Tiešā piedziņa salīdzinājumā ar rotācijas servomotoru ar reduktoru: konstrukcijas priekšrocību kvantitatīva noteikšana: 1. daļa

Mācību mērķi

• Tehnisku ierobežojumu dēļ reālās pasaules rotējošās servo sistēmas nesasniedz ideālo veiktspēju.
• Vairāki rotējošo servomotoru veidi var sniegt priekšrocības lietotājiem, taču katram no tiem ir īpašs izaicinājums vai ierobežojums.
• Tiešās piedziņas rotācijas servomotori piedāvā vislabāko veiktspēju, taču tie ir dārgāki nekā reduktoru motori.

Jau gadu desmitiem reduktoru servomotori ir bijuši viens no visizplatītākajiem instrumentiem rūpnieciskās automatizācijas instrumentu komplektā. Reduktoru servomotori piedāvā pozicionēšanas, ātruma saskaņošanas, elektroniskās sadales, tinumu, spriegošanas, pievilkšanas pielietojumus un efektīvi saskaņo servomotora jaudu ar slodzi. Tas rada jautājumu: vai reduktoru servomotors ir labākā izvēle rotācijas kustības tehnoloģijai, vai arī ir labāks risinājums?

Ideālā pasaulē rotējošai servo sistēmai būtu griezes momenta un ātruma vērtējumi, kas atbilstu pielietojumam, tāpēc motors nav ne pārāk liels, ne pārāk mazs. Motora, transmisijas elementu un slodzes kombinācijai vajadzētu būt bezgalīgai vērpes stingrībai un nullei brīvkustībai. Diemžēl reālās pasaules rotējošās servo sistēmas dažādā mērā neatbilst šim ideālam.

Tipiskā servo sistēmā brīvkustība tiek definēta kā kustības zudums starp motoru un slodzi, ko izraisa transmisijas elementu mehāniskās pielaides; tas ietver jebkādus kustības zudumus pārnesumkārbās, siksnās, ķēdēs un savienojumos. Kad mašīna tiek sākotnēji ieslēgta, slodze atradīsies kaut kur mehānisko pielaižu vidū (1.A attēls).

Pirms motors var pārvietot pašu kravu, motoram ir jāgriežas, lai aizpildītu visu transmisijas elementu brīvkustību (1.B attēls). Kad motors kustības beigās sāk palēnināties, kravas pozīcija var faktiski apsteigt motora pozīciju, jo inerce nes kravu ārpus motora pozīcijas.

Pirms griezes momenta pielikšanas slodzei, lai to palēninātu, motoram atkal ir jāpārņem brīvkustība pretējā virzienā (1.C attēls). Šo kustības zudumu sauc par brīvkustību, un to parasti mēra loka minūtēs, kas ir vienādas ar 1/60 grāda. Pārnesumkārbām, kas paredzētas lietošanai ar servo dzinējiem rūpnieciskos lietojumos, brīvkustības specifikācijas bieži vien ir no 3 līdz 9 loka minūtēm.

Vērpes stingrība ir motora vārpstas, transmisijas elementu un slodzes pretestība griešanās reakcijai uz griezes momenta pielietošanu. Bezgalīgi stingra sistēma pārnestu griezes momentu uz slodzi bez leņķiskas novirzes ap rotācijas asi; tomēr pat cieta tērauda vārpsta nedaudz sagriezīsies lielas slodzes ietekmē. Novirzes lielums mainās atkarībā no pielietotā griezes momenta, transmisijas elementu materiāla un to formas; intuitīvi garas, plānas daļas sagriezīsies vairāk nekā īsas, resnas. Šī pretestība griešanās procesam ir tas, kas liek spirālatsperēm darboties, jo, saspiežot atsperi, katrs stieples apgrieziens nedaudz sagriežas; resnāka stieple veido stingrāku atsperi. Jebkas, kas ir mazāks par bezgalīgu vērpes stingrību, liek sistēmai darboties kā atsperei, kas nozīmē, ka sistēmā tiks uzkrāta potenciālā enerģija, slodzei pretojoties rotācijai.

Apvienojumā galīgā vērpes stingrība un brīvkustība var ievērojami pasliktināt servosistēmas veiktspēju. Brīvkustība var radīt nenoteiktību, jo motora kodētājs norāda motora vārpstas pozīciju, nevis vietu, kur brīvkustība ļāvusi slodzei nosēsties. Brīvkustība rada arī regulēšanas problēmas, jo slodze īslaicīgi savienojas un atvienojas no motora, kad slodze un motors mainās relatīvi. Papildus brīvkustībai galīgā vērpes stingrība uzkrāj enerģiju, pārveidojot daļu motora un slodzes kinētiskās enerģijas potenciālajā enerģijā un vēlāk to atbrīvojot. Šī aizkavētā enerģijas atbrīvošana izraisa slodzes svārstības, inducē rezonansi, samazina maksimāli izmantojamo regulēšanas pieaugumu un negatīvi ietekmē servosistēmas reaģētspēju un nostabilizēšanās laiku. Visos gadījumos brīvkustības samazināšana un sistēmas stingrības palielināšana palielinās servo veiktspēju un vienkāršos regulēšanu.

Rotācijas ass servomotora konfigurācijas

Visizplatītākā rotācijas ass konfigurācija ir rotējošs servomotors ar iebūvētu kodētāju pozīcijas atgriezeniskajai saitei un pārnesumkārbu, lai saskaņotu pieejamo motora griezes momentu un ātrumu ar nepieciešamo slodzes griezes momentu un ātrumu. Pārnesumkārba ir nemainīgas jaudas ierīce, kas ir transformatora mehānisks analogs slodzes saskaņošanai.

Uzlabotā aparatūras konfigurācijā tiek izmantots tiešās piedziņas rotācijas servomotors, kas novērš transmisijas elementus, tieši savienojot slodzi ar motoru. Kamēr reduktora motora konfigurācijā tiek izmantots savienojums ar relatīvi maza diametra vārpstu, tiešās piedziņas sistēma pieskrūvē slodzi tieši pie daudz lielāka rotora atloka. Šī konfigurācija novērš brīvkustību un ievērojami palielina vērpes stingrību. Tiešās piedziņas motoru lielāks polu skaits un augstais griezes momenta tinumi atbilst reduktora motora griezes momenta un ātruma raksturlielumiem ar attiecību 10:1 vai lielāku.