直流伺服电动机的占空比特性.doc

桂林电子科技大学毕业设计报告用纸 第13页 共13页直流伺服电动机的占空比特性摘要本文介绍的方法是计算峰值温度上升时定子绕组的直流伺服电机上运行时的具体工作周期和扭矩值大于额定值。它还确定了为达到理想输出扭矩的最大允许时间的关系如这种温度上升峰值不会超过额定温度的绝缘从而确保有足够的绝缘寿命。一种新方法具体的说明这些占空比特性可以用来寻找达到给定扭矩最大的间就如最高温度上升任何长度所用的时间。利用这些特性当输出力矩要求在一个周期内不同时可以延长重复周期的占空比。实验数据证实了这种分析方法。导言直流伺服驱动电机用于应用，如机床高间歇扭矩明确要求在重复循环各不相同，定子绕组上升的最终温度是一个确定机器生命某一类绝缘的重要因素。这些资料作为电枢温度上升而导致对某一间歇扭矩和时间上这一扭矩可以维持，它对选择正确的伺服驱动是非常重要的。这些温度上升，基于占空比参数，作出这样的假设即产品的损失和时间内总结的总时间周期导致的平均损失相当于在连续额定扭矩的损失。本文将探讨典型特征，并为给定输出扭矩确定工作地点的最大时间和最低休息时间，同时不降低寿命的额定绝缘形式，以及确定在某一输出扭矩时峰值温度上升的工作时间和关闭时间。这项分析将利用“定子绕组的热时间常数”为从试验中获得额定输出扭矩和损失，并使用此参数来评价温升的概述方法。温升计算使用这一概念将与测试数据对比。分析定子绕组温度的影响造成间歇运行由于广泛的速度和转矩特性可利用于直流伺服电机，他们很少连续投放在固定的速度和负载条件下。大部分的应用需要不同的负荷和速度并在某种周期重复。电枢绕组，直流伺服电机的永磁体领域的结构，是产生热量的主要来源，从而根据不同的负载条件下的温度上升可能会超过其额定，影响到机器的寿命。通常维持平均损失超过一个运作周期的方法，与在连续额定扭矩下的亏损是一样的，并不能确保电枢绕组温度上升将不超过额定温升。最重要的因素是这个温度上升是在高转矩负载下工作时间期间。图1 定子绕组温升曲线连续额定转矩和25 %占空比典型直流伺服电机的热时间常数等于57分钟。电枢绕组温升决定于在直流伺服永久磁场的结构中的额定连续亏损，已发现的后续指数上升和衰减曲线按照式（20）和（23）。由于定子绕组热时间常数是独立的损耗，温度上升曲线上任何其他损失等于可以假设遵循了类似的指数曲线。最终稳定温升损耗将变成与比率之乘积。对于一个25%占空比的典型伺服系统（约4倍的额定损失），最初的定子绕组温升的测试与这一概念图完全相同如图1所示。经过分析占空比组成为在期间损耗等于而之后的期间无损耗，定子绕组的温升可在结束时从式（4）和（5）获得，在时间期间，因为没有任何损耗，定子绕组温度将下降并可由式（23）计算出来取代从与等于的而获得的值。第二个周期，绕组温度在周期开始的时候高于第一周期而且温度升降率在第二周期是减少的。最初的温度上升率是一个函数表示于式（22），因此减少的结果是在第二个周期的同一期间的温升将底于在第一个周期的同一升率。同样在冷却期，在第二个周期的期间温度的降低将高于第一个周期。广义的基础上在连续周期的运行期间的温升底于前一个周期并且在连续周期关闭期间的温降高于前一个周期。这一过程将持续到后面的周期，在期间的温升与后面期间的温升是一样的。在此条件下达成的定子绕组据说已达到热平衡状态，其上限温度结束于最后一个期间而下限温度结束于最后一个期间。前三个周期对电枢25%占空比的温度变化显示于图 2 。图2 定子绕组在25%占空比的连续三个周期的温升曲线与T1 = 3分和T2 = 9分。在期间结束的时候温升的上限是一个关于损耗与时间长度的函数，并且能利用基本公式（5）计算出给定损耗和适当的边界条件。在期间结束时的下限将变成一个周期平均损耗的函数。如果时间长度等于一个周期的平均损耗那与连续额定扭矩是一样的，那么在期间结束时的热平衡温度应该与连续比率，是一样的。因此在热平衡期间结束时的温升给出为其中为在连续额定扭矩上温升的额外温升。这证明了非常重要的一个事实，即当电机运行在间歇性的占空比与相应的扭矩时电枢温升损耗将超过持续额定时的温升。的计算附录一给出了基本方程显示定子绕组温度作为时间函数。类似的方程运作对于任何特定占空比可以得出和用于计算定子绕组温度上升。下面是由这些方程假设的条件。1）定子绕组铜损耗是绕组温升的唯一损耗。