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

Lärandemål

• Verkliga roterande servosystem når inte upp till 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 bäst prestanda, men de är dyrare än växelmotorer.

I årtionden har kuggväxlade servomotorer varit ett av de vanligaste verktygen i verktygslådan för industriell automation. Kuggväxlade sevromotorer erbjuder positionering, hastighetsanpassning, elektronisk kamjustering, lindning, spänning och åtdragning, och matchar effektivt servomotorns effekt till lasten. Detta väcker frågan: är en kuggväxlad servomotor det bästa alternativet för rotationsteknik, eller finns det en bättre lösning?

I en perfekt värld skulle ett roterande servosystem ha vridmoment- och hastighetsvärden 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 når verkliga roterande servosystem inte upp till detta ideal i varierande grad.

I ett typiskt servosystem definieras glapp som rörelseförlusten mellan motorn och lasten orsakad av de mekaniska toleranserna hos transmissionselementen; detta inkluderar all rörelseförlust i växellådor, remmar, kedjor och kopplingar. När en maskin startas första gången kommer lasten att flyta någonstans mitt i de mekaniska toleranserna (Figur 1A).

Innan lasten i sig kan flyttas av motorn måste motorn rotera för att ta upp allt slack som finns i transmissionselementen (Figur 1B). När motorn börjar retardera i slutet av en rörelse kan lastpositionen faktiskt ta om motorpositionen eftersom rörelsemängden bär lasten bortom motorpositionen.

Motorn måste återigen ta upp glapp i motsatt riktning innan den applicerar vridmoment på lasten för att retardera den (Figur 1C). Denna rörelseförlust kallas glapp och mäts vanligtvis i bågminuter, vilket motsvarar 1/60-dels grad. Växellådor konstruerade 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 vinkelutböjning kring rotationsaxeln; dock kommer även en solid stålaxel att vrida sig något under tung belastning. Storleken på utböjningen varierar med det applicerade vridmomentet, materialet i transmissionselementen och deras form; intuitivt kommer långa, tunna delar att vrida sig mer än korta, tjocka. Detta motstånd mot vridning är det som får spiralfjädrar att fungera, eftersom komprimering av fjädern vrider varje varv av tråden något; tjockare 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 kan ändlig vridstyvhet och glapp försämra ett servosystems prestanda avsevärt. Glapp kan skapa osäkerhet, eftersom motorkodaren indikerar motoraxelns position, inte var glappet har låtit lasten stabiliseras. Glapp introducerar också trimningsproblem eftersom lasten kopplas och frikopplas från motorn kortvarigt när lasten och motorn reverserar relativ riktning. Förutom glapp lagrar ändlig vridstyvhet energi genom att omvandla en del av motorns och lastens kinetiska energi till potentiell energi, som frigörs senare. Denna fördröjda energifrigöring orsakar lastoscillation, inducerar resonans, minskar maximal användbar trimningsvinst och påverkar servosystemets respons och stabiliseringstid negativt. I samtliga fall kommer minskat glapp och ökat systems styvhet att öka servoprestandan och förenkla trimningen.

Konfigurationer för servomotorer med roterande axel

Den vanligaste rotationsaxelkonfigurationen är en roterande servomotor med en inbyggd pulsgivare för positionsåterkoppling och en växellåda för att matcha motorns tillgängliga vridmoment och hastighet med lastens erforderliga vridmoment och hastighet. Växellådan är en konstant effektenhet som är den mekaniska motsvarigheten till en transformator för lastmatchning.

En förbättrad hårdvarukonfiguration använder en direktdriven roterande servomotor, vilket eliminerar transmissionselementen genom att direkt koppla lasten till motorn. Medan växelmotorkonfigurationen använder en koppling till en axel med relativt liten diameter, bultar direktdrivningssystemet 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 utväxlingsförhållande på 10:1 eller högre.