Для большинства типов двигателей работа с напряжением питания, превышающим номинальное напряжение, называемое перенапряжением, может привести к увеличению тока и нагреву, достаточно высокому, чтобы повредить катушки и другие компоненты двигателя. Но в некоторых случаях шаговый двигатель может работать при напряжении, превышающем номинальное, без повреждения двигателя. Давайте посмотрим, когда и почему это возможно.

В системах с шаговыми двигателями обычно используется один из двух типов шагового привода — привод постоянного напряжения (также называемый приводом “L / R”) или привод в ключевом режиме.

Как следует из их названия, приводы постоянного напряжения подают на двигатель фиксированную величину напряжения, равную номинальному напряжению двигателя. В приводе постоянного напряжения сопротивление двигателя (R) ограничивает величину тока, который может накапливаться в обмотках, а индуктивность двигателя (L) определяет, насколько быстро накапливается или повышается ток. (Термин “L/R привод” относится к постоянной времени двигателя, которая определяется индуктивностью L, деленной на сопротивление R.)

На низких оборотах двигатели, работающие с приводами постоянного напряжения, обеспечивают хороший крутящий момент и плавное вращение. Но по мере увеличения частоты вращения двигателя ток в обмотках двигателя не успевает увеличиваться во время каждого импульса возбуждения, поэтому выработка крутящего момента снижается.

Хотя более высокий ток (и крутящий момент) можно было бы получить, подав на двигатель более высокое напряжение (перенапряжение), это вызывает проблему с повышением температуры двигателя, поскольку время “выключения” двигателя — промежуток времени, когда напряжение не подается, — должно быть достаточно длительным, чтобы обеспечить охлаждение и предотвратите тепловое повреждение.

Поскольку приводы постоянного напряжения обеспечивают крутящий момент в ограниченном диапазоне скоростей, во многих приложениях с шаговыми двигателями на более высоких скоростях, используются высокоскоростные ключи. Приводы в ключевом режиме также называются приводами “постоянного тока”, поскольку они контролируют и регулируют ток двигателя, а не напряжение на нем. Термин “привод в ключевом режиме” происходит от того факта, что привод быстро включает и выключает напряжение (называемое “прерыванием” напряжения) для управления величиной тока, подаваемого на двигатель.

Чтобы гарантировать, что шаговый двигатель получает ток, достаточный для создания номинального крутящего момента, независимо от частоты вращения двигателя, привод в ключевом режиме обеспечивает очень высокое напряжение или перенапряжение. Это высокое напряжение обеспечивает быстрое увеличение тока, поэтому, даже если двигатель работает на высоких оборотах, он получает постоянное среднеквадратичное значение тока для создания требуемого крутящего момента.

Но почему это нормально — приводить в действие шаговый двигатель с перенапряжением при использовании привода в ключевом режиме? Потому что привод подключает напряжение последовательно к каждой обмотке двигателя для контроля тока двигателя.

Когда напряжение на резисторе достигает заданного высокого уровня, который соответствует номинальному току двигателя (I = V/R), подача напряжения отключается. И когда напряжение на резисторе падает ниже заданного уровня, источник напряжения включается снова. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) используется для изменения ширины выходных импульсов привода в зависимости от того, сколько времени требуется для включения напряжения.

В результате можно более точно регулировать крутящий момент и на более высоких скоростях можно получить больший крутящий момент, без проблем с нагревом, которые могли бы возникнуть при подаче перенапряжения с помощью простого привода L / R или постоянного напряжения.