آیا می دانستید که انتخاب الکتروموتور برای هر پروژه کنترل حرکت به سادگی با یک نرم افزار قابل انجام است؟

در این مطلب ما مباحث مربوط به کنترل حرکت را ادامه می‌دهیم.
نماتک امیدوار است که شما مقالات قبلی در زمینه کنترل حرکت را دنبال کرده باشید و از این مطالب استفاده کافی ببرید.

در این مقاله شما با استفاده از اطلاعات پایه در زمینه سروو موتور (Servo) و استپر (Stepper)
می‌توانید الکتروموتور مورد نظر خود را انتخاب کنید.

می‌توانید برای آشنایی بیشتر با الکتروموتورها، در ابتدا مطلب  سرو موتور چیست یا  آموزش سرو موتور را مطالعه کنید.

پارامترهای موثر در انتخاب الکتروموتور

در این جا مطالبی درباره انتخاب الکتروموتور بر اساس بار، سرعت، شتاب و سایر موارد مورد نیاز بر اساس کاربردی که مد نظر شماست، آموزش داده می شود.

این قسمت به شما کمک می‌کند که واحدهای اندازه‌گیری و روش‌های انتخاب الکتروموتور بهینه را بشناسید.

برای درک بهتر و آشنایی بیشتر با فرآیند انتخاب الکتروموتور باید محاسباتی انجام شود و
همچنین واحد‌های اندازه‌گیری که در معادلات استفاده می‌شوند، مشخص شود.

استفاده از نرم افزار برای انتخاب الکتروموتور

بعضی از دانشجویان از اینکه محاسبات را به صورت دستی (manually) انجام بدهند لذت می‌برند
(ما در مقاله بعدی بعضی از محاسبات را به صورت مختصر توضیح خواهیم داد)
اما بقیه ترجیح می‌دهند که از یکی از هزاران نرم افزار آنلاین که تمام خصوصیات
مورد نیاز الکتروموتور را دارد،استفاده کنند و سریع تر فرآیند انتخاب الکتروموتور را انجام دهند.

انتخاب الکتروموتور با نرم افزار یا به صورت دستی

هدف نهایی این مطلب این است که شما دانشی درباره بدست آوردن

  • سرعت ماکزیمم (بیشینه)
  • گشتاور بار (torque load)
  • ممان اینرسی (moment of inertia)

داشته باشید.

در ابتدا چند مسئله کلیدی و مهم و همچنین واحد‌های اندازه‌گیری که
برای انتخاب الکتروموتور مد نظر شما استفاده می‌شود، را بیان می کنیم:

1- ممان اینرسی

تعریف ممان اینرسی

سازندگان الکتروموتورها باید بدانند که نیروی لازم برای حرکت دادن بار چقدر است.

به نیروی لازم برای غلبه بر مقاومت بارها، ممان اینرسی می‌گویند.

ممان اینرسی مقدار مقاومت فیزیکی یک جسم در برابر شتاب زاویه ای را نشان می‌دهد.

نقش ممان اینرسی در حرکت چرخشی مثل نقش جرم در حرکت خطی است.

ممان اینرسی در انتخاب الکتروموتور

برای مثال وقتی در حال سفر با قطار یا هر وسیله نقلیه دیگری هستید، آیا متوجه می‌شوید
زمانی که وسیله نقلیه ترمز می‌کند شما همچنان به سمت جلو حرکت می کنید؟
خب پس شما دقیقا اینرسی را تجربه کردید!

به طور کلی ممان اینرسی یک جسم به شکل جسم و توزیع جرم در آن شکل بستگی دارد.

هر چه تجمع مواد (Concentration of Material) دورتر از مرکز جرم (Geometric Mass) شی مورد نظر باشد، ممان اینرسی آن جسم بزرگتر خواهد بود.

ممان اینرسی

ممان اینرسی وابسته به محورهای چرخشی مشخص، تغییر می‌کند.

