Как выбрать правильный серводвигатель для промышленного применения?

Выборсерводвигательдля промышленной машины – это не просто вопрос выбора максимальной доступной мощности или крутящего момента.

Серводвигатель является частью комплексной системы управления движением. Его производительность зависит от того, насколько хорошо двигатель соответствует нагрузке, скорости, ускорению, инерции, требованиям управления и рабочей среде машины.

Выберите слишком маленький двигатель, и вы можете столкнуться с перегревом, сигналами тревоги о перегрузке, плохим ускорением или ошибками позиционирования.

Выберите тот, который излишне велик, и вы можете заплатить больше за двигатель и привод, добавив при этом ненужную инерцию и пространство для установки.

Правильный серводвигатель — это тот, который соответствует фактическим требованиям движения вашей машины.

В этом руководстве объясняются ключевые факторы, которые инженеры, OEM-производители и промышленные покупатели должны учитывать при выборе серводвигателя.

Что такое серводвигатель?

Серводвигатель – это двигатель, предназначенный для обеспечения точного управленияположение, скорость и крутящий момент.

В отличие от обычного двигателя, который может работать, просто получая команду напряжения или частоты, серводвигатель обычно работает как часть системы управления с замкнутым-контуром.

Типичная сервосистема включает в себя:

• Серводвигатель
• Сервопривод
• Кодер
• Контроллер движения
• Источник питания
• Механическая трансмиссия

Энкодер постоянно контролирует фактическое движение двигателя.

Контроллер сравнивает фактическое положение или скорость с целевым значением, и сервопривод соответствующим образом регулирует двигатель.

Этот контур обратной связи позволяет системе исправлять ошибки движения во время работы машины.

Вот почему серводвигатели широко используются, когда приложение требует повторяемого, точного и динамичного движения.

Почему выбор серводвигателя так важен?

Двигатель является одним из ключевых компонентов, определяющих поведение машины.

Правильно выбранный серводвигатель может обеспечить:

• Стабильное позиционирование
• Быстрое ускорение
• Точный контроль скорости
• Надежный выходной крутящий момент
• Низкое энергопотребление
• Более длительный срок службы оборудования

Неправильно выбранный двигатель может создать проблемы, которые сложно решить после установки.

Например, если двигатель не имеет достаточного пикового крутящего момента, машина может нормально работать на постоянной скорости, но выходить из строя всякий раз, когда ей необходимо быстро ускориться.

Если инерция двигателя плохо соответствует нагрузке, машина может вибрировать или выйти за пределы заданного положения.

Если двигатель и привод не согласованы должным образом, система может часто генерировать сигналы тревоги, даже если сам двигатель работает нормально.

Вот почему выбор серводвигателя следует начинать с профиля движения машины, а не с каталога двигателей.

Шаг 1. Определите необходимый крутящий момент

Крутящий момент — одна из первых характеристик, которые вам следует рассчитать.

Требуемый крутящий момент двигателя обычно возникает из нескольких источников:

• Момент нагрузки
• Трение
• Гравитация
• Ускорение
• Потери в механической передаче

Важным моментом является то, чтопостоянный крутящий момент и пиковый крутящий момент — это не одно и то же.

Непрерывный крутящий момент

Непрерывный крутящий момент — это крутящий момент, который двигатель может обеспечить во время нормальной работы, не превышая своих тепловых пределов.

Это важно для таких приложений, как:

• Конвейеры
• Насосы
• Машины непрерывной обработки
• Роторное оборудование

Постоянный крутящий момент двигателя должен быть достаточным для нормальной рабочей нагрузки.

Пиковый крутящий момент

Пиковый крутящий момент требуется в течение коротких периодов времени во время интенсивного движения.

Типичные примеры включают в себя:

• Быстрое ускорение
• Быстрое замедление
• Запуск под нагрузкой
• Резкое изменение нагрузки
• Частый реверс

Машине может потребоваться относительно скромный постоянный крутящий момент, но значительно более высокий пиковый крутящий момент.

Поэтому выбор серводвигателя только на основе средней нагрузки может привести к ухудшению динамических характеристик.

