Uwiano wa Inertia wa Kupakia-kwa-Mota kwa Motors za Torque zisizo na Frameless: Kutoka 'Pingu Utulivu' Hadi 'Kijiti cha Kuongeza Kasi'

Katika uteuzi wa jadi wa servo, uwiano wa inertia mara nyingi huchukuliwa kama mstari mwekundu: kuzidi thamani iliyopendekezwa, na mfumo unaweza kugeuka, kuzidi, au kuwa vigumu kuimarisha. Walakini, wakati actuator inabadilishwa na a frameless torque motor na maambukizi ni kubadilishwa kwa gari moja kwa moja, mantiki nyuma ya mstari huu nyekundu mabadiliko kimsingi. Muunganisho thabiti wa kiendeshi cha moja kwa moja kisicho na fremu huhamisha uwiano wa hali kutoka kwa swali la uthabiti—'je inaweza kusalia dhabiti?'—hadi swali la uwezo wa kubadilisha—'je inaweza kuharakisha haraka?' Kuelewa mabadiliko haya ni sharti la kukokotoa na kutafsiri kwa usahihi uwiano wa inertia ya mzigo-to-mota wa mota ya torati isiyo na fremu.

1. Ni Nini Hasa Uwiano Unaolingana wa Inertia?

Uwiano wa hali ya mzigo kutoka kwa gari ni nambari isiyo na kipimo, inayofafanuliwa kama  hali ya jumla ya mzigo inayoonyeshwa kwenye shimoni ya gari iliyogawanywa na hali ya rota yenyewe :

where J  load，reflected is the equivalent rotational inertia of the load reflected to the motor shaft, and  J motor   is the rotational inertia of the motor rotor about its own axis. Kwa motors za torque zisizo na fremu,  J motor   kawaida huchukuliwa kutoka kwa 'inertia ya rota' iliyotolewa katika hifadhidata ya motor na haijumuishi sehemu kama vile vitovu au flange ambazo mtumiaji husakinisha kwenye rota.

Uwiano wa hali ya hewa ni muhimu kwa sababu huzuia moja kwa moja kipimo data cha kasi-kitanzi na kasi ya majibu ya mfumo kwa misukosuko. Kadiri uwiano wa hali ya hewa unavyokuwa mkubwa, ndivyo 'mzito' unavyoonekana, ndivyo inavyokuwa vigumu kwa injini kubadilisha hali ya mwendo wa mzigo, na kupunguza aina mbalimbali za faida zinazoweza kutumika kwa utulivu. Katika usanifu wa kawaida wa servo na vipunguza, uwiano mkubwa wa hali ya hewa pia unaweza kuambatana na unyumbufu na kurudi nyuma kwa mnyororo wa maambukizi na kusisimua oscillation.

2. Mabadiliko Muhimu Yanayoletwa na Hifadhi ya Moja kwa Moja Isiyo na Frameless: Muunganisho Mgumu Huandika Upya 'Eneo Salama'

Katika mifumo ya kitamaduni ya servo, sababu moja muhimu ya uwiano wa inertia unahitaji kuwekwa kwa uthabiti kati ya 5:1 hadi 10:1 ni kwamba vipengee vya elastic kama vile viambatanisho, mikanda, na gia hukaa kati ya injini na mzigo. Kadiri hali ya mzigo inavyokuwa kubwa, ndivyo masafa ya resonant ya mnyororo wa maambukizi yanavyopungua, na ndivyo mfumo unavyoendelea kutokuwa thabiti karibu na masafa ya resonant.

