Direktdrift kontra växlad roterande servomotor: En kvantifiering av designfördelar: Del 1

Lärandemål

• Verkliga roterande servosystem saknar idealisk prestanda på grund av tekniska begränsningar.
• Flera typer av roterande servomotorer kan ge fördelar för användarna, men var och en har en specifik utmaning eller begränsning.
• Direktdrivna roterande servomotorer erbjuder den bästa prestandan, men de är dyrare än växelmotorer.

I decennier har växlade servomotorer varit ett av de vanligaste verktygen i verktygslådan för industriell automation. Växlade sevromotorer erbjuder positionering, hastighetsmatchning, elektronisk kamning, lindning, spänning, åtdragning och matchar effektivt kraften hos en servomotor till lasten. Detta väcker frågan: är en växlad servomotor det bästa alternativet för roterande rörelseteknik, eller finns det en bättre lösning?

I en perfekt värld skulle ett roterande servosystem ha vridmoment och varvtal som matchar applikationen så att motorn varken är överdimensionerad eller underdimensionerad. Kombinationen av motor, transmissionselement och last bör ha oändlig vridstyvhet och noll glapp. Tyvärr faller verkliga roterande servosystem inte till detta ideal i varierande grad.

I ett typiskt servosystem definieras glapp som förlusten av rörelse mellan motorn och belastningen orsakad av de mekaniska toleranserna hos transmissionselementen; detta inkluderar alla rörelseförluster i växellådor, remmar, kedjor och kopplingar. När en maskin startas från början kommer lasten att flyta någonstans i mitten av de mekaniska toleranserna (Figur 1A).

Innan själva lasten kan flyttas av motorn måste motorn rotera för att ta upp all slack som finns i transmissionselementen (Figur 1B). När motorn börjar bromsa i slutet av en rörelse, kan lastpositionen faktiskt passera motorpositionen eftersom momentum bär lasten bortom motorpositionen.

Motorn måste återigen ta upp slacket i motsatt riktning innan det applicerar vridmoment på lasten för att bromsa den (Figur 1C). Denna förlust av rörelse kallas backlash och mäts vanligtvis i bågminuter, lika med 1/60 av en grad. Växellådor som är designade för användning med servon i industriella applikationer har ofta glappspecifikationer som sträcker sig från 3 till 9 bågminuter.

Vridstyvhet är motståndet mot vridning av motoraxeln, transmissionselementen och belastningen som svar på applicering av vridmoment. Ett oändligt styvt system skulle överföra vridmoment till lasten utan vinkelavböjning kring rotationsaxeln; men även en solid stålaxel kommer att vrida sig något under tung belastning. Storleken på avböjningen varierar med det applicerade vridmomentet, transmissionselementens material och deras form; intuitivt kommer långa, tunna delar att vrida sig mer än korta, feta. Detta motstånd mot vridning är det som gör att spiralfjädrar fungerar, eftersom komprimering av fjädern vrider varje varv av tråden något; fetare tråd gör en styvare fjäder. Allt mindre än oändlig vridstyvhet gör att systemet fungerar som en fjäder, vilket innebär att potentiell energi kommer att lagras i systemet när lasten motstår rotation.

När de kombineras tillsammans kan ändlig vridstyvhet och glapp avsevärt försämra prestandan hos ett servosystem. Glapp kan skapa osäkerhet, eftersom motorgivaren indikerar läget för motorns axel, inte där glappet har låtit belastningen lägga sig. Backlash introducerar också inställningsproblem då lasten kopplas ihop och kopplas bort från motorn kortvarigt när lasten och motorn vänder den relativa riktningen. Förutom backlash, lagrar ändlig vridstyvhet energi genom att omvandla en del av motorns kinetiska energi och belastning till potentiell energi, vilket frigör den senare. Denna fördröjda energifrisättning orsakar lastoscillation, inducerar resonans, minskar maximala användbara inställningsförstärkningar och påverkar svarsförmågan och inställningstiden för servosystemet negativt. I alla fall kommer att minska glapp och öka styvheten i ett system att öka servoprestanda och förenkla inställningen.

Roterande axel servomotorkonfigurationer

Den vanligaste roterande axelkonfigurationen är en roterande servomotor med en inbyggd pulsgivare för lägesåterkoppling och en växellåda för att matcha det tillgängliga vridmomentet och motorns varvtal till det erforderliga vridmomentet och varvtalet för lasten. Växellådan är en konstant effektanordning som är den mekaniska analogen till en transformator för lastanpassning.

En förbättrad hårdvarukonfiguration använder en direktdriven roterande servomotor, som eliminerar transmissionselementen genom att direkt koppla lasten till motorn. Medan växelmotorkonfigurationen använder en koppling till en axel med relativt liten diameter, bultar direktdrivsystemet fast lasten direkt till en mycket större rotorfläns. Denna konfiguration eliminerar glapp och ökar vridstyvheten avsevärt. Det högre polantalet och höga vridmomentlindningarna hos direktdrivna motorer matchar vridmoment- och hastighetsegenskaperna hos en växelmotor med ett förhållande på 10:1 eller högre.