеристикам крутящего момента и скорости мотор-редуктора с передаточным отношением 10:1 или выше.
Время публикации: 12 ноября 2021 г.
