มอเตอร์เซอร์โวแบบขับเคลื่อนตรงเทียบกับแบบมีเกียร์: การประเมินข้อได้เปรียบด้านการออกแบบ: ตอนที่ 1

วัตถุประสงค์การเรียนรู้

• ระบบเซอร์โวโรเตอรี่ในโลกแห่งความเป็นจริงไม่มีประสิทธิภาพตามที่ต้องการเนื่องจากข้อจำกัดทางเทคนิค
• มอเตอร์เซอร์โวโรเตอรี่มีหลายประเภทซึ่งอาจให้ประโยชน์แก่ผู้ใช้ แต่แต่ละประเภทก็มีความท้าทายหรือข้อจำกัดเฉพาะตัว
• เซอร์โวมอเตอร์โรเตอรี่ขับเคลื่อนตรงมีประสิทธิภาพดีที่สุด แต่มีราคาแพงกว่ามอเตอร์เกียร์

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่เซอร์โวมอเตอร์แบบมีเกียร์เป็นหนึ่งในเครื่องมือที่ใช้กันมากที่สุดในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม เซอร์โวมอเตอร์แบบมีเกียร์สามารถใช้งานด้านการวางตำแหน่ง การจับคู่ความเร็ว การขันด้วยอิเล็กทรอนิกส์ การพัน การดึง การขันให้แน่น และการจับคู่กำลังของเซอร์โวมอเตอร์กับโหลดได้อย่างมีประสิทธิภาพ สิ่งนี้ทำให้เกิดคำถามว่า เซอร์โวมอเตอร์แบบมีเกียร์เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับเทคโนโลยีการเคลื่อนที่แบบหมุน หรือมีวิธีแก้ปัญหาที่ดีกว่านี้หรือไม่

ในโลกที่สมบูรณ์แบบ ระบบเซอร์โวแบบหมุนจะมีแรงบิดและความเร็วที่เหมาะสมกับการใช้งาน ดังนั้นมอเตอร์จึงไม่มีขนาดใหญ่เกินไปหรือเล็กเกินไป ส่วนประกอบของมอเตอร์ อุปกรณ์ส่งกำลัง และโหลดควรมีความแข็งแรงทนทานต่อแรงบิดที่ไม่จำกัดและไม่มีแรงต้าน น่าเสียดายที่ระบบเซอร์โวแบบหมุนในโลกแห่งความเป็นจริงยังไม่สามารถบรรลุมาตรฐานนี้ได้ในระดับหนึ่ง

ในระบบเซอร์โวทั่วไป ระยะแบ็กลัชหมายถึงการสูญเสียการเคลื่อนที่ระหว่างมอเตอร์และโหลด ซึ่งเกิดจากค่าความคลาดเคลื่อนเชิงกลของชิ้นส่วนส่งกำลัง ซึ่งรวมถึงการสูญเสียการเคลื่อนที่ใดๆ ที่เกิดขึ้นกับกระปุกเกียร์ สายพาน โซ่ และข้อต่อ เมื่อเครื่องจักรเริ่มทำงาน โหลดจะลอยอยู่ตรงกลางค่าความคลาดเคลื่อนเชิงกล (รูปที่ 1A)

ก่อนที่มอเตอร์จะเคลื่อนย้ายโหลดได้ มอเตอร์จะต้องหมุนเพื่อชดเชยความหย่อนทั้งหมดที่มีอยู่ในชิ้นส่วนส่งกำลัง (รูปที่ 1B) เมื่อมอเตอร์เริ่มชะลอความเร็วลงเมื่อสิ้นสุดการเคลื่อนที่ ตำแหน่งของโหลดอาจแซงหน้าตำแหน่งของมอเตอร์ได้ เนื่องจากโมเมนตัมจะพาโหลดไปเหนือตำแหน่งของมอเตอร์

มอเตอร์ต้องรับแรงหย่อนในทิศทางตรงกันข้ามอีกครั้ง ก่อนที่จะส่งแรงบิดไปยังโหลดเพื่อลดความเร็ว (รูปที่ 1C) การสูญเสียการเคลื่อนที่นี้เรียกว่า ระยะฟันเฟือง (backlash) และโดยทั่วไปจะวัดเป็นนาทีอาร์ก ซึ่งเท่ากับ 1/60 องศา กระปุกเกียร์ที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับเซอร์โวในงานอุตสาหกรรมมักมีค่าระยะฟันเฟืองตั้งแต่ 3 ถึง 9 นาทีอาร์ก