2）定子绕组中的损耗不同于平方电流或平方发达扭矩。3）在通电期间很短的时间内绕组温度如线性上升，这一比例正在成正比损耗。间歇占空比运行中，一个周期总和中损耗的平均值等于额定扭矩界定占空比损耗如工作时间与工作时间和休息时间总和的比率来确定方程（2）暗示了在期间最大允许损耗在一个给定百分占空比中给出为由于定子绕组温度是电枢损耗的一个直接函数，在损耗等于时的最终温升为而在任何时候的温升方程是利用（3）（4）进行修改可得在损耗时的初值比率相应于一个给定百分占空比可由在不同时间的（5）并取代而获得。因而或者温升给出为如果如足够短是线形的并且初始斜率等于。在随后的一段时间内，电枢没有任何损耗而温度将按照（23）的指数曲线下降。在时间结束时的温度给出是为了计算，温升结束于最后通电时期已被确定。这将需要计算在每个连续的平衡周期和结束时的温度，导致这种情况不断变化的边界条件是时间正在消耗。相反，一个邻近的温度上升可假设它等同于在损耗为和首次开始期间之间温升曲线上的确定温升之差。如此获得的数值将是损耗为时最大的是式中是在时间损耗为的相应温升并给出和同一假设（8）。因而其中 因此，对某一峰值扭矩和已知时间，可以在达到热平衡后利用式（1）和（11）计算峰值温度。达到了为F级绝缘材料式（1）简化为占空比特性做为断续运行的一个占空比可定义为包含扭矩高于额定交付电机的重复周期以及后面期间电动机提供任何扭矩。给定转矩在一个周期的平均损耗是相当于和成比例的额定损耗。百分占空比的定义和最大允许损失由式（2）和（3）给出了。直流伺服电动机在额定连续输出扭矩基础上，与F级绝缘，在的环境允许的最大定子绕组温升为。当在一个占空比周期下运行时式（2）（3）表明了，式（1）中的电枢将超过基于输出扭矩（或者百分占空比）和期间长度的额定温升。在一定条件下这些峰值温度可远远超过并可以减少相当大的绝缘寿命。因此断续的占空比运行，最好在输出扭矩、百分占空比、以及和期间制定出一个明确的关系。当这些关系以曲线的形式示于图5将在结束时确定一个不高于温升的理想输出。使用给定输出扭矩值和时间这些数据还有计算出的最高温升。在理想的间歇扭矩输出（或百分占空比）下的值确定于式（11）。鉴于式（1），为限制上升到给定占空比时的最高温升，必须成比例的降低到允许的。这将需要降额的输出力矩做为百分占空比。这是通过定义一个不断降额等级来确定的一个函数。计算的方法由于定子绕组温度是一个关于输出扭矩平方的函数，一个恒定的F级绝缘降额扭矩可定义为在某一给定占空比的输出扭矩给出为作为给定百分占空比的等于。 的值可任意选择，最大值在最底的百分占空比如百分之十最小值零在连续额定或者百分百占空比时，那么由式（1）和（11）有 给定一个百占空可由式（12）和（13）知道K1及K2的值，通过设置为F级绝缘的由式（15）可解出的最大值。因而相应的最短时间可由式（2）得出公式为因此对某一给定百分占空比，和可利用式（14）和（16）计算出来并且得出一个百分占空比的函数。典型的占空比周期曲线发展趋势显示于图5。对于任何必需的间歇输出扭矩高于额定时，利用这些曲线确保的温升将不会超过。如果工作时间远大于给定百分占空比的，从这些曲线的数据还可以用来计算峰值温升。附录二显示了使用这些曲线的若干要求。测试评价解析的分析以及占空比周期曲线的核查在伺服电机额定10ft-lb时测试得到验证。每个测试是从周围开始并且温升决定利用阻力的方法。试验结果证实了分析方法的实验误差。测试1：温升试验在百分之二十五占空比进行，并绘制了在额定扭矩时的对比温升曲线如图1。这两个曲线走向相当接近式（5）和（20）。虚线部分的曲线在利用式（5）推测出来的。图1还显示初始线性斜坡的损失相当于和，及其与热时间常数的关系分别为式（7）和（21）。测试2：连续三个周期的温升试验开始于周围环境和在百分之二十五占空比进行。温度升高在每个周期结束时受阻示于图2。下面的结果表明，工作时间温度上升与停机时间温度下降在每一次连续周期是变化的。测试3：在同一地点，在100转/分和百分之二十五占空比的不同时间与进行的三个独立的温升试验。在电枢达到一个平衡状态后测量温升。测试结果如下。对于每一个测试，在停机后结束时通过测量阻抗获得冷却曲线。图3显示了冷却曲线（测试）从开始到结束的一段时间和加热曲线推断下一个周期。