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 быть полезны пользователям, но каждый из них имеет определенные проблемы и ограничения.
- Прямоприводные роторные сервомоторы обеспечивают наилучшую производительность, но они дороже редукторных двигателей.
На протяжении десятилетий редукторные серводвигатели были одним из самых распространённых инструментов в промышленной автоматизации. Они обеспечивают позиционирование, согласование скорости, электронную кулачковую регулировку, намотку, натяжение и затяжку, а также эффективно согласуют мощность серводвигателя с нагрузкой. В связи с этим возникает вопрос: является ли редукторный серводвигатель лучшим вариантом для технологии вращательного движения или существует более эффективное решение?
В идеальном мире роторная сервосистема должна иметь крутящий момент и скорость, соответствующие области применения, поэтому двигатель не должен быть слишком большим или слишком маленьким. Сочетание двигателя, элементов трансмиссии и нагрузки должно иметь бесконечную крутильную жёсткость и нулевой люфт. К сожалению, реальные роторные сервосистемы в той или иной 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. При первом включении машины нагрузка будет колебаться где-то посередине между механическими допусками (рис. 1А).
Прежде чем двигатель сможет переместить сам груз, двигатель должен вращаться, чтобы выбрать весь провис элементов трансмиссии (рис. 1B). Когда двигатель начинает замедляться в конце перемещения, положение груза может фактически обогнать положение двигателя, поскольку инерция выносит груз за пределы положения двигателя.
Двигатель должен снова выбрать провис в противоположном направлении, прежде чем подать крутящий момент на нагрузку для её замедления (рис. 1C). Эта потеря движения называется люфтом и обычно измеряется в угловых минутах, равных 1/60 градуса. Редукторы, предназначенные для использования с сервоприводами в промышленных системах, часто имеют люфт 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 передавала бы крутящий момент на нагрузку без углового отклонения вокруг оси вращения; однако даже сплошной стальной вал будет слегка прокручиваться под большой нагрузкой. Величина прогиба зависит от приложенного крутящего момента, материала элементов трансмиссии и их формы; интуитивно понятно, что длинные, тонкие детали будут прокручиваться больше, чем короткие, толстые. Это сопротивление скручиванию заставляет работать спиральные пружины, поскольку сжатие пружины немного скручивает каждый виток проволоки; более толстая проволока делает пружину более жесткой. Все, что меньше бесконечной жесткости на кручение, заставляет систему действовать как пружина, что означает, что потенциальная энергия будет накапливаться в системе, поскольку нагрузка сопротивляется вращению.
В сочетании конечная крутильная жесткость и люфт могут значительно ухудшить производительность сервосистемы. Люфт может внести неопределенность, так как энкодер двигателя указывает положение вала двигателя, а не то, где люфт позволил нагрузке установиться. Люфт также создает проблемы настройки, поскольку нагрузка кратковременно соединяется и рассоединяется с двигателем, когда нагрузка и двигатель меняют относительное направление. В дополнение к люфту, конечная крутильная жесткость запасает 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 используемый коэффициент усиления настройки и отрицательно влияет на отзывчивость и время установления сервосистемы. Во всех случаях уменьшение люфта и увеличение жесткости системы улучшит производительность сервопривода и упростит настройку.
Конфигурации серводвигателей с вращающейся осью
Наиболее распространённая конфигурация поворотной оси представляет собой поворотный серводвигатель со встроенным энкодером для обратной связи по положению и редуктором, согласующим крутящий момент и скорость двигателя с требуемыми крутящим моментом и скоростью нагрузки. Редуктор представляет собой устройство постоянной мощности, являющееся механическим аналогом трансформатора для согласования нагрузки.
В усовершенствованной аппаратной конфигурации используется роторный серводвигатель с прямым приводом, что исключает необходимость в передаточных элементах благодаря непосредственному соединению нагрузки с двигателем. В то время как в конфигурации с мотор-редуктором используется муфта с валом относительно малого диаметра, система с прямым приводом напрямую соединяет нагрузку с фланцем ротора гораздо большего диаметра. Такая конфигурация исключает 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.
