ИНМОКО

Oct 13, 2023

Джерард Буш из INMOCO обсуждает принципы выбора двигателей для приложений с точным перемещением.

Для обеспечения точного управления движением OEM-приложений, от роботизированных соединений до центрифуг, решающее значение имеет выбор двигателя. Благодаря типичному выбору, включающему сервоприводы или шаговые двигатели, специальные бесщеточные конструкции постоянного тока также могут оптимизировать интеграцию конструкции. Выбор технологии зависит от понимания параметров, начиная от скорости кинематической реакции до инерции, а также интеграции механической конструкции.

При выборе двигателя для конструкции машины, даже такой, которая требует точного управления, первоначальные соображения основываются на характеристиках скорости и крутящего момента. Для таких приложений, как управление роботизированными суставами, кинематическая точность, связанная с положением и скоростью управления, также имеет основополагающее значение. При условии, что требования к скорости и крутящему моменту рассчитаны, эти критерии, наряду с ускорением инерции, можно выбрать в соответствии со спецификациями производителей двигателей.

Однако во многих случаях точные требования к мощности и точности системы невозможно рассчитать до тех пор, пока не будет протестирован прототип механической сборки. Между тем, первоначальный выбор двигателя может опираться на племенные знания о двигателях, используемых в устаревших машинах с эквивалентной функциональностью, или двигатели могут быть увеличены по размеру во время прототипирования, а затем уменьшены в размерах позже, когда станут известны точные требования.

Контроль скорости

Шаговый двигатель часто является первым выбором при выборе двигателя для точного управления из-за его сильной позиции по стоимости. Однако его пригодность зависит от требований к скорости, поскольку максимальная скорость шагового двигателя ограничена из-за большего количества полюсов. Однако это может быть преимуществом по сравнению с сервоприводами, если требуется высокая плотность крутящего момента. Хотя шаговый двигатель может обеспечить позиционирование, достаточное для многих применений, точность зависит от нагрузки системы, пропорциональной номинальному крутящему моменту шагового двигателя. При нагрузке 10 % ошибка позиционирования составляет примерно ¼ целого шага или 0,5°.

Альтернативно, серводвигатель обеспечивает гораздо более высокую максимальную скорость. Высокоскоростные устройства, в том числе со скоростью выше 5000 об/мин, обычно вращаются со сбалансированной инерцией без какой-либо внешней нагрузки, например центрифуги. По мере ускорения системы радиальные опорные силы становятся доминирующей нагрузкой на подшипник, и их воздействие пропорционально эксцентриситету системы. Создание модели радиальных сил подшипника для определения объема требований к крутящему моменту обычно является особенностью испытаний прототипа.

Вместо этого, если серводвигатель ускоряется и замедляется с несбалансированной инерцией, например, при управлении шарниром в шарнирном манипуляторе робота, инерционные свойства доминируют над требуемым крутящим моментом двигателя. Требования к крутящему моменту для прототипирования можно оценить на основе модели с инерционными и кинематическими свойствами системы робот/нагрузка.

Позиционный контроль

С точки зрения точности управления оптимальным выбором является серводвигатель с обратной связью по положению. В большинстве случаев сервопривод может установиться в пределах +/- 10 отсчетов энкодера, но для этого также требуется энкодер с достаточным позиционным разрешением. Реакция серводвигателя также имеет решающее значение; теоретически кинематическая реакция двигателя должна быть линейной в зависимости от крутящего момента, но статическое трение делает невозможным линейную реакцию при запуске и остановке движения. Поэтому высокоточные системы нуждаются в дополнительной специализированной механике, предназначенной для ограничения этого эффекта.

Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) также могут использоваться для позиционного управления в сочетании с устройством обратной связи. Дополнительный энкодер увеличивает занимаемую площадь и стоимость, но двигатель BLDC более эффективен, чем сервопривод, и обеспечивает более высокую плотность крутящего момента. Они также могут обеспечить более простой и гибкий подход к интеграции, который может помочь в проектировании машин. Безрамные двигатели BLDC могут иметь полый вал, что позволяет размещать компоненты через их центр, а их конструкция также позволяет экономить занимаемую площадь и вес. Эти двигатели часто имеют прямой привод, подключаются к нагрузке без необходимости передачи, что обеспечивает высокую динамику и высокую скорость работы.