انتخاب سروو موتور - قسمت دوم

سایز کردن یا انتخاب سروو موتور انتخاب بهترین سروو موتور برای یک فرآیند مفروض است. پارامترهای زیادی وجود دارند که به آنها خواهیم پرداخت.

انتخاب سروو موتور - قسمت دوم

در قسمت دوم مقاله سایز کردن یا انتخاب سروو موتور به فاکتورهای دیگری که در زیر لیست شده است. خواهیم پرداخت.

  • گشتاور

  • پروفایل حرکت

  • اینرسی بار

  • چرخ دنده ها (Gearing)

  • بازتولید (Regeneration)

  • راندمان (Efficiency)

گشتاور

به عنوان اولین عامل به پروفایل گشتاور می پردازیم.

برای راه اندازی های افقی بدون هیچ نیروی خارجی دو نوع گشتاور وجود دارد که در هنگام سایز کردن موتور باید در نظر گرفت. گشتاور شتابدهی و گشتاور اصطکاک. گشتاور اصطکاک را به صورت یک گشتاور ثابت که همیشه حضور دارد مدل می کنیم. گشتاور شتابگیری و گشتاور کاهش سرعت نیز یک مقدار ثابت هستند اما فقط در هنگام شتابگیری و کاهش سرعت اعمال می گردند. در زمان راه اندازی گشتاور شتاب دهنده با گشتاور اصطکاک جمع می شود و در هنگامی که موتور شتاب را پس داده و سرعت آن کاهش می یابد. گشتاور کاهش سرعت از گشتاور اصطکاکی کم می شود. چونکه گشتاور اصطکاکی به کاهش سرعت موتور کمک می کند. در صورتیکه نرخ سرعت شتابگیری با نرخ کاهش سرعت سروو موتور یکسان باشد در این حالت مقدار گشتاور اضافه شده و کسر شده یکسان هستند. مجموع این اجزای گشتاوری پروفایل گشتاور را تشکیل می دهند.

پروفایل گشتاور یک سروو موتور

 

 اگر بر روی on Load-Bearing Surface نیرویی اعمال شود به صورت خطی شروع به حرکت می کند. این نیروی اصطکاکی به ضریب اصطکاک µ مربوط است که معمولا توسط تولید کننده Linear Bearing داده می شود که عددی بین 0 و 1 است. در هنگام اعمال محرک اولیه نیرو به صورت گشتاور اصطکاکی دیده می شود که توسط رابطه زیر تعیین می گردد.

گشتاور اصطکاکی در یک بال اسکرو

رابطه گشتاور شتاب دهنده (Acceleration Torque) از قانون سوم نیوتن بدست می آید.

 روابط گشتاور شتاب دهنده در سروو موتور

 

با توجه به روابط فوق با کم کردن این ضرایب گشتاور شتاب دهنده و به تبع آن اندازه و قیمت موتور نیز کاهش می یابد. با کاهش دادن گشتاور شتاب دهنده نسبت گشتاور نیز کاهش می یابد. نسبت گشتاور و صعود سرعت توسط کنترل کننده قابل کنترل است. روش دیگر برای کاهش گشتاور شتاب دهنده کاهش مقدار اینرسی کل Jtotal است. اینرسی سیستم به دو جزء تقسیم می شود. اینرسی موتور و اینرسی بار. با انتخاب موتور کوچک با اینرسی پایین می توان نیاز به گشتاور شتاب دهنده را کم کرد در اینصورت نسبت اینرسی افزایش می یابد (تاثیر منفی). پس از اینرو بهتر است که اینرسی بار (JM) را کاهش دهیم

در بسیاری از کاربردها پروفایل حرکت ثابت و مشخص شده است. اما در صورتیکه برای طراحی پروفایل حرکت انعطاف پذیری وجود داشته باشد. در هنگام سایز کردن موتور فرصتی برای طراحی پروفایلی است که نیاز به گشتاور شتاب دهنده را به حداقل ممکن برساند. که به نوبه خود باعث حداقل کردن اندازه موتور می شود. همان طور که در ادامه می بینیم این کار می تواند با استفاده از کاهش نرخ گشتاور شتاب دهنده و افزایش زمان شتاب گیری تا سرعت نهایی انجام شود. در صورتیکه حداکثر سرعت کاربری را بدانیم و فاصله و زمان حرکت را داشته باشیم (بدانیم) کندترین شتابگیری ممکن برای پروفایل ذوزنقه ای متقارن می تواند با استفاده از رابطه زیر تعیین گردد.