Wakati torati isiyo na fremu inapoendesha mzigo moja kwa moja, rota na mzigo kawaida  huunganishwa kwa uthabiti au karibu kuunganishwa kwa uthabiti - rota huunganishwa au kushinikizwa moja kwa moja kwenye shimoni la mzigo, bila kipunguza au kipengee cha upitishaji nyumbufu katikati. Hii huondoa unyumbufu na kurudi nyuma kwa mnyororo wa jadi wa maambukizi, huongeza kwa kiasi kikubwa mzunguko wa resonant wa mitambo ya mfumo, na kwa hiyo huongeza sana uwiano wa inertia unaoweza kuvumiliwa. A white paper from a direct-drive motor manufacturer notes that traditional servo applications usually allow a load inertia several times the motor inertia, whereas direct-drive applications can allow  inertia ratios of hundreds or even thousands . Mwongozo wa uteuzi wa kiendeshi cha moja kwa moja wa Derui Precision unatoa marejeleo mahususi zaidi: katika programu za kuendesha gari za moja kwa moja za kasi ya chini, uwiano wa inertia unaweza kufikia 1:150, huku katika utumaji wa gari la moja kwa moja wa kasi ya juu uihifadhi ndani ya 1:10.

Hii ina maana kwamba kwa motors za torque zisizo na fremu,  njia ya hesabu ya uwiano wa inertia haijabadilika, lakini 'kizingiti cha kupita' chake na jinsi inavyofasiriwa vimebadilika . Uwiano wa hali ambayo unaweza kuhukumiwa 'juu sana' katika mfumo wa servo wa kitamaduni unaweza kukubalika kikamilifu katika kiendeshi cha moja kwa moja kigumu. Katika hatua hii, umuhimu mkuu wa uwiano wa hali si kuhukumu tena 'itakuwa oscillate?' bali kuhukumu 'je, ni haraka vya kutosha kuongeza kasi?'

3. Hatua za Kuhesabu: Kutoka Vipengele hadi Uwiano

Hesabu ya uwiano unaofanana wa inertia inaweza kugawanywa katika hatua tano. Kuna kanuni moja tu ya msingi:  hali ya aina zote za mwendo lazima hatimaye ionekane kwenye shimoni ya gari kwa njia ya umoja kabla ya kujumlisha..

Hatua ya 1: Tambua vipengele vyote vya kusonga . Kwa kuunganisha kwa mzunguko, hii kawaida hujumuisha rotor ya motor, kitovu au flange iliyowekwa moja kwa moja kwenye rotor, mwili wa mzigo, na molekuli yoyote ya mwisho iliyounganishwa kwa njia ya reducer au utaratibu wa maambukizi. Kwa mifumo inayojumuisha mwendo wa mstari (kama vile skrubu za risasi au rafu), uzito unaosonga kwa mstari lazima pia uonekane kama hali ya mzunguko.

Hatua ya 2: Kokotoa muda wa hali ya hewa ya kila sehemu inayozunguka kuhusu mhimili wake . Michanganyiko ya maumbo ya kawaida ya kijiometri ni kama ifuatavyo (uzito wa m kwa kilo, vipimo katika m, husababisha kg·m²):

·  Silinda imara (kuhusu mhimili wa kati) : 

·  Silinda yenye mashimo (kuhusu mhimili wa kati) : 

.

·  Miche ya mstatili (karibu mhimili kupitia katikati ya wingi na perpendicular kwa uso mmoja) : 

, ambapo   a  na b  ni urefu wa upande mbili perpendicular kwa mhimili huo.

Kwa mizigo yenye maumbo yasiyo ya kawaida au yale yaliyokusanywa kutoka kwa sehemu nyingi, mzigo unaweza kugawanywa katika miili kadhaa ya kawaida ya kijiometri, iliyohesabiwa tofauti, na kisha kufupishwa. Programu ya kibiashara ya CAD kawaida inaweza kutoa moja kwa moja wakati wa hali ya sehemu kuhusu mhimili maalum; katika mazoezi ya uhandisi, hii inapaswa kupendelewa.

Hatua ya 3: Onyesha misa inayosonga kwa mstari . Ikiwa mfumo una viambajengo vinavyosogea kwa mstari vinavyoendeshwa na mwendo wa mzunguko (kama vile hatua ya slaidi inayoendeshwa na skrubu ya risasi), hali sawa inayoakisiwa kwenye shimoni ya gari ni:

ambapo p ni uhamishaji wa mstari unaolingana na mapinduzi moja ya motor (m/rev).

