如何用過熱時間常數(shù)實現(xiàn)伺服電機過載管理？

當需要較高的間歇功率密度值時，工程師通常不希望使用傳統(tǒng)的均方根（RMS）計算，轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩性能曲線就成為了挑選伺服電機和驅(qū)動器的標準方法。但這樣做可能會導(dǎo)致電機或驅(qū)動器容量不足。

對于大多數(shù)伺服應(yīng)用來說，使用經(jīng)典性能曲線與RMS計算是完全可以接受的。但如果應(yīng)用的間歇轉(zhuǎn)矩在一定時間段內(nèi)大于電機的持續(xù)轉(zhuǎn)矩，則不應(yīng)忽視所擬解決方案的熱時間常數(shù)。當情況由于缺乏更多余量空間時而進一步加劇時，這些熱限值就會變成又一個隱患。

本文提出了一種在應(yīng)用中實際電流長時間大于持續(xù)電流時加強伺服電機熱時間常數(shù)動態(tài)影響嚴重程度風險管理和理解的可視化方法。

方法原理

伺服電機由于其內(nèi)部損耗而產(chǎn)生熱量，且每個電機的自身散熱能力決定了其額定連續(xù)容量。傳統(tǒng)的伺服電機應(yīng)用需要多種不同速率，同時要求轉(zhuǎn)矩在定義的運動曲線上小于或大于電機的額定間歇轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)上，通過超過伺服電機連續(xù)能力的峰值電流來實現(xiàn)加減速要求。運動曲線大多情況下要求這些峰值電流的持續(xù)時間段最大不超過驅(qū)動放大器一般允許的4-5

在這種常規(guī)間歇工作運行情況下，通常不需要根據(jù)應(yīng)用的峰值轉(zhuǎn)矩要求，在電機的連續(xù)能力范圍內(nèi)選擇電機。我們只需利用均方根（RMS）方程來找到應(yīng)用的有效連續(xù)轉(zhuǎn)矩和速率要求，然后確保此等效操作要求落在所選電機的連續(xù)和熱能力范圍內(nèi)；同時驗證在所需的轉(zhuǎn)速下，所需的峰值轉(zhuǎn)矩小于所選電機和驅(qū)動器提供的峰值轉(zhuǎn)矩。

應(yīng)用：特殊工況

將閉環(huán)運動控制技術(shù)擴展到非傳統(tǒng)的應(yīng)用中，通常會導(dǎo)致超出常規(guī)間歇工作的特定要求和運行工況。然而，即使在傳統(tǒng)應(yīng)用中，我們有時也會遇到必須滿足的特殊工況。

示例：

對于一旦發(fā)生急停必須在斷開主電源之前在特定時間內(nèi)停止所有受控運動這一要求，對于大多數(shù)應(yīng)用來說，這通常不是問題，但在具有巨大動能的大型機器上，使軸運動停止所需的時間很容易超過電機驅(qū)動組合典型的最長4-5 秒的可用峰值電流時間。

這一要求雖然不需要更大的電機，但通常需要更高的連續(xù)電流驅(qū)動，以確保提供急停減速期間所需的峰值電流。對于一些大型機器，急停時間要求在20到40秒范圍內(nèi)并不少見。

目前相當多的伺服電機應(yīng)用具有特殊的運行工況或面臨可能發(fā)生的特殊事件，在伺服電機定規(guī)和選型過程中需要考慮這些工況或事件。無論環(huán)境是否會影響電機的使用，均應(yīng)選擇合適的伺服電機和驅(qū)動器組合以最大限度地降低由于特定事件或操作要求帶來的故障風險，從而最大限度地提高可靠性和安全性。

過載：功率損耗的影響

根據(jù)應(yīng)用要求的復(fù)雜性，許多應(yīng)用都要求轉(zhuǎn)矩和電流高于電機的持續(xù)轉(zhuǎn)矩和電流（Ic 或 I_rated）作為所需RPM的因變量。因此，需要考慮電機功率損耗的潛在限制或控制，以便完成工作或特定事件，同時保護電機的絕緣系統(tǒng)免受熱過載的影響。對于評估中的這些特定情況或事件，盡管仍然需要確保整體產(chǎn)品選擇要求，過載情況可能因應(yīng)用不同而差異巨大。

