Direkte drev vs. roterende servomotor med gear: En kvantificering af designfordele: Del 1

Læringsmål

• Roterende servosystemer i den virkelige verden lever ikke op til den ideelle ydeevne på grund af tekniske begrænsninger.
• Flere typer roterende servomotorer kan give fordele for brugerne, men hver har en specifik udfordring eller begrænsning.
• Direkte drevne roterende servomotorer tilbyder den bedste ydeevne, men de er dyrere end gearmotorer.

I årtier har servomotorer med gear været et af de mest almindelige værktøjer i værktøjskassen inden for industriel automation. Sevromotorer med gear tilbyder positionering, hastighedstilpasning, elektronisk kamjustering, vikling, spænding og tilspænding, og de matcher effektivt en servomotors effekt til belastningen. Dette rejser spørgsmålet: Er en servomotor med gear den bedste løsning til rotationsteknologi, eller findes der en bedre løsning?

I en perfekt verden ville et roterende servosystem have moment- og hastighedsklassificeringer, der matcher applikationen, så motoren hverken er overdimensioneret eller underdimensioneret. Kombinationen af ​​motor, transmissionselementer og belastning bør have uendelig vridningsstivhed og nul slør. Desværre lever roterende servosystemer i den virkelige verden ikke op til dette ideal i varierende grad.

I et typisk servosystem defineres slør som tabet af bevægelse mellem motoren og lasten forårsaget af de mekaniske tolerancer i transmissionselementerne; dette inkluderer ethvert bevægelsestab i gearkasser, remme, kæder og koblinger. Når en maskine tændes første gang, vil lasten svæve et sted midt i de mekaniske tolerancer (figur 1A).

Før selve lasten kan flyttes af motoren, skal motoren rotere for at optage alt slæk i transmissionselementerne (Figur 1B). Når motoren begynder at decelerere ved afslutningen af ​​en bevægelse, kan lastpositionen faktisk overhale motorpositionen, da momentum fører lasten ud over motorpositionen.

Motoren skal igen optage sløret i den modsatte retning, før den påfører moment på belastningen for at decelerere den (figur 1C). Dette tab af bevægelse kaldes slør og måles typisk i bueminutter, svarende til 1/60 af en grad. Gearkasser designet til brug med servoer i industrielle applikationer har ofte slørspecifikationer fra 3 til 9 bueminutter.

Torsionsstivhed er modstanden mod vridning af motorakslen, transmissionselementerne og belastningen som reaktion på påføring af drejningsmoment. Et uendeligt stift system ville overføre drejningsmoment til belastningen uden vinkeludbøjning omkring rotationsaksen; dog vil selv en massiv stålaksel vride sig en smule under tung belastning. Størrelsen af ​​udbøjningen varierer med det påførte drejningsmoment, transmissionselementernes materiale og deres form; intuitivt vil lange, tynde dele vride sig mere end korte, tykke. Denne modstand mod vridning er det, der får spiralfjedre til at fungere, da komprimering af fjederen vrider hver omdrejning af tråden en smule; tykkere tråd giver en stivere fjeder. Alt mindre end uendelig torsionsstivhed får systemet til at fungere som en fjeder, hvilket betyder, at potentiel energi vil blive lagret i systemet, når belastningen modstår rotation.

Når de kombineres, kan endelig torsionsstivhed og slør forringe et servosystems ydeevne betydeligt. Slør kan medføre usikkerhed, da motorens encoder angiver positionen af ​​motorens aksel, ikke hvor sløret har tilladt belastningen at stabilisere sig. Slør introducerer også tuningproblemer, da belastningen kortvarigt kobles og afkobles fra motoren, når belastningen og motoren vender relativ retning. Ud over slør lagrer endelig torsionsstivhed energi ved at omdanne noget af motorens og belastningens kinetiske energi til potentiel energi, som frigives senere. Denne forsinkede energifrigivelse forårsager belastningsoscillation, inducerer resonans, reducerer maksimale brugbare tuninggevinster og påvirker servosystemets responsivitet og stabiliseringstid negativt. I alle tilfælde vil reduktion af slør og øgning af et systems stivhed øge servoydelsen og forenkle tuning.

Konfigurationer af servomotorer med roterende akse

Den mest almindelige roterende aksekonfiguration er en roterende servomotor med en indbygget encoder til positionsfeedback og en gearkasse til at matche motorens tilgængelige drejningsmoment og hastighed med det nødvendige drejningsmoment og hastighed for belastningen. Gearkassen er en konstant effektenhed, der er den mekaniske analog til en transformer til belastningstilpasning.

En forbedret hardwarekonfiguration bruger en direkte drevet roterende servomotor, som eliminerer transmissionselementerne ved direkte at koble lasten til motoren. Hvor gearmotorkonfigurationen bruger en kobling til en aksel med relativt lille diameter, bolter det direkte drevsystem lasten direkte til en meget større rotorflange. Denne konfiguration eliminerer slør og øger vridningsstivheden betydeligt. Det højere poltal og de høje momentviklinger i direkte drevmotorer matcher moment- og hastighedskarakteristikaene for en gearmotor med et forhold på 10:1 eller højere.