Hatua ya 4: Shikilia uwiano wa kupunguza.  Ikiwa hakuna  kipunguza  kati ya motor ya torque isiyo na sura na mzigo (gari moja kwa moja), basi i = 1 na hakuna tafakari inahitajika. Iwapo kuna utaratibu wa upokezaji na uwiano wa kupunguza i kati, hali ya upakiaji-upande lazima igawanywe na i² inapoonyeshwa kwa shimoni ya gari:

Kadiri uwiano wa upunguzaji unavyokuwa mkubwa, ndivyo 'ndogo' hali ya mzigo inaonekana; hii ndio sababu ya msingi ambayo kipunguzaji kinaweza kupumzika ulinganifu wa hali. Matumizi ya kawaida ya motor ya torque isiyo na sura ni gari la moja kwa moja, kwa hivyo hatua hii kawaida inaweza kuruka, lakini kwa sababu ya hii, hali ya mzigo inaonekana  bila kubadilika  kwenye mwisho wa shimoni la gari.

Hatua ya 5: Jumlisha na ugawanye kwa hali ya rota ya injini . Ongeza hali zote zinazoakisiwa kwenye shimoni ya moshi ili kupata mzigo  wa J  , uakisishwe , kisha ugawanye kwa  ya J injini   kutoka kwenye hifadhidata ya injini ili kupata uwiano unaolingana wa inertia.

4. Mpaka wa Kiutendaji katika Hesabu za Magari Zisizo Na Mifumo: 'Rota ya Motor' Inaisha Wapi?

Gari ya torque isiyo na sura haina nyumba au shimoni iliyokamilishwa; rotor ni sehemu ambayo mtumiaji lazima aunganishe katika muundo wa mitambo. ' hali ya rota ' iliyotolewa na mtengenezaji wa injini kawaida hufunika tu mwili wa rotor (sumaku za kudumu, nira ya rotor, nk). Kimsingi,  bamba la adapta, mshipi wa kushikilia, kitovu , na misa yoyote iliyowekwa moja kwa moja kwenye rota ambayo mtumiaji anaongeza ili kuunganisha mzigo kwenye rota yote inapaswa kuhesabiwa kama  hali ya upande wa mzigo , si kama sehemu ya ' hali ya hewa.'

Kihisabati, hii haibadilishi uwiano—ikiwa flange inahesabiwa kama 'motor' au 'mzigo,' matokeo ya hali ya hali ya jumla iliyogawanywa na hali ya rota ya motor ni sawa, kwa sababu dhehebu daima ni hali ya rota ya mwili wa gari. Lakini ni ya maana kwa  hukumu ya uhandisi : unapopata uwiano wa inertia ni upande wa juu, jambo la kwanza la kuchunguza ni  molekuli ya ziada rigidly kushikamana moja kwa moja na rotor , kwa sababu ni kuharakisha pamoja na rotor, huchangia zaidi moja kwa moja kwa uwiano wa inertia, na mara nyingi ni sehemu ambayo inaweza kupunguzwa kwa urahisi kupitia kubuni nyepesi.

5. Masafa Yanayopendekezwa: Angalia Matukio, Sio Nambari ya Ukubwa Mmoja-Inafaa-Zote

'Thamani inayofaa' ya uwiano unaolingana wa hali inategemea sana fomu ya upokezaji na mahitaji yanayobadilika. Jedwali lifuatalo linajumuisha marejeleo ya uhandisi kutoka kwa vyanzo tofauti kwa nafasi wakati wa uteuzi:

