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步進(jìn)電機(jī)的選用計(jì)算方法
作者： 發(fā)布時(shí)間：2009-2-18 14:01:05 閱讀次數(shù)：1725
1,、 步進(jìn)電機(jī)的選用計(jì)算方法
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）,。您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的,； 同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一,，通常被用作定位控制和定速控制,。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高,、無(wú)累積誤差,、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中,，如：數(shù)控機(jī)床,、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備,、復(fù)印機(jī),、傳真機(jī)等。
選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí),，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率,。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,，電機(jī)的矩頻特性能滿(mǎn)足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠,。在實(shí)際工作過(guò)程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi),。 一般地說(shuō)最大靜力矩Mjmax大的電機(jī),，負(fù)載力矩大。
選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí),，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配,，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量,，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程,，二是可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度,。精度是由電機(jī)的固有特性所決定,。
選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率,，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量,，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿(mǎn)足機(jī)床快速移動(dòng)的需要。
選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算：
�,。�1）計(jì)算齒輪的減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量,，齒輪減速比i計(jì)算如下:
i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1) 式中φ -步進(jìn)電機(jī)的步距角（o/脈沖） S -絲桿螺距（mm) Δ-(mm/脈沖）
（2）計(jì)算工作臺(tái),，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)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(jī)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(tái)重量（N） S-絲桿螺距（cm）
�,。�3）計(jì)算電機(jī)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(jī)啟動(dòng)加速力矩（N.m) Jm,、Jt-電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2) n-電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min）
T---電機(jī)升速時(shí)間（s）
Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-5） Mf-導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N.m) u-摩擦系數(shù) η-傳遞效率
Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-6） Mt-切削力折算至電機(jī)力矩（N.m) Pt-最大切削力（N）
（4）負(fù)載起動(dòng)頻率估算,。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)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(dòng)頻率（Hz） fq0---空載起動(dòng)頻率
Ml---起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（N.m) 若負(fù)載參數(shù)無(wú)法精確確定,則可按fq=1/2fq0進(jìn)行估算.
（5）運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算,。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降,，因此在最高頻率時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載,，并留有足夠的余量,。
（6）負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax,。負(fù)載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計(jì)算,，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩要大于Mf與Mt之和,，并留有余量,。一般來(lái)說(shuō)，Mf與Mt之和應(yīng)小于（0.2 ～0.4）Mmax,。
2,、 步進(jìn)電機(jī)分類(lèi)
步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）,。永磁式步進(jìn)一般為兩相,，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度,；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相,，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大,，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰,；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度,，山洋步進(jìn)電機(jī)均為這種步進(jìn)電機(jī),。
3、保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）
保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩,。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩,。由于步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一,。比如，當(dāng)人們說(shuō)2N.m的步進(jìn)電機(jī),，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī),。
4、步進(jìn)電機(jī)精度為步進(jìn)角的3-5%,， 只有周期性的誤差,，且不累積。
5,、步進(jìn)電機(jī)的外表溫度
步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁,，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn),；一般來(lái)講,，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上,，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常,。
6、步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì),；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大,。在它的作用下,，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降,。
7,、步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲
步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率,，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值,，電機(jī)不能正常啟動(dòng),，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下,，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低,。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程,，即啟動(dòng)頻率較低,，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?br />
8、如何克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)和噪聲
步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲大是其固有的缺點(diǎn),，一般可采用以下方案來(lái)克服：
A.如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū),，可通過(guò)改變減速比等機(jī)械傳動(dòng)避開(kāi)共振區(qū)；
B.采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器,，這是最常用的,、最簡(jiǎn)便的方法；
C.換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī),，如三相或五相步進(jìn)電機(jī),；
D.換成交流伺服電機(jī)，幾乎可以完全克服震動(dòng)和噪聲,，但成本較高,；
E.在電機(jī)軸上加磁性阻尼器，市場(chǎng)上已有這種產(chǎn)品,，但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大,。
9、細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度
步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請(qǐng)參考有關(guān)文獻(xiàn)）,，其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng),，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。比如對(duì)于步進(jìn)角為1.8° 的兩相混合式步進(jìn)電機(jī),，如果細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4,，那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個(gè)脈沖0.45°，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近0.45°,，還取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其它因素,。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制,。
10,、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的直流供電電源
A.電壓的確定： 混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)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(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來(lái)選擇,。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)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(guò)驅(qū)動(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動(dòng)器,。
B.電流的確定：供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出相電流I來(lái)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(kāi)關(guān)電源,，電源電流一般可取I 的1.5～2.0倍。
11,、混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脫機(jī)信號(hào)FREE
當(dāng)脫機(jī)信號(hào)FREE為低電平時(shí),，驅(qū)動(dòng)器輸出到電機(jī)的電流被切斷，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）,。在有些自動(dòng)化設(shè)備中,，如果在驅(qū)動(dòng)器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸（手動(dòng)方式），就可以將FREE信號(hào)置低,，使電機(jī)脫機(jī),，進(jìn)行手動(dòng)操作或調(diào)節(jié)。手動(dòng)完成后,，再將FREE信號(hào)置高,，以繼續(xù)自動(dòng)控制。
12,、如何用簡(jiǎn)單的方法調(diào)整兩相步進(jìn)電機(jī)通電后的轉(zhuǎn)動(dòng)方向
只需將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線的A+和A-（或者B+和B-）對(duì)調(diào)即可。 |
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發(fā)表于 2010-4-25 20:00:38
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