การเลือกระบบเซอร์โวมอเตอร์สำหรับการออกแบบเครื่องจักรเริ่มต้นด้วยการทำความเข้าใจส่วนประกอบที่ประกอบกันเป็นเซอร์โวมอเตอร์หรือระบบขับเคลื่อนเซอร์โว ระบบเซอร์โวเป็นระบบวงปิดที่ใช้ในการควบคุมการเคลื่อนไหวที่ต้องการ รวมถึงอุปกรณ์ป้อนกลับที่ให้ข้อมูลคงที่ระหว่างมอเตอร์และไดรเวอร์เพื่อควบคุมตำแหน่ง ความเร็ว และแรงบิดของกลไกที่กำลังขับเคลื่อนได้อย่างแม่นยำ
QXR ไดรเวอร์เซอร์โวมอเตอร์ DDR ประสิทธิภาพสูง
โดยทั่วไปแล้ว การออกแบบเซอร์โวเป็นระบบที่มีไดนามิกสูง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการขับโหลดเพื่อเร่งและลดความเร็วอย่างรวดเร็ว พวกมันทำงานในสี่ด้าน ซึ่งหมายความว่าพวกมันสามารถควบคุมแรงบิดและความเร็วได้ทั้งด้านบวกและด้านลบ
การเลือกที่ขับเคลื่อนด้วยเซอร์โวจำเป็นต้องมีโซลูชันที่เป็นระบบ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือแนวทางแบบองค์รวมที่คำนึงถึงพารามิเตอร์ทางกล ไฟฟ้า และการเขียนโปรแกรมโดยรวม ระบบประกอบด้วยการกำหนดโหลดเชิงกล เส้นโค้งการเคลื่อนที่ (รวมถึงข้อกำหนดด้านตำแหน่ง) คุณลักษณะของเซอร์โวมอเตอร์ และสภาพแวดล้อมที่มอเตอร์และส่วนประกอบอื่นๆ ตั้งอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อมอเตอร์ทำงานที่ความเร็วใกล้คงที่ จะมีผลกระทบต่อผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป วัสดุ และ/หรือกระบวนการเอง
พารามิเตอร์เส้นโค้งโหลดทางกลและการเคลื่อนที่
เริ่มต้นด้วยการทำความเข้าใจว่าข้อกำหนดด้านภาระทางกลและการเคลื่อนที่หมายถึงอะไร ฟิสิกส์พื้นฐานของนิวตันยืนยันว่าแรง (หรือแรงบิดในทิศทางการหมุน) เป็นสัดส่วนกับมวล (ความเฉื่อยในการหมุน) คูณกับความเร่ง โดยไม่คำนึงว่าความเร่งจะเป็นบวกหรือลบ ในบริบทของการออกแบบการเคลื่อนไหว การสร้างเครื่องจักรมีคุณภาพในตัวเองและคุณภาพของภาระที่บรรทุก
ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องกำหนดชิ้นส่วนกลไก - โดยเฉพาะอย่างยิ่งคุณภาพการเคลื่อนไหวและเส้นโค้งของการเคลื่อนไหวที่ต้องการ วิธีการแปลงการเคลื่อนที่แบบหมุนเป็นการเคลื่อนที่แบบเส้นตรงนั้นแตกต่างกันอย่างมากและได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความแม่นยำ โหลด พลวัตของการเคลื่อนที่ และสภาพแวดล้อม
เมื่อเข้าใจกลไกที่ใช้แล้ว การทำความเข้าใจไดนามิกของการเคลื่อนไหวเป็นสิ่งสำคัญในการพิจารณาวิธีแก้ปัญหาเซอร์โวมอเตอร์ที่ดีที่สุด เส้นโค้งการเคลื่อนที่ไม่เพียงแต่รวมถึงการเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงฟังก์ชันที่อาจใช้ในการเคลื่อนไหวนั้นด้วย เช่น แรงขับที่เกี่ยวข้องกับการตัดเฉือนชิ้นส่วน ความเร่ง ความสม่ำเสมอ และการชะลอตัว ตลอดจนเวลาที่พักและเวลาหยุดชั่วคราว ทั้งหมดรวมอยู่ในเส้นโค้งการเคลื่อนที่โดยรวมของระบบ การเคลื่อนไหวในการจัดทำดัชนีอาจเป็นการเคลื่อนไหวแบบสามเหลี่ยมอย่างง่าย สี่เหลี่ยมคางหมูแบบแปรผัน หรือ 1/3-1/3-1/3 (การเคลื่อนไหวที่มีประสิทธิภาพที่สุดที่เกี่ยวข้องกับแรงบิด RMS)