محور چرخش الکتروموتور

مثال دیگری از ممان اینرسی

برای اینکه مثال دیگری از اینرسی بزنیم، تصور کنید یک تکه یخ بزرگ درون یک حوضچه یخ زده قرار دارد.
نیرویی برای به حرکت درآوردن تکه یخ نیاز است.

هرچقدر جرم یخ بیشتر باشد نیروی بیشتری برای حرکت دادن آن مورد نیاز است.

این مطلب برای زمانی که تکه یخ روی یخ‌های حوضچه سر می‌خورد هم صادق است.

تکه یخ به سر خوردن ادامه می‌دهد تا زمانی که نیرویی آنرا متوقف کند.

هرچه تکه یخ سنگین‌تر باشد نیروی بیشتری برای متوقف کردن آن از حرکت نیاز است.

ممان اینرسی و اینرسی هر دو مقیاسی هستند که مقاومت نسبت به تغییر حالت را نشان می‌دهند.

جرم درونی (inertial mass) همان نیروی مورد نیاز برای شتاب گرفتن و ممان اینرسی همان گشتاور زاویه‌ای مورد نیاز برای ایجاد شتاب زاویه‌ای است.

تفاوت ممان اینرسی و جرم در الکتروموتور

هر چه اینرسی یک جسم بیشتر باشد نیروی بیشتری برای تغییر سرعت در یک زمان مشخص لازم دارد.

واحد ممان اینرسی در سیستم SI، کیلوگرم بر متر مربع (Kg/m2) است.

نماد ممان اینرسی در معادلات معمولا با حرف I نماش داده می شود.

واحد و نماد ممان اینرسی در انتخاب الکتروموتور

1-1 جرم

در این قسمت می‌خواهیم چند مثال درباره نحوه محاسبه ممان اینرسی در شکل‌های مختلف، بیاوریم.

یکی از متغیر ها برای اندازه‌گیری اینرسی، جرم است.

جرم یک جسم همان مقدار ماده تشکیل دهنده آن جسم است.

یکی از راه‌های محاسبه جرم این است که شما باید چگالی و حجم باری که در حال حرکت دادن آن هستید را بدانید.

نحوه محاسبه جرم

1-1-1 چگالی

چگالی در واقع میزان تراکم ماده در یک جسم را نشان می دهد.

هر ماده ای چگالی مخصوص خودش را دارد که می‌توانید به صورت آنلاین یا با استفاده از کتاب‌های مرتبط آن را پیدا کنید.

واحد SI چگالی، کیلوگرم بر متر مکعب (Kg/m3) است.

محاسبه دانسیته برای انتخاب الکتروموتور

2-1-1 حجم

حجم همان فضایی است که جسم در فضا اشغال می کند.

حجم یک جسم با واحد متر مکعب (m3) اندازه گیری می شود.

در نهایت می توان جرم یک جسم را با ضرب کردن چگالی (density) در حجم (volume) آن بدست آورد.

محاسبه جرم

متغیر m در نرم افزار نماد جرم است.

جرم یک جسم در واقع نشان‌دهنده مقدار اینرسی است که جسم از خود نشان می‌دهد.

خیلی خب، شما تا اینجا بعضی از داده‌هایی که برای انتخاب الکتروموتور نیاز دارید را یاد گرفتید.

در قسمت بعد راجع به نرم افزار انتخاب الکتروموتور بیشتر صحبت می کنیم.

نرم افزار مورد استفاده در انتخاب الکتروموتور

نرم افزار سایزینگ موتور (motor sizing) که در این مقاله استفاده می‌شود می‌تواند به ما در انتخاب الکتروموتور کمک کند.

سازندگان این نرم افزارها هم چنین ابزار دیگری برای کمک به ما فراهم کردند تا
بتوانیم محاسبات ممان اینرسی و اندازه گیری جرم را نیز انجام دهیم.

نرم افزار انتخاب اندازه الکتروموتور

خب حالا بیایید مراحل انتخاب الکتروموتور را شروع کنیم.

