Direktantrieb vs. Getrieberotationsservomotor: Eine Quantifizierung des Konstruktionsvorteils: Teil 1

Lernziele

• Reale Rotationsservosysteme erreichen aufgrund technischer Einschränkungen nicht die ideale Leistung.
• Verschiedene Arten von Rotationsservomotoren können für den Benutzer Vorteile bieten, aber jeder weist eine spezifische Herausforderung oder Einschränkung auf.
• Rotationsservomotoren mit Direktantrieb bieten die beste Leistung, sind jedoch teurer als Getriebemotoren.

Getriebeservomotoren gehören seit Jahrzehnten zu den am häufigsten verwendeten Werkzeugen in der industriellen Automatisierung. Getriebe-Sevromotoren bieten Positionierungs-, Geschwindigkeitsanpassungs-, elektronische Nocken-, Wicklungs-, Spann- und Anzugsanwendungen und passen die Leistung eines Servomotors effizient an die Last an. Dies wirft die Frage auf: Ist ein Getriebe-Servomotor die beste Option für die Drehtechnik oder gibt es eine bessere Lösung?

In einer perfekten Welt hätte ein Rotationsservosystem Drehmoment- und Drehzahlwerte, die zur Anwendung passen, sodass der Motor weder über- noch unterdimensioniert ist. Die Kombination aus Motor, Getriebeelementen und Last sollte eine unendliche Torsionssteifigkeit und kein Spiel haben. Leider erreichen reale Rotationsservosysteme dieses Ideal in unterschiedlichem Maße nicht.

In einem typischen Servosystem ist Spiel als Bewegungsverlust zwischen Motor und Last definiert, der durch mechanische Toleranzen der Übertragungselemente verursacht wird; Dazu gehören Bewegungsverluste in Getrieben, Riemen, Ketten und Kupplungen. Wenn eine Maschine zum ersten Mal eingeschaltet wird, bewegt sich die Last irgendwo in der Mitte der mechanischen Toleranzen (Abbildung 1A).

Bevor die Last selbst vom Motor bewegt werden kann, muss sich der Motor drehen, um das gesamte Spiel der Übertragungselemente auszugleichen (Abbildung 1B). Wenn der Motor am Ende einer Bewegung abzubremsen beginnt, kann die Lastposition tatsächlich die Motorposition überholen, da der Impuls die Last über die Motorposition hinaus befördert.

Der Motor muss den Durchhang wieder in die entgegengesetzte Richtung ausgleichen, bevor er ein Drehmoment auf die Last ausübt, um sie abzubremsen (Abbildung 1C). Dieser Bewegungsverlust wird als Spiel bezeichnet und typischerweise in Bogenminuten gemessen, was 1/60 Grad entspricht. Getriebe, die für den Einsatz mit Servos in industriellen Anwendungen konzipiert sind, weisen häufig Spielspezifikationen im Bereich von 3 bis 9 Bogenminuten auf.

Die Torsionssteifigkeit ist der Widerstand gegen Verdrehen der Motorwelle, der Übertragungselemente und der Last als Reaktion auf die Anwendung eines Drehmoments. Ein unendlich steifes System würde das Drehmoment ohne Winkelauslenkung um die Drehachse auf die Last übertragen; Allerdings verdreht sich selbst eine massive Stahlwelle bei starker Belastung leicht. Das Ausmaß der Durchbiegung variiert je nach ausgeübtem Drehmoment, dem Material der Übertragungselemente und ihrer Form; Intuitiv verdrehen sich lange, dünne Teile mehr als kurze, dicke. Dieser Verdrehungswiderstand ist es, der die Funktion von Schraubenfedern ausmacht, da das Zusammendrücken der Feder jede Windung des Drahtes leicht verdreht; Ein dickerer Draht sorgt für eine steifere Feder. Bei einer geringeren Torsionssteifigkeit als unendlich wirkt das System wie eine Feder, was bedeutet, dass potenzielle Energie im System gespeichert wird, wenn die Last der Drehung Widerstand leistet.

In Kombination können endliche Torsionssteifigkeit und Spiel die Leistung eines Servosystems erheblich beeinträchtigen. Spiel kann zu Unsicherheiten führen, da der Motor-Encoder die Position der Motorwelle angibt und nicht die Stelle, an der sich die Last aufgrund des Spiels stabilisiert hat. Spiel führt außerdem zu Abstimmungsproblemen, da die Last sich kurzzeitig mit dem Motor kuppelt und von diesem entkoppelt, wenn Last und Motor ihre relative Richtung umkehren. Zusätzlich zum Spiel speichert die endliche Torsionssteifigkeit Energie, indem sie einen Teil der kinetischen Energie des Motors und der Last in potentielle Energie umwandelt und diese später wieder abgibt. Diese verzögerte Energiefreisetzung führt zu Lastschwingungen, induziert Resonanz, verringert die maximal nutzbaren Abstimmungsgewinne und wirkt sich negativ auf die Reaktionsfähigkeit und Einschwingzeit des Servosystems aus. In allen Fällen führt die Reduzierung des Spiels und die Erhöhung der Steifigkeit eines Systems zu einer höheren Servoleistung und einer einfacheren Abstimmung.

Konfigurationen von Drehachsen-Servomotoren

Die gebräuchlichste Rotationsachsenkonfiguration ist ein Rotationsservomotor mit integriertem Encoder zur Positionsrückmeldung und einem Getriebe, um das verfügbare Drehmoment und die Drehzahl des Motors an das erforderliche Drehmoment und die Drehzahl der Last anzupassen. Das Getriebe ist ein Gerät mit konstanter Leistung, das das mechanische Analogon eines Transformators zur Lastanpassung darstellt.

Bei einer verbesserten Hardware-Konfiguration kommt ein Rotationsservomotor mit Direktantrieb zum Einsatz, der die Übertragungselemente eliminiert, indem die Last direkt an den Motor gekoppelt wird. Während bei der Getriebemotorkonfiguration eine Kupplung an eine Welle mit relativ kleinem Durchmesser verwendet wird, wird die Last beim Direktantriebssystem direkt an einen viel größeren Rotorflansch geschraubt. Diese Konfiguration eliminiert Spiel und erhöht die Torsionssteifigkeit erheblich. Die höhere Polzahl und die Wicklungen mit hohem Drehmoment von Direktantriebsmotoren entsprechen den Drehmoment- und Drehzahleigenschaften eines Getriebemotors mit einem Übersetzungsverhältnis von 10:1 oder höher.