Pohonnatechnika.cz

 

Domů / ŠKOLA / Škola - Motory / Servo motor

Princip - Servo motor


Pole permanentně magnetizovaného motoru (PM) se tvoří mezi dvěma nebo více trvalými magnety, tolika jako je počet pólů. Nejčastější jsou různé typy magnetů feritových. Vzhledem k tomu, PM motor nemá vinutí pro tvorbu pole. pro připojení motoru stačí dva vodiče. Charakteristika PM vykazuje vlastnosti které jsou výhodné, což vedlo k tomu, že tento typ motoru se stal dominantním mezi ss motory s výkonem do 1 kW.

Charakteristika

Nejvýznamnější vlastností PM motoru je, že při konstantním napětí, jsou otáčky a proud úměrné momentu. Je tedy jednoduché provádět výpočty a navrhnout jak motor tak i ostatní systémové komponenty.


 

 





Je také snadné měřit otáčky a točivý moment za provozu. Následující diagram popisuje charakteristiku PM motoru při konstantním napětí.



MS    

MM   

n0     

nM  

I0

IM

IS

PM

PMax

ηM

ηMax

 

 

 

Startovní moment

Nominální moment

Otáčky naprázdno

Nominální otáčky

Proud naprázdno

Nominální proud

Startovní proud

Nominální výkon

Max. výkon

Účinnost při nominální zátěži

Max. účinnost

 

Údaje, které jsou důležité, je rezistance RA, indukčnost L a setrvačnost JM.
Všimněte si, že rozběhový moment je obvykle 6-8 krát vyšší než nominální točivý moment. Vzhledem k tomu, jmenovitý moment je omezen tepelnými vlastnostmi může být při občasných zatíženích použit motor s nižším výkonem než je požadováno. Například,na jeden na 25% pracovní cyklus (např. 1 minuta práce následována 3 minutami klidu) používat motor, jehož jmenovitý výkon je poloviční než je požadováno. To samozřejmě předpokládá, že další klíčové charakteristiky je třeba vzí v úvahu, jako je životnost, otáčky motoru v závislosti na zatížení motoru, teplota, atd. Pokud je vysoký startovní moment PM problémem, protože start příliš výrazný, lze použít omezení proudu při startu.

Omezení proudu

Většina komerčně dostupných pohonů pro PM motory omezení proudu jako standard. Vzhledem k tomu, spotřeba proudu je přímo úměrná točivému momentu, je startovní a maximální točivý moment  úměrný proudu nastaveného limitu. Tato metoda šetří jak motor i mechanickou zátěž a prodlužuje životnost motoru.


Odmagnetizování a přehřátí

Důležité vědět, je, že magnety PM-motorového pole mohou být částečně demagnetizovány při vysokých proudových špičkách.  Je dokonce obvyklé, že nesnášejí přímý start s jmenovitým napětím bez sériově zapojeného odporu, nebo je třeba použít elektroniku pro proudové omezení. Je proto důležité se ubezpečit, že lze chránit motor a že se nepoužije točivý moment při kterém by došlo k odmagnetizování.
Pokud je motor demagnetizován, dojde k oslabení pole obvykle o 20-25%. Toto oslabení způsobí, že se startovní otáčky zvýší a rozběhový moment klesá úměrně s oslabením magnetického toku pole.
Při jmenovitém točivém momentu je zvýšení otáček nižší, a proto si vždy nevšimneme, že došlo k částečné demagnetizaci. Současně se ale snižuje účinnost, takže motor je náchylnější k přehřátí.
Jak vidíme, zvyšuje se rychlost (nm na n1), i při jmenovitém momentu, což znamená, že se zvyšuje i výstupní výkon. proud ale roste více (z IM na I1), čímž se účinnost při konstantním napětí podstatně zhorší.Motor se bude přehřívat.



Odmagnetizování při změně směru otáček

PM motory změní směr otáčení při změně pólů. Všimněte si, že v případě, že se otáčky PM motoru mžikově obrátí, tj. póly se vymění tak rychle, že rotor se nestačí zastavit před změnou pólů, zvyšuje se riziko demagnetizace. PM Motor je vynikající generátor a výstupní napětí je úměrné rychlosti. Při mžikovém otočení pólů se generuje napětí ve směru napájecího napětí a motor je na krátký okamžik vystaven téměř dvojnásobnému napětí.
Nejlepší způsob, jak zjistit, zda du motoru bez proudového omezení existuje risk pro odmagnetizování je vypočítat podíl  napájecího napětí U a odporu kotvy RA, abychom dostali dostali rozběhový proud:

Is= U / Ra

Bude-li docházet k mžikovým změnám otáček, nesmí Is přesáhnout polovinu maximálního povoleného proudu.


