มอเตอร์เซอร์โวแบบขับเคลื่อนตรงเทียบกับแบบหมุนเฟือง: การวัดข้อได้เปรียบของการออกแบบ: ตอนที่ 1

วัตถุประสงค์การเรียนรู้

• ระบบเซอร์โวโรเตอรี่ในโลกแห่งความเป็นจริงไม่มีประสิทธิภาพตามที่ต้องการเนื่องจากข้อจำกัดทางเทคนิค
• มอเตอร์เซอร์โวโรเตอรีหลายประเภทสามารถให้ประโยชน์แก่ผู้ใช้ได้ แต่แต่ละประเภทก็มีความท้าทายหรือข้อจำกัดเฉพาะตัว
• มอเตอร์เซอร์โวโรเตอร์แบบขับเคลื่อนตรงให้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุด แต่มีราคาแพงกว่ามอเตอร์เกียร์

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่เซอร์โวมอเตอร์แบบมีเกียร์เป็นหนึ่งในเครื่องมือที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดในกล่องเครื่องมือระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม เซอร์โวมอเตอร์แบบมีเกียร์ช่วยกำหนดตำแหน่ง การจับคู่ความเร็ว การปรับมุมอิเล็กทรอนิกส์ การพัน การปรับความตึง การขัน และการจับคู่กำลังของเซอร์โวมอเตอร์กับโหลดได้อย่างมีประสิทธิภาพ เรื่องนี้ทำให้เกิดคำถามว่า เซอร์โวมอเตอร์แบบมีเกียร์เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับเทคโนโลยีการเคลื่อนที่แบบหมุนหรือไม่ หรือมีวิธีแก้ปัญหาที่ดีกว่านี้หรือไม่

ในโลกที่สมบูรณ์แบบ ระบบเซอร์โวแบบโรตารี่จะมีค่าแรงบิดและความเร็วที่ตรงกับการใช้งาน ดังนั้นมอเตอร์จึงไม่ใหญ่เกินไปหรือเล็กเกินไป การผสมผสานระหว่างมอเตอร์ องค์ประกอบการส่งกำลัง และภาระควรมีความฝืดต่อแรงบิดที่ไม่มีที่สิ้นสุดและไม่มีแรงต้านกลับเลย น่าเสียดายที่ระบบเซอร์โวแบบโรตารี่ในโลกแห่งความเป็นจริงไม่เป็นไปตามอุดมคติในระดับที่แตกต่างกัน

ในระบบเซอร์โวทั่วไป แบ็กแลชถูกกำหนดให้เป็นการสูญเสียการเคลื่อนไหวระหว่างมอเตอร์และโหลดที่เกิดจากค่าความคลาดเคลื่อนทางกลขององค์ประกอบการส่งกำลัง ซึ่งรวมถึงการสูญเสียการเคลื่อนไหวใดๆ ตลอดกระปุกเกียร์ สายพาน โซ่ และข้อต่อ เมื่อเปิดเครื่องเครื่องจักรในตอนแรก โหลดจะลอยอยู่ที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งตรงกลางของค่าความคลาดเคลื่อนทางกล (รูปที่ 1A)

ก่อนที่มอเตอร์จะเคลื่อนย้ายโหลดได้ มอเตอร์จะต้องหมุนเพื่อชดเชยความหย่อนทั้งหมดที่มีอยู่ในองค์ประกอบส่งกำลัง (รูปที่ 1B) เมื่อมอเตอร์เริ่มชะลอความเร็วในตอนท้ายของการเคลื่อนที่ ตำแหน่งของโหลดอาจแซงหน้าตำแหน่งของมอเตอร์ได้ เนื่องจากโมเมนตัมจะพาโหลดเกินตำแหน่งของมอเตอร์ไป

มอเตอร์จะต้องรับความหย่อนอีกครั้งในทิศทางตรงข้ามก่อนที่จะใช้แรงบิดกับโหลดเพื่อลดความเร็ว (รูปที่ 1C) การสูญเสียการเคลื่อนไหวนี้เรียกว่าการตีกลับ และโดยทั่วไปจะวัดเป็นนาทีส่วนโค้ง ซึ่งเท่ากับ 1/60 องศา กระปุกเกียร์ที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับเซอร์โวในงานอุตสาหกรรมมักจะมีข้อกำหนดการตีกลับตั้งแต่ 3 ถึง 9 นาทีส่วนโค้ง

