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2部分

测试直接驱动和齿轮旋转伺服电动机显示,两者之间存在一些显着差异在实际实施时。

由Dakota Miller和Bryan Knight 2021年1月19日
礼貌:Yaskawa美国

学习目标

  • 齿轮伺服电动机使用直接驱动伺服电机竞争头部到头部相同的设置和功能。
  • 许多结果表面看起来很小,但它们对于需要绝对精度的应用可能是非常重要的。
  • 直接驱动伺服电机更贵,但他们在表现和总体回报方面弥补了它。

齿轮伺服电动机使用相同的负载,运动轮廓和安装夹具竞争头部到头,使用相同的负载,运动型材和安装夹具,模拟现实世界的应用来确定直接驱动系统的性能优势是否超过了较高的初始成本。(在第1部分中,提出了减少间隙和增加扭转刚度的情况。)

对于该测试,考虑以下评估标准:

  • 定位精度
  • 反弹
  • 建立时间
  • 周期
  • 机器成本和投资回报时间
  • 设计复杂性。

对于此测试,创建了伺服系统,代表该索引表应用程序,其中表具有高旋转惯性。选择负载惯量,根均方(RMS)扭矩和速度要求,使得齿轮电机和直接驱动伺服电动机均在其额定限度附近运行。为了测量该模拟的“机器”的定位精度和循环时间,将外部编码器固定到负载以精确地测量负载本身的位置。该外部编码器不用于关闭位置环,但仅作为测试的独立测量工具。使用从电机编码器和负载侧环编码器反馈中收集的数据量化性能差异。

在设计实际测试硬件之前,选择齿轮电机和直接驱动电机进行比较。这些电机被选为50:1齿轮减速,使齿轮电动机可比扭矩,速度和整体尺寸直接驱动电动机,如表1所示。基于这些特征,这是这些电动机中的两个都没有延伸的想象力可以互相竞争,以控制新机器上的轴。

表1:礼貌:yaskawa美国

表1:礼貌:yaskawa美国

选择电机和运动轮廓后,伺服电动机尺寸软件用于找到负载惯量,以便将两个电机推向其额定限制,确保既不用于应用的电机过度或低于应用。所选择的运动轮廓是200ms的梯形分度移动,在200ms中,300ms停留,类似于在装配,检查或包装应用中的大型指数表上可能看到的运动轮廓。可以看到该运动轮廓图1中图1中。

图1:测试的运动轮廓的示例。礼貌:Yaskawa美国

图1:测试的运动轮廓的示例。礼貌:Yaskawa美国

使用目标负载惯性值作为设计标准,设计了虚拟负载,其既可以将电机推向其RMS扭矩限制,并允许外部环形编码器连接到负载。图2显示了与齿轮电机的测试设置,图3显示了具有直接驱动电机的测试设置。

图2a和2b:带齿轮的测试设置。礼貌:Yaskawa美国

图2a和2b:带齿轮的测试设置。礼貌:Yaskawa美国

图3A和3B:用直接驱动电机测试设置。礼貌:Yaskawa美国

图3A和3B:用直接驱动电机测试设置。礼貌:Yaskawa美国

对于该测试,平均稳定时间被定义为当命令的运动信号结束时和当负载已经在目标位置的公差窗口内结束时,这是时间稳定时间。如表2所示,直接驱动电机驱动的负载平均稳定得比由齿轮电机驱动得多。

表2:百分比 - 明智,结果显示出直接驱动电机的显着改进。礼貌:Yaskawa美国

表2:百分比 - 明智,结果显示出直接驱动电机的显着改进。礼貌:Yaskawa美国

在此定义第二度量总移动时间,在此定义在命令运动开始到当负载在目标位置的公差窗口内稳定时所经过的时间。总移动时间是命令移动时间和建立时间的总和,如上所示。表3示出了尽管具有相同的命令运动简档,但是直接驱动电动机具有比齿轮多的移动时间较短。

表3:虽然这些改进似乎很小,但它们可以产生巨大的长期影响。礼貌:Yaskawa美国

表3:虽然这些改进似乎很小,但它们可以产生巨大的长期影响。礼貌:Yaskawa美国

对于短循环时间的机器操作,稳定时间优势变得更加重要。在该测试中,即使是500ms的保守循环时间,移动时间为200毫秒,也为比较提供了令人印象深刻的点。

图4和5描绘了在齿轮发球机和直接驱动马达的运动结束时发生的负荷的振荡。齿轮电机在移动的末端显示潮湿的振荡,典型的这种机械配置,而直接驱动电机几乎没有振动。在所有测试中均匀地看到振动幅度和持续时间的这种差异。

