Как выбрать правильную инерцию для взрывозащищенных серводвигателей Что произойдет, если вы ошибетесь

На химическом заводе на юго-западе Китая инженер по оборудованию г-н Ван столкнулся с неприятной проблемой. Недавно установленный взрывозащищенный серводвигатель, приводящий в движение поворотный стол, дергался на низких скоростях и начинал колебаться, как только скорость увеличивалась. После замены трех разных марок проблема не исчезла.

Приходили и уходили несколько технических специалистов-поставщиков: одни говорили, что параметры настроены неправильно, другие винили в этом нагрузку. Только когда прибыл инженер Уитстона, была выявлена ​​основная причина:  плохое согласование инерции..

Именно тогда г-н Ван понял, что выбор взрывозащищенного серводвигателя требует гораздо большего, чем просто мощность и крутящий момент. Неправильно настройте инерцию, и даже самый лучший двигатель не будет работать так, как ожидалось.

I. Что такое инерция и почему ей необходимо соответствовать?

Проще говоря, инерция — это сопротивление объекта изменениям состояния его движения. При вращательном движении, чем больше инерция, тем сложнее изменить скорость.

Ротор серводвигателя имеет собственную инерцию (JM), в то время как нагрузка, которую он приводит в движение (например, рабочие столы, ходовые винты, шестерни и детали), также имеет инерцию, которую необходимо отнести обратно на вал двигателя как инерцию нагрузки (JL).

Когда двигатель запускается, останавливается или меняет скорость, он должен преодолеть сумму обеих инерций. Если инерция нагрузки намного превышает инерцию ротора двигателя, возникают проблемы, подобные проблеме г-на Ванга:

Резкое движение на низкой скорости, трудности с точной остановкой.

Медленное ускорение — задержка реакции на команды.

Выраженные колебания во время работы, снижающие точность управления.

С точки зрения физики, согласование по инерции можно проследить до классической теории столкновений. При столкновении двух объектов равной инерции импульс может полностью передаваться от одного к другому. Но когда инерция нагрузки значительно превышает инерцию двигателя, управляющая сила двигателя подобна «муравью, пытающемуся сдвинуть дерево» — точное управление становится практически невозможным.

С точки зрения теории управления связь между двигателем и нагрузкой никогда не бывает абсолютно жесткой. Учитывая эластичность компонентов трансмиссии, чрезмерная инерция нагрузки может привести к резонансу системы на определенных частотах — это высокочастотные колебания, наблюдаемые на месте. Чем ниже механическая жесткость, тем более выраженными становятся проблемы несоответствия инерции.

II. Какой коэффициент инерции считается приемлемым?

За годы инженерной практики в отрасли были разработаны общие рекомендации по согласованию инерции.

Отношение инерции нагрузки JL к инерции ротора двигателя JM называется  коэффициентом инерции . В какой диапазон должно попасть это соотношение?

Общепромышленное применение : Коэффициент инерции ≤ 10.

Высокоточное позиционирование : Коэффициент инерции ≤ 5

Высокая скорость и высокая динамика : Коэффициент инерции ≤ 3

Если инерция нагрузки превышает инерцию двигателя более чем в 10 раз, система становится склонной к колебаниям, ухудшается переходный процесс и страдает точность позиционирования. Для требовательных приложений рекомендуется поддерживать соотношение ниже 5 или даже стремиться к идеальному 1:1.

С точки зрения эффективности передачи энергии, когда инерция нагрузки равна инерции двигателя, нагрузка достигает максимального ускорения. Хотя этот идеал редко достигается на практике из-за таких факторов, как эффективность трансмиссии и трение, он служит ценной целью оптимизации.

Почему эти рекомендуемые значения? Когда коэффициент инерции слишком высок, собственная частота системы падает и может совпадать с резонансной частотой механической конструкции, вызывая колебания. Кроме того, двигатель должен выдавать больший крутящий момент для преодоления инерции нагрузки, что приводит к увеличению тепловыделения и сокращению срока службы.

III. Упрощенный процесс расчета инерции

Хватит теории — как на самом деле рассчитать инерцию отбора? Вот упрощенный подход.

Шаг 1. Определите компоненты, требующие расчета

Типичная поворотная сервосистема включает в себя: двигатель, муфту, ходовой винт, рабочий стол и заготовку. Инерция всех этих компонентов должна быть отнесена к валу двигателя.

Шаг 2. Рассчитайте инерцию отдельного компонента

Для цилиндрических компонентов (ротор двигателя, муфта, ходовой винт):

J = (π × ρ × L × R⁴) / 32

Упрощенное приближение (для стальных баллонов):

J ≈ 0,78 × 10⁻⁶ × D⁴ × L  (D в мм, L в мм, J в кг·м⊃2;)

Для линейно движущихся рабочих столов и заготовок, относящихся к ходовому винту:

J_load = M × (P/2π)⊃2;

Где M — общая масса (кг), а P — шаг ходового винта (м).