Шаг 2: Определите требуемую скорость

После расчета крутящего момента определите, с какой скоростью должен работать двигатель.

Рассмотрим три значения:

• Минимальная рабочая скорость
• Нормальная рабочая скорость
• Максимальная рабочая скорость

Не думайте, что двигатель с высокой максимальной частотой вращения автоматически подойдет.

Более важный вопрос:

Какой крутящий момент может обеспечить двигатель при той скорости, которая действительно необходима вашей машине?

Перед покупкой всегда следует проверять крутящие-скоростные характеристики серводвигателя.

Для применений, требующих как высокой скорости, так и высокого крутящего момента, двигатель и привод необходимо выбирать как согласованную систему.

Шаг 3: Рассчитайте инерцию нагрузки

Инерция нагрузки часто упускается из виду при выборе серводвигателя.

Инерция представляет собой сопротивление объекта изменениям вращательного движения.

Машине с большой вращающейся массой может потребоваться значительный крутящий момент только для ускорения, даже если конечная рабочая скорость относительно низкая.

Примеры высоко-инерционных нагрузок:

• Большие ролики
• Поворотные столы
• Маховики
• Большие шестерни
• Шпиндели
• Тяжелые роботизированные руки

Если инерция нагрузки плохо согласована с двигателем, вы можете столкнуться:

Медленное ускорение

• Перерегулирование
• Вибрация
• Ошибки позиционирования
• Нестабильность сервопривода

Для высокоэффективного-управления движением согласование инерции может быть столь же важным, как и номинальная мощность двигателя.

Шаг 4. Изучите свой профиль движения

Серводвигатель следует выбирать исходя из полного цикла движения.

Например, представьте себе машину, которая:

• Разгоняется от нуля до 2000 об/мин.
• Работает с постоянной скоростью.
• Быстро замедляется.
• Останавливается в точном положении.
• Меняет направление.
• Повторяет цикл каждые несколько секунд.

Это применение предъявляет к двигателю совсем другие требования по сравнению с машиной, которая просто постоянно работает со скоростью 2000 об/мин.

При выборе серводвигателя учитывайте:

• Время ускорения
• Время замедления
• Время цикла
• Рабочая скорость
• Частота остановки
• Реверсивная частота
• Изменение нагрузки

Полный профиль движения дает гораздо более точную картину необходимой мощности двигателя.

Шаг 5. Выберите подходящее напряжение двигателя.

Серводвигатели доступны в различных классах напряжения.

Общие варианты включают в себя:

• 12V
• 24V
• 48V
• 60V
• 90V
• 220V
• 380V

Правильное напряжение зависит от электрической архитектуры машины.

Низковольтные-серводвигатели

Серводвигатели на 24 В и 48 В широко распространены в:

• AGV
• AMR
• Мобильные роботы
• Оборудование-с питанием от аккумулятора
• Компактные системы автоматизации

Их основным преимуществом является совместимость с системами питания постоянного тока низкого-напряжения.

Серводвигатели с более высоким-напряжением

Сервосистемы на 220 В и 380 В чаще встречаются в промышленном оборудовании, требующем более высокой мощности.

Они могут снизить требования к току для заданной выходной мощности и подходят для более крупных систем автоматизации.

Важным моментом является не выбор напряжения, основанный только на предпочтениях двигателя.

Напряжение двигателя должно соответствовать имеющемуся источнику питания и всей системе сервопривода.

Шаг 6. Выберите правильный кодировщик

Энкодер обеспечивает обратную связь с сервосистемой.

Разные приложения требуют разного разрешения обратной связи.

Общие параметры кодировщика включают в себя:

Инкрементальный энкодер

Предоставляет информацию об относительном положении.

Он подходит для многих общепромышленных применений, где важны стоимость и простота.

Абсолютный энкодер

Обеспечивает абсолютное положение двигателя.

Это полезно, когда машине необходимо узнать свое положение сразу после запуска или восстановления питания.

Кодер высокого-разрешения

Используется, когда требуется чрезвычайно точное позиционирование или плавная работа на низкой-скорости.

