伺服电机选择:直接驱动与齿轮旋转伺服电机

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齿轮伺服电机对于旋转运动控制非常有用,但是用户需要知道它的挑战和局限性。直驱式旋转伺服电机性能较高,系统复杂度最低,但成本高于齿轮电机。

几十年来,齿轮伺服电机一直是工业自动化工具箱中最常用的工具之一。齿轮伺服电机可提供定位、速度匹配、电子凸轮、卷绕、张紧和拧紧等应用,并能有效匹配伺服电机功率和负载。这就带来了一个问题:齿轮伺服电机是旋转运动控制技术的最佳选择吗?有没有更好的解决办法?

理想情况下,旋转伺服系统具有与应用相匹配的额定扭矩和速度,因此电机既不太大也不太小。电机、传动元件和负载的组合应具有无限的扭转刚度和零齿隙。遗憾的是,在现实世界中,旋转伺服系统一般无法达到这种理想状态。

在典型的伺服系统中,齿隙是由传动元件的机械公差引起的电机和负载之间的运动损失。这包括整个变速箱、皮带、链条和联轴器的运动损失。当机器启动时,负载将落在机械公差的中间位置(图1A)。


 

在电机驱动负载之前,电机必须旋转以消除传动元件中的所有松弛(图1B)。当电机在运行结束开始减速时,动量会将负载带出电机位置,因此负载位置实际上可能会超过电机位置。

在向负载施加扭矩使其减速之前,电机必须再次以相反的方向拉动松弛部分(图1C)。这种运动损耗称为齿隙,通常以弧分测量,相当于1/60度。在工业应用中与伺服系统一起使用的齿轮箱通常具有3至9弧分的齿隙规格。


 

扭转刚度是扭矩施加到电机轴、传动元件和负载时的扭转阻力。具有无限刚性的系统可以将扭矩传递给负载,而不会绕旋转轴发生角偏转。然而,即使是最坚固的钢轴在重载下也会轻微变形。偏转随施加的扭矩、材料和传动元件的形状而变化。直观来说,细长件比短厚件更容易弯曲。这种抗扭性是螺旋弹簧的工作原理,因为压缩会在弹簧的每一圈产生轻微的扭转。钢丝越粗,弹簧越硬。当扭转刚度不是无穷大时,系统将像弹簧一样,这意味着当负载抵抗扭转时,势能将存储在系统中。

当它们结合时,有限的扭转刚度和齿隙将大大降低伺服系统的性能。齿隙带来不确定性,因为电机编码器显示的是电机轴的位置,而不是齿隙允许负载稳定的位置。齿隙还会导致调谐问题,因为当负载和电机的相对方向相反时,负载将在短时间内与电机耦合和去耦。

除了齿隙的影响,有限的扭转刚度还会将电机和负载的一些动能转化为势能,然后释放储存的能量。能量的延迟释放会导致负载振荡甚至谐振,从而降低最大可用调谐增益,对伺服系统的响应速度和稳定时间产生负面影响。在任何工作条件下,减小齿隙和增加系统刚度将有助于提高伺服性能和简化调谐工作。

旋转伺服电机的配置。

最常见的旋转轴配置之一是旋转伺服电机,该电机配备有内置编码器和齿轮箱,用于位置反馈,以将电机的可用扭矩和速度与所需的负载扭矩和速度相匹配。齿轮箱是一种恒功率设备,是负载匹配变压器的机械仿真。

一种改进的硬件配置是使用直接驱动旋转伺服电机,它通过将负载与电机直接耦合来消除传动元件。齿轮配置使用联轴器连接到相对较小的轴上,而直接驱动系统直接将负载螺栓连接到较大的转子法兰上。这种配置消除了齿隙,大大提高了扭转刚度。直接驱动器的极数较高,绕组的转矩也较高。与齿轮电机的扭矩和速度特性相比,该比率为10: 1或更高(图2)。


 

▎图2:齿轮电机和直接驱动伺服电机分别安装在模拟高惯量旋转分度台上的普通负载上,测试其性能。

最不寻常和复杂的配置是全闭环系统,其中传统的旋转伺服电机和齿轮箱或其他传动元件与第二编码器相结合来测量负载的位置,这掩盖了但不能消除齿隙的影响。同时,也增加了第二编码器的成本和复杂性,需要额外的加工和硬件安装,增加了电缆连接和维护工作。

在三种系统设计中,直驱式旋转伺服电机性能最佳,系统复杂度最低,但成本高于齿轮电机方案。然而,几乎不可能通过制造商的手册和目录来量化性能优势,因为这些电机在规格方面似乎非常相似。

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