电机、驱动器

直接驱动与齿轮旋转伺服电动机:设计优势的量化:第1部分

齿轮传动伺服电机对于旋转运动技术是有用的,但也存在一些挑战和限制,用户需要注意。

由Dakota Miller和Bryan Knight 2020年12月4日,
礼貌:Yaskawa美国

学习目标

  • 真正的-世界旋转伺服系统达不到由于技术上的限制,达到了理想的性能。
  • S.Everal类型的旋转伺服电动机可以为用户提供优势,但每个人都有特定的挑战或限制。
  • 直接驱动旋转伺服电机性能最好,但比减速机贵。
图1:在典型的伺服系统中,间隙,旋转和松弛是驱动过程的一部分的所有元素。礼貌:Yaskawa美国

图1:在典型的伺服系统中,间隙,旋转和松弛是驱动过程的一部分的所有元素。礼貌:Yaskawa美国

几十年来,齿轮伺服电机一直是工业自动化工具箱中最常见的工具之一。齿轮传动式伺服电机提供定位,速度匹配,电子凸轮,卷绕,张紧,拧紧应用程序,并有效地匹配负载的伺服电机的功率。这就提出了一个问题:齿轮伺服电机是旋转运动技术的最佳选择,还是有更好的解决方案?

在一个完美的世界中,旋转伺服系统将具有与应用匹配的扭矩和速度额定值,因此电机既不超过尺寸也不是尺寸的。电机,传动元件和负载的组合应具有无限扭转刚度和零间隙。不幸的是,现实世界的旋转伺服系统缺乏这种理想的变化。

在典型的伺服系统中,间隙被定义为电机与由传动元件的机械公差引起的电动机之间的运动丢失;这包括整个齿轮箱,带,链条和联轴器的任何运动丢失。当机器最初通电时,负载将在机械公差的中间浮动(图1A)。

在电机移动负载之前,电机必须旋转,以填补传动元件中存在的所有松弛(图1B)。当电机在移动结束时开始减速,负载位置实际上可能超过电机位置,因为动量承载负载超过电机位置。

在将扭矩施加到负载之前,电动机必须再次在相反方向上占据松弛以减速(图1c)。这种运动丢失称为间隙,通常在弧分钟内测量,等于1/60度。设计用于工业应用中伺服电池的齿轮箱通常具有3到9分钟的间隙规格。

扭转刚度是对扭转电机轴,传动元件,和负载响应扭矩的应用。一个无限大的刚性系统将扭矩传递给负载,且绕旋转轴没有角偏转;然而,即使是实心钢轴在重载下也会轻微扭曲。挠度的大小随所施加的扭矩、传动元件的材料和它们的形状而变化;直觉上,长而薄的部分比短而厚的部分更容易扭曲。这种对扭转的阻力是什么使线圈弹簧工作,当压缩弹簧扭转导线的每一圈轻微;钢丝越粗,弹簧越硬。任何小于无穷大的扭转刚度都会使系统起弹簧的作用,这意味着当负载抵抗旋转时,势能会存储在系统中。

当组合在一起时,有限扭转刚度和间隙可以显着降低伺服系统的性能。反弹可以引入不确定性,因为电机编码器指示电机轴的位置,而不是妨碍载荷稳定的位置。Backlash还介绍了当负载和电动机反向相对方向的负载耦合和来自电机的耦合和来自电动机的耦合的调谐问题。除了间隙之外,有限扭转刚度除了将电动机的一些动能转换为潜在能量,可以通过将一些动能转换为潜在的能量,以后释放。这种延迟的能量释放导致负载振荡,引起谐振,减少最大可用调谐增益,并对伺服系统的响应性和稳定时间产生负面影响。在所有情况下,减少间隙并增加系统的刚度将增加伺服性能并简化调整。

旋转轴伺服电机配置

最常见的旋转轴配置是一个旋转伺服电机与一个内置编码器的位置反馈和变速箱,以匹配电机的可用扭矩和速度所需的扭矩和速度的负载。变速箱是一个恒功率装置,它是负载匹配变压器的机械模拟。

改进的硬件配置使用直接驱动旋转伺服电动机,其通过将负载直接耦合到电动机来消除传动元件。虽然齿轮电动机配置使用耦合到相对小的直径轴,但直接驱动系统将负载直接拧到更大的转子法兰。这种配置消除了间隙并大大增加了扭转刚度。直接驱动电机的较高极数和高扭矩绕组匹配齿轮电机的扭矩和速度特性,其比例为10:1或更高。

最不常见和最复杂的配置是一个全闭环系统,其中一个常规旋转伺服电机和变速箱或其他传动元件与第二个编码器相结合,用于测量负载的位置,掩蔽,但不消除齿间隙的影响。这增加了显著的成本和复杂性的第二个编码器,额外的加工和安装硬件,额外的布线,并增加了维护。

图2:通过将每个减速电机和直接驱动伺服电机安装在模拟高惯量旋转分度台的共同负载上,测试其性能。礼貌:Yaskawa美国

图2:通过将每个减速电机和直接驱动伺服电机安装在模拟高惯量旋转分度台的共同负载上,测试其性能。礼貌:Yaskawa美国

在这三种系统设计中,直接驱动旋转伺服电动机提供了最佳性能和最低系统复杂性,但成本高于Geasmotor解决方案。试图通过制造商手册和目录量化性能优势是不可能的,因为电机在规范方面看起来非常相似。

在本文的第2部分中,通过将每个减速电机和直接驱动伺服电机安装在模拟高惯量旋转分度表的共同负载上,测试了它们的性能(图2)。使用一个30位的环形编码器在负载上,记录负载的运动,并与每个电机进行比较。性能指标包括定位精度,反弹,沉淀时间和总运动周期时间评估和权衡成本和每个系统的复杂性。

布莱恩骑士是产品营销经理,日本安川电气美国;达科他米勒是自动化产品专家,Yaskawa America。Chris Vavra编辑,助理编辑器,控制工程CFE媒体与技术,cvavra@cfemedia.com.

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关键词:伺服电机,直驱动器

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达科塔·米勒和布莱恩·奈特
作者简介:Dakota Miller和Bryan Knight,Yaskawa America