محاسبه زمان شتابگیری سروو موتور

خیلی مهم است که بدترین حالت پروفایل را برای سایز کردن استفاده کنید. این بدین معنا است که ما موتور را برای سریعترین شتابگیری و بالاترین سرعتی که ماشین در هنگام کار با آن مواجه می شود سایز کنیم. علاوه بر این در صورتیکه موتور در قسمتی از سیکل کاری ماشین استراحت می کند این Dwell time باید برای پروفایل حرکت و همچنین گشتاور موثر (RMS) در نظر گرفته شود. زمان استراحت (Dwell time) بیشتر، مقدار گشتاور RMS مورد نیاز را کاهش می دهد و می تواند تاثیر قابل توجهی در سایز کردن موتور داشته باشد. گشتاور برای بخش های مختلف پروفایل محاسبه می شود. (همچنین گشتاور حداکثر و گشتاور موثر).

 آخرین ملاحظه نوع پروفایل حرکت است به منظور سایز کردن موتور معمولا از پروفایل ذوزنقه ای استفاده می شود. همچنین ممکن است پروفایل S-Curve یا سهمی را در کنترل کننده پیاده سازی کرد.

اینرسی بار (Load Inertia)

کاهش دادن اینرسی بار با 1- کاهش گشتاور 2- کاهش نسبت اینرسی

توجه داشته باشید که هر جسمی که توسط موتور به حرکت در می آید نقش اینرسی بار را دارد. بارهای که توسط موتور به حرکت در می آید 1- خطی 2- دوار

اجزای اینرسی خطی و دوار باید با جزئیات مورد توجه قرار گیرند.

اینرسی خطی

جزئ خطی اینرسی در بال اسکرو مطابق رابطه زیر تعریف می شود.

رابطه محاسبه اینرسی خطی در بال اسکرو

کاهش دادن وزن میز و بار WT و WL به صورت خطی باعث کاهش اینرسی خطی می گردد. اما گام اسکرو با توان 2 میزان اینرسی خطی را کاهش می دهد. اگر تعداد گام اسکرو را دو برابر کنیم. اینرسی خطی را با ضریب 4 کاهش خواهد داد. البته این بدان معنا است که برای داشتن همان پروفایل سرعت قبلی نیاز به سرعت دو برابر می باشیم. در برخی کاربردها با تغییر گام اسکرو می توان به مزیتهای خوبی دست یافت.

میزان اصطکاک و راندمان بر روی اینرسی تاثیر نمی گذارند. توجه داشته باشید اصطکاک و راندمان بر روی جرم و اینرسی تاثیری ندارند.

اینرسی دوار

هر چیزی که توسط موتور به گردش در می آید به طور مستقیم یا غیر مستقیم در اینرسی دوار بار نقش دارد در سیستم بال اسکرو این اجزاء شامل خود اسکرو و کوپلینگها است. اینرسی برای هر جسم دوار توسط معادله ای مشابه معادله اینرسی یک استوانه صلب به دست می آید.

رابطه محاسبه اینرسی دوار در بال اسکرو

 

با توجه به رابطه مشاهده می کنید که اینرسی دوار با چگالی جسم و طول آن رابطه مستقیم و با شعاع استوانه با توان 4 رابطه دارد. با کاهش دادن شعاع استوانه به 0.85 مقدار اینرسی نصف می شود.

همانند اینرسی خطی اینرسی دوار نیز از اصطکاک و راندمان تاثیر نمی پذیرد.

 معمولا عامل نسبت (نرخ) اینرسی Jtotal=JM/JL در سایز کردن موتور عامل تعیین کننده است. در این حالت مهندسین نیز تمایل دارند که موتوری کوچکتر و به صرفه تر استفاده کنند.

