Penggerak langsung vs. servomotor putar bergigi: Kuantifikasi keunggulan desain: Bagian 1

Tujuan pembelajaran

• Sistem servo putar di dunia nyata tidak mencapai kinerja ideal karena keterbatasan teknis.
• Beberapa jenis servomotor putar dapat memberikan manfaat bagi pengguna, tetapi masing-masing memiliki tantangan atau keterbatasan tertentu.
• Motor servo putar penggerak langsung menawarkan kinerja terbaik, tetapi harganya lebih mahal daripada motor roda gigi.

Selama beberapa dekade, servomotor roda gigi telah menjadi salah satu peralatan paling umum dalam kotak peralatan otomasi industri. Servomotor roda gigi menawarkan aplikasi pemosisian, pencocokan kecepatan, pengekangan elektronik, penggulungan, penegangan, dan pengencangan, serta secara efisien menyesuaikan daya servomotor dengan beban. Hal ini menimbulkan pertanyaan: apakah servomotor roda gigi merupakan pilihan terbaik untuk teknologi gerak putar, atau adakah solusi yang lebih baik?

Dalam dunia yang ideal, sistem servo putar akan memiliki peringkat torsi dan kecepatan yang sesuai dengan aplikasinya sehingga motor tidak terlalu besar atau terlalu kecil. Kombinasi motor, elemen transmisi, dan beban seharusnya memiliki kekakuan torsi tak terbatas dan backlash nol. Sayangnya, sistem servo putar di dunia nyata masih jauh dari ideal ini dalam berbagai tingkatan.

Dalam sistem servo pada umumnya, backlash didefinisikan sebagai hilangnya gerak antara motor dan beban yang disebabkan oleh toleransi mekanis elemen transmisi; ini mencakup hilangnya gerak di seluruh kotak roda gigi, sabuk, rantai, dan kopling. Saat mesin pertama kali dinyalakan, beban akan berada di tengah-tengah toleransi mekanis (Gambar 1A).

Sebelum beban dapat dipindahkan oleh motor, motor harus berputar untuk mengatasi semua kelonggaran yang ada pada elemen transmisi (Gambar 1B). Ketika motor mulai melambat di akhir pergerakan, posisi beban dapat melampaui posisi motor karena momentum membawa beban melampaui posisi motor.

Motor harus kembali mengisi kelonggaran pada arah yang berlawanan sebelum memberikan torsi pada beban untuk memperlambatnya (Gambar 1C). Kehilangan gerak ini disebut backlash, dan biasanya diukur dalam menit busur, setara dengan 1/60 derajat. Gearbox yang dirancang untuk digunakan dengan servo dalam aplikasi industri sering kali memiliki spesifikasi backlash berkisar antara 3 hingga 9 menit busur.

Kekakuan torsional adalah resistansi terhadap puntiran poros motor, elemen transmisi, dan beban sebagai respons terhadap penerapan torsi. Sistem yang sangat kaku akan mentransmisikan torsi ke beban tanpa defleksi sudut terhadap sumbu rotasi; namun, bahkan poros baja padat akan sedikit terpuntir di bawah beban berat. Besarnya defleksi bervariasi dengan torsi yang diterapkan, bahan elemen transmisi, dan bentuknya; secara intuitif, bagian yang panjang dan tipis akan lebih banyak terpuntir daripada yang pendek dan gemuk. Resistansi terhadap puntiran inilah yang membuat pegas koil bekerja, karena mengompresi pegas sedikit memelintir setiap lilitan kawat; kawat yang lebih gemuk menghasilkan pegas yang lebih kaku. Apa pun yang kurang dari kekakuan torsional tak terhingga menyebabkan sistem bertindak sebagai pegas, yang berarti energi potensial akan disimpan dalam sistem saat beban menahan rotasi.

Ketika digabungkan bersama, kekakuan torsi terbatas dan backlash dapat secara signifikan menurunkan kinerja sistem servo. Backlash dapat menimbulkan ketidakpastian, karena encoder motor menunjukkan posisi poros motor, bukan di mana backlash telah memungkinkan beban untuk menetap. Backlash juga menimbulkan masalah penyetelan saat beban berpasangan dan terlepas dari motor sebentar ketika beban dan motor membalikkan arah relatif. Selain backlash, kekakuan torsi terbatas menyimpan energi dengan mengubah sebagian energi kinetik motor dan beban menjadi energi potensial, melepaskannya kemudian. Pelepasan energi yang tertunda ini menyebabkan osilasi beban, menginduksi resonansi, mengurangi perolehan penyetelan maksimum yang dapat digunakan dan berdampak negatif pada responsivitas dan waktu penyelesaian sistem servo. Dalam semua kasus, mengurangi backlash dan meningkatkan kekakuan sistem akan meningkatkan kinerja servo dan menyederhanakan penyetelan.

Konfigurasi servomotor sumbu putar

Konfigurasi sumbu putar yang paling umum adalah servomotor putar dengan enkoder bawaan untuk umpan balik posisi dan kotak roda gigi untuk menyesuaikan torsi dan kecepatan motor yang tersedia dengan torsi dan kecepatan beban yang dibutuhkan. Kotak roda gigi adalah perangkat daya konstan yang merupakan analog mekanis dari transformator untuk pencocokan beban.

Konfigurasi perangkat keras yang ditingkatkan menggunakan servomotor putar penggerak langsung, yang menghilangkan elemen transmisi dengan langsung menggandeng beban ke motor. Sementara konfigurasi motor roda gigi menggunakan kopling ke poros berdiameter relatif kecil, sistem penggerak langsung mengunci beban langsung ke flensa rotor yang jauh lebih besar. Konfigurasi ini menghilangkan backlash dan meningkatkan kekakuan torsi secara signifikan. Jumlah kutub yang lebih tinggi dan lilitan torsi yang tinggi pada motor penggerak langsung sesuai dengan karakteristik torsi dan kecepatan motor roda gigi dengan rasio 10:1 atau lebih tinggi.