около Марк Ховард, управляющий директор, Zettlex
Прямые приводы отличаются от традиционных приводных устройств. Эти двигатели обладают многими конструктивными преимуществами, но лучше всего работают со специальной обратной связью.
Двигатели с прямым приводом существуют уже некоторое время, но только недавно производители оборудования и системные интеграторы начали использовать преимущества этой технологии. За последние несколько лет значительно увеличилось число применений, в которых используются двигатели с прямым приводом. Как мы рассмотрим, некоторые типы работают лучше всего, когда дизайнеры оснащают их устройством обратной связи, называемым инкодером.
Термин «прямой привод» может применяться к любому двигателю, который непосредственно приводит в действие груз или ротор без механических компонентов передачи мощности, таких как шестерни, шкивы или цепи. Однако обычно этот термин относится к бесщеточным двигателям с постоянными магнитами — синхронным двигателям, — которые передают крутящий момент непосредственно на нагрузку или ротор. Часто осевая высота меньше диаметра; многие версии также имеют большое сквозное отверстие в центре.
Другим распространенным термином для двигателей с прямым приводом, которые создают постоянный крутящий момент при остановке или перемещении на небольшие углы, является моментный двигатель. В зависимости от исполнения другие двигатели с прямым приводом иногда называют двигателями Lorenz-force или pancake motors.
Двигатели с прямым приводом работают так же, как и другие бесщеточные двигатели постоянного тока. Магниты на роторе двигателя и обмотки на статоре двигателя взаимодействуют, когда источник питания подает питание на обмотки. Именно тогда обмотки создают электромагнитные поля, которые притягивают или отталкивают магниты ротора. Точная коммутация мощности на обмотки стимулирует контролируемое движение. Существуют как роторные, так и линейные двигатели с прямым приводом, но наиболее распространены роторные типы.
Двигатели с прямым приводом обычно имеют много полюсов — более 30, а иногда и более 100. Это позволяет им выдавать высокий крутящий момент при нулевой или низкой частоте вращения, обычно ниже 1000 оборотов в минуту. Двигатели с прямым приводом диаметром более 3 футов (1 м) могут выдавать крутящий момент более 10 000 Нм.
Многие двигатели с прямым приводом являются бескаркасными. Производители продают их без подшипников, корпуса или датчиков обратной связи. Такие продукты позволяют машиностроителям и системным интеграторам оптимизировать конструкцию корпуса, подшипников и вала для оптимизации веса, размеров, формы и динамических характеристик машины.
Двигатели с прямым приводом имеют более высокое отношение крутящего момента к инерции, чем традиционные схемы двигателей, и они имеют низкую электрическую постоянную времени. Таким образом, двигатели быстро выдают крутящий момент при подаче питающего напряжения на обмотки, получая то, что инженеры по управлению называют “хорошей жесткостью сервопривода”. Более традиционные двигатели генерируют максимальный крутящий момент на более высоких оборотах, как правило, при оборотах более 1000 об/мин, и инженеры определяют их размеры в зависимости от номинальной мощности. Напротив, инженеры обычно определяют размеры и выбирают двигатели с прямым приводом по максимальному или непрерывному крутящему моменту, а не по мощности.
Прямые приводы обеспечивают отличные динамические характеристики и точный контроль положения и скорости. Они надежны и не подвержены люфту или износу благодаря малому количеству деталей и исключению зубчатых колес, шкивов, уплотнений и подшипников. Кроме того, они предлагают:
• низкая пульсация крутящего момента или зазубривание
• низкий акустический шум и минимальная самоиндуцируемая вибрация
• компактность при низкой осевой высоте и большом отверстии
• высокое отношение крутящего момента к инерции и высокое отношение крутящего момента к массе; высокий крутящий момент на низких скоростях
• энергоэффективность благодаря устранению промежуточного механического трения и инерции
• относительно большие воздушные зазоры для защиты от ударов и выживания в грязных условиях
• минимальные требования к охлаждению благодаря выгодной термической геометрии<
Инженеры-конструкторы выбирают прямые приводы за их динамические характеристики и форму. Последнее актуально, когда двигатель имеет плоскую форму с большим отверстием посередине для пропускания контактных колец, труб и кабелей.
Главный недостаток двигателей с прямым приводом — высокая стоимость — часто преувеличивается. Двигатели с прямым приводом стоят дороже традиционных двигателей при простом сравнении 1:1. Однако анализ затрат, учитывающий экономию за счет отказа от промежуточных передач и муфт (и связанного с ними технического обслуживания) и общего упрощения механики, часто показывает, что устройства с прямым приводом являются наиболее экономичным вариантом.
Более того, надбавка к стоимости двигателей с прямым приводом снижается по мере того, как прямые приводы становятся все более распространенными, а также увеличивается доступность мощных магнитов из неодима, железа и бора (Nd-Fe-B). Показательный пример: Нынешнее соотношение цены и производительности двигателей с прямым приводом делает их все более распространенными в чувствительных к затратам приложениях, таких как стиральные машины. Здесь инженеры заменяют традиционные системы двигателя, ремня и шкива более тихими и надежными двигателями с прямым приводом.
Более классическими примерами применения прямого привода являются карданные подвесы в антенных системах (таких как спутниковая связь, устанавливаемая на автомобилях), электрооптике, сканерах, таблицах скоростей, телескопах, камерах наблюдения и CCTV, радарах и системах вооружения. Они также находят применение в упаковочном оборудовании, станках с ЧПУ, робототехнике и даже высококачественных проигрывателях пластинок.