حال یک سوال پیش می آید: حداکثر نسبت قابل قبول اینرسی چه مقدار است؟

پاسخ این که به نوع کاربری ربط دارد و عدد ثابتی نیست. اما به صورت کلی در مقادیر مشخصی می توان دسته بندی کرد.

در کاربردهای با عملکرد بالا: کاربردهایی با سرعت بالا که نیاز به شتابگیری سریع دارند در زمان 10 میلی ثانیه یا کمتر. به نسبت اینرسی پایین نیاز دارند. اما فقط این عامل باعث عملکرد بالا نمی شود. همچنین ساختار مکانیکی سفت و مستحکم نیز مهم است. در صورتیکه موتور اینرسی کمی هم داشته باشد اما چفت و بست و ساختار مکانیکی سیستم مستحکم نباشد عملکرد ماشین خوب نخواهد شد.

ماشین دارای فرکانس طبیعی است که با فرمول زیر تعیین می گردد.

رابطه فرکانس طبیعی ماشین

در ماشینهایی که ساختار مکانیکی مناسبی ندارد عدد Ct کوچک می باشد که باعث کاهش فرکانس طبیعی ماشین می شود. که بر روی عملکرد ماشین نیز تداخل ایجاد می کند. در برخی مواقع تنها راه بهبود آن افزایش اینرسی موتور است تا فرکانس طبیعی موتور افزایش یابد و در صورتیکه ضعفی در ساختار موتور وجود دارد از این طریق جبران شود.

دستورالعمل نسبت اینرسی:

5:1 برای عمده کاربردها مناسب است.

2:1 یا کمتر برای بالاترین عملکرد ماشین.

10:1 یا بیشتر برای کاربردهایی که شرایط بحرانی ندارند.

در صورتیکه نسبت اینرسی خیلی بزرگ باشد چه باید کرد؟

- موتوری با اینرسی بالاتر انتخاب کنید.
- در صورت امکان اینرسی بار (JL) را کاهش دهید (هم دورانی و هم خطی)
- گام بال اسکرو را افزایش دهید.
- قطر شفت را کاهش دهید.
- یک گیربکس به موتور متصل کنید.

گیربکس

گیربکس در جاهایی استفاده می شود که به گشتاور زیاد و سرعت کم نیاز داریم. امکان دارد بتوانیم از موتور خیلی کوچکتری استفاده کنیم که همزمان با کاهش هزینه موتور و کاهش نسبت اینرسی را داشته باشیم. گشتاور ایجاد شده در خروجی گیربکس به نسبت تبدیل گیربکس زیاد می شود. در صورتیکه نسبت تبدیل 2 باشد خروجی گیربکس گشتاور دو برابر گشتاور ورودی خواهد داشت. و اگر 5 باشد 5 برابر. اما گشتاور باید در راندمان گیربکس (e) نیز ضرب شود.

 روابط سرعت، گشتاور و اینرسی گیربکس

 گشتاور گیربکس افزایش می یابد و در سمت دیگر سرعت آن کم می شود. موتوری که به گیربکس متصل می گردد باید سریع تر بچرخد تا سرعت و گشتاور مورد نیاز ماشین را تامین کند. اما اینرسی بار به میزان بیشتری حتی کاهش می یابد. با توان (2) یعنی 1/n2 نسبت گیربکس کاهش می یابد. گیربکس با نسبت چرخ دنده های 2 به میزان 4 برابر اینرسی بار را کاهش می دهد. و نسبت 5 اینرسی را به میزان 25 برابر کاهش می دهد.

- با این وجود گیربکس خودش نیز اینرسی دارد و همچنین یک عضو مکانیکی دیگر وارد سیستم می کند و پایداری و ستبری مکانیکی را افزایش می دهد.

- هزینه ها را افزایش داده، بک لش ایجاد می کند و به نگهداری بیشتری نیاز دارد.