Для таких приложений, как прецизионное машиностроение, робототехника и оборудование с ЧПУ, разрешение энкодера следует тщательно оценивать, а не рассматривать как второстепенную характеристику.

Шаг 7. Решите, нужен ли вам тормоз

Тормоз не требуется для каждого серводвигателя.

Однако это становится важным, когда двигатель должен безопасно удерживать нагрузку после отключения питания.

Типичные области применения включают в себя:

• Вертикальные подъемные системы
• Подъемники
• Роботизированное оружие
• Лифты
• Оборудование по оси Z-

Например, если серводвигатель управляет вертикальной нагрузкой, сила тяжести может заставить нагрузку двигаться вниз, когда двигатель выключен.

Стояночный тормоз может помочь предотвратить нежелательное движение.

Однако моторный тормоз не следует автоматически рассматривать как основное защитное устройство. Требования безопасности следует оценивать в соответствии с конструкцией всей машины и применимыми нормами.

Шаг 8. Подумайте, нужна ли коробка передач

Редуктор может быть полезен, когда приложение требует высокого выходного крутящего момента при относительно низкой скорости.

Например:

• Скорость двигателя: высокая
• Требуемая выходная скорость: низкая
• Требуемый выходной крутящий момент: высокий

Редуктор может преобразовать скорость двигателя в более высокий выходной крутящий момент.

Редукторы обычно используются в:

• Робототехника
• Поворотные столы
• Тяжелые-системы позиционирования
• Погрузочно-разгрузочное оборудование
• Промышленная автоматизация

Однако добавление коробки передач также вводит:

• Механические потери
• Люфт
• Дополнительная стоимость
• Дополнительное обслуживание

Для прецизионных применений следует тщательно учитывать люфт редуктора.

Шаг 9. Проверьте операционную среду

Серводвигатель, установленный на чистом заводе, не подвергается таким же условиям, как тот, который установлен вблизи пыли, влаги, масла или вибрации.

Прежде чем выбирать мотор, оцените:

Температура окружающей среды

• Влажность
• Пыль
• Воздействие воды
• Воздействие масла или химикатов
• Вибрация
• Ориентация установки

Уровень защиты двигателя, конструкция охлаждения и корпус должны соответствовать реальной среде.

Для требовательных применений условия окружающей среды должны быть предоставлены поставщику до выбора двигателя.

Шаг 10. Учитывайте рабочий цикл и тепловые характеристики

Серводвигатель может создавать высокий пиковый крутящий момент, но пиковый крутящий момент обычно не может поддерживаться бесконечно.

Тепловые характеристики двигателя зависят от:

• Непрерывный крутящий момент
• Среднеквадратичный крутящий момент
• Рабочая скорость
• Частота ускорения
• Температура окружающей среды
• Метод охлаждения
• Время цикла

Машина, которая ускоряется и останавливается сотни раз в час, может выделять значительно больше тепла, чем машина, работающая с постоянной скоростью.

Вот почему рабочий цикл должен быть частью процесса выбора двигателя.

Какой запас прочности следует оставить?

Добавление некоторого запаса имеет смысл, но простой выбор двигателя, в несколько раз превышающего расчетную нагрузку, не обязательно является хорошим инженерным решением.

Слишком маленькая маржа может привести к:

• Перегрузка
• Повышенная температура
• Плохое ускорение
• Уменьшенный срок службы

Слишком большая маржа может привести к:

• Более высокая стоимость покупки
• Больший размер двигателя
• Увеличенный сервопривод
• Повышенная инерция
• Более низкая эффективность системы

Практический подход заключается в том, чтобы сначала рассчитать реальные эксплуатационные требования, а затем выбрать двигатель с достаточной продолжительной и пиковой мощностью для наихудших ожидаемых условий применения.

Точный запас зависит от нагрузочных характеристик и рабочего цикла.

Выбор серводвигателя: простой пример

Предположим, что конвейерная система требует:

• Постоянный крутящий момент: 4 Н·м
• Пиковый момент ускорения: 8 Н·м
• Рабочая скорость: 1500 об/мин.
• Максимальная скорость: 2500 об/мин.