เครื่องมือเลือกและเลือกระบบเซอร์โว
ผู้ค้าหลายรายนำเสนอเครื่องมือการเลือกและการเลือกเพื่อช่วยให้ผู้ใช้สร้างโปรไฟล์การเคลื่อนไหวตามความต้องการของแอปพลิเคชันของตน เครื่องมือซอฟต์แวร์ส่วนใหญ่ เช่น แพลตฟอร์ม Motioneering ของ Kollmorgen มีคำอธิบายการเคลื่อนไหวที่หลากหลายเพื่อช่วยคุณคำนวณความเร่ง เวลาในการเคลื่อนที่ ระยะทาง ความเร็ว และเวลาที่อยู่อาศัย รูปที่ 1 แสดงเส้นโค้ง 1/3-1/3-1/3 พื้นฐาน โดยแนะนำการเร่งความเร็ว 50 เปอร์เซ็นต์เพื่อให้การเร่งราบรื่น ในตัวอย่างนี้ เราเลือกที่จะขยับ 8 นิ้วใน 1 วินาที และใช้การเร่งความเร็ว 50 เปอร์เซ็นต์และเวลาหยุดนิ่ง 2 วินาที ระบบจะคำนวณการเคลื่อนที่ในรูปของเวลาเร่งความเร็ว 1/3 ความเร็วคงที่ 1/3 และลดความเร็ว 1/3 ความเร็วสูงสุดที่เครื่องมือคำนวณคือ 720 นิ้ว/นาที คุณจะเห็นโครงร่างเส้นโค้ง "S" (ขึ้นอยู่กับความเร่ง 50 เปอร์เซ็นต์) นอกจากนี้ สำหรับการเคลื่อนไหวนี้ จะเห็นได้ว่ามีการใช้แรงขับ (เส้นสีแดง) กับส่วนตามขวางของการเคลื่อนไหว -- เส้นโค้งการเคลื่อนที่นี้น่าจะกำลังถูกกลึง เวลาหยุดนิ่งสามารถเห็นเป็น 3 วินาที ส่วนที่อยู่อาศัยมีความสำคัญเนื่องจากพารามิเตอร์ทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับเส้นโค้งนี้จะใช้ในการคำนวณแรงบิด RMS ซึ่งจะเป็นเมตริกที่เราใช้ในการเลือกมอเตอร์ที่ถูกต้อง นอกจากเส้นโค้งการเคลื่อนที่แล้ว สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจข้อกำหนดการวางตำแหน่งที่แท้จริงของโหลดในแง่ของความละเอียด ความแม่นยำ และความสามารถในการทำซ้ำ สิ่งนี้จะได้รับผลกระทบโดยตรงจากการเลือกอุปกรณ์ป้อนกลับและ (ที่สำคัญกว่านั้น) โดยโมเมนตัมว่างของอุปกรณ์เชิงกลในรูปแบบของการกวาดล้างและความยืดหยุ่น
นอกเสียจากว่าการออกแบบจะสามารถใช้โซลูชันมอเตอร์แบบขับตรงได้ ก็จะรวมระบบส่งกำลังเชิงกลบางประเภทไว้ด้วย การส่งกำลังเชิงเส้นแบบหมุน (แปลงเอาต์พุตของมอเตอร์ที่หมุนเป็นการเคลื่อนที่ของเพลา) สามารถทำได้โดยการขับเคลื่อนด้วยรอกหรือโดยกลไกที่ใช้สกรู เช่น บอลสกรู ไดรฟ์แบบหมุนประกอบด้วยชุดเกียร์หรือชุดขับเคลื่อนสายพาน เพื่อให้มู่เลย์ขนาดต่างๆ สามารถใช้เป็นตัวหน่วงได้ ในบางการใช้งาน ชิ้นส่วนที่ถูกเคลื่อนย้ายมีส่วนสำคัญต่อมวลรวมของการเคลื่อนที่ กรณีพิเศษคือมวลของเพลาเครื่องจักรที่ต้องเคลื่อนย้ายเพื่อเปลี่ยน -- เช่น ในการกระจายหรือการประมวลผลของระบบหุ่นยนต์ ความผันแปรของโหลดทั้งหมดอาจเป็นปัจจัยในการปรับเซอร์โวไดรฟ์
ส่วนประกอบที่เคลื่อนที่ต้องรวมความเฉื่อยเข้าด้วยกันและสะท้อนกลับไปที่เพลามอเตอร์ นอกจากความเฉื่อยแล้ว ยังต้องพิจารณาแรงภายนอก แรงเสียดทาน และความไร้ประสิทธิภาพด้วย
