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La stabilità della velocità di un motore a corrente continua determina direttamente il suo valore applicativo. Soprattutto in scenari come la produzione di precisione e il trasporto automatizzato, le fluttuazioni di velocità spesso causano problemi alla catena. Per risolvere questo problema, è necessario partire dalle caratteristiche strutturali e dal principio di funzionamento del motore, condurre un'analisi completa in combinazione con i sistemi di controllo elettrico e di trasmissione meccanica, identificare il punto cruciale e adottare misure mirate.
I. Cause principali della fluttuazione della velocità
La formula della velocità di un motore a corrente continua è n = (U – IaRa) / (CeΦ) (dove n è la velocità, U è la tensione di indotto, Ia è la corrente di indotto, Ra è la resistenza di indotto, Ce è la costante della forza controelettromotrice e Φ è il flusso di eccitazione). L'instabilità di qualsiasi parametro nella formula causerà fluttuazioni di velocità, che possono essere specificamente suddivise in tre categorie.
1. Sistema elettrico anomalo: induttore diretto della fluttuazione dei parametri
L'alimentazione instabile dell'indotto è il fattore più comune. Ad esempio, un'eccessiva ondulazione nell'uscita dell'alimentatore CC, un contatto difettoso dei fili o un'improvvisa caduta di tensione causata da un diametro del filo insufficiente causeranno fluttuazioni anomale del valore U nella formula. Anche i guasti nel circuito di eccitazione sono cruciali. In un motore con eccitazione in serie, l'avvolgimento di eccitazione è collegato in serie con l'indotto; in caso di cortocircuito parziale nell'avvolgimento, Φ diminuirà, con conseguente aumento improvviso della velocità. In un motore con eccitazione in derivazione, un contatto difettoso della resistenza del circuito di eccitazione causerà variazioni nella corrente di eccitazione, con conseguente fluttuazione di Φ. Inoltre, cortocircuiti tra spire nell'avvolgimento dell'indotto o l'ossidazione dei segmenti del commutatore causeranno mutazioni istantanee di Ia e la caduta di tensione generata attraverso Ra varierà di conseguenza, interrompendo il bilanciamento della velocità.
2. Problemi di struttura meccanica: fattori interferenti nella trasmissione della forza
Il metodo di collegamento tra il motore e il carico influisce direttamente sulla stabilità della velocità. Un disallineamento nell'installazione del giunto (come disallineamento e allentamento) causerà fluttuazioni periodiche della coppia di carico, con conseguenti gravi fluttuazioni di Ia al variare del carico. L'usura dei cuscinetti o una scarsa lubrificazione aumenteranno la resistenza all'attrito meccanico; la variazione casuale di questa resistenza romperà l'equilibrio "coppia elettromagnetica = coppia di carico + coppia di attrito" e causerà fluttuazioni di velocità. Se il motore stesso presenta un problema di sbilanciamento del rotore, la forza centrifuga generata durante la rotazione ad alta velocità causerà vibrazioni meccaniche, aggravando ulteriormente le fluttuazioni di coppia.
3. Fattori di controllo e ambientali: regolazione del sistema e interferenze esterne
Una causa importante è rappresentata da parametri non corrispondenti del sistema di controllo della velocità. Ad esempio, un coefficiente proporzionale eccessivamente elevato del controllore PID porta facilmente a sovraelongazioni, mentre un tempo integrale eccessivamente lungo non riesce a sopprimere tempestivamente gli errori a regime stazionario, causando oscillazioni della velocità attorno al valore target. Anche le interferenze ambientali esterne non possono essere ignorate: forti radiazioni elettromagnetiche interferiranno con i segnali di controllo e le variazioni di temperatura influenzeranno i valori di resistenza di Ra e dell'avvolgimento di eccitazione. All'aumentare della temperatura, Ra aumenta; se U rimane invariato, Ia e la coppia elettromagnetica diminuiranno, portando infine a un calo della velocità.
II. Soluzioni sistematiche
1. Ottimizzare il sistema elettrico per stabilizzare i parametri principali
Innanzitutto, ispezionare il sistema di alimentazione: sostituire l'alimentatore CC con uno di alta qualità (fattore di ondulazione ≤ 1%) o collegare un condensatore in parallelo al terminale di uscita di potenza per il filtraggio. Per problemi con i cavi, è necessario assicurarsi che la sezione trasversale del cavo soddisfi i requisiti di corrente (densità di corrente ≤ 6 A/mm²), serrare nuovamente i morsetti e utilizzare contatti argentati, se necessario, per ridurre la resistenza di contatto. In secondo luogo, revisionare gli avvolgimenti: rilevare l'isolamento degli avvolgimenti di indotto e di eccitazione con un megaohmetro. In caso di cortocircuito, riavvolgere gli avvolgimenti e verificarne la precisione (errore interspirazione ≤ 0,5%). Per i segmenti del commutatore ossidati, lucidarli con carta vetrata fine e applicare grasso conduttivo; allo stesso tempo, controllare l'area di contatto tra la spazzola e i segmenti del commutatore per assicurarsi che non sia inferiore all'85%.
2. Riparare la struttura meccanica per eliminare le interferenze di trasmissione
In caso di problemi di collegamento, ricalibrare il giunto per assicurarsi che l'eccentricità radiale sia ≤ 0,05 mm e l'eccentricità della superficie frontale sia ≤ 0,03 mm. Se la fluttuazione del carico è elevata, è possibile utilizzare un giunto flessibile per assorbire gli urti. In caso di guasti ai cuscinetti, è necessario sostituire tempestivamente cuscinetti ad alta precisione dello stesso modello (ad esempio di grado P5) e aggiungere regolarmente grasso resistente alle alte temperature (ogni 500 ore di funzionamento). Se il rotore è sbilanciato, eseguire un test di bilanciamento dinamico e controllare lo sbilanciamento entro 5 g·cm aggiungendo pesi di bilanciamento a entrambe le estremità del rotore.
3. Migliorare le strategie di controllo per isolare le interferenze esterne
Ricalibrare i parametri PID e determinare i parametri ottimali tramite test di risposta al gradino: il coefficiente proporzionale garantisce che la velocità di risposta soddisfi i requisiti, il tempo integrale elimina gli errori statici e il tempo derivativo sopprime l'overshoot. Per le interferenze elettromagnetiche, è possibile avvolgere uno strato di schermatura metallica attorno al circuito di controllo, collegandolo a terra in un unico punto. Per gestire l'impatto della temperatura, installare un sensore di temperatura sul motore e realizzare la compensazione della temperatura della tensione di armatura tramite il sistema di controllo: quando la temperatura aumenta di 10 °C, la tensione di armatura aumenta automaticamente dell'1%~2%. Inoltre, eseguire una manutenzione regolare del motore, rimuovere la polvere superficiale e ispezionare il sistema di raffreddamento per garantire che il motore funzioni entro un intervallo di temperatura compreso tra 40 °C e 60 °C.
Grazie alle misure sistematiche sopra descritte, negli aspetti elettrici, meccanici e di controllo, è possibile risolvere efficacemente il problema delle fluttuazioni di velocità dei motori a corrente continua. La fluttuazione di velocità può essere controllata entro ±1%, il che soddisfa i requisiti di precisione operativa e prolunga la durata del motore di oltre il 30%.
