Серводвигатели — это электродвигатели, которые позволяют инженерам точно контролировать положение, скорость и ускорение. Как и все электродвигатели, они приводятся в движение с помощью магнитной системы. Количество магнитных полюсов помогает определить характеристики двигателя: чем меньше полюсов, тем быстрее двигатель может вращаться (среднеквадратичное значение), но максимальный крутящий момент будет ниже. Обратное также верно; чем больше полюсов, тем ниже число оборотов в минуту, но тем выше максимальный крутящий момент.
Серводвигатели могут работать как на переменном, так и на постоянном токе. При переменном токе частота напряжения определяет скорость; в двигателях постоянного тока скорость прямо пропорциональна напряжению. В щеточных двигателях используются токопроводящие щетки (обычно графитовые) в коллекторном узле, которые «передают» ток при скольжении в ротор. Бесколлекторные (бесщеточные) двигатели используют электронные компоненты для распределения тока. Серводвигатели также могут быть со сплошным или полым валом.
Существует широкий спектр серводвигателей, и они имеют решающее значение для промышленных и бытовых машин и приложений. Это дает инженерам-проектировщикам большой выбор при подборе сервоприводов для их приложений. Чтобы сделать правильный выбор, они должны понимать факторы, которые делают сервоприводы подходящими или не подходящими для их конкретного применения.
Три главных фактора при выборе серводвигателя
Понимание потребностей и выбор наилучшего серводвигателя для применения часто называют выбором размера двигателя. Это потому, что взаимосвязь между скоростью и крутящим моментом и потребностями приложения определяет размер двигателя и его относительную плотность силы. Чтобы рассчитать их, инженеры должны знать вес полезного груза, расстояние и время движений, а также нагрев / охлаждение электрической машины. Данный процесс известен как рабочий цикл. Вместо использования пройденного пути с временем можно использовать пройденный путь со скоростью и ускорением. Цель состоит в том, чтобы определить, как долго полезная нагрузка ускоряется, чтобы можно было рассчитать крутящий момент.
Как только приложение определено, вычисление пикового крутящего момента, необходимого постоянного крутящего момента и скорости сужает поиск подходящего электродвигателя. Крутящий момент и скорость идут рука об руку при выборе серводвигателя. Чтобы лучше понять взаимосвязи между ними в конкретном приложении, инженеры полагаются на кривые крутящего момента. Они графически показывают относительный крутящий момент и необходимую скорость.
Номинальный крутящий момент и номинальная скорость являются полезными терминами в отношении вращающего момента электрической машины и кривой крутящего момента рабочего органа. Номинальный крутящий момент — это максимальный крутящий момент, который электродвигатель может производить непрерывно без перегрузки или недогрузки, а номинальная скорость — это максимальная скорость, при которой доступен номинальный крутящий момент.
Непрерывный крутящий момент, также известный как среднеквадратичный крутящий момент (RMS), является средневзвешенным по времени крутящим моментом в течение полного цикла. Он должен попадать в непрерывную область кривой вращающего момента, чтобы поддерживать требуемую скорость.
Максимальный (пиковый) крутящий момент — это максимальный крутящий момент, необходимый в любой точке цикла. В идеале, максимальный крутящий момент находится в прерывистой области кривой крутящего момента, потому что он не может поддерживаться постоянно (только разгон/торможение). Если пиковый крутящий момент приложения попадает в линейную область характеристики электрической машины, то, вероятно, мощность электродвигателя завышена.
Скорость, обычно измеряемая в об / мин, так же важна, как и вес полезной нагрузки при выборе серводвигателя. Вообще говоря, чем выше скорость двигателя, тем ниже возможный крутящий момент. Низкое число полюсов обеспечивает более высокие скорости и меньшие крутящие моменты из-за нескольких факторов, включая обратную ЭДС.
Чем ближе цикл работы к пределам двигателя, тем сильнее он нагревается. Используемый электродвигатель должен быть достаточно мощным, чтобы обеспечивать режим работы без превышения допустимой температуры и избегать перегрева, но мощность не должна быть сильно завышена, так как это сделает его экономически невыгодным. Как только эти соотношения определены, могут быть установлены другие важные (но менее критические) факторы.