بسیاری از نرم افزارها گزینه‌های مختلفی برای

  • پیچ (screw)
  • تسمه (belt)
  • چرخ دنده (rack and pinion)
  • roll feed
  • جدول شاخص (index table)
  • کنترل بازوی محرک (Arm movement control)

ارائه می دهند.

برای این هدف ما موارد مورد نیاز برای کنترل چرخش بازوی مکانیزم (arm mechanism) را انتخاب می کنیم.

مکانیزم چرخش بازو در نرم افزار اتتخاب الکتروموتور

2- تعیین گشتاور بار (Torque load) برای انتخاب الکتروموتور

درمرحله بعد نیاز دارید که گشتاور مورد نیاز برای کاربرد‌های حرکتی را محاسبه کنید.

به یاد دارید که گشتاور میزان نیرویی است که برای چرخش یک مکانیزم استفاده می‌شود و از سه منبع متفاوت تامین می‌شود:

  1. شتاب  اینرسی مکانیزم ( Accelerating the mechanism’s inertia)
  2. اصطکاک (Friction)
  3. نیروهای خارجی مانند نیروی جاذبه یا فشار در مقابل یک شی

سخت‌ترین قسمت، محاسبه دقیق اینرسی هر جز از سیستم و افزودن مقادیر آن است.

تاثیر اصطکاک بر ممان اینرسی

فرمول محاسبه ممان اینرسی برای شکل‌های مختلف از طریق اینترنت در دسترس است.

مراحل محاسبه ممان اینرسی در نرم افزار انتخاب الکتروموتور

در نمونه برنامه، ما ممان اینرسی را با تکمیل سوالاتی درباره چرخش بازو در صفحه عمودی
مشخص خواهیم کرد وابعاد بازو (arm) را به صورت زیر مشخص می کنیم:

  • A برابر با 200 میلیمتر (mm) طول
  • B‌ و C برابر با 50 میلیمتر که به ترتیب عرض و ارتفاع را نشان می دهند.

ما در این قسمت از جعبه دنده (gearbox) برای کاهش سرعت و کنترل گشتاور استفاده نخواهیم کرد.

چگالی ماده بر اساس آلومینیوم بدست خواهد آمد که توسط نرم افزار محاسبه می‌شود.

شما هم چنین می تواند حالت (mode) محاسباتیِ نرم افزار را به جرم تغییر دهید و
به جای چگالی جرم را با واحد کیلوگرم (Kg) وارد نرم افزار کنید.

ما برای این مثال داده ورودی به نرم افزار را 1.4 کیلوگرم در نظر گرفتیم.

برنامه های آنلاین مختلفی وجود دارند که می‌توان برای محاسبه جرم یک جسم از آنها استفاده کرد.

 محاسبه ممان اینرسی در انتخاب الکتروموتور

کار نرم افزار این است که شتاب را در بار اینرسی ضرب کند تا شتاب گشتاور بار را محاسبه کند.

نرم افزار هم چنین نیروهای اصطکاک لازم برای سر خوردن بار، نیروهای گرانشی برای بارهای عمودی و هر نیروی خارجی را محاسبه می‌کند.

سپس هر نیرو در فاصله مربوط به خودش ضرب می‌شود که حاصل این ضرب همان ممان است.

محاسبه گشتاور برای انتخاب الکتروموتور

نرم افزار از ممان اینرسی بدست آمده برای محاسبه گشتاور استفاده می‌کند.

محاسبه بار در انتخاب الکتروموتور

پس از این، نرم افزار با در نظر گرفتن بدترین حالت ممکن، گشتاور اوج (peak torque) را با جمع تمام مقادیر گشتاور محاسبه می کند.

این موضوع معمولا زمانی که بیشترین شتاب اتفاق بیفتد یا زمانی که بیشترین جرم روی ماشین قرار دارد، اتفاق می افتد.

جمع گشتاور‌های ناشی از نیروهای خارجی، جاذبه و اصطکاک برای محاسبه گشتاور پیوسته، بدون استفاده از نرم افزار، خسته کننده است.