利用式（1）核查与推算得温度峰值在结束时，并且在结束时的温度接近连续额定的最终温度。图4所示的峰值温度上升图与图3中情况的工作时间（）相反。只有在t = 0时的温度上升曲线相交于点带出一个重要事实即任何时间是大于零的，在任何间断占空比的峰值温度上升将超过与通常假设达到蜂值转矩和损耗。测试4：在同一地点百分之二十五和百分之八十占空比进行温升试验。每个占空比的和值是通过图5的曲线来选定。决定于式（2）。结果如下。利用式（15）计算测试5：在工作时间不同的扭矩下进行温升试验。应用力矩的序列与各自的工作期间如下。图3 上部和下部定子绕组温升的限制，在气温稳定后，在百分之二十五占空比时为和设置不同的值图4 在结束时定子绕组温升的峰值期结束后温度是在百分之二十五占空比时的稳定函数图5 典型的占空比曲线显示的最高工作时间（）和输出扭矩（）关于百分占空比的函数计算有效值扭矩，相当于百分占空比和相应的停机时间示于附录二示例2以及分别为16.5ft-lb，百分之三十三和24分钟。在工作时间结束时峰值温度上升，热平衡后测试测量159相比163的计算示于附录二示例2。结论分析表明在空闲时期结束时最终定子绕组温度决定了一个间歇占空比周期内的一般温升值，与在额定扭矩下一样。这意味着在最后通电期间的温度将高于额定温度。为了保持这一温度以便不超过它的连续额定，方法是减少有关工作和空闲时期的间歇转矩。这样做是为了通过作为额定温度的函数来确定降额常数。计算得出常数的值于式（13）而值被预设为最小值即在百分之百占空比时0和在百分之十占空比时200。这使我们能够开发占空比曲线图如图5所示。实验结果表明“测试值”与在其他模型上的测试类似为简化假设提供了良好的理由。预测值和测试值之间的密切核查表明工作周期曲线提供了在各种操作条件下确定机器温度的可靠手段。这里提出的分析是基于机器的热时间常数，它反映了单位的传热特性。这个参数需经一系列的温升试验才能准确的确定。命名 电机通电期间工作时间的长度。 电机不通电期间空闲时间的长度（紧随后面） 定子绕组热时间常数（分钟）。 某一给定占空比最大允许的时间长度如定子绕组的温升峰值不超过连续额定（分钟）。 在给定占空比相应于的最底空闲时间（分钟）。 在额定扭矩下定子绕组损耗（瓦）。 在时期在间歇输出扭矩下定子绕组损耗（瓦）。 定子绕组温升（）。 电枢损耗等于时定子绕组的最后温升（）。 电枢损耗连续时定子绕组的最后温升（）。 在第一个结束和某一给定百分占空比时定子绕组温升（）。 在第一个结束和连续额定转矩时定子绕组温升（）。 在时期结束和某一给定百分占空比时定子绕组温升（）。 电枢已达到平衡状态后时期结束时绕组温升（）。 在给定百分占空比如时的最大输出转矩。 连续输出转矩。 温升常数（/分钟）。 降额常数。 瓦每摄氏度。 所需的能源总量以提高绕组温度的摄氏度（焦耳）。附录I直流伺服电机可忽略的损耗如摩擦，偏差，电枢中的铁，铜损耗以及绕组的温升如下式最终温升在损耗为时可得牛顿冷却定律将式（18）转化可得式（19）中可得式中A是一个常数并且可由初始条件t = 0来确定。在t = 0，=0。因此。那么式中。是所谓的定子绕组的热时间常数。在并且因此可定义为达到最终温升的63.2%所需要的时间即在理论上达到。通过异于式（20）的有用时间取代t = 0而获得最初的额定升率。由式（20）得由式（18）得因此比率的上升在任何时间t是一个关于温度斜率的函数。这个比率的上升在=0，t = 0时最大而在，时为零。在电枢的温度已达到稳定状态值之后，与冷却曲线相辅相成的加热曲线给出为式中在电枢带电的瞬间时t = 0。附录II基本方程可归纳如下：a) b)c)对于已知的，d)对于任何大于的时间的峰值温升式中和的值可由图5中的数据计算得出如下和鉴于占空比曲线和上述公式，可以得到最大的时间（）或计算任何运行条件下的最高温升。下面的例子将说明各种操作条件下如何利用占空比曲线。例1在工作期间重复周期有一个使用转矩值。a)由得出，百分占空比和。在图5中按照箭头从点对A点于曲线和对B点于曲线。结果为=2.2分钟（D点）以及百分占空比=21%（C点）。利用相应的式（17）得b)为了求得大于2.2分钟时的，使=5分钟而=19分钟。由式（25）得由式（26）得然后利用式（15）得这个温升157高于允许温升130将会相应的减少机器寿命。c)求在60%占空比时的，和值。在图5中按照