درایو مستقیم در مقابل سروموتور چرخشی دنده ای: تعیین کمی از مزیت طراحی: قسمت 1

اهداف یادگیری

• سیستم های سروو چرخشی دنیای واقعی به دلیل محدودیت های فنی از عملکرد ایده آل کوتاهی می کنند.
• انواع مختلفی از سروموتورهای چرخشی می توانند مزایایی را برای کاربران فراهم کنند، اما هر کدام چالش یا محدودیت خاصی دارند.
• سروموتورهای چرخشی درایو مستقیم بهترین عملکرد را دارند، اما گرانتر از گیربکس ها هستند.

برای چندین دهه، سروموتورهای دنده ای یکی از رایج ترین ابزارها در جعبه ابزار اتوماسیون صنعتی بوده اند. موتورهای چرخ دنده موقعیت یابی، تطبیق سرعت، بادامک الکترونیکی، سیم پیچی، کشش، سفت کردن را ارائه می دهند و به طور موثر قدرت سروموتور را با بار تطبیق می دهند. این سؤال را ایجاد می کند: آیا سروموتور دنده ای بهترین گزینه برای فناوری حرکت چرخشی است یا راه حل بهتری وجود دارد؟

در یک دنیای کامل، یک سیستم سروو چرخشی دارای درجه بندی گشتاور و سرعتی است که با کاربرد مطابقت دارد، بنابراین موتور نه بیش از اندازه است و نه اندازه کوچکتر. ترکیب موتور، عناصر انتقال و بار باید دارای سفتی پیچشی بی نهایت و عکس العمل صفر باشد. متأسفانه، سیستم‌های سروو چرخشی دنیای واقعی به درجات مختلف از این ایده‌آل فاصله دارند.

در یک سیستم سروو معمولی، واکنش برگشتی به عنوان از دست دادن حرکت بین موتور و بار ناشی از تحمل‌های مکانیکی عناصر انتقال تعریف می‌شود. این شامل هرگونه کاهش حرکتی در گیربکس ها، تسمه ها، زنجیرها و کوپلینگ ها می شود. هنگامی که یک ماشین در ابتدا روشن می شود، بار در جایی در وسط تلورانس های مکانیکی شناور می شود (شکل 1A).

قبل از اینکه خود بار توسط موتور جابجا شود، موتور باید بچرخد تا تمام سستی موجود در عناصر انتقال را بگیرد (شکل 1B). هنگامی که موتور در پایان حرکت شروع به کاهش سرعت می کند، موقعیت بار ممکن است در واقع از موقعیت موتور سبقت بگیرد زیرا تکانه بار را فراتر از موقعیت موتور حمل می کند.

موتور باید قبل از اعمال گشتاور به بار برای کاهش سرعت، سستی را در جهت مخالف بگیرد (شکل 1C). این از دست دادن حرکت، واکنش برگشتی نامیده می‌شود و معمولاً بر حسب دقیقه قوس، برابر با 1/60 درجه اندازه‌گیری می‌شود. گیربکس هایی که برای استفاده با سرووها در کاربردهای صنعتی طراحی شده اند، اغلب دارای مشخصات عکس العملی از 3 تا 9 دقیقه قوس هستند.

سختی پیچشی مقاومت در برابر پیچش شفت موتور، عناصر انتقال و بار در پاسخ به اعمال گشتاور است. یک سیستم بی نهایت سفت، گشتاور را بدون انحراف زاویه ای حول محور چرخش به بار منتقل می کند. با این حال، حتی یک شفت فولادی جامد نیز تحت بار سنگین کمی پیچ خورده است. مقدار انحراف با گشتاور اعمال شده، مواد عناصر انتقال و شکل آنها متفاوت است. به طور شهودی، قطعات بلند و نازک بیشتر از قطعات کوتاه و چاق می پیچند. این مقاومت در برابر پیچش باعث می شود فنرهای سیم پیچ کار کنند، زیرا فشرده کردن فنر هر دور سیم را کمی می پیچد. سیم چاق تر فنر سفت تری ایجاد می کند. هر چیزی کمتر از سفتی پیچشی بی نهایت باعث می شود که سیستم به عنوان فنر عمل کند، به این معنی که انرژی پتانسیل در سیستم ذخیره می شود زیرا بار در برابر چرخش مقاومت می کند.

هنگامی که با هم ترکیب شوند، سفتی پیچشی محدود و واکنش برگشتی می تواند عملکرد یک سیستم سروو را به طور قابل توجهی کاهش دهد. پس زدگی می تواند عدم قطعیت ایجاد کند، زیرا رمزگذار موتور موقعیت شفت موتور را نشان می دهد، نه جایی که ضربه معکوس به بار اجازه نشستن داده است. Backlash همچنین مشکلات تنظیم را معرفی می کند زیرا بار برای مدت کوتاهی از موتور جفت می شود و زمانی که بار و موتور جهت نسبی معکوس می کنند. علاوه بر واکنش، سختی پیچشی محدود انرژی را با تبدیل مقداری از انرژی جنبشی موتور و بار به انرژی پتانسیل ذخیره می کند و بعداً آن را آزاد می کند. این تأخیر انتشار انرژی باعث نوسان بار، القای رزونانس، کاهش حداکثر بهره تنظیم قابل استفاده و تأثیر منفی بر پاسخگویی و زمان ته نشینی سیستم سروو می شود. در همه موارد، کاهش عکس العمل و افزایش سختی یک سیستم، عملکرد سروو را افزایش می دهد و تنظیم را ساده می کند.

تنظیمات سروموتور محور چرخشی

متداول ترین پیکربندی محور چرخشی یک سروموتور دوار با یک رمزگذار داخلی برای بازخورد موقعیت و یک گیربکس برای مطابقت با گشتاور و سرعت موجود موتور با گشتاور و سرعت بار مورد نیاز است. گیربکس یک دستگاه قدرت ثابت است که آنالوگ مکانیکی یک ترانسفورماتور برای تطبیق بار است.

یک پیکربندی سخت افزاری بهبودیافته از یک سروموتور چرخشی مستقیم درایو استفاده می کند که با اتصال مستقیم بار به موتور، عناصر انتقال را حذف می کند. در حالی که پیکربندی گیربکس از یک اتصال به یک شفت با قطر نسبتاً کوچک استفاده می کند، سیستم محرک مستقیم بار را مستقیماً به فلنج روتور بسیار بزرگتر می پیچد. این پیکربندی عکس العمل را از بین می برد و سفتی پیچشی را تا حد زیادی افزایش می دهد. تعداد قطب های بیشتر و سیم پیچ های گشتاور زیاد موتورهای درایو مستقیم با مشخصات گشتاور و سرعت یک گیربکس با نسبت 10:1 یا بالاتر مطابقت دارد.