Выбор двигателя, основанного только на постоянном требовании 4 Н·м, может быть рискованным.

Двигатель также должен обеспечивать достаточный пиковый крутящий момент, чтобы справиться с требованием ускорения 8 Н·м.

Затем вы должны проверить:

• Непрерывный номинальный крутящий момент
• Пиковый крутящий момент
• Крутящий момент доступен при 1500 об/мин.
• Крутящий момент доступен при 2500 об/мин.
• Инерция нагрузки
• Время ускорения
• Рабочий цикл
• Мощность сервопривода

Только после подтверждения этих факторов следует дорабатывать модель двигателя.

Вот почему простого расчета «требуемой мощности» часто недостаточно для сервоприводов.

Распространенные ошибки при выборе серводвигателя

Ошибка 1: Выбор только силой

Два двигателя с одинаковой номинальной мощностью могут иметь разные характеристики крутящего момента и скорости.

Всегда оценивайте полную кривую крутящего момента-скорости.

Ошибка 2: игнорирование пикового крутящего момента

Машина может работать идеально на постоянной скорости, но выходить из строя при ускорении.

Пиковый крутящий момент должен быть включен в процесс выбора.

Ошибка 3: игнорирование инерции нагрузки

Высокие-инерционные нагрузки могут создать серьезные проблемы с управлением, даже если двигатель имеет достаточную номинальную мощность.

Ошибка 4: выбор кодировщика слишком поздно

Энкодер влияет как на производительность управления, так и на совместимость системы.

Это следует учитывать на начальном этапе проектирования.

Ошибка 5: рассматривать двигатель и привод как отдельные продукты

серводвигательпривод, энкодер и контроллер должны работать вместе.

Технически отличный двигатель все равно может плохо работать с неправильно подобранным приводом.

Ошибка 6: Покупать только по цене

Самый дешевый двигатель не может обеспечить самую низкую общую стоимость.

Учитывать:

• Срок службы
• Потребление энергии
• Обслуживание
• Запасные части
• Техническая поддержка
• Время интеграции

Немного более высокие первоначальные инвестиции иногда могут значительно снизить общую стоимость владения.

Выбор серводвигателя по применению

Разные приложения имеют разные приоритеты.

Не существует универсального «лучшего» серводвигателя.

Лучший двигатель — это тот, который соответствует реальным требованиям к движению приложения.

Как выбрать поставщика серводвигателей

Поставщик, которого вы выберете, может быть так же важен, как и сам двигатель.

Прежде чем разместить заказ, оцените, может ли поставщик предоставить:

• Поддержка выбора двигателя
• Данные крутящего момента-скорости
• Опции кодировщика
• Согласование сервопривода
• OEM-настройка
• Техническая документация
• Запасные части
• После-послепродажная поддержка

Для производителей OEM-оборудования техническая поддержка на этапе проектирования может предотвратить дорогостоящие изменения после того, как производство уже запущено.

Поставщик должен иметь возможность обсудить вашу машину, а не просто отправить вам каталог.

Почему стоит выбирать Auric для промышленных серводвигателей?

Аурикпредоставляет решения для серводвигателей для промышленной автоматизации, OEM-оборудования, робототехники, погрузочно-разгрузочных работ и других приложений управления движением.

Вместо того, чтобы выбирать двигатель только по напряжению или номинальной мощности, Auric может оценить приложение с разных точек зрения, в том числе:

• Требуемый крутящий момент
• Пиковый крутящий момент
• Рабочая скорость
• Ускорение
• Инерция нагрузки
• Рабочий цикл
• Требования к кодировщику
• Установочные размеры
• Требования к тормозам
• Совместимость сервопривода

Этот подход,-ориентированный на применение, особенно полезен OEM-заказчикам, которым нужен серводвигатель, подходящий к существующей машине, а не просто покупка стандартного двигателя.

Для индивидуальных проектов характеристики двигателя, такие как конфигурация вала, монтажные размеры, выбор энкодера, напряжение, скорость, крутящий момент и другие интерфейсы, могут быть оценены в соответствии с требованиями оборудования.