Другие ключевые факторы
Определение требований к скорости и крутящему моменту поможет инженерам выбрать подходящий серводвигатель. Тем не менее, существуют другие факторы и варианты, касающиеся среды и применения, которые следует учитывать.
Передаточное число
Не у всех серводвигателей есть передачи, но у многих есть. С появлением двигателей с прямым приводом мотор-редукторы считаются более примитивными, но они могут усиливать крутящий момент, создаваемый двигателями с меньшим числом полюсов. В редукторной системе серводвигатель вращает ведущую шестерню, которая вращает другую шестерню, более тесно связанную с полезной нагрузкой. (В серводвигателе может быть несколько пар зубчатых колес.) Соотношение числа зубьев между зубчатыми колесами определяет передаточное число. Как только это определено, стандартное уравнение крутящего момента рассчитывает требования к реальному крутящему моменту электрической машины
Инерция
При работе с вращением форма и масса полезного груза создают инерцию, когда двигатель и нагрузка ускоряются или меняют направление. У электрической машины присутствует инерция на роторе, которая часто ничтожна по сравнению с полезной нагрузкой. Нагрузка также имеет инерцию, и любое трение в движении, такое как тяги или столы, увеличивает ее. Инерция может использоваться, когда нет известного значения крутящего момента; это масса в уравнении F = ma при работе с вращением.
Точность позиционирования
Точность позиционирования электродвигателя прямого привода не ограничена механически. Для точного позиционирования используется обратная связь по скорости и положению (тахогенератор, энкодер), которая «докладывает» контроллеру текущую скорость и положение. Тем не менее, датчики обычно выбираются исходя из общей механической конструкции рабочего органа, а не чисто из характеристики двигателя.
Условия окружающей среды
Если рабочая среда отличается от стандартной комнатной температуры, производительность двигателя изменяется. Например, чем выше температура окружающей среды, тем ниже возможности электрической машины по постоянному крутящему моменту. Если сервопривод будет работать в горячем режиме и / или будет постоянно выдавать большой крутящий момент, жидкостное охлаждение является хорошим вариантом. Жидкость не должна соприкасаться с механическими компонентами двигателя или электрическими соединениями. Другие факторы окружающей среды включают загрязнение и вибрации, которые могут присутствовать на таких производствах, как бумажные фабрики, нефтяные вышки или сталелитейные заводы. Двигатели со специальными характеристиками, уплотнениями и корпусами сделаны специально под тяжелые условия работы.
Эффективность (КПД)
Эффективность серводвигателя заключается просто в том, сколько тока требуется для обеспечения его постоянного крутящего момента. Это называется постоянной крутящего момента (Kt) и может быть найдено в технических паспортах электродвигателей. Обмотки относятся к тому, как катушки связаны друг с другом (последовательно или параллельно). Обмотки с более высоким КПД имеют более низкие скоростные характеристики, тогда как обмотки с более высокой скоростью имеют более низкий КПД. Как только требуемая скорость известна, можно осуществить выбор двигателя с наиболее высоким КПД.
Правильный выбор серводвигателя начинается с понимания задачи исполнительного механизма, а затем определения его характеристик и вида движения (вращательное или поступательное). Отсюда могут быть установлены основные требования к скорости и крутящему моменту, что значительно сузит выбор двигателей. Другие факторы, такие как окружающая среда, эффективность, точность и тип передачи мощности от вала к исполнительному органу должны быть рассмотрены. Конечно, порядок и приоритет любого из них могут варьироваться в зависимости от приложения.
Эксперты ETEL рекомендуют бесколлекторные синхронные серводвигатели с большим числом пар полюсов. Вентильные двигатели являются более надежными, эффективными и более тихими, чем щеточные альтернативы. А синхронные двигатели обеспечивают более точное управление наряду с большим количеством полюсов.
