Pemacu terus lwn. motor putar bergear: Satu kuantifikasi kelebihan reka bentuk: Bahagian 1

Objektif Pembelajaran

• Sistem servo putar dunia sebenar tidak mencapai prestasi ideal kerana batasan teknikal.
• Beberapa jenis motor servo putar boleh memberikan faedah kepada pengguna, tetapi masing-masing mempunyai cabaran atau had tertentu.
• Servomotor putar pemacu terus menawarkan prestasi terbaik, tetapi ia lebih mahal daripada motor gear.

Selama beberapa dekad, servomotor bergilir telah menjadi salah satu alat yang paling biasa dalam kotak alat automasi industri. Sevromotor bergear menawarkan kedudukan, padanan halaju, pemadanan elektronik, penggulungan, penegangan, aplikasi mengetatkan dan secara cekap memadankan kuasa motor servo kepada beban. Ini menimbulkan persoalan: adakah servomotor bergilir pilihan terbaik untuk teknologi gerakan berputar, atau adakah terdapat penyelesaian yang lebih baik?

Dalam dunia yang sempurna, sistem servo berputar akan mempunyai penilaian tork dan kelajuan yang sepadan dengan aplikasi supaya motor tidak bersaiz terlalu besar dan tidak bersaiz kecil. Gabungan motor, elemen penghantaran dan beban harus mempunyai kekakuan kilasan yang tidak terhingga dan sifar tindak balas. Malangnya, sistem servo berputar dunia sebenar tidak mencapai ideal ini kepada tahap yang berbeza-beza.

Dalam sistem servo biasa, tindak balas ditakrifkan sebagai kehilangan pergerakan antara motor dan beban yang disebabkan oleh toleransi mekanikal unsur penghantaran; ini termasuk sebarang kehilangan pergerakan di seluruh kotak gear, tali pinggang, rantai dan gandingan. Apabila mesin pada mulanya dihidupkan, beban akan terapung di suatu tempat di tengah-tengah had terima mekanikal (Rajah 1A).

Sebelum beban itu sendiri boleh digerakkan oleh motor, motor mesti berputar untuk menampung semua kelonggaran yang wujud dalam elemen penghantaran (Rajah 1B). Apabila motor mula memecut pada penghujung pergerakan, kedudukan beban sebenarnya boleh memintas kedudukan motor kerana momentum membawa beban melepasi kedudukan motor.

Motor mesti sekali lagi mengambil kendur ke arah yang bertentangan sebelum menggunakan tork pada beban untuk memecutnya (Rajah 1C). Kehilangan pergerakan ini dipanggil tindak balas, dan biasanya diukur dalam minit arka, bersamaan dengan 1/60 darjah. Kotak gear yang direka untuk digunakan dengan servos dalam aplikasi industri selalunya mempunyai spesifikasi tindak balas antara 3 hingga 9 minit arka.

Kekakuan kilasan ialah rintangan kepada berpusing aci motor, elemen penghantaran, dan beban sebagai tindak balas kepada penggunaan tork. Sistem yang sangat kaku akan menghantar tork kepada beban tanpa pesongan sudut mengenai paksi putaran; walau bagaimanapun, walaupun aci keluli pepejal akan berpusing sedikit di bawah beban berat. Magnitud pesongan berbeza dengan tork yang digunakan, bahan elemen penghantaran, dan bentuknya; secara intuitif, bahagian yang panjang dan nipis akan berpintal lebih daripada bahagian yang pendek dan gemuk. Rintangan kepada berpusing inilah yang menjadikan spring gegelung berfungsi, kerana memampatkan spring memusingkan sedikit setiap pusingan wayar; wayar yang lebih gemuk menjadikan spring lebih keras. Apa-apa yang kurang daripada kekakuan kilasan tak terhingga menyebabkan sistem bertindak sebagai spring, bermakna tenaga berpotensi akan disimpan dalam sistem kerana beban menentang putaran.

Apabila digabungkan bersama, kekakuan kilasan terhingga dan tindak balas boleh merendahkan prestasi sistem servo dengan ketara. Tindak balas boleh menimbulkan ketidakpastian, kerana pengekod motor menunjukkan kedudukan aci motor, bukan di tempat tindak balas telah membenarkan beban mengendap. Backlash juga memperkenalkan isu penalaan apabila beban berpasangan dan melepaskan dari motor secara ringkas apabila beban dan motor berbalik arah relatif. Selain tindak balas, kekakuan kilasan terhingga menyimpan tenaga dengan menukar sebahagian daripada tenaga kinetik motor dan beban kepada tenaga berpotensi, melepaskannya kemudian. Pelepasan tenaga yang tertunda ini menyebabkan ayunan beban, mendorong resonans, mengurangkan keuntungan penalaan maksimum yang boleh digunakan dan memberi kesan negatif kepada responsif dan masa penyelesaian sistem servo. Dalam semua kes, mengurangkan tindak balas dan meningkatkan kekakuan sistem akan meningkatkan prestasi servo dan memudahkan penalaan.

Konfigurasi servomotor paksi berputar

Konfigurasi paksi putar yang paling biasa ialah motor servo putar dengan pengekod terbina dalam untuk maklum balas kedudukan dan kotak gear untuk memadankan tork dan kelajuan motor yang ada dengan tork dan kelajuan beban yang diperlukan. Kotak gear ialah peranti kuasa malar yang merupakan analog mekanikal pengubah untuk pemadanan beban.

Konfigurasi perkakasan yang dipertingkatkan menggunakan servomotor berputar pemacu terus, yang menghilangkan elemen penghantaran dengan menggandingkan beban secara terus ke motor. Walaupun konfigurasi motor gear menggunakan gandingan pada aci diameter yang agak kecil, sistem pemacu langsung memaut beban terus ke bebibir pemutar yang lebih besar. Konfigurasi ini menghilangkan tindak balas dan meningkatkan kekakuan kilasan. Kiraan kutub yang lebih tinggi dan belitan tork yang tinggi bagi motor pemacu langsung sepadan dengan ciri tork dan kelajuan motor gear dengan nisbah 10:1 atau lebih tinggi.