步進(jìn)電機(jī)散熱的三種方式

通過(guò)減少空閑電流和運(yùn)行電流來(lái)降低電動(dòng)機(jī)的熱量-或切換至閉環(huán)控制。

步進(jìn)電機(jī)由于其簡(jiǎn)單的設(shè)置和開(kāi)環(huán)配置的精確定位，因此被廣泛用作運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備。但是會(huì)產(chǎn)生與發(fā)熱相關(guān)的問(wèn)題。這是因?yàn)闉殚_(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)供電的驅(qū)動(dòng)器不使用反饋來(lái)控制提供給該電機(jī)的電流量。取而代之的是，驅(qū)動(dòng)器始終提供全電流…而不考慮電動(dòng)機(jī)上的扭矩需求。因此，電機(jī)消耗的功率過(guò)高……。浪費(fèi)能量并產(chǎn)生可避免的熱量。

在某些應(yīng)用中，操作員使用盡可能多的電流來(lái)運(yùn)行開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)，以產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩。這樣可以確保電機(jī)在應(yīng)用中達(dá)到其位置。但是隨著電流的增加，電動(dòng)機(jī)溫度也會(huì)增加。如果電動(dòng)機(jī)溫度升高得太高，繞組會(huì)短路并且電動(dòng)機(jī)會(huì)停止運(yùn)行。因此，設(shè)計(jì)工程師（和電動(dòng)機(jī)最終用戶）必須找到方法，在避免電動(dòng)機(jī)過(guò)熱的同時(shí)最大化電動(dòng)機(jī)扭矩。

一種工業(yè)方法是將驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為賦予電動(dòng)機(jī)其額定電流。這樣做會(huì)使電動(dòng)機(jī)變熱，但不會(huì)太熱。步進(jìn)電機(jī)溫度達(dá)到70°，80°甚至90°C是正常的。盡管這些溫度使其太熱而無(wú)法接觸電機(jī)，但電機(jī)本身并未受到損害。

但是，設(shè)計(jì)工程師（以及電動(dòng)機(jī)最終用戶）還能如何減少電動(dòng)機(jī)的熱量？在這里，我們將探索另外三種方式：

減少空閑（保持）電流
降低運(yùn)行電流
切換到閉環(huán)控制

首先-降低電動(dòng)機(jī)的空閑（保持）電流

當(dāng)電動(dòng)機(jī)加速和減速以達(dá)到其標(biāo)記時(shí)，許多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用都需要最大的扭矩。但是，當(dāng)電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)或保持位置時(shí)，它需要的扭矩要少得多。這些情況是減少電動(dòng)機(jī)電流的好時(shí)機(jī)。

大多數(shù)現(xiàn)代步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)執(zhí)行此操作。例如，驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)將閑置電流降低到運(yùn)行電流的50％。更復(fù)雜的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器使設(shè)計(jì)工程師可以將空閑電流編程為0到100％之間的任何值。如果步進(jìn)電機(jī)甚至花費(fèi)很少的時(shí)間靜止不動(dòng)，則減少空轉(zhuǎn)電流會(huì)對(duì)電機(jī)熱量產(chǎn)生重大影響。

第二–降低運(yùn)行電流

選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，許多設(shè)計(jì)工程師會(huì)謹(jǐn)慎行事-通常為當(dāng)前應(yīng)用選擇具有足夠扭矩（而不是僅僅足夠扭矩）的電機(jī)。在這些情況下，可以通過(guò)一些反復(fù)試驗(yàn)來(lái)降低電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流?；旧?，這需要少量降低運(yùn)行電流并監(jiān)視運(yùn)動(dòng)輸出。如果試運(yùn)行成功，請(qǐng)?jiān)俅谓档瓦\(yùn)行電流并重新測(cè)試電動(dòng)機(jī)性能。

繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，直到電機(jī)錯(cuò)位或失速。然后稍微增加電流，以便電動(dòng)機(jī)恢復(fù)精確定位。在某些情況下，特別是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的尺寸過(guò)大時(shí)，工程師可以將運(yùn)行電流降低到足以顯著降低電機(jī)溫度的程度。

第三-切換至閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

當(dāng)用閉環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)代替開(kāi)環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)最大程度地減少熱量的產(chǎn)生。配備高分辨率編碼器并由合適的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器供電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)可在伺服控制環(huán)內(nèi)操作。這種相對(duì)較新的系統(tǒng)配置需要工程師更換應(yīng)用程序的電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。但是降低溫度的幅度通常是值得的。

回顧一下，閉環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)使用反饋回路來(lái)精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電流，速度和位置。電流回路可確保驅(qū)動(dòng)器提供給電機(jī)的電流僅為滿足轉(zhuǎn)矩需求所需的量。當(dāng)電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩（或產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小于最大轉(zhuǎn)矩）時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流將相應(yīng)地自動(dòng)下降。這種閉環(huán)控制方案可顯著提高電動(dòng)機(jī)溫度，在某些應(yīng)用中可將其降低多達(dá)50％或更高。

閉環(huán)步進(jìn)器的其他好處是更快的加速和更高的吞吐量（比額定保持轉(zhuǎn)矩高出多達(dá)50％的轉(zhuǎn)矩）以及更安靜的運(yùn)行（甚至更安靜10 dB），因?yàn)殡姍C(jī)繞組中的電流更少。加上沒(méi)有失速，系統(tǒng)精度更高。

閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)集成了高分辨率編碼器，并由集成的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，當(dāng)負(fù)載不需要扭矩時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)減小流向電動(dòng)機(jī)的電流。

測(cè)試結(jié)果證實(shí)，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)僅在需要時(shí)才消耗電流，因此它們比開(kāi)環(huán)選項(xiàng)運(yùn)行時(shí)更涼，功耗更低?？紤]同時(shí)運(yùn)行開(kāi)環(huán)和閉環(huán)變化以獲得相同運(yùn)動(dòng)曲線的實(shí)際測(cè)試：