Pohon motoru

Při změně napětí na PM motoru, se pohybuje křivka otáček paralelně. Toho si normálně nevšimneme, protože pohon motoru zpravidla kompenzuje změny zatížení tím, že mění napětí k motoru. Pokud ale připojíte 24V motor na 12 V konstantní napětí, budou polovičí hodnoty volnoběžných otáček, startovního točivého momentu a startovního proudu. Moment při plné zátěži je téměř stejný (tzv. rotorové ztráty jsou sníženy, takže motor může snášet o něco vyšší kontinuální točivý moment). Nominální výkon, který je produktem točivého momentu a otáček bude přibližně poloviční. Špičkový výkon bude však pouze čtvrtinový! Proto se napěťově řízený motor zdá slabý při nízkých otáčkách, pokud řídící elektronika nekompenzuje napětí, při vyšším zatížení. Moderní servo pohony poskytují přístup k momentu v celém rozsahu otáček. Přestože pojmy momentová konstanta a napěťová konstanta se používá hlavně pro servo pohony motorů, zasluhuje si zmínit se oní i zde. Objasňuje poměry zde výše popsané.


Momentová konstanta

Momentová konstanta KT se udává  v [Nm /A], který je jako vztah mezi točivým momentem a výkonem. Pokud proud motoru je znám, vynásobte jej KT , abyste zjistil jakým momentem je motoru zatížen. KT lze přibližně vypočítat z křivky konkrétního motoru nebo z rovnice:


M = KT × IS


kde M je použitý moment, IS je naměřený proud a KT je momentová konstanta

Napěťová konstanta
Napěťová konstanta KE se udává ve voltech na tisíc otáček za minutu [V/krpm], a vyjadřuje vztah mezi napětím a rychlostí. Konstanta vlastně vyjadřuje jaké napětí by motor generoval při různych rychlostech, kdyby se použil jako generátor, ale tento vztah velmi úzce koreluje s odkazem mezi napájecím napětím a otáčkami.

Když je zvolena velikost motoru a uvažuje se o druhu vinutí, který je nejvhodnější, je zajímavé vědět, následující souvislosti:

• točivý moment a napťové konstanty jsou úměrné. Volba vinutí, které bude produkovat vyšší točivý moment při danném proudu, bude motor pomalejší při konstantním napětí.

• odpor vinutí rotoru je přibližně úměrný druhé mocnině momentové konstanty (v závislosti na příslušné průřezu vodiče vinutí).

Další matematické rovnice pro PM motory jsou:




ηmax označuje maximální účinnost, Io proud naprázdno, Is proud při startu.

P = M × ω
 

P je výkon [W], M je moment v [Nm] a ω představuje úhlovou rychlost v radiánech za sekundu.




η je účinnost, I je proud v [A], P1 a P2 vstupní a výstupní výkon [W], M je moment, v [Nm] a ω představuje úhlovou rychlost v radiánech za sekundu.



Stejnosměrné servomotory

Nejběžnějším typem ss motoru pro serva je PM-optimalizovaný motor pro použití se servopohony. Obyčejný PM motor může být použit pro některé jednoduché servopohony. Dálkové ovládání satelitních antén je dobrým příkladem. Serva u vyskozdvižných vozíků je jiný příklad. V prvním příkladu se vyžaduje docela vysoká přesnost, ale nízká rychlost, zatímco druhý vyžaduje trochu větší rychlost, ale požadavky na přesnost jsou nízké.
V těchto případech se dimenzuje spíše z potřeby točivého momentu a otáček než přesnosti a rychlosti.


Při vyšších nárocích na přesnost, reakce a/nebo rychlost, je třeba některé vlastnosti zlepšit. PM-Motor kotva (rotor) s malým průměrem bude mít nízký moment setrvačnosti. Laminované železné jádro rotoru s měděným vinutí poskytují nízkou indukčnost. Nízký moment setrvačnosti dá rychlejší akceleraci, nízká indukčnosti rychlejší reakci na řídící signál.
Magnetický materiál pro vytvoření mag. pole je kvalitnější než pro konvenční motory PM a dá vyšší magnetický tok. To poskytuje větší točivý moment na menším průměru rotoru, což znamená, že pro servopohony důležitý poměr mezi točivým momentem a setrvačností (M/J) je vysoký.
Důležitou charakteristikou servomotoru je také nízké zvlnění hodnoty momentu, tj. točivý moment má bźt co nejrovnoměrnější je nejrovnoměrnější během otáčky servomotoru. To znamená hodně pro výsledek, když servo má být vyladěno tak, aby bylo dosaženo dobré tuhosti a vysoké přesnosti rychlosti  a polohování.

SS servomotor s a bez tachogenerátoru


Rovnoměrného momentu se často dosáhne s “zešikmeným” rotorem, tedy drážky jsou troch vedeny šikmo ve vztahu k podélnému vedení vinutí. Občas se “natočí” magnetizace magnetů pole odpovídajícím způsobem.

Zešikmená kotva

 

 


 

 
 

Copyright © Pohonnatechnika.cz 2007-2018. All rights reserved