步進(jìn)電機(jī)常識與選型計(jì)算

1、步進(jìn)電機(jī)常識與選型計(jì)算、什么是步進(jìn)電機(jī)1. 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)動器接收到一個脈沖信號 ,它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角 ）.您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量 ,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的 ;同時(shí)您可以通過控制脈沖頻 率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度 ,從而達(dá)到調(diào)速的目的2. 步進(jìn)電機(jī)分哪幾種步進(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,但噪聲和振動都很大

2、 .在歐美等發(fā)達(dá)國家 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.這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛 .3. 什么是保持轉(zhuǎn)矩 （HOLDING TORQUE）保持轉(zhuǎn)矩 （HOLDING TORQUE） 是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時(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 2N.m 的步進(jìn)電機(jī) ,在沒有

3、特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 2N.m 的步進(jìn)電機(jī) .4. 什么是 DETENT TORQUEDETENT TORQUE 是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩 .DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式 ,容易使大家產(chǎn)生誤解 ;由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料 ,所以它沒有 DETENT TORQUE.5. 步進(jìn)電機(jī)精度為多少是否累積一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3-5%, 且不累積 .6. 步進(jìn)電機(jī)的外表溫度允許達(dá)到多少 步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(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

4、般來講 ,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 .7. 為什么步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí) ,電機(jī)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(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 .8. 為什么步進(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法啟動,并伴有嘯叫聲步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù) :空載啟動頻率 ,即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟動 ,可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn) .在有負(fù)

5、載的情況下 , 啟動頻率應(yīng)更低 .如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動,脈沖頻率應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）.9. 如何克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動和噪聲 步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動時(shí)振動和噪聲大是其固有的缺點(diǎn),一般可采用以下方案來克服:A.如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機(jī)械傳動避開共振區(qū)；B采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)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(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和噪聲，但成本較高E. 在電機(jī)軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變

6、較大10. 細(xì)分驅(qū)動器的細(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 ，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個附帶功能.比如對于步進(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)動器精度可能差別很大 ;細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制 .11. 四相混合式步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別四相混合式步進(jìn)電機(jī)一

7、般由兩相驅(qū)動器來驅(qū)動 ，因此，連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法 將四相電機(jī)接成兩相使用.串聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較的場合使用，此時(shí)需要的驅(qū)動器輸出電流為電機(jī)相電流的 0.7 倍，因而電機(jī)發(fā)熱小 ;并聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的場合使用（又稱高速接法 ），所需要的驅(qū)動器輸出電流為電機(jī)相電流的1.4 倍，因而電機(jī)發(fā)熱較大 .12. 如何步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的直流供電電源A. 電壓的確定混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如 IM483 的供電電壓為1248VDC）,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

8、波不能超過驅(qū)動器的最大輸入 電壓，否則可能損壞驅(qū)動器 B. 電流的確定供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)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1.11.3倍;如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I的1.52.0倍13. 混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脫機(jī)信號FREE 般在什么情況下使用當(dāng)脫機(jī)信號 FREE 為低電平時(shí) ,驅(qū)動器輸出到電機(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) ）.在有些自動化設(shè)備中 ,如果在驅(qū)動器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動電機(jī)軸（ 手動方式）,就可以將 FREE 信號置低 ,使電機(jī)脫機(jī) ,進(jìn)行手動操作或調(diào)節(jié) .手動完成后 ,再將 FREE 信號置高 ,以繼續(xù)自動控制

9、 .14. 如果用簡單的方法調(diào)整兩相步進(jìn)電機(jī)通電后的轉(zhuǎn)動方向只需將電機(jī)與驅(qū)動器接線的 A+ 和 A-（ 或者 B+ 和 B-） 對調(diào)即可 .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 傳動過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)

10、程， 二是可以通過步進(jìn)電機(jī) 的細(xì)分驅(qū)動來完成。 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)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動的 需要。二、 怎樣選擇步進(jìn)電機(jī)決定驅(qū)動機(jī)構(gòu) ：首先決定驅(qū)動機(jī)構(gòu)。代表性的驅(qū)動機(jī)構(gòu)有簡單的旋轉(zhuǎn)體，以及滾珠螺桿、皮帶輪、齒條齒輪等。因此，這時(shí)必須預(yù)先決定搬運(yùn)物的質(zhì)量、各部位的尺寸、滑動面的 摩擦系數(shù)等。確認(rèn)所要求的規(guī)格 （設(shè)備的規(guī)格）:若為移動速度及驅(qū)動時(shí)間、定位運(yùn)行時(shí)，則必須確認(rèn)定 位距離與定位時(shí)間等的驅(qū)動

