Động cơ servo quay truyền động trực tiếp so với động cơ servo quay có hộp số: Định lượng lợi thế thiết kế: Phần 1

Mục tiêu học tập

• Hệ thống servo quay trong thực tế không đạt được hiệu suất lý tưởng do những hạn chế về mặt kỹ thuật.
• Một số loại động cơ servo quay có thể mang lại lợi ích cho người dùng, nhưng mỗi loại đều có những thách thức hoặc hạn chế riêng.
• Động cơ servo quay dẫn động trực tiếp mang lại hiệu suất tốt nhất, nhưng đắt hơn động cơ hộp số.

Trong nhiều thập kỷ, động cơ servo có bánh răng đã là một trong những công cụ phổ biến nhất trong hộp công cụ tự động hóa công nghiệp. Động cơ servo có bánh răng cung cấp các ứng dụng định vị, khớp tốc độ, cam điện tử, quấn, căng, siết chặt và khớp hiệu quả công suất của động cơ servo với tải. Điều này đặt ra câu hỏi: động cơ servo có bánh răng có phải là lựa chọn tốt nhất cho công nghệ chuyển động quay hay có giải pháp nào tốt hơn không?

Trong một thế giới hoàn hảo, một hệ thống servo quay sẽ có mô-men xoắn và tốc độ định mức phù hợp với ứng dụng để động cơ không quá lớn hoặc quá nhỏ. Sự kết hợp của động cơ, các thành phần truyền động và tải phải có độ cứng xoắn vô hạn và độ rơ bằng không. Thật không may, các hệ thống servo quay trong thế giới thực không đạt được lý tưởng này ở các mức độ khác nhau.

Trong một hệ thống servo thông thường, độ rơ được định nghĩa là sự mất chuyển động giữa động cơ và tải do dung sai cơ học của các thành phần truyền động gây ra; điều này bao gồm bất kỳ sự mất chuyển động nào trong hộp số, dây đai, xích và khớp nối. Khi máy được bật nguồn lần đầu, tải sẽ nổi ở đâu đó giữa các dung sai cơ học (Hình 1A).

Trước khi tải có thể được động cơ di chuyển, động cơ phải quay để hấp thụ toàn bộ độ chùng hiện có trong các thành phần truyền động (Hình 1B). Khi động cơ bắt đầu giảm tốc ở cuối một lần di chuyển, vị trí tải thực sự có thể vượt qua vị trí động cơ vì động lượng mang tải vượt quá vị trí động cơ.

Động cơ phải tiếp tục lấy độ chùng theo hướng ngược lại trước khi áp dụng mô-men xoắn vào tải để giảm tốc (Hình 1C). Sự mất chuyển động này được gọi là độ rơ, và thường được đo bằng phút cung, bằng 1/60 độ. Hộp số được thiết kế để sử dụng với servo trong các ứng dụng công nghiệp thường có thông số độ rơ trong khoảng từ 3 đến 9 phút cung.

Độ cứng xoắn là khả năng chống xoắn của trục động cơ, các bộ phận truyền động và tải để đáp ứng với mô-men xoắn. ​​Một hệ thống vô cùng cứng sẽ truyền mô-men xoắn đến tải mà không có độ lệch góc quanh trục quay; tuy nhiên, ngay cả một trục thép đặc cũng sẽ xoắn nhẹ dưới tải nặng. Độ lớn của độ lệch thay đổi tùy theo mô-men xoắn được áp dụng, vật liệu của các bộ phận truyền động và hình dạng của chúng; theo trực giác, các bộ phận dài, mỏng sẽ xoắn nhiều hơn các bộ phận ngắn, béo. Khả năng chống xoắn này là yếu tố khiến lò xo cuộn hoạt động, vì khi nén lò xo sẽ ​​xoắn nhẹ mỗi vòng của dây; dây dày hơn sẽ tạo ra lò xo cứng hơn. Bất kỳ độ cứng xoắn nào nhỏ hơn vô hạn sẽ khiến hệ thống hoạt động như một lò xo, nghĩa là năng lượng tiềm tàng sẽ được lưu trữ trong hệ thống khi tải chống lại chuyển động quay.

Khi kết hợp với nhau, độ cứng xoắn hữu hạn và độ rơ có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ thống servo. Độ rơ có thể gây ra sự không chắc chắn, vì bộ mã hóa động cơ chỉ ra vị trí của trục động cơ, chứ không phải vị trí độ rơ cho phép tải ổn định. Độ rơ cũng gây ra các vấn đề về điều chỉnh khi tải kết hợp và tách khỏi động cơ trong thời gian ngắn khi tải và động cơ đảo ngược hướng tương đối. Ngoài độ rơ, độ cứng xoắn hữu hạn lưu trữ năng lượng bằng cách chuyển đổi một số động năng của động cơ và tải thành năng lượng tiềm năng, giải phóng sau đó. Việc giải phóng năng lượng bị trì hoãn này gây ra dao động tải, gây ra cộng hưởng, làm giảm mức tăng điều chỉnh có thể sử dụng tối đa và tác động tiêu cực đến khả năng phản hồi và thời gian ổn định của hệ thống servo. Trong mọi trường hợp, việc giảm độ rơ và tăng độ cứng của hệ thống sẽ làm tăng hiệu suất servo và đơn giản hóa việc điều chỉnh.

Cấu hình servomotor trục quay

Cấu hình trục quay phổ biến nhất là động cơ servo quay có bộ mã hóa tích hợp để phản hồi vị trí và hộp số để khớp mô-men xoắn và tốc độ có sẵn của động cơ với mô-men xoắn và tốc độ cần thiết của tải. Hộp số là thiết bị công suất không đổi, là mô hình cơ học tương tự của máy biến áp để khớp tải.

Cấu hình phần cứng được cải tiến sử dụng động cơ servo quay truyền động trực tiếp, loại bỏ các thành phần truyền động bằng cách ghép trực tiếp tải với động cơ. Trong khi cấu hình động cơ bánh răng sử dụng khớp nối với trục có đường kính tương đối nhỏ, hệ thống truyền động trực tiếp bắt vít tải trực tiếp vào mặt bích rôto lớn hơn nhiều. Cấu hình này loại bỏ độ rơ và tăng đáng kể độ cứng xoắn. ​​Số lượng cực cao hơn và cuộn dây mô-men xoắn cao của động cơ truyền động trực tiếp phù hợp với đặc tính mô-men xoắn và tốc độ của động cơ bánh răng có tỷ lệ 10:1 hoặc cao hơn.