Közvetlen hajtás vs. hajtóműves forgó szervomotor: A tervezési előny számszerűsítése: 1. rész

Tanulási célok

• A valós forgó szervorendszerek technikai korlátai miatt elmaradnak az ideális teljesítménytől.
• A forgó szervomotorok többféle típusa előnyökkel járhat a felhasználók számára, de mindegyiknek van sajátos kihívása vagy korlátja.
• A közvetlen meghajtású forgó szervomotorok nyújtják a legjobb teljesítményt, de drágábbak, mint a hajtóműves motorok.

A hajtóműves szervomotorok évtizedek óta az egyik legelterjedtebb eszköz az ipari automatizálás eszköztárában. A hajtóműves sevromotorok pozícionálást, sebesség-illesztést, elektronikus bütykös vezérlést, tekercselést, feszítést, meghúzási alkalmazásokat kínálnak, és hatékonyan hozzáigazítják a szervomotor teljesítményét a terheléshez. Ez felveti a kérdést: a hajtóműves szervomotor a legjobb megoldás a forgómozgásos technológia számára, vagy van-e jobb megoldás?

Egy tökéletes világban a forgó szervorendszerek nyomatéka és fordulatszáma megfelel az alkalmazásnak, így a motor sem túlméretezett, sem alulméretezett. A motor, a sebességváltó elemek és a terhelés kombinációjának végtelen torziós merevséggel és nulla holtjátékkal kell rendelkeznie. Sajnos a valós forgó szervorendszerek különböző mértékben elmaradnak ettől az ideálistól.

Egy tipikus szervorendszerben a holtjáték a motor és az erőátviteli elemek mechanikai tűrései által okozott terhelés közötti mozgáskiesés; ez magában foglalja a sebességváltók, szíjak, láncok és tengelykapcsolók mozgási veszteségét. Amikor a gépet először bekapcsolják, a terhelés valahol a mechanikai tűrések közepén fog lebegni (1A ábra).

Mielőtt magát a terhelést a motor mozgatná, a motornak forognia kell, hogy felvegye az erőátviteli elemekben lévő összes lazaságot (1B. ábra). Amikor a motor lassulni kezd egy mozgás végén, a terhelési pozíció ténylegesen megelőzheti a motor helyzetét, mivel a lendület a terhelést túllépi a motor pozícióján.

A motornak ismét fel kell vennie a lazaságot az ellenkező irányban, mielőtt nyomatékot fejt ki a terhelésre a lassítás érdekében (1C. ábra). Ezt a mozgásvesztést holtjátéknak nevezik, és általában ívpercekben mérik, ami a fok 1/60-ának felel meg. Az ipari alkalmazásokhoz szervókkal való használatra tervezett sebességváltók holtjátéka gyakran 3 és 9 ívperc között van.

A torziós merevség a motor tengelyének, az erőátviteli elemeknek és a forgatónyomatékra adott terhelésnek adott csavarodási ellenállása. Egy végtelenül merev rendszer a forgatónyomatékot a terhelésre a forgástengely körüli szögelhajlás nélkül továbbítaná; azonban még a tömör acél tengely is kissé elcsavarodik nagy terhelés hatására. Az elhajlás nagysága az alkalmazott nyomatéktól, az erőátviteli elemek anyagától és alakjától függően változik; intuitív módon a hosszú, vékony részek jobban csavarodnak, mint a rövidek, kövérek. Ez a csavarodási ellenállás az, amitől a tekercsrugók működnek, mivel a rugó összenyomása a huzal minden egyes fordulatát enyhén elcsavarja; kövérebb huzal merevebb rugót csinál. Bármi, ami kisebb, mint a végtelen torziós merevség, arra készteti a rendszert, hogy rugóként működjön, ami azt jelenti, hogy a potenciális energia tárolódik a rendszerben, amikor a terhelés ellenáll a forgásnak.

A véges torziós merevség és a holtjáték együttesen jelentősen ronthatja a szervorendszer teljesítményét. A holtjáték bizonytalanságot okozhat, mivel a motor jeladója a motor tengelyének helyzetét jelzi, nem azt, ahol a holtjáték lehetővé tette a terhelés leülepedését. A holtjáték hangolási problémákat is okoz, mivel a terhelés rövid időre csatlakozik a motorhoz, és leválik róla, amikor a terhelés és a motor egymáshoz viszonyított iránya megfordul. A holtjátékon kívül a véges torziós merevség energiát tárol azáltal, hogy a motor és a terhelés kinetikus energiájának egy részét potenciális energiává alakítja, majd később felszabadítja. Ez a késleltetett energiafelszabadulás terhelési oszcillációt okoz, rezonanciát indukál, csökkenti a maximálisan használható hangolási nyereséget, és negatívan befolyásolja a szervorendszer reakcióképességét és beállási idejét. A holtjáték csökkentése és a rendszer merevségének növelése minden esetben növeli a szervo teljesítményét és egyszerűsíti a hangolást.

Forgótengely szervomotor konfigurációk

A legelterjedtebb forgótengely-konfiguráció egy forgó szervomotor beépített helyzet-visszacsatoló jeladóval és egy sebességváltóval, amely a motor rendelkezésre álló nyomatékát és fordulatszámát a terhelés szükséges nyomatékához és fordulatszámához igazítja. A sebességváltó egy állandó teljesítményű eszköz, amely egy transzformátor mechanikai analógja a terhelésillesztéshez.

A továbbfejlesztett hardverkonfiguráció közvetlen meghajtású forgó szervomotort használ, amely kiküszöböli az erőátviteli elemeket azáltal, hogy a terhelést közvetlenül a motorhoz kapcsolja. Míg a hajtóműves motor konfigurációja tengelykapcsolót használ egy viszonylag kis átmérőjű tengelyhez, a közvetlen hajtásrendszer a terhelést közvetlenül egy sokkal nagyobb rotorkarimához csavarja. Ez a konfiguráció kiküszöböli a holtjátékot és nagymértékben növeli a torziós merevséget. A közvetlen hajtású motorok nagyobb pólusszáma és nagy nyomatékú tekercselése megfelel a 10:1 vagy nagyobb arányú hajtóműves motorok nyomatékának és fordulatszámának.