ข้อพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อมในการออกแบบเซอร์โว
มันยังไม่จบ. เมื่อพิจารณาการออกแบบเซอร์โว กลไกที่มีอยู่บางอย่างเท่านั้นที่สามารถให้การเคลื่อนไหวที่จำเป็น ขีดความสามารถในการรองรับ และความแม่นยำได้อย่างประหยัดและมีประสิทธิภาพ ข้อพิจารณาหนึ่งที่มักถูกมองข้ามคือสภาพแวดล้อมที่ระบบเซอร์โวทำงาน เซอร์โวมอเตอร์ส่วนใหญ่ได้รับการจัดอันดับให้ทำงานที่ 40C ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมที่อบอุ่นมาก แต่เป็นเรื่องปกติในโรงงานและการตั้งค่าอุตสาหกรรมหลายแห่ง
ความต้านทานความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการขับขี่นั้นไม่สูงมากนัก และเนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการจัดอันดับที่ 40 องศาเซลเซียส การจัดการอุณหภูมิโดยรอบในบริเวณที่ทำงานจึงเป็นเรื่องที่ท้าทาย โดยปกติแล้วจำเป็นต้องทำความเย็นแบบบังคับในตู้ควบคุมเพื่อรักษาสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม (อุณหภูมิและความชื้น) ดังนั้นจึงต้องพิจารณาตำแหน่งของมอเตอร์และไดรเวอร์ แน่นอน มอเตอร์สามารถติดตั้งหรือประกอบเข้ากับอุปกรณ์ได้โดยตรงเพื่อขับเคลื่อนกลไกการรับน้ำหนัก ในทางตรงกันข้าม ไดรฟ์ในโซลูชันแบบรวมศูนย์จะอยู่ในตู้ควบคุม -- ซึ่งมักจะต้องมีการระบายความร้อน
ผู้ผลิตกำหนดประสิทธิภาพของมอเตอร์บางส่วนตามสภาพแวดล้อมที่มอเตอร์ทำงาน ตามที่ระบุไว้ข้างต้น นักออกแบบหลายคนคิดว่ามอเตอร์ได้รับการจัดอันดับสำหรับอุณหภูมิแวดล้อมที่ 40 องศาเซลเซียส แต่บางครั้งก็มีการระบุข้อมูลจำเพาะของมอเตอร์ไว้ที่ 25 องศาเซลเซียส ดังนั้น ควรให้ความสนใจกับค่าอ้างอิงที่เผยแพร่เมื่อตรวจสอบข้อกำหนด หากอุณหภูมิแวดล้อมของเครื่องสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อมที่กำหนด มอเตอร์จะไม่ถึงกำลังไฟฟ้าที่กำหนด
สภาวะแวดล้อมอื่นๆ อาจส่งผลต่อสีและซีลของมอเตอร์และส่วนประกอบย่อยทางกลอื่นๆ ฝุ่น สิ่งสกปรก ความชื้น การล้างด้วยสเปรย์ ข้อกำหนดด้านสุขอนามัย สภาพแวดล้อมที่ระเบิดได้ สภาพแวดล้อมที่เป็นสุญญากาศ และการแผ่รังสี ล้วนต้องการเซอร์โวมอเตอร์พิเศษที่มีลักษณะทางกายภาพที่ปรับให้เหมาะกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงในปัจจุบัน
กระบวนการคัดเลือก
ในการพิจารณาองค์ประกอบของระบบมอเตอร์/ไดรฟ์ที่จำเป็น ส่วนใหญ่ของความพยายามในการคัดเลือกแต่เนิ่นๆ คือกลไกและสภาพแวดล้อม ตอนนี้ เมื่อผู้ใช้เลือกผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย จะต้องพิจารณาส่วนประกอบของระบบที่เหลืออยู่ในระบบ ปัจจัยทางกลและสิ่งแวดล้อมจะยังคงมีอิทธิพลต่อองค์ประกอบป้อนกลับ สายไฟ และตัวเลือกสูงสุดของสถาปัตยกรรมการควบคุม
ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับคำติชมและคุณลักษณะของเซอร์โวมอเตอร์
