Do prawidłowego doboru serwomotoru do specyficznej aplikacji sterowania ruchem nie wystarczy uwzględnienie tylko jego mocy mechanicznej. Moc mechaniczna określa ilość pracy wykonanej przez silnik w jednostce czasu, jednak w procedurze wyboru serwosilnika muszą być wzięte pod uwagę także inne czynniki, takie jak moment obrotowy czy prędkość obrotowa.
Przed dokonaniem obliczeń niezbędnych do spełnienia specyficznych wymagań danej aplikacji konieczne jest znalezienie odpowiedzi na następujące pytania: jaki rodzaj pracy będzie wykonywał silnik? Jaki jest najbardziej krytyczny aspekt tej pracy – czy jest nim prędkość obrotowa, a może moment obrotowy? Nie jest bowiem wykluczone, że w jednej sytuacji wymagany jest silnik, który musi być w stanie wykonać x cykli na minutę, podczas gdy w innej aplikacji ważniejszy jest i wymagany określony moment obrotowy. Każda sytuacja i aplikacja jest unikatowa.
Po zidentyfikowaniu wymagań, jakie mogą wystąpić w danej aplikacji, podstawowym zadaniem staje się wykonanie obliczeń i dobór odpowiedniego silnika. Musi on być w stanie zapewnić wymagany moment obrotowy, prędkość obrotową i precyzję działania, jeżeli dany system ma funkcjonować z maksymalną wydajnością.
Dlaczego moc to za mało
Zbyt często serwomotory klasyfikuje się na podstawie ich mocy liczonej w KM czy kW. Może to być wystarczające w przypadku silników indukcyjnych, jednak do aplikacji wymagających użycia serwomotoru dobór silnika tylko na podstawie jego mocy nie ma większego sensu. W takiej sytuacji moc w KM nie mówi wszystkiego, co trzeba wiedzieć o parametrach roboczych serwosilnika i całego układu napędowego. Jest to jedynie informacja o tym, jaką pracę może ten silnik wykonać w jednostce czasu, ale nie jest to dokładna informacja, jak ta praca jest zrównoważona. Czy silnik pracuje szybko? Czy pobiera dużą moc z sieci? Wszystkie te dane mają jednak kluczowe znaczenie dla danej aplikacji silnika.
W przypadku silnika indukcyjnego wystarczy wiedza o mocy wyrażonej w KM. Wynika to z tego, że silniki indukcyjne klasyfikuje się i dobiera na podstawie charakterystyki mocy. Na przykład, jeśli dobieramy moc silnika napędzającego pompę, której wydajność wynosi 1000 galonów (ok. 3,785 m3) wody na godzinę, to dokonujemy tego na podstawie charakterystyki pompy, pokazującej zależność pomiędzy wymaganą mocą mechaniczną a wydajnością pompowania wody przy danej różnicy ciśnień (wysokości podnoszenia).
Dopóki moc wybranego silnika jest większa od wymaganej mocy pompy, a silnik może spełniać wymagania pompy dotyczące prędkości obrotowej, to nie będzie się on przegrzewał. Jednak w aplikacjach, w których silnik musi często ruszać i zatrzymywać oraz gdy wymagane są szybkie przyspieszenia do zadanej prędkości, hamowanie i precyzyjne zatrzymywanie się, wtedy potrzebny jest silnik specjalny – serwomotor, zaś jego moc nie jest już jedynym kryterium doboru. Trzeba rozumieć, jaka jest zdolność tego silnika do regulacji prędkości, położenia i momentu obrotowego.