3- تعیین سرعت در نرم افزار انتخاب الکتروموتور

در این قسمت مشخص می کنیم که پروفایل حرکت کاربردی به چه شکل است.

ما از یک موتور سروو و روش محاسباتی مقدار سفر (travel amount calculation method) استفاده خواهیم کرد.
ما در حال حاضر از چیزی استفاده می کنیم که به آن پروفایل ذوزنقه ای می گویند.

در این قسمت از نرم افزار، فیلد های مربوط به شتاب مثبت (acceleration) و
منفی (deceleration) برابر با 1.5 ثانیه، زمان سفر (travel time) سه ثانیه و
مقدار حرکت بر مبنای درجه پر می‌شود.

ما بازو را سه مرتبه می چرخانیم (360 درجه ضرب در 3 برابر است با 1080 درجه).
پس ممان اینرسی برابر است با 4-10 * 139.183 کیلوگرم در متر مربع (Kg.m2) که به صورت خودکار محاسبه می‌شود.

برای تجهیزاتی که عملکرد تکرار شونده دارند، سرعت‌های مورد نیاز موتور در کل سیکل را رسم کنید.

مطمئن باشید که زمان برای شتاب مثبت و منفی را در نظر گرفته‌اید.

پروفایل ذوزنقه ای درنرم افزار انتخاب الکتروموتور

شرایط عملیاتی محاسبه شده برای انتخاب الکتروموتور

در قسمت بعد شرایط عملیاتی محاسبه شده برای انتخاب الکتروموتور نشان داده می‌شود. در این قسمت نرم افزار پیشنهاد می دهد:
– بیشترین سرعت (Maximum speed) برابر 120 دور در دقیقه (r/min)
– گشتاور بار برابر 1.098 نیوتن بر متر (N/m)
– و در نهایت ممان اینرسی برابر 4-10 * 139.183 کیلوگرم در متر مربع (Kg.m2)

باشد.

شرایط عملیاتی برای انتخاب الکتروموتور

ویژگی های اضافه نرم افزار برای انتخاب الکتروموتور

بعضی مواقع سازندگان نرم افزار برای انتخاب الکتروموتور سوالات
متفاوت و طبقه‌بندی شده ای از کاربر می پرسند و با این کار امکانات اضافه ای برای کاربر فراهم می کنند.

برای مثال اضافه کردن یک ترمز الکترو‌مغناطیسی (electromagnetic brake) می‌تواند کمک کند که
زمانی که نیرو برداشته شده یا در حال استراحت است، بار در جای خود بماند.

ایده بسیار خوبی است که همیشه فاکتور ایمنی (Safety factor) را در نظر بگیریم تا هر تغییر اضافه در آینده را لحاظ کند و تغییرات بار محاسبه نشود.

در این قسمت شرط کلیدی برای انتخاب الکتروموتور مشخص شده است.

زمان این رسیده است که راهنمای انتخاب محصول سازنده را بررسی کنیم تا موتوری که با این خصوصیات مطابقت دارد را پیدا کنیم.

مدل های مختلف الکتروموتور

نکته کلیدی در انتخاب الکتروموتور

موتور و درایوی را انتخاب کنید که :

  • با ولتاژ ورودی منطبق باشد
  • سرعت، گشتاور پیوسته و گشتاور اوجی بیشتر از مقادیر محاسبه شده، داشته باشد.

تطابق موتور و درایو برای انتخاب الکتروموتور

اگر موتوری وجود داشته باشد که به معیار های شما نزدیک باشد در این مرحله کار شما به پایان رسیده است.

در غیر اینصورت supplied software gearing می‌تواند برای انطباق بیشتر بار و موتور استفاده شود.

برنامه به شما این امکان را می‌دهد که نتایج پروفایل حرکت (motion profile) و تمام محاسبات انجام شده توسط نرم افزار را چاپ کنید.

نتایج انتخاب الکتروموتور

الکتروموتورها می‌توانند گشتاور کامل خود را از 0 به هزاران دور در دقیقه (rpm) برسانند.