ตามคำนิยาม ระบบเซอร์โวมีอุปกรณ์ป้อนกลับที่วัดความเร็ว ตำแหน่ง และพารามิเตอร์ระบบอื่นๆ ระหว่างการทำงาน ผู้ผลิตอาจมีตัวเลือกที่จำกัด แต่สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาพารามิเตอร์การใช้งานเฉพาะอย่างรอบคอบ รวมถึงการรับแรงกระแทกและความแม่นยำของตำแหน่ง ตลอดจนความสามารถในการทำซ้ำ หม้อแปลงแบบโรตารี่มักจะมีประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่สมบุกสมบัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการรับแรงกระแทกที่สูงขึ้น หม้อแปลงหมุนเป็นหม้อแปลงหมุนที่ประกอบด้วยขดลวดที่มีชิ้นส่วนสเตเตอร์และโรเตอร์รอบแกน โครงสร้างนี้ช่วยให้สามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นและทนทานต่อแรงกระแทกได้มากกว่าเอ็นโค้ดเดอร์ที่อาจมีส่วนประกอบของจานแก้ว
ตัวเข้ารหัสแบบไซน์สามารถให้ความละเอียดสูงถึง 24 บิตและมากกว่านั้นเพื่อความแม่นยำของตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุด ตัวเข้ารหัสแบบไฮบริดบางตัวสามารถให้ความทนทานของหม้อแปลงหมุนได้ด้วยความละเอียดที่ดีกว่า ตัวเข้ารหัสอัจฉริยะเหล่านี้ใช้หม้อแปลงหมุนพร้อมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ตีความสัญญาณไซน์และโคไซน์และแปลงเป็นสัญญาณดิจิตอลความละเอียดสูงที่จะส่งผ่านไปยังไดรเวอร์เซอร์โวเพื่อใช้ในการตอบสนองความเร็วและตำแหน่ง
ปัจจุบัน ตัวเข้ารหัสล่าสุดนำเสนอโปรโตคอลการสื่อสารที่หลากหลาย (EnDAT, BiSS และ DSL) และให้ความละเอียดสูงและความสามารถด้านสัญญาณรบกวนต่ำเพื่อช่วยให้ได้รับสัญญาณตอบรับที่ดีที่สุดไปยังไดรเวอร์เซอร์โวและคอนโทรลเลอร์
ตัวเลือกคำติชมอื่นที่ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของแอปพลิเคชันคือว่าคุณต้องการคำติชมแบบสมบูรณ์หรือแบบเพิ่ม ในระบบการหมุน คุณสามารถนับจาก 0 เมื่อคุณหมุนครบ 360 องศาโดยใช้อุปกรณ์เพียงรอบเดียว ตัวเข้ารหัสแบบสัมบูรณ์แบบหลายรอบช่วยให้ระบบทราบตำแหน่งของมัน ไม่เพียงแต่ตำแหน่งของมอเตอร์ในการหมุน 360 องศาเท่านั้น แต่ยังรวมถึงจำนวนรอบที่หมุนไปในแต่ละทิศทางด้วย มันจึงรู้ว่ามันอยู่ที่ไหน สิ่งสำคัญคือต้องทราบตำแหน่งที่ตั้งของเครื่องมือและแกนอื่นๆ ในทางกลับกัน ตัวเข้ารหัสส่วนเพิ่มอย่างง่ายสามารถกำหนดตำแหน่งในการหมุนรอบเดียว แต่หลังจากพบศูนย์ในรอบการเปิดเครื่องเท่านั้น เป็นผลให้ผู้ใช้ไม่ทราบว่ากี่รอบเสร็จแล้วหรือแม้แต่ตำแหน่งที่แน่นอน
ในการหมุน 360 องศาเมื่อเปิดเครื่อง
นอกจากเซอร์โวมอเตอร์และไดรเวอร์เซอร์โวแล้ว การเชื่อมต่อที่แท้จริงระหว่างทั้งสองก็มีความสำคัญเช่นกัน ความยืดหยุ่นของสายเคเบิล (กำหนดโดยรัศมีการโค้งงอที่อนุญาต) เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสายเคเบิลเคลื่อนที่ไปพร้อมกับเพลา
