Сервомотор: принцип работы, высокий крутящий момент и другие параметры

Имея производительность и точность, характерные шаговому двигателю, серводвигатель демонстрирует больший потенциал для генерирования крутящего момента. Существует целый модельный ряд — от нано-сервомоторов до высокомоментных модификаций.

Давайте рассмотрим, как высокий показатель крутящего момента сочетается с внутренними характеристиками сервомеханизма, а также такими критическими показателями, как коэффициент инерции и частота вращения.

Общее определение

Крутящий момент, выражающийся в виде формулы, представляет собой вращательное усилие, направленное перпендикулярно вектору смещения, умноженному на длину вектора от точки приложения силы до оси вращения.

Результат уравнения будет положительным, если вращение совершается против часовой стрелки или отрицательным, если объект поворачивается по часовой стрелке.

Если речь идет о сервомоторе, — этот технический термин определяет механическую работу, совершаемую вращением его вала и обычно измеряемую в ньютон-метрах (Нм). В спецификациях линейных моделей способность к перемещению объектов определяется силой.

Сервомотор: что значит высокий крутящий момент

Для сервомотора высокий крутящий момент означает, что механизм способен выдерживать более высокие нагрузки. Величина вращающего усилия, которое создает сервомеханизм, зависит от ряда факторов - напряжения питания, скорости вращения вала и т.д.

Существует несколько способов измерения величины крутящего момента:
Один из вариантов заключается в том, чтобы установить датчик на валу и считывать показания во время работы двигателя. В этом случае точность измерения зависит от правильных настроек прибора. Не забывайте учесть погрешности в настройках сцепления.

Оценить величину момента можно также по показаниям датчиков положения или скорости. Для применения этого метода, подключите к приводу большую нагрузку с заданным моментом инерции. Опираясь на результаты измерений, рассчитайте величину скорости и ускорения и, учитывая момент инерции, определите требуемое значение. Основным преимуществом этой методики является количественная оценка крутящего момента по отношению к скорости.

Третий метод заключается в проведении расчетов на основе измерений датчика усилия, производимых на определенном расстоянии. Искомый показатель равен расстоянию, умноженному на силу, минус погрешность.

Одним из возможных способов получения сервомотора с высоким крутящим моментом является добавление коробки передач, которая обеспечивает пропорциональное преобразование скорости в крутящий момент.

Передаточное отношение — это показатель увеличения устройством вращательного усилия при снижении скорости вращения.

Технические детали

Технические детали
В спецификациях на свои сервомоторы производители указывают несколько показателей крутящего момента. Давайте рассмотрим, что обозначает каждый из них:

Номинальный — мощность сервопривода при заданных рабочих условиях — номинальная скорость и температура окружающей среды. Если температура в помещении пользователя превышает рекомендуемый максимум, крутящий момент имеет тенденцию уменьшаться пропорционально числу оборотов в минуту. В обратной ситуации снижение замедляется.

Пиковый — максимальный крутящий момент, при котором двигатель функционирует стабильно. Показатель рассчитывается как сумма трех вращательных сил — ускорения, трения и нагрузки. Он всегда кратковременный по продолжительности (не дольше чем необходимо для преодоления механического сопротивления при запуске сервомотора) и находится в пределах участка прерывистого движения.

Среднеквадратичный — учитывает разные значения параметра, которые возникают на протяжении рабочего цикла сервомотора, а также их предполагаемую продолжительность. Он отражает, как изменения вращающего усилия влияет на производительность двигателя во время ускорения, замедления и при постоянной скорости. Среднеквадратичный показатель всегда находится в пределах непрерывного отрезка кривой.

Если установка работает со статической нагрузкой, превышающей динамическую нагрузку, следует учитывать показатель при заклинивании, а именно какой величины сила, обусловленная вращением, при нулевой нагрузке. Несмотря на то, что двигатель не работает должным образом, электропитание продолжает поступать, вызывая повышение температуры. Таким образом, это значение является предельным. При соблюдении ограничений, заклинивший мотор продолжает работать в безопасном режиме.

Другие важные параметры

При выборе сервомотора величина крутящего момента является первостепенно важным критерием. Тем не менее, необходимо также учитывать, как этот показатель будет меняться в зависимости от изменения скорости и коэффициента инерции.

Коэффициент инерции — это отношение инерции двигателя к его нагрузке. Это значение влияет на механическую составляющую в общей формуле эффективности. В случае несоответствия системным требованиям этот коэффициент может снизить точность позиционирования из-за ухудшения работы элементов контрольного контура.

Показатель инерции мотора указан в спецификации изготовителя. Чтобы вывести другой показатель, который будет отражать сопротивление прилагаемой нагрузки изменениям ее положения, необходимы определенные расчеты. При расчетах следует учитывать все компоненты системы, задействованные в движении (напр. сцепление, приводные элементы).

В идеале оба показателя должны быть идентичны, что, однако, неосуществимо и даже, при определенных условиях, недопустимо. Трудно окончательно определить идеальное соотношение, но одно не вызывает сомнений — оно не должно быть ни сверхвысоким, ни необоснованно низким.

При чрезмерных значениях растет энергопотребление и увеличиваются эксплуатационные расходы. Могут также возникнуть проблемы, вызванные резонансом или вибрацией. В то же время, низкое значение (соотношение почти 1:1) часто является признаком того, что размер привода слишком велик для предполагаемого применения, что ведет к избыточным расходам.

Для получения адекватного соотношения, попробуйте поэкспериментировать с размерами сервомеханизма, увеличивая и уменьшая их, или попробуйте использовать редукторный привод. Набор шестерен позволит регулировать коэффициент инерции в зависимости от заданных условий, одновременно оптимизируя крутящее усилие и поддерживая частоту вращения на желаемом уровне. Независимо от того, какой вариант вы выберете, конфигурация проектируемой системы остается определяющей.

Скорость сервопривода играет решающую роль при расчете размеров и как это влияет на изменение значений крутящего момента на протяжении периода времени.

Зависимость следующая: когда частота вращения двигателя высокая, другой показатель низкий и наоборот. Взаимозависимость очевидна на кривой крутящего момента и скорости, которая является уникальной для каждой модели двигателя и имеет две зоны — непрерывной и прерывистой нагрузки. Если заданная пара “скорость — крутящий момент” попадает в зону непрерывной нагрузки, значит привод способен вырабатывать мощность в течение неограниченного периода времени без тепловых или других повреждений. Комбинации значений в зоне прерывистой нагрузки допустимы только в течение короткого интервала времени, например при ускорении или замедлении. При выходе за пределы этого интервала сервомеханизм начинает вырабатывать избыточное тепло.

Серводвигатели серии RDrive, отличающиеся высоким крутящим моментом по своей конструкции и гарантируют вам оптимальное решение для достижения любых поставленных задач.

Зубчатая передача устраняет проблемы связанные с инерцией, позволяя при этом получить на выходе высокий крутящий момент — до 216 Нм при непрерывной нагрузке и до 333 Нмин — при прерывистой нагрузке.

Модельный ряд включает в себя пять конструкционных размеров, как с редуктором, так и без него. В безредукторной версии вы получите увеличение числа оборотов при меньшей длине корпуса. Модификация с редуктором отличается высоким крутящим моментом, но занимает больше пространства.

Для получения дополнительной информации о крутящем моменте и других параметрах смотрите детальные характеристики серводвигателя RDrive.