引導(dǎo)語：精準(zhǔn)管控，降低風(fēng)險，提高可靠性和安全性
當(dāng)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(jī)和驅(qū)動器的標(biāo)準(zhǔn)方法。但這樣做可能會導(dǎo)致電機(jī)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(jī)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(dāng)情況由于缺乏更多余量空間時而進(jìn)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(shí)際電流長時間大于持續(xù)電流時加強(qiáng)伺服電機(jī)熱時間常數(shù)動態(tài)影響嚴(yán)重程度風(fēng)險管理和理解的可視化方法。
方法原理
伺服電機(jī)由于其內(nèi)部損耗而產(chǎn)生熱量，且每個電機(jī)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(jī)應(yīng)用需要多種不同速率，同時要求轉(zhuǎn)矩在定義的運(yùn)動曲線上小于或大于電機(jī)的額定間歇轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)上，通過超過伺服電機(jī)連續(xù)能力的峰值電流來實(shí)現(xiàn)加減速要求。運(yùn)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(yùn)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(jī)的連續(xù)能力范圍內(nèi)選擇電機(jī)。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(jī)的連續(xù)和熱能力范圍內(nèi)；同時驗(yàn)證在所需的轉(zhuǎn)速下，所需的峰值轉(zhuǎn)矩小于所選電機(jī)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(yùn)動控制技術(shù)擴(kuò)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(yùn)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(yùn)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(jī)器上，使軸運(yùn)動停止所需的時間很容易超過電機(jī)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(jī)，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(jī)器，急停時間要求在20到40秒范圍內(nèi)并不少見。
目前相當(dāng)多的伺服電機(jī)應(yīng)用具有特殊的運(yùn)行工況或面臨可能發(fā)生的特殊事件，在伺服電機(jī)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(jī)的使用，均應(yīng)選擇合適的伺服電機(jī)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(fēng)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(jī)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(jī)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(hù)電機(jī)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(jī)的繞組/線圈是否可以在不損壞電機(jī)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(jī)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(jī)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(dá)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(dá)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(jī)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(jī)應(yīng)用在正常運(yùn)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(jī)或具有更長TCT_winding的電機(jī)，或更改條件。
問題2： 由于問題1中的電機(jī)無法在3Ic情況下實(shí)現(xiàn)耐受30秒，我們可以實(shí)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(jī)或具有更長TCT_winding的電機(jī)，或者再次更改條件規(guī)格。
結(jié)論
顯然，在機(jī)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(jī)和驅(qū)動器選擇，會影響機(jī)構(gòu)在所有條件下成功實(shí)現(xiàn)所需性能的機(jī)會：正常運(yùn)行、急停和可預(yù)見的潛在事件。如果要求電機(jī)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(fēng)險管理決策克服初始設(shè)計的挑戰(zhàn)。