ความยาวสายเคเบิลอาจถูกจำกัดโดยประเภทของตัวเข้ารหัสที่พิจารณา พารามิเตอร์ของสายเคเบิล เช่น อิมพีแดนซ์และแรงดันตก รวมกับความแรงของสัญญาณของตัวเข้ารหัส เป็นปัจจัยสำคัญในการพิจารณาความยาว อุปกรณ์รุ่นใหม่บางรุ่นที่นำเสนอในตลาดจะส่งข้อมูลแบบอนุกรมไปยังไดรเวอร์ (เช่น DSL, EnDat และ BiSS) ที่อัตราการส่งข้อมูลที่สูงมาก ซึ่งจะได้รับผลกระทบจากความยาว โดยเฉพาะอิมพีแดนซ์และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน แม้แต่ตัวเชื่อมต่อก็มีบทบาทในลูป "คำติชม" เนื่องจากตัวเชื่อมต่อจำเป็นต้องประมวลผลสัญญาณต่างๆ ที่สร้างจากอุปกรณ์เหล่านี้ ปัจจัยด้านความยาวสายเคเบิลอีกประการหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับกำลังมอเตอร์เกี่ยวข้องกับความถี่สวิตชิ่งสูงที่เกี่ยวข้องกับไดรเวอร์ PWM ในปัจจุบัน มีเสียงรบกวนในสายไฟของมอเตอร์ เมื่อสายเคเบิลยาวขึ้นและเข้าใกล้ครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นความถี่บนสายเคเบิล เสาอากาศจะถูกสร้างขึ้น เสาอากาศจะส่งหรือรับข้อมูล (ในกรณีนี้คือการสร้างสัญญาณรบกวน) ที่ไม่ควรมีอยู่ในระบบประสิทธิภาพสูง
พารามิเตอร์สุดท้าย: การควบคุมการเคลื่อนไหวและเครือข่าย -- แบบรวมศูนย์กับแบบกระจายอำนาจ
การพิจารณาขั้นสุดท้ายที่อาจทำให้เกิดความซ้ำซ้อนของกระบวนการออกแบบโดยรวม (และเปลี่ยนแปลงส่วนประกอบที่ระบุอื่นๆ ของการออกแบบ) คือสถาปัตยกรรมของระบบ วิศวกรต้องถามว่า: ฉันควรมุ่งเน้นไปที่ระบบควบคุมแบบรวมศูนย์ที่มีไดรเวอร์ ตัวควบคุม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สนับสนุนที่บรรจุอยู่ในตู้รวมศูนย์ หรือการกระจายไดรเวอร์ทั่วทั้งเครื่องมีผลกำไรและคุ้มค่ากว่ากัน (แนวทางระบบกระจาย) เครื่องจักรที่มีหลายแกน ซึ่งอาจกระจัดกระจายไปทั่วเครื่องจักร จะเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับโซลูชันแบบกระจาย วิธีนี้สามารถลดข้อกำหนดของสายเคเบิลได้อย่างมากและประหยัดค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับการเดินสายของสายเคเบิลยาวและช่องเสียบสายเคเบิลและการสนับสนุนที่มาพร้อมกับสายเคเบิลเหล่านี้ นอกจากนี้ การย้ายไดรเวอร์ออกจากเครื่องยังช่วยลดขนาดของตู้ที่จำเป็นสำหรับการควบคุมและรองรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งช่วยลดต้นทุนและความต้องการในการระบายความร้อนภายในตู้อีกครั้ง ในทางกลับกัน เครื่องจักรที่มีขนาดกะทัดรัดและมีเพลาน้อยกว่าจะไม่ได้รับประโยชน์จากแบบดั้งเดิม
วิธีการรวมศูนย์
บทสรุป
มีหลายสิ่งที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกระบบเซอร์โวสำหรับแอปพลิเคชัน ซึ่งหลายสิ่งหลายอย่างได้อธิบายไว้ในบทความนี้ อีกทางเลือกหนึ่งที่มีผลต่อการเลือกส่วนประกอบควบคุมระบบ โดยปกติแล้ว ประเภทการควบคุมจะถูกระบุตั้งแต่ช่วงเริ่มต้นของการสนทนาเกี่ยวกับการออกแบบเครื่องจักร และขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ในขณะที่ตัวเลือกการควบคุมมักจะล็อคอยู่ในตัวเลือกของมาตรฐานการสื่อสารฟิลด์บัส