Контрольный список выбора серводвигателя

Прежде чем запросить ценовое предложение, подготовьте следующую информацию:

Требования к двигателю

• Требуемый постоянный крутящий момент
• Требуемый пиковый крутящий момент
• Номинальная скорость
• Максимальная скорость
• Номинальное напряжение
• Требуемая мощность

Механические требования

• Тип нагрузки
• Инерция нагрузки
• Размер вала
• Монтажные размеры
• Требования к коробке передач

Требования к контролю

• Точность позиционирования
• Тип энкодера
• Режим управления
• Протокол связи
• Требования к тормозам

Условия эксплуатации

• Рабочий цикл
• Температура окружающей среды
• Пыль
• Влажность
• Вибрация

Непрерывная или прерывистая работа

Предоставление этой информации позволяет поставщику рекомендовать гораздо более точное решение для серводвигателя.

Часто задаваемые вопросы

Как узнать, какой размер серводвигателя мне нужен?

Начните с фактической нагрузки, а не с размера двигателя. Рассчитайте непрерывный крутящий момент, пиковый крутящий момент, рабочую скорость, ускорение, инерцию нагрузки и рабочий цикл. Затем сопоставьте эти требования с характеристиками крутящего момента-скорости двигателя.

Всегда ли серводвигатель большей мощности лучше?

Нет. Двигатель слишком большого размера может увеличить стоимость, физический размер, инерцию и требования к приводу. Цель состоит в том, чтобы найти самый маленький двигатель, который надежно удовлетворяет полному профилю движения с соответствующим инженерным запасом.

Что важнее: крутящий момент или скорость?

Ни то, ни другое нельзя рассматривать независимо. Двигатель должен обеспечивать достаточный крутящий момент на требуемой рабочей скорости. Для сервоприводов полная кривая крутящего момента-скорости более полезна, чем рассмотрение каждой спецификации по отдельности.

Всем ли серводвигателям нужны энкодеры?

Обычная сервосистема обычно требует обратной связи, обычно от энкодера. Однако точная технология обратной связи зависит от двигателя и архитектуры управления.

Какой серводвигатель выбрать: 24 В, 48 В или 220 В?

Ответ зависит от архитектуры питания и применения.. 24Системы с напряжением В и 48 В обычно используются в-аккумуляторном и компактном оборудовании автоматизации, тогда как сервосистемы с более высоким-напряжением широко используются в более крупном промышленном оборудовании.

Когда мне нужен тормоз?

Тормоз особенно полезен, когда двигателю необходимо удерживать вертикальную или-нагруженную гравитацией ось после отключения питания. Полный проект обеспечения безопасности машины должен определять необходимость использования тормоза.

Заключительные мысли: выбирайте двигатель на основе машины, а не каталога

Выбор правильного серводвигателя – это, в конечном счете, системно-техническое решение.

Двигатель должен работать вместе с нагрузкой, трансмиссией, энкодером, сервоприводом, контроллером и механической конструкцией.

Наиболее важными характеристиками для оценки являются не просто мощность или номинальный крутящий момент, а:

• Непрерывный крутящий момент
• Пиковый крутящий момент
• Крутящий момент на рабочей скорости
• Максимальная скорость
• Инерция нагрузки
• Требования к ускорению
• Рабочий цикл
• Разрешение энкодера
• Условия окружающей среды
• Совместимость дисков

Если вы поймете эти требования, прежде чем обращаться к поставщику, вы сможете избежать одной из наиболее распространенных проблем в промышленной автоматизации: покупки двигателя, который на бумаге выглядит хорошо, но после установки не работает так, как ожидалось.

Для OEM-производителей и производителей промышленного оборудования лучший подход — предоставить поставщику фактические требования к машине и предоставить возможность выбора двигателя в зависимости от применения.

Правильно подобранныйсерводвигательможет обеспечить лучшее позиционирование, более быструю реакцию, меньшие затраты на техническое обслуживание и более надежную работу машины в долгосрочной перспективе.