图4:GearMotor设置。礼貌:Yaskawa美国

图4:GearMotor设置。礼貌:Yaskawa美国

图5:直接驱动电机设置。礼貌:Yaskawa美国

图5:直接驱动电机设置。礼貌:Yaskawa美国

齿轮电机所需的可见振荡和额外的稳定时间归因于齿轮箱中看到的间隙和有限扭转刚度的组合。事实上,在图4中可以看到间隙,如在恢复和振荡之前在大多数减速度期间引导编码器位置的负载位置。传动装置在加速期间在正向机械公差点处互锁,然后在减速期间转移到逆向机械耐受点。

与扭转刚度相结合的这种减速度有效地像弹簧一样动作,导致载荷来回反冲,直到摩擦和内部损失抑制运动。伺服电动机正在尝试补偿,但由于震动的振荡,振荡大部分振荡从伺服电机耦合并且不明显作为伺服电动机编码器上的位置误差。

它还值得注意的是电机编码器显示负载比它更快地解决了。如果该过程要求负载沉降到伺服电动机指示达到目标位置时达到的更严格的公差,则可能需要延迟定时器。这些定时器将浪费时间添加到运动轮廓,因为延迟时段必须保守,足以在各种操作条件下保持有效。

直接驱动电机提供更直接的载荷的实际运动;因此,编码器的反馈足以在没有额外定时器的情况下最佳地序列机器。另一种解决方案是使用外部编码器完全关闭循环与负载;然而,这增加了一种材料额外的设计,制造,维护和材料成本(BOM),并且可以是最具成本的禁止解决方案。

百分比,表2和3中看到的结果显示了直接驱动电机的显着改进,但实际上,电机仅刮掉每次运动几百毫秒。这种小差异可能看起来微不足道;然而,这些分数的第二个在机器的寿命上加起来。

考虑一个有八个站的索引表;每个索引期间,该表在200毫秒(名义上)旋转了45度。在此旋转之后,执行次要过程300毫秒以完成循环。该表需要在0.050度内定居以进行正确的窗口小部件。每次旋转都会产生0.05美元的小部件,并且机器每天运行8小时班次。

在这种情况下,通过使用直接驱动电动机带来的增加的吞吐量将使电机在不到14天内以不到14天支付的,尽管是直接驱动系统成本超过齿轮系统。

人们可能假设过程不需要0.050度沉降窗口提供的准确性水平;然而,在5英尺的直径表上,0.050度的公差允许浮动相当于+/- 0.026“或略微小于1/32英寸。,在表格边缘的任一方向。在进行这个角度时,很容易理解,大多数流程需要窗口甚至比+/- 1/32-IN更严格。要准确完成,并且公差不是不合理的。

表4:直接驱动电机,而不是比其对应物贵,为用户提供了最佳整体性能。礼貌:Yaskawa美国

表4:直接驱动电机,而不是比其对应物贵,为用户提供了最佳整体性能。礼貌:Yaskawa美国

在比较可用于索引桌子的三个主要解决方案时,齿轮电动机,直接驱动电机和带有外部编码器的齿轮电机,直接驱动摩托车是最优惠的。如在该测试中所见,齿轮电机解决方案不能与定位精度,间隙,稳定时间和循环时间的直接驱动电机竞争。

带外部编码器的齿轮电机将更接近直接驱动电机的性能功能,但额外的机械设计,加工,安装,维护和编程时间成本使其成为最具成本的预算和工程密集型解决方案。

虽然直接驱动伺服电动机的价格可能导致工程师提供暂停,性能优势和生产力的快速回报使直接驱动伺服电机成为各种旋转伺服轴应用的最佳选择。

布莱恩骑士 is product marketing manager, Yaskawa America; 达科他米勒是自动化产品专家,Yaskawa America。Chris Vavra编辑,助理编辑器,控制工程那 CFE媒体和技术, cvavra@cfemedia.com.

更多见解

关键词:电机和驱动器,伺服电动机

考虑一下这一点

选择电机时,你最大的考虑因素是什么?


达科他米勒和布莱恩骑士
作者生物:Dakota Miller和Bryan Knight,Yaskawa America