ความแข็งเกร็งแบบบิด คือ ความต้านทานต่อการบิดของเพลามอเตอร์ ชิ้นส่วนส่งกำลัง และภาระที่เกิดขึ้นจากแรงบิด ระบบที่มีความแข็งเกร็งแบบอนันต์จะส่งผ่านแรงบิดไปยังภาระโดยไม่มีการโก่งตัวเชิงมุมรอบแกนหมุน อย่างไรก็ตาม แม้แต่เพลาเหล็กตันก็ยังบิดเล็กน้อยภายใต้ภาระหนัก ขนาดของความแข็งเกร็งจะแตกต่างกันไปตามแรงบิดที่ใช้ วัสดุของชิ้นส่วนส่งกำลัง และรูปร่าง โดยสัญชาตญาณ ชิ้นส่วนที่ยาวและบางจะบิดมากกว่าชิ้นส่วนที่สั้นและอ้วน ความต้านทานต่อการบิดนี้เป็นสิ่งที่ทำให้สปริงขดทำงาน เนื่องจากการอัดสปริงจะทำให้ลวดบิดเล็กน้อยในแต่ละรอบ ขณะที่ลวดที่หนากว่าจะทำให้สปริงมีความแข็งมากขึ้น ความแข็งเกร็งแบบบิดน้อยกว่าอนันต์จะทำให้ระบบทำหน้าที่เป็นสปริง ซึ่งหมายความว่าพลังงานศักย์จะถูกเก็บไว้ในระบบเมื่อภาระต้านการหมุน

เมื่อนำมารวมกัน ความแข็งเกร็งแบบบิดจำกัดและระยะฟันเฟือง (backlash) สามารถลดประสิทธิภาพของระบบเซอร์โวได้อย่างมาก ระยะฟันเฟืองอาจทำให้เกิดความไม่แน่นอน เนื่องจากตัวเข้ารหัสมอเตอร์ระบุตำแหน่งของเพลามอเตอร์ ไม่ใช่ตำแหน่งที่ระยะฟันเฟืองทำให้โหลดตั้งฉาก ระยะฟันเฟืองยังก่อให้เกิดปัญหาในการปรับแต่ง เนื่องจากโหลดจะเข้าและออกจากมอเตอร์ชั่วขณะเมื่อโหลดและมอเตอร์กลับทิศทางสัมพัทธ์ นอกจากระยะฟันเฟืองแล้ว ความแข็งเกร็งแบบบิดจำกัดยังเก็บพลังงานโดยการแปลงพลังงานจลน์บางส่วนของมอเตอร์และโหลดเป็นพลังงานศักย์ แล้วปล่อยออกมาในภายหลัง การปล่อยพลังงานที่ล่าช้านี้ทำให้เกิดการสั่นของโหลด ทำให้เกิดการสั่นพ้อง ลดค่าเกนการปรับแต่งที่ใช้งานได้สูงสุด และส่งผลกระทบทางลบต่อการตอบสนองและระยะเวลาในการปรับฉากของระบบเซอร์โว ในทุกกรณี การลดระยะฟันเฟืองและการเพิ่มระยะฟันเฟืองของระบบจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซอร์โวและทำให้การปรับแต่งง่ายขึ้น

การกำหนดค่าเซอร์โวมอเตอร์แกนหมุน

การกำหนดค่าแกนหมุนที่พบมากที่สุดคือเซอร์โวมอเตอร์แบบหมุนที่มีตัวเข้ารหัสในตัวสำหรับป้อนกลับตำแหน่ง และชุดเกียร์ที่จับคู่แรงบิดและความเร็วของมอเตอร์ที่มีอยู่กับแรงบิดและความเร็วที่ต้องการของโหลด ชุดเกียร์เป็นอุปกรณ์กำลังคงที่ซึ่งเป็นอะนาล็อกเชิงกลของหม้อแปลงสำหรับการจับคู่โหลด

การกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ที่ได้รับการปรับปรุงจะใช้เซอร์โวมอเตอร์แบบหมุนขับเคลื่อนตรง ซึ่งช่วยลดส่วนประกอบของระบบส่งกำลังโดยการเชื่อมต่อโหลดเข้ากับมอเตอร์โดยตรง ในขณะที่การกำหนดค่ามอเตอร์เกียร์ใช้การเชื่อมต่อเข้ากับเพลาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางค่อนข้างเล็ก ระบบขับเคลื่อนตรงจะยึดโหลดเข้ากับหน้าแปลนโรเตอร์ที่ใหญ่กว่ามากโดยตรง การกำหนดค่านี้ช่วยลดระยะฟันเฟืองและเพิ่มความทนทานต่อแรงบิดได้อย่างมาก จำนวนขั้วที่มากขึ้นและขดลวดแรงบิดสูงของมอเตอร์ขับเคลื่อนตรงสอดคล้องกับคุณลักษณะแรงบิดและความเร็วของมอเตอร์เกียร์ที่มีอัตราส่วน 10:1 ขึ้นไป