Silniki serwo do napędu bezpośredniego a motoreduktory serwo ? zestawienie korzyści z obydwu rozwiązań (część 1)

Motoreduktor serwo może być użyteczny w technologii ruchu obrotowego, jednak istnieją tu problemy i ograniczenia, których użytkownicy muszą być świadomi.

Od dziesięcioleci motoreduktory serwo (silniki serwo z wbudowaną przekładnią) są jednym z najczęściej wykorzystywanych podzespołów w automatyce przemysłowej. Motoreduktory serwo znajdują zastosowanie w pozycjonowaniu, dopasowywaniu prędkości, krzywkach elektronicznych, nawijaniu, naprężaniu i dokręcaniu. Wbudowane przekładnie efektywnie dopasowują moc silnika do obciążenia. Powstaje więc pytanie: czy motoreduktor serwo jest najlepszą opcją dla technologii ruchu obrotowego, czy istnieje jeszcze lepsze rozwiązanie?

Idealnie byłoby, gdyby serwonapęd obrotowy posiadał znamionowy moment i prędkość obrotową dopasowane do aplikacji, a więc nie był ani przewymiarowany, ani niedowymiarowany. Kombinacja silnika elektrycznego, elementów przeniesienia napędu i obciążenia powinna mieć nieskończoną sztywność skrętną oraz zerowy luz kątowy. Niestety, rzeczywiste systemy obrotowe serwo odbiegają od tego ideału w różnych stopniach.

W typowym systemie serwo luz kątowy jest definiowany jako opóźnienie kątowe ruchu obciążenia w odpowiedzi na rozpoczęcie ruchu przez silnik, spowodowane przez tolerancje mechaniczne elementów przeniesienia napędu. Pojęcie luzu kątowego obejmuje wszelkie opóźnienia ruchu w przekładniach, paskach i łańcuchach napędowych oraz elementach sprzęgających. Gdy maszyna jest włączana, to jej obciążenie będzie ?pływało? gdzieś w środku tolerancji mechanicznych (rys. 1A).

Zanim samo obciążenie może być poruszone przez silnik, to musi on zacząć wirować, aby usunąć wszelkie luzy mechaniczne istniejące w elementach przeniesienia napędu (rys.1B). Gdy silnik zaczyna hamować na końcu ruchu, to położenie obciążenia może w rzeczywistości na skutek rozpędu przekroczyć położenie silnika.

Silnik musi więc znowu zlikwidować luz mechaniczny w przeciwnym kierunku, zanim zacznie napędzać obciążenie w celu jego wyhamowania (rys.1C). Ten obrót silnika przy chwilowym braku ruchu obciążenia nazywany jest luzem kątowym i zwykle mierzony jest w minutach kątowych (arcmin, 1/60 stopnia). Przekładnie zaprojektowane do pracy z serwonapędami w aplikacjach przemysłowych często mają luzy kątowe w granicach od 3 do 9 minut.

Rys.1. W typowym serwonapędzie luz kątowy, ruch obrotowy oraz luz mechaniczny są nieodłącznymi elementami procesu napędu. | Źródło: Yaskawa America

Sztywność skrętna jest oporem przeciwdziałającym skręcaniu wału silnika, elementów przeniesienia napędu oraz obciążenia, powstającym na skutek oddziaływania momentu obrotowego silnika. System o nieskończenie wielkiej sztywności będzie przenosił moment obrotowy do obciążenia bez żadnego odchylenia kątowego w stosunku do osi obrotu, jednak w rzeczywistości nawet wały wykonane z dobrego gatunku stali lekko skręcają się pod wpływem dużych obciążeń. Wielkość odchylenia zmienia się w zależności od wartości momentu obrotowego silnika oraz materiału i kształtów elementów przeniesienia napędu. Intuicyjne długie i cienkie elementy powinny się skręcać bardziej niż krótkie i grube. Ten opór stawiany momentowi skręcającemu jest podstawą działania sprężyn zwijanych, ponieważ ściskanie sprężyny lekko skręca każdy zwój drutu. Sprężyny wykonane z grubszego drutu są sztywniejsze. Każda sztywność skrętna mniejsza od nieskończoności powoduje, że system działa jak sprężyna. Oznacza to, że gdy obciążenie będzie stawiało opór momentowi obrotowemu, to w systemie tym będzie magazynowana energia potencjalna.