11、條件，并且要確認(rèn)停止精度、分辨率、位置保持、使用電壓、使用環(huán)境等。計(jì)算負(fù)載：計(jì)算電動機(jī)驅(qū)動軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩及負(fù)載慣性慣量，代表機(jī)構(gòu)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算一卜參考。選擇電動機(jī)機(jī)種 ：請依照需要的規(guī)格自AC小型標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)、無刷直流電動機(jī)、步進(jìn)電動 機(jī)中選擇最適合的機(jī)種。選用計(jì)算：從機(jī)械強(qiáng)度、加速時(shí)間、加速轉(zhuǎn)矩等各方面再次確認(rèn)電動機(jī)/減速機(jī)的規(guī)格是否符合所有要求規(guī)格，然后決定電動機(jī)。每一個電動機(jī)機(jī)種要確認(rèn)的項(xiàng)目都不一樣，請確定以下公式1、不同驅(qū)動機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式滾珠絲杠驅(qū)動N'mJF = FA 十Jn口（Sjn a 十 H co 的N滑輪驅(qū)動金屬線皮帶驅(qū)動齒條齒輪驅(qū)動N'mJF =

12、Flii-Ing (Sin a s) LNJl.實(shí)測計(jì)算方法F =軸方向負(fù)載 NFo =預(yù)負(fù)載N (= 1/3F ) 0 =預(yù)壓螺帽的內(nèi)部摩擦系數(shù)(0.10.3) =效率(0.85 0.95 )i =減速比(機(jī)構(gòu)的減速比，不是本公司減速機(jī)的減速比)P B =滾珠螺桿螺距 mrev F A =外力NF B =主軸開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的力量N(FB=彈簧秤值(kg )×g ms2)m =工作物與工作臺的總質(zhì)量kg =滑動面的摩擦系數(shù)(0.05 ) =傾斜角度° D=終段滑輪直徑mg =重力加速度m/s2(9.807 ) 慣量的計(jì)算方式圓柱體慣量計(jì)算£附恥一扁PLD聲g 1中空圓

13、柱體的慣性慣量1'JZ =-g-m(Ds+Za) = -22 WE(Di"QJ) -j2) ® 旳呂叭型乎十寫 m訃=汗軸¾uK距HIml不通過重心的軸的慣性慣量12JJC =JQ十冊護(hù)二-7mU-+if 12Zj)kf mi棱柱體的慣性慣量x -命巾 Gvy >L -Lkg-m=羽 =m(j÷Ca>= J9C(Sa+C= m 一 G直線運(yùn)動物體的慣性慣量=n(- )2 m3A = flltt Iv2、電機(jī)的選用計(jì)算公式轉(zhuǎn)速低速、運(yùn)行模式運(yùn)行模式有下圖二種。通常是以左邊的加減速運(yùn)行模式為一般的情形, 負(fù)載慣 性慣量小時(shí)，可以采取右圖的

14、自起動運(yùn)行。工作脈沖數(shù)是以脈沖信號來表示將工作物由A點(diǎn)移至B點(diǎn)時(shí)，電動 機(jī)必需轉(zhuǎn)動的角度。工作脈沖婦脈神】=由A點(diǎn)到B點(diǎn)的移動盤電動機(jī)每運(yùn)轉(zhuǎn)一周的移動量乂電動機(jī)每遠(yuǎn)轉(zhuǎn)一周 所需的展曲數(shù)刊：步距角工作肪沖數(shù)J沖定位時(shí)間運(yùn)行脈沖速度f 2的計(jì)算公式 運(yùn)行脈沖速度可通過工作脈沖數(shù)與定位時(shí)間及加減速時(shí)間進(jìn)行計(jì)算加減速運(yùn)行時(shí)加減速時(shí)間的長短是選用時(shí)的重點(diǎn)，但是除此之外還必須考慮加速轉(zhuǎn)矩及加減速常數(shù)的平衡，所以不能輕易決定。因此，開始計(jì)算時(shí)，設(shè)定定位時(shí)間的25%左右為 標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行計(jì)算的（最后必須調(diào)整）抑減速時(shí)間s三定位時(shí)間（SlXO 25工作騰沖 S 加建連 ¾沖-謹(jǐn)度life 乂 時(shí)間僅 -定