對于這些具有某些潛在事件或其他情況的應(yīng)用，需要特定的峰值電流（I_actual）才能在合格的時間段內(nèi)產(chǎn)生特定的峰值轉(zhuǎn)矩（Tpk）。此時，我們還需要了解并確定電機的繞組/線圈是否可以在不損壞電機絕緣的情況下維持所需的過載電流。

溫度每超過連續(xù)額定值10°C，電機絕緣的可用壽命（基于其連續(xù)額定值）就會大約減半。

我們可以使用以下公式估算電機線圈/繞組從冷啟動（環(huán)境）到額定極限溫度（t_ ultimate）的時間：

t_ultimate = -TCT_coil(mounted) x ln[1-(W_loss(rated)/W_loss(actual))]

or

或

t_ult. = -TCT_winding x ln[1-(Ic2/I_actual2)]

其中W_loss(rated)替換為Ic2 或I_rated2，W_loss(actual)替換為I_actual 2

過載對熱時間常數(shù)（TCT）的影響

在下圖 A 中，特定條件下I_actual大于 Ic(motor)的I_顯著性可以通過W_loss(actual) / W_loss(rated)的百分比來表示，兩者都給出了相對于計算的熱時間常數(shù) （TCT）倍數(shù)的曲線圖。

圖B允許我們以圖形方式確定特定的TCT，從而確定所評估的特定條件下達到極限溫度的時間，其方法是將圖形的X軸對應(yīng)（TCT）倍數(shù)作為所需I_actual相對于已知TCT的函數(shù)，然后將該結(jié)果乘以 5，以確定達到極限溫度的時間。

示例：

問題1：無論驅(qū)動器的供電能力如何，假設(shè)我們從一開始就處于25°C的環(huán)境溫度，電機能否在20秒時間內(nèi)承受3倍IC的峰值電流？假定最初提出的電機應(yīng)用在正常運行時TCT_winding= TCT_coil(mounted)=60秒。

Q1 答：使用圖 B，我們只需轉(zhuǎn)到左側(cè)的垂直刻度 3 （3xIc） 并沿水平移動，直到與曲線相交，然后在半對數(shù)刻度上讀取相應(yīng)的 X 軸乘數(shù)，將其和公布的TCT_winding相乘。

3Ic 時 X對數(shù)軸的讀數(shù)約為0.023，因此，在3Ic時，有效TCT_winding（3Ic） = 0.023 x 60 = ~1.38_sec。

因此，對于此應(yīng)用，我們將需要選擇更大的電機或具有更長TCT_winding的電機，或更改條件。

問題2：由于問題1中的電機無法在3Ic情況下實現(xiàn)耐受30秒，我們可以實現(xiàn)在Ipk為2Ic的情況下耐受20秒嗎？

Q2 答：同樣地，使用圖 B，我們可以獲取2Ic時X對數(shù)軸的讀數(shù)大約為0.057。因此，在 2Ic 時，您的有效TCT_winding（2Ic） = 0.057 x 60 = ~3.42秒，從而可以知道5xTCT = 99.3%的溫升時間約為17.1秒，它仍然小于建議的20秒規(guī)格。

因此，即使將規(guī)格更改為2Ic時耐受20秒，我們也需要選擇更大的電機或具有更長TCT_winding的電機，或者再次更改條件規(guī)格。

結(jié)論

顯然，在機器設(shè)計規(guī)劃階段有許多因素需要考慮。針對給定應(yīng)用的伺服電機和驅(qū)動器選擇，會影響機構(gòu)在所有條件下成功實現(xiàn)所需性能的機會：正常運行、急停和可預(yù)見的潛在事件。如果要求電機的轉(zhuǎn)矩和電流需要有上其中一類的要求，在較長時間內(nèi)超過額定連續(xù)能力，利用簡化的圖形方法（圖B）可以幫助廣泛的風險管理決策克服初始設(shè)計的挑戰(zhàn)。