Шаг 3. Рассчитайте общую инерцию нагрузки

Суммируйте инерцию вращающихся компонентов и относящихся к ним линейных компонентов, чтобы получить общую инерцию нагрузки JL.

Шаг 4: Рассчитайте коэффициент инерции

Коэффициент инерции = JL / JM

Где JM — инерция ротора двигателя, указанная в технических характеристиках двигателя.

Пример : Поворотный стол с грузом 50 кг, приводимый в движение ходовым винтом с шагом 10 мм (инерция соединения незначительна). Инерция ротора двигателя 1,0×10⁻⊃3; кг·м⊃2;.

Приведенная линейная инерция:

JL_load = 50 × (0,01/6,28)⊃2; ≈ 50 × (0,00159)⊃2; ≈ 50×2,53×10⁻⁶ ≈ 1,27×10⁻⁴ кг·м⊃2;

Если вклад самого ходового винта составляет около 0,5×10⁻⁴ кг·м⊃2;, общая инерция нагрузки ≈ 1,77×10⁻⁴ кг·м⊃2;.

Коэффициент инерции = 1,77×10⁻⁴ / 1,0×10⁻⊃3; = 0,177, что значительно ниже 5 — отличное совпадение.

IV. Что делать, если коэффициент инерции слишком высок?

Если расчеты показывают чрезмерный коэффициент инерции, существует несколько решений:

1. Добавить коробку передач

Редуктор – наиболее эффективный инструмент для согласования инерции. Инерция нагрузки, относящаяся к валу двигателя, обратно пропорциональна квадрату передаточного числа:

JL (относительно) = JL (нагрузка) / i⊃2;

Увеличение передаточного числа значительно снижает инерцию отраженной нагрузки.

1. Выберите двигатель с более высокой инерцией

Серводвигатели одного и того же класса мощности часто бывают малоинерционными, среднеинерционными и высокоинерционными вариантами. При высокой инерции нагрузки выбор двигателя со средней или высокой инерцией с большей инерцией ротора улучшает согласование.

1. Оптимизация механической конструкции

Уменьшение массы груза, уменьшение радиуса вращения и укорочение трансмиссионных цепей помогают снизить инерцию груза.

V. Выбор инерции для взрывозащищенных серводвигателей Уитстона

Обладая почти двадцатилетним опытом работы во взрывозащищенных серводвигателях, компания Jiangsu Wheatstone привносит глубокие знания в согласование инерции.

Обширный ассортимент продукции

Wheatstone предлагает полную линейку взрывозащищенных серводвигателей с корпусами от 40 до 400 мм и мощностью от 50 Вт до 200 кВт. Для каждого применения в каждом продукте четко указаны значения инерции ротора, что облегчает точный выбор.

Возьмем, к примеру, серию 40EX: две распространенные модели имеют инерцию ротора 46 кг·см⊃2; и 80 кг·см⊃2; (0,0046 кг·м⊃2; и 0,008 кг·м⊃2;). Клиенты могут напрямую сравнить эти значения с расчетной инерцией нагрузки для интуитивного выбора.

Индивидуальная настройка

Когда стандартные продукты не могут удовлетворить особые требования по инерции, Wheatstone предоставляет индивидуальные услуги по индивидуальному заказу. Инженеры могут оптимизировать конструкцию двигателя и регулировать инерцию ротора в зависимости от фактических характеристик нагрузки, обеспечивая оптимальное согласование системы.

Профессиональная поддержка выбора

Техническая команда Wheatstone предлагает полную поддержку в расчете инерции и выборе, помогая клиентам избежать проблем на местах, вызванных несоответствием инерции. Доступны комплексные технические услуги: от анализа нагрузки до выбора двигателя, настройки параметров и ввода в эксплуатацию на месте.

VI. Заключительные мысли

Согласование инерции является важным, но часто упускаемым из виду аспектом выбора сервосистемы. Меньше, чем мощность и крутящий момент, он напрямую влияет на стабильность системы, скорость отклика и точность позиционирования.

Опыт Wheatstone в области взрывозащищенных серводвигателей простирается не только на проектирование конструкции, но и на глубокое понимание основ работы двигателей. Каждый двигатель — от электромагнитной конструкции до определения инерции ротора — подвергается тщательному моделированию и экспериментальной проверке, что обеспечивает идеальное согласование нагрузки в реальных условиях.

Если вы затрудняетесь с выбором взрывозащищенного серводвигателя или сталкиваетесь с такими проблемами на месте, как колебания или медленный отклик, начните с согласования инерции. Техническая команда Wheatstone с почти двадцатилетним опытом работы готова помочь вам найти оптимальное решение.