伺服电机的选择:直接驱动与齿轮旋转伺服电机

2022-03-28 09:44:12 admin 4

【概要描述】齿轮伺服电机一直是工业自动化工具箱中常用的工具之一。该齿轮伺服电机可提供定位、速度匹配、电子凸轮、卷绕、张紧等应用,并能有效地匹配伺服电机的功率与负载。这就提出了一个问题:齿轮伺服电机是旋转运动控制技术的选择吗?有更好的解决办法吗?

齿轮伺服电机是旋转运动控制的重要工具,但用户需要了解其挑战和局限性。直驱旋转伺服电机具有性能高、系统复杂度很低的特点,但成本高于齿轮电机。  


齿轮伺服电机一直是工业自动化工具箱中常用的工具之一。该齿轮伺服电机可提供定位、速度匹配、电子凸轮、卷绕、张紧等应用,并能有效地匹配伺服电机的功率与负载。这就提出了一个问题:齿轮伺服电机是旋转运动控制技术的选择吗?有更好的解决办法吗?


理想情况下,伺服电机旋转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间隙。不幸的是,在现实世界中,旋转伺服系统一般无法达到这种理想状态。

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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与负载之间的运动损失。这包括整个齿轮箱、皮带、链条和联轴器的运动损失。机器启动时,负载将下降到机械公差中间的某个位置。


在伺服电机驱动负载之前,电机须旋转以消除变速器元件中的所有松弛。当电机在运行结束时开始减速时,动量会使负载超出电机位置,因此负载位置可能实际上可能超过电机位置。


在向负载施加扭矩以减速之前,伺服电机须再次将松弛系在相反的方向。这种运动损失称为齿隙,通常以弧度分钟为单位测量,相当于1/60度。在工业应用中,伺服系统使用的齿轮箱通常具有3至9分钟弧隙规格。


扭转刚度是指当扭矩施加到电机轴、传动元件和负载时产生的扭转阻力。一个具有无限刚度的系统可以将扭矩传递到负载上,而不必绕旋转轴产生角偏转。然而,即使是坚固的钢轴也可能在重载条件下轻微变形。挠度随施加扭矩、传动元件材料及其形状而变化。直观地说,长、细件比短、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;较厚的钢丝使弹簧更硬。当扭转刚度不无限时,系统将像弹簧,这意味着当载荷抵抗扭转时,势能将存储在系统中。


当两者结合时,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,因为伺服电机编码器显示电机轴的位置,而不是间隙允许负载稳定的位置。齿隙也会引起调谐问题,因为当负载和电机的相对方向相反时,负载将临时耦合并与电机解耦。


除了齿隙效应外,有限扭转刚度还将电机的某些动能和负载转化为势能,然后释放储能。能量的延迟释放会导致负载振荡甚至共振,从而降低很大可用调谐增益,对伺服电机系统的响应速度和稳定性时间产生负面影响。


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