W połączeniu ze sobą sztywność skrętna mniejsza od nieskończoności oraz luz kątowy mogą znacznie pogorszyć pracę systemu serwo. Luz kątowy może wprowadzić niepewność sterowania, ponieważ enkoder silnika wskazuje położenie wału nie tam, gdzie luz ten dopuścił umieszczenie obciążenia. Luz kątowy powoduje także problemy z regulacją układu, ponieważ obciążenie na krótko sprzęga się z silnikiem i odsprzęga, gdy obciążenie i silnik odwracają względny kierunek obrotów. Natomiast skończona wartość sztywności skrętnej powoduje magazynowanie energii poprzez zamianę części energii kinetycznej na potencjalną, która jest uwalniana później. To opóźnione uwalnianie energii powoduje oscylacje obciążenia, indukuje rezonans, zmniejsza maksymalne użyteczne wartości nastaw wzmocnienia regulatora oraz wpływa negatywnie na czułość i czas ustalania się położenia obciążenia. We wszystkich przypadkach zmniejszanie luzu kątowego oraz zwiększanie sztywności skrętnej systemu poprawia pracę serwonapędu i upraszcza jego regulację.

Rys. 2. Wydajność motoreduktora serwo oraz silnika serwo do napędu bezpośredniego jest testowana przez podłączenie każdego z nich do standardowego obciążenia, co symuluje obrotowy stół indeksujący o dużej inercji. | Źródło: Yaskawa America

Konfiguracje osi obrotu silników serwo

Najczęściej stosowaną konfiguracją serwonapędów obrotowych jest silnik serwo z wbudowanym enkoderem jako czujnikiem położenia oraz przekładnią mechaniczną, która dopasowuje dostępne wartości momentu i prędkości obrotowej silnika do wartości wymaganych przez obciążenie. Przekładnia jest urządzeniem o stałej mocy, czyli mechanicznym odpowiednikiem transformatora, który dopasowuje napięcie i prąd obciążenia do sieci zasilającej.

W ulepszonej konfiguracji sprzętowej wykorzystywany jest silnik serwo z bezpośrednim napędem obrotowym. Dzięki bezpośredniemu sprzęgnięciu obciążenia z silnikiem wyeliminowano elementy przeniesienia napędu. Podczas gdy w motoreduktorach do połączenia silnika z wałem o stosunkowo małej średnicy wykorzystywany jest element sprzęgający, to w systemach z napędem bezpośrednim obciążenie jest bezpośrednio przykręcone do znacznie większego kołnierza wirnika. Ta konfiguracja eliminuje luz kątowy i znacznie zwiększa sztywność skrętną. Większa liczba biegunów oraz generujące wysoki moment obrotowy uzwojenia silników napędu bezpośredniego są dopasowane do momentu obrotowego i charakterystyki prędkości motoreduktora z przełożeniem 10:1 lub większym.

Najmniej popularny oraz najbardziej skomplikowany jest motoreduktor serwo ze sprzężeniem zwrotnym (działający w pętli zamkniętej). Standardowy silnik serwo i przekładnia lub inne elementy przeniesienia napędu są połączone z drugim enkoderem, wykorzystywanym do pomiaru położenia obciążenia, co maskuje, ale nie eliminuje wpływu luzu kątowego. Takie rozwiązanie jest znacznie droższe i bardziej skomplikowane ze względu na dodanie drugiego enkodera oraz dodatkowe elementy mechaniczne, osprzęt montażowy, oprzewodowanie i konserwację.

Z tych trzech opisanych systemów silnik serwo do bezpośredniego napędu obrotowego oferuje najlepszą pracę i najmniejszą złożoność systemu, jednak po wyższych kosztach niż motoreduktor serwo. Próby określenia korzyści z działania serwonapędów jedynie na podstawie katalogów oraz instrukcji producentów są bezcelowe, ponieważ silniki pod względem podanych tam specyfikacji wydają się bardzo do siebie podobne.

W części 2 artykułu opisane zostaną testy porównawcze wydajności motoreduktora oraz serwonapędu bezpośredniego (rys. 2), wykonane przez podłączenie każdego z nich do standardowego obciążenia, co symuluje obrotowy stół indeksujący o dużej inercji. Przy wykorzystaniu 30-bitowego enkodera pierścieniowego rejestrowany jest ruch obciążenia dla każdego z typów silników i porównywany ze sobą. Następnie oceniane są wskaźniki wydajności, takie jak: dokładność pozycjonowania, luz kątowy, czas ustalania położenia obciążenia oraz czas całkowitego cyklu ruchu. Są one porównywane z kosztami i złożonością każdego z systemów.


Bryan Knight jest menedżerem marketingu produktu, a Dakota Miller jest specjalistką ds. produktów automatyki w firmie Yaskawa America. Redakcja tekstu Chris Vavra, redaktor współpracujący, Control Engineering, CFE Media and Technology, cvavra@cfemedia.com.