Tiešā piedziņa salīdzinājumā ar rotējošo servomotoru ar pārnesumu: konstrukcijas priekšrocību noteikšana: 1. daļa

Mācību mērķi

• Reālās pasaules rotācijas servosistēmas tehnisku ierobežojumu dēļ nesasniedz ideālu veiktspēju.
• Vairāku veidu rotējošie servomotori var sniegt priekšrocības lietotājiem, taču katram no tiem ir īpašs izaicinājums vai ierobežojumi.
• Tiešās piedziņas rotējošie servomotori piedāvā vislabāko veiktspēju, taču tie ir dārgāki nekā reduktoru motori.

Gadu desmitiem servomotori ar pārnesumu ir bijuši viens no visizplatītākajiem instrumentiem rūpnieciskās automatizācijas instrumentu komplektā. Sevromotori ar pārnesumu nodrošina pozicionēšanu, ātruma saskaņošanu, elektronisku izbīdīšanu, tinumu, spriegošanu, pievilkšanu un efektīvi pielāgo servomotora jaudu slodzei. Tas rada jautājumu: vai servomotors ar pārnesumu ir labākais risinājums rotācijas kustības tehnoloģijai, vai arī ir labāks risinājums?

Ideālā pasaulē rotācijas servosistēmai būtu piemēroti griezes momenta un ātruma rādītāji, lai motors nebūtu ne pārāk liels, ne mazs. Motora, transmisijas elementu un slodzes kombinācijai jābūt bezgalīgai griezes stingrībai un nullei pretdarbībai. Diemžēl reālās pasaules rotējošās servosistēmas dažādās pakāpēs neatbilst šim ideālam.

Tipiskā servo sistēmā pretsparu definē kā kustības zudumu starp motoru un slodzi, ko izraisa transmisijas elementu mehāniskās pielaides; tas ietver jebkādus kustības zudumus pārnesumkārbās, siksnās, ķēdēs un sakabēs. Kad mašīna ir sākotnēji ieslēgta, slodze peldēs kaut kur mehānisko pielaides vidū (1.A attēls).

Pirms motors var pārvietot pašu slodzi, motoram ir jāgriežas, lai uzņemtu visu transmisijas elementu atslābumu (1.B attēls). Kad kustības beigās motors sāk palēnināties, slodzes pozīcija faktiski var apsteigt motora pozīciju, jo impulss nes slodzi ārpus motora pozīcijas.

Pirms slodzes pielikšanas griezes momentam, lai to palēninātu, motoram atkal ir jāpaņem atslābums pretējā virzienā (1.C attēls). Šo kustības zudumu sauc par pretreakciju, un to parasti mēra loka minūtēs, kas ir vienāda ar 1/60 grāda. Pārnesumkārbām, kas paredzētas lietošanai ar servo industriālajiem lietojumiem, bieži ir pretdarbības specifikācijas, kas svārstās no 3 līdz 9 loka minūtēm.

Vērpes stīvums ir motora vārpstas, transmisijas elementu un slodzes pretestība pret griešanos, reaģējot uz griezes momenta pielikšanu. Bezgalīgi stingra sistēma pārnestu griezes momentu uz slodzi bez leņķiskās novirzes ap rotācijas asi; tomēr pat cieta tērauda vārpsta pie lielas slodzes nedaudz sagriezīsies. Izlieces lielums mainās atkarībā no pielietotā griezes momenta, transmisijas elementu materiāla un to formas; intuitīvi, garas, tievas daļas sagriezīsies vairāk nekā īsās, resnas. Šī izturība pret griešanos ir tas, kas liek darboties spirālveida atsperēm, jo, saspiežot atsperi, katrs stieples pagrieziens nedaudz pagriežas; resnāka stieple padara stingrāku atsperi. Viss, kas ir mazāks par bezgalīgo vērpes stingrību, liek sistēmai darboties kā atsperei, kas nozīmē, ka sistēmā tiks uzkrāta potenciālā enerģija, jo slodze pretojas rotācijai.

Apvienojot tos kopā, ierobežota griezes stingrība un pretdarbība var ievērojami pasliktināt servosistēmas veiktspēju. Pretstrāde var radīt nenoteiktību, jo motora kodētājs norāda motora vārpstas stāvokli, nevis vietu, kur pretstrāva ir ļāvusi slodzei nosēsties. Pretstrāde rada arī regulēšanas problēmas, jo slodze tiek īslaicīgi savienota un atvienota no motora, kad slodze un motors maina relatīvo virzienu. Papildus pretreakcijai ierobežotā griezes stīvums uzglabā enerģiju, pārvēršot daļu motora un slodzes kinētiskās enerģijas potenciālajā enerģijā, vēlāk to atbrīvojot. Šī aizkavētā enerģijas izdalīšanās izraisa slodzes svārstības, izraisa rezonansi, samazina maksimālo izmantojamo regulēšanas pastiprinājumu un negatīvi ietekmē servosistēmas reaģētspēju un nostādināšanas laiku. Visos gadījumos, samazinot pretdarbību un palielinot sistēmas stingrību, palielināsies servo veiktspēja un vienkāršota regulēšana.

Rotācijas ass servomotoru konfigurācijas

Visizplatītākā rotējošās ass konfigurācija ir rotācijas servomotors ar iebūvētu kodētāju pozīcijas atgriezeniskajai saitei un pārnesumkārbu, lai pieejamo motora griezes momentu un ātrumu pielāgotu vajadzīgajam slodzes griezes momentam un ātrumam. Pārnesumkārba ir pastāvīgas jaudas ierīce, kas ir transformatora mehāniskais analogs slodzes saskaņošanai.

Uzlabotā aparatūras konfigurācijā tiek izmantots tiešās piedziņas rotējošs servomotors, kas novērš transmisijas elementus, tieši savienojot slodzi ar motoru. Ja reduktora konfigurācijā tiek izmantota sakabe ar salīdzinoši maza diametra vārpstu, tiešās piedziņas sistēma pieskrūvē slodzi tieši uz daudz lielāku rotora atloku. Šī konfigurācija novērš pretreakciju un ievērojami palielina griezes stingrību. Tiešās piedziņas motoru lielāks polu skaits un liela griezes momenta tinumi atbilst reduktoru motora griezes momenta un ātruma īpašībām ar attiecību 10:1 vai augstāku.