当前位置》选型方法 步进电机的选型计算方法                                        [返回]
  1、 步进电机的选用计算方法
  步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的; 同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机是机电一体化产品中关键部件之一,通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点,广泛应用于机电一体化产品中,如:数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。
  选择步进电机时,首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时,首先要计算机械系统的负载转矩,电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中,各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。 一般地说最大静力矩Mjmax大的电机,负载力矩大。
  选择步进电机时,应使步距角和机械系统匹配,这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量,一是可以改变丝杆的导程,二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率,不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。
选择功率步进电机时,应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率,使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量,使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。
  选择步进电机需要进行以下计算:
   (1)计算齿轮的减速比 根据所要求脉冲当量,齿轮减速比i计算如下:
       i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1)      式中φ -步进电机的步距角(o/脉冲) S -丝杆螺距(mm) Δ-(mm/脉冲)
   (2)计算工作台,丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。
       Jt=J1+(1/i2)[(J2+Js)+W/g(S/2π)2] (1-2)     式中Jt-折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)
           J1、J2 -齿轮惯量(Kg.cm.s2)  Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2)  W-工作台重量(N)  S-丝杆螺距(cm)
   (3)计算电机输出的总力矩M
       M=Ma+Mf+Mt (1-3)
       Ma=(Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 (1-4)
           式中Ma -电机启动加速力矩(N.m)  Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n-电机所需达到的转速(r/min)
             T---电机升速时间(s)
       Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 (1-5)    Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩(N.m)  u-摩擦系数  η-传递效率
       Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 (1-6)    Mt-切削力折算至电机力矩(N.m)    Pt-最大切削力(N)
   (4)负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系,其估算公式为
       fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml)÷(1+Jt/Jm)] 1/2 (1-7) 式中fq---带载起动频率(Hz) fq0---空载起动频率
           Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩(N.m) 若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.
   (5)运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降,因此在最高频率时,由矩频特性的输出力矩应能驱动负载,并留有足够的余量。
   (6)负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式(1-5)和式(1-6)计算,电机在最大进给速度时,由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和,并留有余量。一般来说,Mf与Mt之和应小于(0.2 ~0.4)Mmax。
  2、 步进电机分类
  步进电机分三种:永磁式(PM)、反应式(VR)和混合式(HB)。永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大,在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点,它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度,山洋步进电机均为这种步进电机。
  3、保持转矩(HOLDING TORQUE)  
  保持转矩(HOLDING TORQUE)是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
  4、步进电机精度为步进角的3-5%, 只有周期性的误差,且不累积。
  5、步进电机的外表温度
  步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
  6、步进电机的力矩会随转速的升高而下降
  当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。
  7、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声
  步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
  8、如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声
  步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点,一般可采用以下方案来克服:
   A.如步进电机正好工作在共振区,可通过改变减速比等机械传动避开共振区;
   B.采用带有细分功能的驱动器,这是最常用的、最简便的方法;
   C.换成步距角更小的步进电机,如三相或五相步进电机;
   D.换成交流伺服电机,几乎可以完全克服震动和噪声,但成本较高;
   E.在电机轴上加磁性阻尼器,市场上已有这种产品,但机械结构改变较大。
  9、细分驱动器的细分数是否能代表精度
  步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术(请参考有关文献),其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动,提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8° 的两相混合式步进电机,如果细分驱动器的细分数设置为4,那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°,电机的精度能否达到或接近0.45°,还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大;细分数越大精度越难控制。
  10、步进电机驱动器的直流供电电源
  A.电压的确定: 混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围(比如PMM-BD-5702的供电电压为24~36VDC),电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快,那么电压取值也高,但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压,否则可能损坏驱动器。
  B.电流的确定:供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源,电源电流一般可取I 的1.1~1.3倍;如果采用开关电源,电源电流一般可取I 的1.5~2.0倍。
  11、混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE
  当脱机信号FREE为低电平时,驱动器输出到电机的电流被切断,电机转子处于自由状态(脱机状态)。在有些自动化设备中,如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴(手动方式),就可以将FREE信号置低,使电机脱机,进行手动操作或调节。手动完成后,再将FREE信号置高,以继续自动控制。
  12、如何用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向
  只需将电机与驱动器接线的A+和A-(或者B+和B-)对调即可。
 
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