Thamani za '≤5:1' na '5:1–10:1' za hifadhi ya moja kwa moja isiyo na fremu kwenye jedwali hutoka kwa mapendekezo ya uhandisi ya watengenezaji na hutumika kwenye viungio au jedwali za mzunguko zenye mahitaji ya wazi ya utendaji. Wakati hali ya upakiaji ni kubwa zaidi kuliko hali ya mwendo na programu yenyewe haihitaji kipimo data cha juu, kiendeshi cha moja kwa moja kigumu kinaweza kufanya kazi kwa uthabiti kwa uwiano wa hali ya juu sana—gharama ni kwamba  uwezo wa kuongeza kasi unapunguzwa na torati ya kilele cha injini badala ya uthabiti . Katika kesi hii, uwiano wa inertia ni zaidi kama 'kipimo cha uwezo wa kuongeza kasi': kadiri uwiano unavyokaribiana ( J ya injini  /J jumla  ) ni 1, ndivyo sehemu ya juu ya hali ya motor katika hali ya jumla, na kuongeza kasi ya angular ambayo torque hiyo ya kilele inaweza kuzalisha.

6. Mfano wa Kukokotoa Rahisi

Fikiria kiunganishi cha mzunguko wa moja kwa moja: inertia ya rotor ya motor isiyo na sura ya torque ni 

. Kitovu cha aloi ya alumini yenye uzito wa kilo 0.5 na radius 0.04 m imewekwa kwenye rotor; mzigo uliowekwa kwenye kitovu unaweza kukadiriwa kama silinda thabiti yenye uzito wa kilo 3 na radius 0.08 m. Ni gari la moja kwa moja, bila kipunguza.

Hali ya kitovu: 

Inertia ya mzigo: 

Jumla ya hali iliyoakisiwa: 

Uwiano unaolingana wa hali: 

Ikiwa uwiano huu ulionekana katika mfumo wa servo wa jadi na kuunganisha, itakuwa karibu kumaanisha kuwaagiza vigumu. Hata hivyo, katika gari la moja kwa moja la rigid, ikiwa inakubalika inategemea mahitaji ya maombi: ikiwa kiungo kinahitaji tu kufanya nafasi ya kati na ya chini kwa kasi ya chini ya angular, 51: 1 si lazima kusababisha kutokuwa na utulivu; ikiwa programu inahitaji kutulia kwa kiwango cha milisekunde au mwendo wa kuwiana wa masafa ya juu, uwiano unapaswa kupunguzwa hadi kiwango karibu na 10:1 au hata 5:1 kwa kupunguza uzito wa mzigo, kupunguza radius ya mzigo, au kuchagua modeli ya motor yenye hali kubwa ya rota. Hesabu yenyewe inajibu tu 'uwiano gani'; kama 'uwiano huu unaweza kutumika' lazima ujibiwe pamoja na ugumu wa upitishaji na mahitaji ya utendaji dhabiti.

Hitimisho

Njia ya hesabu ya uwiano wa uwiano wa inertia ya mzigo wa motor isiyo na fremu iko wazi:  orodhesha vyanzo vya hali → pata maadili kwa kutumia fomula za kijiometri au CAD → onyesha uwiano wa mwendo na upunguzaji wa mstari → jumla → gawanya kwa hali ya rotor ya motor . Kinachohitaji kubadilika sana ni jinsi matokeo ya hesabu yanavyofasiriwa. Chini ya usanifu mgumu wa kiendeshi cha moja kwa moja, uwiano wa inertia sio tena 'mstari mwekundu wa uthabiti' ambao lazima uzingatiwe kikamilifu katika mifumo ya servo ya kitamaduni; badala yake, ni rula ya kupima  ni kiasi gani sema inertia ya gari ina inertia jumla . Haikuambii moja kwa moja 'je itazunguka?' lakini inakuambia 'ni kiasi gani cha kazi ya kuongeza kasi ambayo inapaswa kubebwa moja kwa moja na torque ya gari.' Njia sahihi ya kutumia ulinganishaji wa hali kwa motors za torque zisizo na fremu ni kwanza kuhesabu uwiano kwa uwazi, kisha kurudi kwa T=Jα ili kuthibitisha uwezo wa kuongeza kasi.