15、位時(shí)間2加減腥時(shí)問同 8fj-f自起動運(yùn)行時(shí) 運(yùn)行 IfcflIiHz=加減速常數(shù)TR的計(jì)算公式 表示脈沖速度的加速程度，以下述公式計(jì)算機(jī)減il常JfcTV二 mkH2j加癱謹(jǐn)時(shí)間訂 iB 起彈沖 速度kHz- kHzIi運(yùn)行11度EmirI】W運(yùn)行IH沖SHzxg360XGO運(yùn)行脈沖速度至運(yùn)行速度的換算公式加速轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式不論電動機(jī)種類為何， 速度變化時(shí)，加速及減速轉(zhuǎn)矩都是不可缺少的要素。 每一種電動機(jī)的基本公式都是一樣的，但是步進(jìn)電動機(jī)多數(shù)是根據(jù)脈沖速度考慮的，公式如下述，與其 它電動機(jī)不同。AC電動機(jī)（無刷貫流電動機(jī)亦同）轉(zhuǎn)tRA全慣性慣加te _ kg mitkg v 我 運(yùn)行iIt

16、lrfmim齊Nf麺抑誠速時(shí)間對_ （+ NH9.55 fisfffNM rmi* 'HAC VIB1Acvm步進(jìn)電動機(jī)(I) 抑減速運(yùn)行時(shí)Ctff TlIi) rua)HX步距ar】IW運(yùn)荷肚沖 起動總沖 噫度凹 連gj -SiiS麗= Jd+J.) X180自起動運(yùn)行時(shí)加速轉(zhuǎn)距7N In)輕動慣懼Lkg - m1JJc+JJ Xttffl.JrX步i以：云行沖連蜃【山I mr / X130'二-180 Fln.6*J必要轉(zhuǎn)矩T柚的計(jì)算公式負(fù)裁轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩的和.乘以安全率即是必要轉(zhuǎn)矩。必要轉(zhuǎn)M= (ft矩+抑速轉(zhuǎn)距 X安全率 =(L + Ta) XSf、選型案例滾珠螺桿的機(jī)

17、構(gòu) 步進(jìn)電動機(jī)(dm-)控制器歩進(jìn)駆動乗可編程控制器決定驅(qū)動機(jī)構(gòu)工作臺與工作物的總質(zhì)量m =4Okg滑動面的摩擦系數(shù)“ =0.05滾珠螺桿的效率 =0.9預(yù)壓蝮帽的內(nèi)部摩擦系數(shù)“0 =0.3滾珠螺桿的軸徑Db=15mm滾珠螺桿的全長LB =60Omin滾珠螺桿的材質(zhì)鐵(密度Q = 7.9 X10' kgm'J)滾珠螺桿的螺距 PB 15mm分辨率Z= 0.03mmSteP(1脈沖的移動)移動量I = 18OmnI定位時(shí)間 To = 0.8秒以內(nèi)算出必要分辨率36CrX要求分辨率(山)滾珠1桿的螺距(Pb)360° XO.03 =15= 072° 可直接揺合使

18、用步進(jìn)電動機(jī)組合產(chǎn)品p系列。決定運(yùn)行摸式(i參閱G4頁的基本公式)(1) 算出工作沖數(shù)A 脈沖工作脈沖數(shù)A =1次移動僵(/)360°滾珠螺桿的螺距(PJ步距角2s)180=百X碩T =6000【脈沖(2) 決定加減速時(shí)間ns加減速時(shí)間以定位時(shí)間的25%為適。加減速時(shí)間 tl = 0.8X0.25 = 0.2 8(3) 算出運(yùn)行1»沖速度怠Hz運(yùn)行脈沖速廝=工作脈沖數(shù)-起動脈沖速度S)X加減速時(shí)間(f)定位時(shí)間M-加減速時(shí)間S)0.8-0.2= IoOoo HzIOOOON工】««竜疋七醱6000族沖0.2時(shí)間o= 0.8(4) 出運(yùn)行速度JVrmin運(yùn)行速度X60O 7?= IOaOOX60=1200 rmin算出必要轉(zhuǎn)矩7Nm(參閱G4頁) (1) Jr出負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLtN m軸向負(fù)S?1 = Fa +mg (ain ÷rcoa )= 0+40× 9.807 (SinO+0.05COSO)= 19.N預(yù)負(fù)O =負(fù)載轉(zhuǎn)矩幾=F Pr2.2.719.6X15X1070.3X6.53X15X10 一-2.×0.9- +27= 0.0567 Nm(2) 算出加速轉(zhuǎn)7aN m算出全慣性慣Skgm (請參閱G&