Động cơ servo quay truyền động trực tiếp so với động cơ servo quay có bánh răng: 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 một thách thức hoặc hạn chế riêng.
• Động cơ servo quay truyền động trực tiếp mang lại hiệu suất tốt nhất, nhưng đắt hơn động cơ giảm tốc.

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

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, do đó động cơ không bị quá khổ hay quá nhỏ. Sự kết hợp giữa động cơ, các bộ phận truyền động và tải trọng phải có độ cứng xoắn vô hạn và độ rơ bằng không. Đáng tiếc là, các hệ thống servo quay trong thực tế không đạt được lý tưởng này ở nhiều 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 bộ phận truyền động; điều này bao gồm bất kỳ sự mất chuyển động nào trên toàn bộ hộp số, dây đai, xích và khớp nối. Khi máy được cấp nguồn lần đầu, tải sẽ dao động ở đâu đó giữa các dung sai cơ học (Hình 1A).

Trước khi tải được động cơ di chuyển, động cơ phải quay để hấp thụ toàn bộ độ chùng hiện có trong các bộ phận truyền động (Hình 1B). Khi động cơ bắt đầu giảm tốc ở cuối quá trình di chuyển, vị trí của tải có thể thực sự vượt qua vị trí của động cơ do động lượng kéo tải vượt ra ngoài vị trí của động cơ.

Động cơ phải tiếp tục lấy lại độ chùng theo hướng ngược lại trước khi truyền mô-men xoắn lên tải để giảm tốc (Hình 1C). Độ 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 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 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 ẩn 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 phần động năng của động cơ và tải thành năng lượng thế, giải phóng sau đó. Sự 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 động cơ servo trục quay

Cấu hình trục quay phổ biến nhất là động cơ servo quay với bộ mã hóa tích hợp để phản hồi vị trí và hộp số để điều chỉnh mô-men xoắn và tốc độ khả dụng của động cơ cho phù hợp với mô-men xoắn và tốc độ yêu cầu của tải. Hộp số là một thiết bị công suất không đổi, tương tự như máy biến áp để điều chỉnh tải.

Cấu hình phần cứng cải tiến sử dụng động cơ servo quay truyền động trực tiếp, loại bỏ các bộ phận truyền động bằng cách kết nối trực tiếp tải với động cơ. Trong khi cấu hình động cơ bánh răng sử dụng kết nối với trục có đường kính tương đối nhỏ, hệ thống truyền động trực tiếp bắt vít tải trực tiếp vào mặt bích rô-to lớn hơn nhiều. Cấu hình này loại bỏ khe hở 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 với tỷ số 10:1 hoặc cao hơn.