Уменьшите нагрев двигателя за счет уменьшения холостого хода и рабочего тока — или переключитесь на управление с замкнутым контуром.

Эрик Райс | Применяемые продукты движения

Шаговые двигатели являются широко используемыми устройствами управления движением из-за их простой настройки и точного позиционирования при конфигурации с разомкнутым контуром. Но могут возникнуть проблемы, связанные с выделением тепла. Это связано с тем, что привод, питающий шаговый двигатель с разомкнутым контуром, не использует обратную связь для управления величиной тока, подаваемого на этот двигатель. Вместо этого привод обеспечивает постоянный ток независимо от требуемого крутящего момента двигателя. Таким образом, двигатель потребляет мощность с чрезмерной скоростью. напрасная трата энергии и выделение тепла, которого можно избежать.

В некоторых приложениях операторы запускают шаговые двигатели с разомкнутым контуром с максимально возможным током, чтобы генерировать максимально возможный крутящий момент. Это гарантирует, что двигатель достигнет своего положения в приложении. Но с увеличением тока растет и температура двигателя. Если температура двигателя повышается слишком высоко, обмотки замыкаются, и двигатель перестает функционировать. Поэтому инженеры-конструкторы (и конечные пользователи двигателей) должны найти способы максимизировать крутящий момент двигателя, избегая при этом его перегрева.

Один из отраслевых подходов заключается в настройке привода на выдачу двигателю номинального тока. Это приведет к нагреву двигателя, но не слишком. Обычно температура шагового двигателя достигает 70°, 80° или даже 90°C. Хотя из-за таких температур прикасаться к двигателю слишком жарко, сам двигатель не поврежден.

Но как еще инженеры-конструкторы (и конечные пользователи двигателей) могут снизить нагрев двигателя? Здесь мы рассмотрим еще три способа:

Многим приложениям для управления движением требуется наибольший крутящий момент, когда двигатель разгоняется и замедляется, чтобы соответствовать своим характеристикам. Но когда двигатель работает на холостом ходу или удерживается в нужном положении, ему требуется гораздо меньший крутящий момент. В этих случаях самое подходящее время уменьшить ток двигателя.

Большинство современных шаговых приводов делают это автоматически. Например, привод может уменьшить ток холостого хода до 50% от рабочего тока. Более совершенные шаговые приводы позволяют инженерам-конструкторам программировать ток холостого хода на любое значение от 0 до 100%. Если шаговый двигатель проводит даже незначительное количество времени в неподвижном состоянии, уменьшение тока холостого хода оказывает значительное влияние на нагрев двигателя.

Многие инженеры—конструкторы проявляют осторожность при выборе шагового двигателя — часто выбирая двигатель с более чем достаточным крутящим моментом (а не просто достаточным) для конкретного применения. В этих сценариях может оказаться возможным уменьшить рабочий ток двигателя с помощью некоторого тестирования методом проб и ошибок. По сути, для этого требуется уменьшить рабочий ток на небольшую величину и контролировать мощность движения. Если этот пробный запуск окажется успешным, снова уменьшите рабочий ток и повторно проверьте работу двигателя.

Продолжайте производить регулировку до тех пор, пока двигатель не начнет работать неправильно или не заглохнет. Затем немного увеличьте ток, чтобы двигатель возобновил точное позиционирование. В некоторых случаях — особенно когда шаговый двигатель слишком велик для конкретного применения — инженер может уменьшить рабочий ток настолько, чтобы ощутимо снизить температуру двигателя.

Наиболее значительное снижение тепловыделения происходит при замене системы шаговых двигателей с разомкнутым контуром на систему шаговых двигателей с замкнутым контуром. Шаговые двигатели могут работать в контуре сервоуправления, если они оснащены датчиком высокого разрешения и питаются от подходящего привода с замкнутым контуром. Эта относительно новая конфигурация системы требует, чтобы инженер заменил двигатель и привод приложения. Но величина снижения температуры обычно того стоит.

Напомним, что система шагового двигателя с замкнутым контуром использует контуры обратной связи для точного управления током, скоростью и положением шагового двигателя. Контур тока гарантирует, что ток, подаваемый на двигатель приводом, составляет только ту величину, которая необходима для удовлетворения требований к крутящему моменту. Когда двигатель не выдает крутящий момент (или выдает что-либо меньшее, чем максимальный крутящий момент), ток в двигателе автоматически соответственно падает. Такая схема управления с замкнутым контуром значительно улучшает температуру двигателя, снижая ее в некоторых случаях на 50% и более.

Дополнительными преимуществами шаговых двигателей с замкнутым контуром являются более быстрый разгон и более высокая производительность (крутящий момент на 50% больше номинального удерживающего момента), а также более тихая работа (даже на 10 дБ тише), поскольку в обмотках двигателя меньше тока. Кроме того, без зависаний точность системы выше.

Результаты испытаний подтверждают, что шаговые двигатели с замкнутым контуром потребляют ток только при необходимости, поэтому они работают холоднее и потребляют меньше энергии, чем варианты с разомкнутым контуром. Рассмотрим реальные тесты, в которых выполняются как варианты разомкнутого, так и замкнутого контуров, чтобы получить одинаковый профиль движения:

Оба имеют заданную инерцию нагрузки и инерцию ротора и работают от источника питания 48 В постоянного тока. Результаты на графике ниже показывают, что среднее энергопотребление шаговой системы с разомкнутым контуром, обеспечивающей такую мощность, составляет 43,8 Вт.

Напротив, сопоставимая шаговая система с замкнутым контуром потребляет всего 14,2 Вт для выполнения той же процедуры. Такое снижение энергопотребления приводит к уменьшению выработки тепла и снижению счетов за электроэнергию.

Продукты для прикладного движения | applied-motion.com

Эрик Райс получил диплом инженера-электрика в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн.

Он присоединился к Applied Motion Products в качестве инженера-прикладника в 1997 году и специализируется на шаговых двигателях, серводвигателях, приводах и элементах управления.