Metoder för att kontrollera hastigheten på en DC-motor

Hastighetskontroll är en av de viktigaste prestandaegenskaperna hos en DC motor , och det är en viktig orsak till att DC-motorer fortfarande används i stor utsträckning i applikationer som kräver exakta, justerbara och responsiva rörelser. Till skillnad från växelströmsmotorer, vars hastighet är nära kopplad till strömförsörjningens frekvens, kan hastigheten på en likströmsmotor justeras smidigt och ekonomiskt genom flera väletablerade metoder. Genom att förstå dessa metoder kan ingenjörer och produktdesigners välja den mest lämpliga metoden för en given applikation, balanserande faktorer som kostnad, effektivitet, vridmomentkrav och kontrollkomplexitet.

Hastigheten hos en DC-motor styrs av förhållandet mellan ankarspänningen, den bakre elektromotoriska kraften, ankarmotståndet och det magnetiska flödet som produceras av fältet. Genom att manipulera någon av dessa faktorer kan motorns rotationshastighet ökas eller minskas. I praktiken uppnås detta i första hand genom tre elektriska styrmetoder, medan ett fjärde, rent mekaniskt tillvägagångssätt med en växellådsreducerare - som nu är en mainstream och kritisk metod i motorlösningsdesign - ger hastighetsreglering utan några modifieringar av motorns elektriska system.

Armaturspänningskontroll

Armaturspänningskontroll är den vanligaste och mest använda metoden för att justera DC-motorhastigheten. Eftersom motorhastigheten är ungefär proportionell mot spänningen som appliceras över ankarlindningen, får en ökning av matningsspänningen att motorn roterar snabbare, medan en minskning saktar ner motorn. Detta förhållande gör armaturspänningsstyrning till ett intuitivt och mycket effektivt sätt att uppnå smidig, kontinuerlig hastighetsjustering.

I moderna applikationer regleras ankarspänningen vanligtvis med hjälp av pulsbreddsmodulering (PWM), där medelspänningen som levereras till motorn varieras genom att snabbt slå på och av matningen vid en kontrollerad arbetscykel. Detta tillvägagångssätt erbjuder utmärkt effektivitet, snabb respons och ett brett hastighetsjusteringsområde, samtidigt som den genererar relativt lite värme jämfört med resistiva metoder. Armaturspänningsstyrning är särskilt väl lämpad för applikationer under motorns nominella hastighet, där den bibehåller ett relativt konstant vridmoment över det justerbara hastighetsområdet, vilket gör det till det föredragna valet för precisionsdrifter, automatiserad utrustning och batteridrivna enheter.

Fältflödeskontroll

För DC-borstade motorer bestäms den bakåtelektromotoriska kraften av magnetiskt flöde och rotationshastighet. Armaturspänningen är summan av bakre elektromotorisk kraft och spänningsfallet på ankarlindningar. Eftersom lindningsspänningsfallet är mycket litet vid normal drift, är ankarspänningen ungefär lika med den bakre elektromotoriska kraften.

När ankarspänningen och lastmomentet hålls konstanta är motorhastigheten omvänt proportionell mot magnetflödet. En minskning av det magnetiska flödet kommer att sänka den elektromotoriska kraften, öka ankarkretsens spänningsskillnad och höja ankarströmmen. Den högre strömmen kompenserar för vridmomentförlust från försvagat magnetiskt flöde och bibehåller ett stabilt utgående vridmoment. Så småningom går motorn snabbare med mindre magnetiskt flöde och långsammare med större magnetiskt flöde.

För DC-motorer med fältlindningar kan magnetflödet justeras genom att variera fältströmmen. Ett variabelt motstånd kopplat i serie inom fältspolens kraftkrets möjliggör reglering: minskning av motståndet kommer att öka fältströmmen, stärka magnetfältet och höja det magnetiska flödet.

Permanentmagnetiska DC-motorer är inte utrustade med fältlindningar, och deras magnetfält tillförs av permanentmagneter. För att öka det magnetiska flödet kan magneter med högre magnetisk prestanda användas. Dessutom är den magnetiska låsringen en komponent med hög magnetisk permeabilitet. Den håller tillbaka magnetiskt flöde från magneterna och optimerar den interna magnetiska kretsen. Att installera en magnetisk låsring minskar magnetiska förluster och ökar det effektiva magnetiska flödet för elektromekanisk energiomvandling.

Armaturmotståndskontroll

Ankarmotståndskontroll uppnår hastighetsminskning genom att sätta in ett variabelt motstånd i serie med ankarkretsen. När motståndet ökar, ökar spänningsfallet över motståndet, vilket gör att mindre spänning är tillgänglig för att driva motorn, vilket resulterar i lägre hastighet. Omvänt, minskning av motståndet tillåter mer spänning att nå ankaret, vilket ökar hastigheten upp till motorns nominella värde.

Även om denna metod är enkel, låg i kostnad och lätt att implementera, har den anmärkningsvärda nackdelar. En betydande del av ingående energi försvinner som värme i motståndet, vilket resulterar i lägre total verkningsgrad, särskilt vid reducerade hastigheter. Dessutom tillåter denna metod endast hastighetsreduktion under den nominella hastigheten och ger relativt grov kontroll jämfört med elektroniska metoder. Som ett resultat är styrning av ankarmotstånd i allmänhet begränsad till applikationer med lägre effekt, grundläggande styrsystem eller situationer där tillfällig, icke-kritisk hastighetsjustering är tillräcklig och elektroniska drivlösningar inte motiveras av kostnaden.

Lägga till en växellådsreducerare

Utöver de elektriska styrmetoderna som beskrivits ovan kan utgångshastigheten även justeras mekaniskt genom att koppla likströmsmotorn till en växellådsreducerare. En växellåda minskar varvtalet som levereras av motoraxeln samtidigt som det tillgängliga vridmomentet vid den utgående axeln ökar proportionellt, enligt det utväxlingsförhållande som valts för applikationen.

Detta tillvägagångssätt är särskilt värdefullt när en applikation kräver ett fast, förutsägbart utgående varvtal som är betydligt lägre än motorns naturliga driftområde, eller när högt vridmoment vid låg hastighet behövs utan att ställa alltför höga elektriska krav på själva motorn. Eftersom motorn kan fortsätta att arbeta nära sitt optimala varvtal och verkningsgrad medan växellådan hanterar hastighetsminskningen, ger denna kombination ofta bättre total effektivitet och hållbarhet än att förlita sig på enbart elektriska metoder för att uppnå mycket låga utgående hastigheter. Växellådsreducerare används i stor utsträckning tillsammans med borstade likströmsmotorer över robotik, industriell automation, hushållsapparater och elverktygsapplikationer, och de kan kombineras med någon av de elektriska hastighetskontrollmetoderna ovan för ytterligare finjustering av den slutliga utgångshastigheten.

Slutsats

Hastighetskontroll av DC-motorer är avgörande för att optimera systemets prestanda, förbättra energieffektiviteten och uppnå designade funktioner. När du väljer en lämplig lösning är det viktigt att ta full hänsyn till faktiska applikationskrav, energieffektivitetsmål och kostnadsbudgetar. Hongyang Motors borstade DC-motorer har flexibel design och är kompatibla med olika hastighetskontrolllösningar för att tillfredsställa differentierade kundbehov. Vi erbjuder omfattande produktkonfigurationer och professionell teknisk support för att hjälpa utrustningen att nå sitt bästa driftsläge.