ความแข็งตามแรงบิดคือความต้านทานต่อการบิดของเพลามอเตอร์ ชิ้นส่วนส่งกำลัง และภาระในการตอบสนองต่อการใช้แรงบิด ระบบที่มีความแข็งไม่สิ้นสุดจะส่งแรงบิดไปยังภาระโดยไม่มีการเบี่ยงเบนเชิงมุมเกี่ยวกับแกนหมุน อย่างไรก็ตาม แม้แต่เพลาเหล็กตันก็ยังบิดเล็กน้อยภายใต้ภาระที่หนัก ขนาดของความเบี่ยงเบนจะแตกต่างกันไปตามแรงบิดที่ใช้ วัสดุของชิ้นส่วนส่งกำลัง และรูปร่างของชิ้นส่วน โดยสัญชาตญาณแล้ว ชิ้นส่วนที่ยาวและบางจะบิดมากกว่าชิ้นส่วนที่สั้นและอ้วน ความต้านทานต่อการบิดนี้คือสิ่งที่ทำให้สปริงขดทำงาน เนื่องจากการอัดสปริงจะทำให้ลวดบิดเล็กน้อยในแต่ละรอบ ลวดที่หนาขึ้นจะทำให้สปริงมีความแข็งมากขึ้น ความแข็งตามแรงบิดที่น้อยกว่าไม่สิ้นสุดจะทำให้ระบบทำหน้าที่เป็นสปริง ซึ่งหมายความว่าพลังงานศักย์จะถูกเก็บไว้ในระบบในขณะที่ภาระต้านการหมุน

เมื่อนำมารวมกัน ความแข็งของแรงบิดและแรงต้านแบบจำกัดสามารถลดประสิทธิภาพของระบบเซอร์โวได้อย่างมาก แรงต้านอาจทำให้เกิดความไม่แน่นอน เนื่องจากตัวเข้ารหัสมอเตอร์ระบุตำแหน่งของเพลาของมอเตอร์ ไม่ใช่ตำแหน่งที่แรงต้านทำให้โหลดตั้งตัว แรงต้านยังทำให้เกิดปัญหาในการปรับแต่ง เนื่องจากโหลดจะจับคู่และแยกออกจากมอเตอร์ชั่วครู่เมื่อโหลดและมอเตอร์กลับทิศทางสัมพันธ์กัน นอกจากแรงต้านแล้ว ความแข็งของแรงบิดแบบจำกัดยังเก็บพลังงานโดยการแปลงพลังงานจลน์บางส่วนของมอเตอร์และโหลดเป็นพลังงานศักย์ แล้วปล่อยออกมาในภายหลัง การปล่อยพลังงานที่ล่าช้านี้ทำให้เกิดการสั่นของโหลด ทำให้เกิดการสั่นพ้อง ลดค่าการปรับจูนที่ใช้งานได้สูงสุด และส่งผลกระทบเชิงลบต่อการตอบสนองและเวลาในการตั้งตัวของระบบเซอร์โว ในทุกกรณี การลดแรงต้านและเพิ่มความแข็งของระบบจะเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเซอร์โวและทำให้การปรับแต่งง่ายขึ้น

การกำหนดค่าเซอร์โวมอเตอร์แกนหมุน

การกำหนดค่าแกนหมุนที่พบมากที่สุดคือเซอร์โวมอเตอร์แบบหมุนที่มีตัวเข้ารหัสในตัวสำหรับข้อเสนอแนะตำแหน่งและกล่องเกียร์เพื่อจับคู่แรงบิดและความเร็วที่มีอยู่ของมอเตอร์กับแรงบิดและความเร็วที่ต้องการของโหลด กล่องเกียร์เป็นอุปกรณ์กำลังคงที่ที่เป็นอนาล็อกเชิงกลของหม้อแปลงสำหรับการจับคู่โหลด

การกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ที่ปรับปรุงแล้วใช้เซอร์โวมอเตอร์โรเตอร์แบบขับเคลื่อนตรงซึ่งขจัดองค์ประกอบการส่งกำลังด้วยการเชื่อมต่อโหลดโดยตรงกับมอเตอร์ ในขณะที่การกำหนดค่ามอเตอร์เกียร์ใช้การเชื่อมต่อเพลาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางค่อนข้างเล็ก ระบบขับเคลื่อนตรงจะยึดโหลดโดยตรงกับหน้าแปลนโรเตอร์ที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก การกำหนดค่านี้ช่วยขจัดการตีกลับและเพิ่มความแข็งแรงในการบิดได้อย่างมาก จำนวนขั้วที่มากขึ้นและขดลวดแรงบิดสูงของมอเตอร์ขับเคลื่อนตรงจะตรงกับลักษณะแรงบิดและความเร็วของมอเตอร์เกียร์ที่มีอัตราส่วน 10:1 ขึ้นไป