직접 구동 대 기어 회전 서보모터: 설계 장점의 정량화: 1부

학습 목표

• 실제 회전 서보 시스템은 기술적 한계로 인해 이상적인 성능에 미치지 못합니다.
• 여러 유형의 회전식 서보모터가 사용자에게 이점을 제공할 수 있지만 각 유형에는 특정한 과제나 제한 사항이 있습니다.
• 직접 구동 회전형 서보모터는 최고의 성능을 제공하지만 기어모터보다 가격이 더 비쌉니다.

수십 년 동안 기어 서보모터는 산업 자동화 도구 상자에서 가장 일반적인 도구 중 하나였습니다. 기어형 서보모터는 위치 지정, 속도 일치, 전자 캠밍, 권선, 인장, 조임 애플리케이션을 제공하고 서보모터의 출력을 부하에 효율적으로 일치시킵니다. 이는 질문을 제기합니다. 기어 서보모터가 회전 모션 기술에 가장 적합한 옵션입니까, 아니면 더 나은 솔루션이 있습니까?

완벽한 세상에서 회전 서보 시스템은 애플리케이션에 맞는 토크 및 속도 등급을 가지므로 모터의 크기가 너무 크거나 작지 않습니다. 모터, 변속기 요소 및 부하의 조합은 무한한 비틀림 강성과 백래시가 없어야 합니다. 불행하게도 실제 회전 서보 시스템은 다양한 수준에서 이러한 이상에 미치지 못합니다.

일반적인 서보 시스템에서 백래시는 변속기 요소의 기계적 공차로 인해 발생하는 모터와 부하 사이의 동작 손실로 정의됩니다. 여기에는 기어박스, 벨트, 체인 및 커플링 전체의 모션 손실이 포함됩니다. 기계의 전원을 처음 켜면 부하는 기계적 허용 오차의 중간 어딘가에 떠 있습니다(그림 1A).

부하 자체가 모터에 의해 이동되기 전에 모터는 변속기 요소에 존재하는 모든 느슨함을 흡수하기 위해 회전해야 합니다(그림 1B). 이동이 끝날 때 모터가 감속하기 시작하면 모멘텀이 모터 위치를 넘어 부하를 전달하므로 부하 위치가 실제로 모터 위치를 추월할 수 있습니다.

모터는 부하에 토크를 적용하여 감속하기 전에 다시 반대 방향으로 여유를 잡아야 합니다(그림 1C). 이러한 동작 손실을 백래시라고 하며 일반적으로 1/60도에 해당하는 호분 단위로 측정됩니다. 산업 응용 분야에서 서보와 함께 사용하도록 설계된 기어박스는 백래시 사양이 3~9 arc-min 범위인 경우가 많습니다.

비틀림 강성은 토크 적용에 따른 모터 샤프트, 변속기 요소 및 하중의 비틀림에 대한 저항입니다. 무한히 강성인 시스템은 회전축에 대한 각도 편향 없이 하중에 토크를 전달합니다. 그러나 단단한 강철 샤프트라도 무거운 하중을 받으면 약간 비틀어집니다. 편향의 크기는 적용된 토크, 변속기 요소의 재질 및 모양에 따라 달라집니다. 직관적으로 길고 얇은 부분은 짧고 두꺼운 부분보다 더 많이 비틀립니다. 비틀림에 대한 이러한 저항은 스프링을 압축하면 와이어의 각 회전이 약간 비틀기 때문에 코일 스프링이 작동하게 만드는 것입니다. 와이어가 두꺼울수록 스프링이 더 단단해집니다. 무한 비틀림 강성보다 작으면 시스템이 스프링처럼 작동하게 됩니다. 즉, 하중이 회전에 저항할 때 위치 에너지가 시스템에 저장됩니다.

유한한 비틀림 강성과 백래시가 함께 결합되면 서보 시스템의 성능이 크게 저하될 수 있습니다. 모터 인코더는 백래시로 인해 부하가 안정되는 위치가 아니라 모터 샤프트의 위치를 ​​나타내기 때문에 백래시는 불확실성을 초래할 수 있습니다. 또한 백래시는 부하와 모터가 상대적인 방향을 바꿀 때 부하가 모터에서 잠시 연결 및 분리됨에 따라 튜닝 문제를 야기합니다. 백래시 외에도 유한 비틀림 강성은 모터와 부하의 운동 에너지 중 일부를 위치 에너지로 변환하고 나중에 방출하여 에너지를 저장합니다. 이러한 지연된 에너지 방출은 부하 진동을 유발하고 공진을 유발하며 사용 가능한 최대 튜닝 이득을 감소시키고 서보 시스템의 응답성과 정착 시간에 부정적인 영향을 미칩니다. 모든 경우에 백래시를 줄이고 시스템의 강성을 높이면 서보 성능이 향상되고 튜닝이 단순화됩니다.

회전축 서보모터 구성

가장 일반적인 회전축 구성은 위치 피드백용 인코더가 내장된 회전식 서보모터와 모터의 사용 가능한 토크 및 속도를 부하의 필수 토크 및 속도와 일치시키는 기어박스입니다. 기어박스는 부하 정합을 위한 변압기의 기계적 아날로그인 정전력 장치입니다.

향상된 하드웨어 구성에서는 부하를 모터에 직접 연결하여 전달 요소를 제거하는 직접 구동 회전 서보 모터를 사용합니다. 기어모터 구성은 상대적으로 작은 직경의 샤프트에 커플링을 사용하는 반면, 직접 구동 시스템은 부하를 훨씬 더 큰 로터 플랜지에 직접 연결합니다. 이 구성은 백래시를 제거하고 비틀림 강성을 크게 증가시킵니다. 직접 구동 모터의 더 많은 극 수와 높은 토크 권선은 10:1 이상의 비율로 기어모터의 토크 및 속도 특성과 일치합니다.