در برخی از کاربردها افزایش هزینه های ناشی از استفاده یک گیربکس با کیفیت از هزینه های اضافی موتور بزرگتر نیز بیشتر می شود. از اینرو، گیربکس را در سیستم هنگامی اضافه کنید که موتور به میزان زیادی بزرگتر از اندازه (oversize) باشد. گشتاور ... و نسبت اینرسی محدودیت دارند و موتور در سرعت خیلی پایین کار می کند.

باز تولید (Regeneration)

به این معنا است که موتور انرژی تولید می کند بیش از آن انرژی که مصرف می کند. این پدیده در هنگام کاهش دادن سرعت (deceleration) اتفاق می افتد.  بار با زور موتور را در خلاف جهتی که در آن گشتاور موتور ایجاد می شود، می راند. اساس آن این است که انرژی جنبشی ذخیره شده در ماشین توسط موتور به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. مقداری از این انرژی می تواند در خازن باس DC ذخیره شود اما بیشتر از آن بایستی در مقاومت باز تولید (ترمز) تخلیه شده و به هدر برود و به حرارت تبدیل شود.

عوامل متعددی انرژی بازتولید را افزایش می دهند.

- سرعت زیاد
- اینرسی زیاد
- اصطکاک کم
- نرخ توقف سریع تر

در صورتیکه قصد دارید میزان باز تولید انرژی را کاهش دهید باید اینرسی را کاهش داه و یا سیستمی را طراحی کنید که پروفایل سرعتی با سربا سرعت کمتر داشته باشد. اصطکاک زیاد به توقف سریع تر موتور کمک می کند. نرخ توقف سریع نیز باعث بازتولید انرژی بیشتر می شود. کارکرد عمودی نیز باعث بازتولید انرژی می شود. چونکه گشتاور باید به میزان گرانش نیز غلبه کند. که باعث می شود هنگام پس دادن گشتاور و انرژی بیشتری اتلاف گردد. و در نهایت بازتولید انرژی افزایش یابد. برعکس آن در حالتی که بایستی هنگام توقف بر گرانش نیز غلبه کند، باعث می شود مقدار انرژی بازتولید کاهش یابد. در مواقعی که مقدار انرژی بازتولید زیاد باشد احتمالا نیاز داشته باشیم از مقاومت اتلاف انرژی (مقاومت ترمز) استفاده کنیم.

در صورتیکه انرژی بازتولید ایجاد شود به معنی زیر سایز بودن موتور نیست. خیلی از تقویت کننده ها در داخل خود ماژول مقاومت بازتولید را دارند.

راندمان ( Efficiency)

 عبارت از توانمندی یک مکانیزم برای انتقال گشتاور از ورودی به خروجی آن است. یک ماشین ایده آل راندمان 100% دارد. اما به دلیل اصطکاک و وجود تلفات هیچ ماشینی ایده آل نیست.

برای مثال بال اسکرو را در نظر بگیرید اصطکاک و تلفات داخلی در یاتاقانها و مهره ها باعث کاهش راندمان در مکانیزم می گردد. از اینرو، در حالتیکه موتور مقدار مشخصی از گشتاور را ایجاد می کند. درصدی از آن در داخل ماشین تلف می گردد درصدی که برای ایجاد حرکت به ماشین منتقل می شود راندمان ماشین است. راندمان باعث می شود علاوه بر گشتاور مورد نیاز برای شتابدهی مقداری هم گشتاور اضافی برای غلبه بر اصطکاک نیاز داشته باشیم. در صورتیکه راندمان توسط تولید کنندگان مکانیزم مشخص نشده باشد می توان از جدول زیر برای انواع مکانیزم ها بهره گرفت.

راندمان پیش فرض مکانیزمهای مکانیکی

 راندمان یک عامل خیلی مهم در تعیین گشتاور مورد نیاز موتور و همچنین اندازه موتور است.

 قسمت اول این مقاله با عنوان انتخاب سروو موتور - قسمت اول را دنبال کنید.

مرجع

 1- فیلم آموزشی شرکت YASKAWA در یوتیوب به آدرس

https://www.youtube.com/watch?v=T00Vs04uHvo

 

نظرات کاربران

نظر خود را ثبت نمایید

CAPTCHA code