Charakterystyka mechaniczna
Moc w KM oblicza się, mnożąc moment obrotowy (w ft · lb) przez prędkość obrotową (w RPM – obr./min) i dzieląc iloczyn przez stałą równą 5252 (jeśli moment wyrażony jest w Nm, to moc w kW otrzyma się, dzieląc ten iloczyn przez stałą równą 9550 – przyp. tłum.). Oznacza to, że istnieje wiele kombinacji momentu i prędkości, które w rzeczywistości odpowiadają wymaganiom dotyczącym mocy. Dwa serwomotory mogą posiadać relatywnie podobną moc, jednak mają inne charakterystyki pracy. Oznacza to, że każde zastosowanie silnika musi być przeanalizowane na podstawie pożądanych parametrów pracy urządzenia, w którym silnik ten jest wykorzystywany.
Na przykład zarówno kosiarka do trawy typu ogrodowego, jak i gokart mogą mieć tę samą moc, ale inne przekładnie i prędkości znamionowe silników. Gokart porusza się z wyższymi prędkościami, a kosiarka ma większą siłę (potrzebną do koszenia dużych ilości trawy).
Podobnie jest w przypadku doboru serwomotoru do specyficznej aplikacji musimy upewnić się, że charakterystyka mechaniczna wybranego silnika (czyli zależność momentu obrotowego od prędkości obrotowej) jest odpowiednia dla tej aplikacji.
Charakterystyka mechaniczna pokazuje, jak moment obrotowy generowany przez silnik zmienia się w różnych fazach jego pracy. Krzywa ta jest kluczem do zrozumienia, do realizacji jakich zadań przeznaczony jest dany silnik. Przy doborze serwomotoru bezpiecznie jest zastosować dobrą zasadę praktyczną i przyjąć najbardziej niekorzystny przypadek momentu napędowego oraz prędkości obrotowej, jaki może być wymagany przez aplikację, a także upewnić się, że punkt ten na charakterystyce mechanicznej układu znajduje się na odcinku pracy ciągłej. W ten sposób można zapewnić, że wybrany silnik będzie się charakteryzował wystarczającymi parametrami w każdej chwili jego późniejszej eksploatacji.
Bezwładność obciążenia
Innym kluczowym czynnikiem, jaki należy wziąć pod uwagę przy doborze serwomotoru do konkretnej aplikacji, jest bezwładność jego obciążenia, która ma bezpośredni wpływ na rodzaj silnika. Aby poprawnie dobrać silnik, uwzględniając bezwładność obciążenia, trzeba obliczyć w odniesieniu do danej aplikacji parametr, określany jako wskaźnik niedopasowania bezwładności (inertia mismatch ratio). Liczba ta pokazuje, ile razy bezwładność obciążenia jest większa od bezwładności silnika.
Zaleca się, aby liczba ta nie była dużo większa niż 10:1. Oznacza to, że bezwładność obciążenia nie powinna być wię-ksza od bezwładności samego silnika dużo więcej niż 10 razy. Gdy bowiem wskaźnik niedopasowania rośnie, czyli bezwładność obciążenia staje się większa od bezwładności silnika ponad 10 razy, trudno jest oczekiwać dużej dynamiki jego pracy.
Ograniczenia fizyczne
Ostatnimi parametrami do rozważenia przy doborze serwomotoru są ograniczenia fizyczne, wynikające z danej aplikacji silnika. Reguły poprawnego doboru silnika do układu serwonapędowego mogą mieć zastosowanie dla maszyn produkowanych we wszystkich wymiarach fizycznych. Zakres wielkości serwomotorów mieści się od małych maszyn o wielkości zaledwie rolki monet ćwierćdolarowych (US roll of quarters, walec o długości 70 mm i średnicy ok. 24,3 mm – przyp. tłum.) do dużych o masie 5060 lb (22,727,2 kg).
W zależności od wymagań fizycznych i wymiarowych projektu dostępna jest pewna liczba opcji serwomotorów o różnych rozmiarach fizycznych. Na szczęście wymagania dotyczące prędkości obrotowej, momentu napędowego i bezwładności pozostają takie same.
Autor: John Brokaw jest inżynierem aplikacji w firmie Valin Corporation.
Tekst pochodzi ze specjalnego wydania “Sterowanie Silniki & Napędy“. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
