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步進電機的選型計算方法

作者:motor來源:智匯工業 日期:2018-10-29

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步進電機的選用計算方法

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講:當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(及步進角)。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的;同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的。步進電機是機電一體化產品中關鍵部件之一,通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點,廣泛應用于機電一體化產品中,如:數控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。

選擇步進電機時,首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時,首先要計算機械系統的負載轉矩,電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中,各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機,負載力矩大。

選擇步進電機時,應使步距角和機械系統匹配,這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量,一是可以改變絲桿的導程,二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率,不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。

選擇功率步進電機時,應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率,使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量,使之最高速連續工作頻率能滿足機床快速移動的需要。

選擇步進電機需要進行以下計算:

(1)計算齒輪的減速比根據所要求脈沖當量,齒輪減速比i計算如下:

i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1)      式中φ -步進電機的步距角(o/脈沖) S -絲桿螺距(mm)Δ-(mm/脈沖)

(2)計算工作臺,絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。

Jt=J1+(1/i2)[(J2+Js)+W/g(S/2π)2](1-2)     式中Jt-折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2)

 J1、J2 -齒輪慣量(Kg.cm.s2)  Js-絲桿慣量(Kg.cm.s2)  W-工作臺重量(N)  S-絲桿螺距(cm)

(3)計算電機輸出的總力矩M

M=Ma+Mf+Mt(1-3)

Ma=(Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 (1-4)

式中Ma-電機啟動加速力矩(N.m)  Jm、Jt-電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2) n-電機所需達到的轉速(r/min)

T 電機升速時間(s)

Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2(1-5)    Mf-導軌摩擦折算至電機的轉矩(N.m)  u-摩擦系數  η-傳遞效率

Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2(1-6)    Mt-切削力折算至電機力矩(N.m)    Pt-最大切削力(N)

(4)負載起動頻率估算。數控系統控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大關系,其估算公式為

fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml)÷(1+Jt/Jm)] 1/2 (1-7) 式中fq 帶載起動頻率(Hz)fq0 空載起動頻率

 Ml 起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩(N.m) 若負載參數無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算.

(5)運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降,因此在最高頻率時,由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載,并留有足夠的余量。

(6)負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式(1-5)和式(1-6)計算,電機在最大進給速度時,由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和,并留有余量。一般來說,Mf與Mt之和應小于(0.2 ~0.4)Mmax。

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步進電機分類

步進電機分三種:永磁式(PM)、反應式(VR)和混合式(HB)。永磁式步進一般為兩相,轉矩和體積較小,步進角一般為7.5度或15度;反應式步進一般為三相,可實現大轉矩輸出,步進角一般為1.5度,但噪聲和振動都很大,在歐美等發達國家80年代已被淘汰;混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點,它又分為兩相和五相:兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度,山洋步進電機均為這種步進電機。

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保持轉矩(HOLDINGTORQUE)

保持轉矩(HOLDING TORQUE)是指步進電機通電但沒有轉動時,定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一,通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減,輸出功率也隨速度的增大而變化,所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如,當人們說2N.m的步進電機,在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。

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步進電機精度

步進電機精度為步進角的3-5%, 只有周期性的誤差,且不累積。

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步進電機的外表溫度

步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁,從而導致力矩下降乃至于失步,因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點;一般來講,磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上,有的甚至高達攝氏200度以上,所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

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步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降

當步進電機轉動時,電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢;頻率越高,反向電動勢越大。在它的作用下,電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導致力矩下降。

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步進電機低速時可以正常運轉

步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲,步進電機有一個技術參數:空載啟動頻率,即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機不能正常啟動,可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下,啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動,脈沖頻率應該有加速過程,即啟動頻率較低,然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉速從低速升到高速)。

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如何克服步進電機在低速運轉時的振動和噪聲

步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點,一般可采用以下方案來克服:

A.如步進電機正好工作在共振區,可通過改變減速比等機械傳動避開共振區;

B.采用帶有細分功能的驅動器,這是最常用的、最簡便的方法;

C.換成步距角更小的步進電機,如三相或五相步進電機;

D.換成交流伺服電機,幾乎可以完全克服震動和噪聲,但成本較高;

E.在電機軸上加磁性阻尼器,市場上已有這種產品,但機械結構改變較大。

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細分驅動器的細分數是否能代表精度

步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術(請參考有關文獻),其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動,提高電機的運轉精度只是細分技術的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8° 的兩相混合式步進電機,如果細分驅動器的細分數設置為4,那么電機的運轉分辨率為每個脈沖0.45°,電機的精度能否達到或接近0.45°,還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大;細分數越大精度越難控制。

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步進電機驅動器的直流供電電源

A.電壓的確定:混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍(比如PMM-BD-5702的供電電壓為24~36VDC),電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快,那么電壓取值也高,但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓,否則可能損壞驅動器。

B.電流的確定:供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源,電源電流一般可取I 的1.1~1.3倍;如果采用開關電源,電源電流一般可取I 的1.5~2.0倍。

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合式步進電機驅動器的脫機信號FREE

當脫機信號FREE為低電平時,驅動器輸出到電機的電流被切斷,電機轉子處于自由狀態(脫機狀態)。在有些自動化設備中,如果在驅動器不斷電的情況下要求直接轉動電機軸(手動方式),就可以將FREE信號置低,使電機脫機,進行手動操作或調節。手動完成后,再將FREE信號置高,以繼續自動控制。

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如何用簡單的方法調整兩相步進電機通電后的轉動方向

只需將電機與驅動器接線的A+和A-(或者B+和B-)對調即可

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該資訊的關鍵詞為:步進電機  電機選型  起動頻率 

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