Servomotor de accionamento directo vs. servomotor rotatorio con engrenaxes: unha cuantificación da vantaxe do deseño: Parte 1

Obxectivos de aprendizaxe

• Os sistemas de servo rotatorios do mundo real non alcanzan o rendemento ideal debido a limitacións técnicas.
• Varios tipos de servomotores rotativos poden ofrecer vantaxes aos usuarios, pero cada un ten un desafío ou unha limitación específicos.
• Os servomotores rotativos de accionamento directo ofrecen o mellor rendemento, pero son máis caros que os motorredutores.

Durante décadas, os servomotores con engrenaxes foron unha das ferramentas máis comúns na caixa de ferramentas da automatización industrial. Os servomotores con engrenaxes ofrecen aplicacións de posicionamento, axuste de velocidade, mecanismo de levas electrónico, bobinado, tensado e aperte, e axustan eficientemente a potencia dun servomotor á carga. Isto fai que nos preguntemos: é un servomotor con engrenaxes a mellor opción para a tecnoloxía de movemento rotatorio ou existe unha solución mellor?

Nun mundo ideal, un sistema de servo rotatorio tería unhas clasificacións de par e velocidade que se axusten á aplicación, de xeito que o motor non sexa nin sobredimensionado nin infradimensionado. A combinación de motor, elementos de transmisión e carga debería ter unha rixidez torsional infinita e cero folgura. Desafortunadamente, os sistemas de servo rotatorio do mundo real non cumpren este ideal en diversos graos.

Nun sistema servo típico, o xogo defínese como a perda de movemento entre o motor e a carga causada polas tolerancias mecánicas dos elementos de transmisión; isto inclúe calquera perda de movemento nas caixas de cambios, correas, cadeas e acoplamentos. Cando unha máquina se acende inicialmente, a carga flotará nalgún lugar no medio das tolerancias mecánicas (Figura 1A).

Antes de que o motor poida mover a carga, este debe xirar para compensar toda a folgura existente nos elementos de transmisión (Figura 1B). Cando o motor comeza a desacelerar ao final dun movemento, a posición da carga pode superar a posición do motor, xa que o momento leva a carga máis alá da posición do motor.

O motor debe volver recuperar a folgura na dirección oposta antes de aplicar par á carga para desacelerala (Figura 1C). Esta perda de movemento chámase folgura e mídese normalmente en minutos de arco, equivalentes a 1/60 de grao. As caixas de cambios deseñadas para o seu uso con servos en aplicacións industriais adoitan ter especificacións de folgura que van de 3 a 9 minutos de arco.

A rixidez torsional é a resistencia á torsión do eixe do motor, dos elementos de transmisión e da carga en resposta á aplicación do par. Un sistema infinitamente ríxido transmitiría o par á carga sen deflexión angular arredor do eixe de rotación; non obstante, mesmo un eixe de aceiro sólido torcerá lixeiramente baixo unha carga pesada. A magnitude da deflexión varía co par aplicado, o material dos elementos de transmisión e a súa forma; intuitivamente, as pezas longas e delgadas torceránse máis que as curtas e grosas. Esta resistencia á torsión é o que fai que os resortes helicoidais funcionen, xa que a compresión do resorte torce lixeiramente cada volta do arame; un arame máis groso fai que o resorte sexa máis ríxido. Calquera valor inferior á rixidez torsional infinita fai que o sistema actúe como un resorte, o que significa que a enerxía potencial almacenarase no sistema mentres a carga se resiste á rotación.

Cando se combinan, a rixidez torsional finita e o xogo poden degradar significativamente o rendemento dun servosistema. O xogo pode introducir incerteza, xa que o codificador do motor indica a posición do eixe do motor, non onde o xogo permitiu que a carga se asentase. O xogo tamén introduce problemas de axuste, xa que a carga se acopla e desacopla do motor brevemente cando a carga e o motor inverten a dirección relativa. Ademais do xogo, a rixidez torsional finita almacena enerxía convertendo parte da enerxía cinética do motor e da carga en enerxía potencial, liberándoa máis tarde. Esta liberación de enerxía retardada provoca a oscilación da carga, induce a resonancia, reduce as ganancias máximas de axuste utilizables e afecta negativamente á capacidade de resposta e ao tempo de asentamento do servosistema. En todos os casos, reducir o xogo e aumentar a rixidez dun sistema aumentará o rendemento do servo e simplificará o axuste.

Configuracións de servomotores de eixo rotatorio

A configuración de eixo rotatorio máis común é un servomotor rotatorio cun codificador incorporado para a retroalimentación de posición e unha caixa de cambios para adaptar o par e a velocidade dispoñibles do motor ao par e á velocidade requiridos da carga. A caixa de cambios é un dispositivo de potencia constante que é o análogo mecánico dun transformador para a adaptación da carga.

Unha configuración de hardware mellorada emprega un servomotor rotatorio de accionamento directo, que elimina os elementos de transmisión ao acoplar directamente a carga ao motor. Mentres que a configuración do motorredutor emprega un acoplamento a un eixe de diámetro relativamente pequeno, o sistema de accionamento directo aparafusa a carga directamente a unha brida do rotor moito máis grande. Esta configuración elimina o xogo e aumenta considerablemente a rixidez torsional. O maior número de polos e os enrolamentos de alto par dos motores de accionamento directo coinciden coas características de par e velocidade dun motorredutor cunha relación de 10:1 ou superior.