Большинство традиционных двигателей демонстрируют пульсацию позиционного крутящего момента, известную как зубчатое зацепление. На высоких скоростях этот эффект обычно несущественен, поскольку частота настолько высока, что оказывает незначительное влияние на производительность. Агрегаты с прямым приводом больше страдают от этого явления, если только органы управления двигателем не используют обратную связь для нейтрализации этого эффекта. Одним из факторов, который, возможно, замедлил внедрение двигателей с прямым приводом, является то, что они нуждаются в точном электрическом управлении. Только в последние годы достаточно отзывчивые и быстрые контроллеры с частотой обновления более 4 кГц стали широко доступны по реалистичным ценам.
Трудно найти обратную связь о положении с высоким разрешением
Основным преимуществом двигателей с прямым приводом является повышенная точность позиционирования, скорости и динамики. Двигатели с прямым приводом подключаются непосредственно к нагрузке, поэтому нет гистерезиса, люфта или потери хода в любом направлении движения. Единственное предостережение заключается в том, что для завершения цикла сервопривода им требуется обратная связь по положению с высоким разрешением. Иногда конструкторы используют датчики с эффектом Холла для коммутации мощности на обмотки двигателя. Но другая обратная связь необходима там, где этой настройки недостаточно для получения точного контроля положения или скорости.
Если отверстие прямого привода довольно маленькое, скажем, менее 2 дюймов (50 мм), существует несколько вариантов обратной связи по положению, основанных на оптическом, магнитном, емкостном и индуктивном датчиках. Однако многие датчики не имеют подходящей морфологии для двигателей большего размера. Помните, что ключевыми факторами при выборе прямого привода являются форм-фактор и большое сквозное отверстие более 2 дюймов. Поскольку большинство датчиков положения предназначены для установки на небольшой входной вал или небольшое сквозное отверстие, выбор подходящих датчиков положения для прямых приводов до недавнего времени был ограничен.
Одним из вариантов являются оптические кольцевые энкодеры. Они питаются от простого входа постоянного тока, а затем выводят абсолютные или инкрементные цифровые сигналы. К сожалению, они не подходят для грязных или влажных сред, поскольку траектория оптического датчика должна оставаться свободной. Они также не выдерживают экстремальных температур или ударов и требуют точной установки для получения хороших измерений. Емкостные датчики создают аналогичные проблемы и усложняют установку из-за необходимости рассеивания накопленного статического заряда на роторе.
Другой вариант — энкодеры с магнитным кольцом. Их преимущество перед датчиками Холла с коммутационным отслеживанием невелико, поскольку магнитный гистерезис ограничивает их точность. Поскольку они используют измерение магнитных полей постоянного тока, они также чувствительны к рассеянным магнитным полям от двигателя.
Третий и наиболее распространенный вариант — это бесщеточный преобразователь. Преобразователи используют электромагнитную физику, во многом подобную самому двигателю, для определения положения ротора относительно статора. Мусор не влияет на распознаватели; они имеют непревзойденную репутацию по прочности, надежности и безопасности.
По этой причине преобразователи являются стандартным выбором во многих областях применения, связанных с высокой надежностью и безопасностью, особенно в аэрокосмической промышленности и обороне. Но преобразователи также могут быть громоздкими, тяжелыми и дорогими, особенно в форматах с большим отверстием, называемых преобразователями типа «блин» или «плита». Фактически, использование этих преобразователей, вероятно, является причиной неправильного представления о том, что системы с прямым приводом чрезмерно дороги для некоторых применений.
Теперь новый тип датчика обеспечивает обратную связь о положении прямого привода. Называемые индуктивными энкодерами, или инкодерами, это индуктивные датчики нового поколения, которые работают подобно традиционным индуктивным датчикам для бесконтактных измерений. Но вместо громоздких мотков проволоки в этих датчиках используются печатные платы на гибких или жестких подложках.
Такие инкодеры значительно снижают себестоимость производства, габариты и вес. Они также обеспечивают большую гибкость в форм-факторе. Нет никаких источников неточностей в процессе намотки. Они способны выполнять сложные геометрические измерения, такие как криволинейное, 2D- и 3D-определение положения. Кроме того, несколько датчиков могут работать в одном и том же пространстве благодаря многослойным печатным платам (для использования в качестве резервных датчиков в приложениях, связанных с безопасностью).
Характеристики ЭМС не уступают характеристикам преобразователей или LVDT. Фактически, инкодеры уже находят применение в аэрокосмической и военной областях.
Одна загвоздка заключается в том, что инкодеры стоят дороже потенциометров.
Однако инкодеры превосходны, потому что им не требуется сложное питание переменным током и обработка сигналов, в которых нуждаются распознаватели. Вместо этого инкодеры используют простые электрические интерфейсы, аналогичные тем, которые предлагаются оптическими энкодерами. Таким образом, они принимают входную мощность постоянного тока и выводят цифровые электронные сигналы. Инкодеры выпускаются в абсолютном или инкрементном форматах (A/B-импульс) с разрешением около 4 миллионов отсчетов на оборот и точностью более 40 угловых секунд.
До недавнего времени инкодеры были слишком медленными для динамических приложений, но новые версии предлагают частоту обновления до 10 кГц. Кроме того, бескаркасные форматы без подшипников или муфт могут механически крепиться к машине.
Зеттлекс
www.zettlex.com
Свежие комментарии