Penggerak langsung vs. motor servo putar diarahkan: Kuantifikasi keunggulan desain: Bagian 1

Tujuan pembelajaran

• Sistem servo putar dunia nyata tidak mencapai kinerja ideal karena keterbatasan teknis.
• Beberapa jenis motor servo putar dapat memberikan manfaat bagi penggunanya, namun 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, motor servo yang diarahkan telah menjadi salah satu alat yang paling umum dalam kotak peralatan otomasi industri. Sevromotor yang diarahkan menawarkan aplikasi pemosisian, pencocokan kecepatan, camming elektronik, penggulungan, pengencangan, pengencangan, dan secara efisien menyesuaikan kekuatan motor servo dengan beban. Hal ini menimbulkan pertanyaan: apakah motor servo yang diarahkan merupakan pilihan terbaik untuk teknologi gerak berputar, atau adakah solusi yang lebih baik?

Di dunia yang sempurna, sistem servo putar akan memiliki peringkat torsi dan kecepatan yang sesuai dengan aplikasinya sehingga motor tidak berukuran terlalu besar atau terlalu kecil. Kombinasi motor, elemen transmisi, dan beban harus memiliki kekakuan torsi tak terhingga dan tidak ada serangan balik. Sayangnya, sistem servo putar dunia nyata tidak mencapai cita-cita ini pada tingkat yang berbeda-beda.

Dalam sistem servo pada umumnya, serangan balik didefinisikan sebagai hilangnya gerak antara motor dan beban yang disebabkan oleh toleransi mekanis elemen transmisi; ini termasuk hilangnya gerakan di seluruh kotak roda gigi, ikat pinggang, rantai, dan kopling. Saat mesin pertama kali dihidupkan, beban akan melayang di suatu tempat di tengah toleransi mekanis (Gambar 1A).

Sebelum beban itu sendiri dapat digerakkan oleh motor, motor harus berputar untuk mengambil semua kendur yang ada pada elemen transmisi (Gambar 1B). Ketika motor mulai melambat pada akhir gerakan, posisi beban sebenarnya dapat mengambil alih posisi motor karena momentum membawa beban melampaui posisi motor.

Motor harus kembali mengambil kelonggaran dalam arah yang berlawanan sebelum menerapkan torsi ke beban untuk memperlambatnya (Gambar 1C). Hilangnya gerakan ini disebut serangan balik, dan biasanya diukur dalam menit busur, sama dengan 1/60 derajat. Gearbox yang dirancang untuk digunakan dengan servo dalam aplikasi industri sering kali memiliki spesifikasi backlash yang berkisar antara 3 hingga 9 menit busur.

Kekakuan torsi adalah ketahanan terhadap puntiran poros motor, elemen transmisi, dan beban sebagai respons terhadap penerapan torsi. Sistem yang sangat kaku akan menyalurkan torsi ke beban tanpa defleksi sudut terhadap sumbu rotasi; namun, bahkan poros baja padat pun akan berputar sedikit di bawah beban berat. Besarnya defleksi bervariasi menurut torsi yang diterapkan, bahan elemen transmisi, dan bentuknya; secara intuitif, bagian yang panjang dan tipis akan lebih terpelintir daripada bagian yang pendek dan gemuk. Ketahanan terhadap puntiran inilah yang membuat pegas koil bekerja, karena menekan pegas akan memutar sedikit setiap putaran kawat; kawat yang lebih gemuk membuat pegas menjadi lebih kaku. Kekakuan torsi yang kurang dari tak terhingga menyebabkan sistem bertindak sebagai pegas, yang berarti energi potensial akan disimpan dalam sistem karena beban menahan rotasi.

Ketika digabungkan bersama-sama, kekakuan torsional dan serangan balik yang terbatas dapat menurunkan kinerja sistem servo secara signifikan. Serangan balik dapat menimbulkan ketidakpastian, karena encoder motor menunjukkan posisi poros motor, bukan posisi dimana serangan balik memungkinkan beban menetap. Serangan balik juga menimbulkan masalah penyetelan saat beban dipasangkan dan dilepaskan dari motor secara singkat ketika beban dan motor berbalik arah relatif. Selain serangan balik, kekakuan torsi terbatas menyimpan energi dengan mengubah sebagian energi kinetik motor dan beban menjadi energi potensial, kemudian melepaskannya. Pelepasan energi yang tertunda ini menyebabkan osilasi beban, menginduksi resonansi, mengurangi perolehan penyetelan maksimum yang dapat digunakan, dan berdampak negatif pada daya tanggap dan waktu penyelesaian sistem servo. Dalam semua kasus, mengurangi serangan balik dan meningkatkan kekakuan sistem akan meningkatkan kinerja servo dan menyederhanakan penyetelan.

Konfigurasi servomotor sumbu putar

Konfigurasi sumbu putar yang paling umum adalah motor servo putar dengan encoder internal untuk umpan balik posisi dan kotak roda gigi untuk menyesuaikan torsi dan kecepatan motor yang tersedia dengan torsi dan kecepatan beban yang diperlukan. Gearbox adalah perangkat dengan daya konstan yang merupakan analog mekanis transformator untuk pencocokan beban.

Konfigurasi perangkat keras yang ditingkatkan menggunakan motor servo putar penggerak langsung, yang menghilangkan elemen transmisi dengan menyambungkan beban ke motor secara langsung. Sedangkan konfigurasi gearmotor menggunakan kopling ke poros berdiameter relatif kecil, sistem penggerak langsung memasang beban langsung ke flensa rotor yang jauh lebih besar. Konfigurasi ini menghilangkan serangan balik dan sangat meningkatkan kekakuan torsi. Jumlah kutub yang lebih tinggi dan belitan torsi tinggi pada motor penggerak langsung sesuai dengan karakteristik torsi dan kecepatan motor roda gigi dengan rasio 10:1 atau lebih tinggi.