ماشین های کمی این امکان را دارند که بدون کاهش دنده و در این سرعت‌ها این کار را انجام دهند.

کاهش دنده با میزان باری که روی سروو قرار دارد، از سه روش زیر هماهنگ می‌شود:

  1. کاهش سرعت
  2. افزایش گشتاور
  3. کم کردن نسبت اینرسی

سرعت متناسب با نسبت دنده (gear ratio) کاهش می‌یابد.

گشتاور متناسب با نسبت دنده افزایش می یابد.

از همه مهم تر، نسبت اینرسی متناسب با توان دوم نسبت دنده کم می‌شود.

روابط gearbox ratio برای انتخاب الکتروموتور

روشی آسان برای محاسبه گشتاور و اینرسی

سازندگان جعبه دنده، اینرسیِ جعبه دنده‌های انواع الکتروموتور را لیست کرده‌اند.
این موضوع افزودن اینرسیِ جعبه دنده به محاسبات گشتاور و اینرسی را آسان کرده است.

بسیاری از موتور‌های در دسترس می‌توانند سرعت‌های بالاتری از آنچه لازم است، داشته باشند.
سرعت موتور را به سرعت مورد نیاز تقسیم کنید و
نتیجه را به سمت پایین گرد کنید تا نسبت دنده شروع (gear ratio) را بدست آورید.

فرمول gear ratio در انتخاب الکتروموتور

سپس گشتاور مورد نیاز را به نسبت دنده تقسیم کنید تا گشتاور مورد نیاز جدید بدست آید.

این موضوع به شما کمک می‌کند تا دامنه انتخاب الکتروموتور کاهش یابد
و انتخاب الکتروموتور آسان تر شود.

تعیین سروو درایو پس از انتخاب الکتروموتور

زمانی که الکتروموتور انتخاب شد،
یک سروو درایو متناسب با ولتاژ ورودی و جریان خروجی کافی برای به حرکت درآوردن سروو موتور انتخاب کنید.

سروو داریو ها می‌توانند بوسیله رابط‌های مختلف کنترل شوند.
انواع رابط هایی که می‌توانید انتخاب کنید شامل:

  • کنترل دیجیتال پالس و جهت (pulse and direction digital control)
  • کنترل آنالوگ (analog control)
  • سایر شبکه‌های سروو (servo networks)

سروو درایو راهکار مناسبی برای کنترل سرعت بالا و بازخورد (feedback)،
کاهش سیم کشی و قابلیت تشخیص بهتر در مقایسه با سایر رابط ها فراهم می کند.

سیستم سروو موتور

در آخر، هر ویژگی مانند

  • شفت های موتور محرک (keyed motor shaft)
  • آب بندی شفت (shaft seals)
  • نگه داشتن ترمز برای بار های عمودی
  • و یا مقاومت خارجی در برابر ترمز

را انتخاب کنید.

اجزا الکتروموتور

انتخاب بهترین الکتروموتور برای یک کاربرد خاص توانایی است که با تمرین بهتر می‌شود.
زمانی که شک دارید، یک راهکار خوب این است که نتایج کارتان را با سازنده یا توزیع کننده الکتروموتورها چک (verify) کنید.

با مطالعه این مطلب حال می‌دانیم چطور می‌توان یک الکتروموتور را انتخاب کرد.
امیدواریم هر آنچه برای ایجاد و بهبود پروژه کنترل حرکت خود به آن نیاز داشتید در این پست یاد گرفته باشید.

این نوشته بخشی از مطالبی است که در ارتباط با الکتروموتور‌ها نوشته شده است.

از شما به خاطر خواندن و به اشتراک گذاشتن این مطلب با دوستان و همکلاسی‌هایتان ممنونیم☺.

مقاله بالا بخشی از بسته جامع اتوماسیون صنعتی
(بسته جامع +30) است.

برای مشاهده کامل این بسته کلیک کنید.

مشاهده بسته اتوماسیون صنعتی
بسته جامع اتوماسیون صنعتی

در نماتک نظر دهید