步進(jìn)電機(jī)計(jì)算與選型

1、步進(jìn)電機(jī)計(jì)算與選型The manuscript was revised on the evening of 2021第1章步進(jìn)電機(jī)計(jì)算與選型步進(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（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^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；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來(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)作為，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制 系統(tǒng)中。隨著微電子和技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民 經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。我司主要機(jī)械設(shè)計(jì)

2、中運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力源主要是步進(jìn)電機(jī)。因此著重介紹步進(jìn) 電機(jī)的計(jì)算與選型。1.1步進(jìn)電機(jī)基本術(shù)語(yǔ)保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(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。保持轉(zhuǎn)矩越大則電機(jī)帶負(fù)載能力越強(qiáng)。山于步進(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)重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō)的步進(jìn) 電機(jī)，在沒有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為的步進(jìn)電機(jī)。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LI的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)

3、，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)角為度的兩相混合式步進(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)脈沖度，電機(jī)的精度能否 達(dá)到或接近度，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。運(yùn)行矩頻特性是電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲 線。實(shí)用公式：轉(zhuǎn)速（r/s）二脈沖頻率/ （電機(jī)每轉(zhuǎn)整步數(shù)*細(xì)分?jǐn)?shù)）V（r/s）= Pe（，360x/nV：電機(jī)轉(zhuǎn)速（R/S） ； P：脈沖頻率（Hz） ； 0c：電機(jī)固有步距角:m：細(xì) 分?jǐn)?shù)（整步為1,半步為21.2電機(jī)計(jì)算與選型

4、方法選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟:1. 電機(jī)最大速度選擇步進(jìn)電機(jī)最大速度一般在6001200 rpm。交流伺服電機(jī)額泄速度一般在3000 rpm,最大轉(zhuǎn)速為5000rpnu機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)要根據(jù)此參數(shù)設(shè)計(jì)。2. 電機(jī)定位精度的選擇機(jī)械傳動(dòng)比確左后，可根據(jù)控制系統(tǒng)的左位精度選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角及驅(qū)動(dòng)器的細(xì) 分等級(jí)。一般選電機(jī)的一個(gè)步距角對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)泄位精度的1/2或更小。注意：當(dāng)細(xì)分等級(jí)大于1/4后，步距角的精度不能保證。3. 電機(jī)力矩選擇步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確左，我們往往先確左電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的 依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低 速）時(shí)二種

5、負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù) 載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選左，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng) 度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）A.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J = rp dV式中：dV為體積元，為物體密度，r為體積元與轉(zhuǎn)軸的距離。單位：kgm2將負(fù)載質(zhì)量換算到電機(jī)輸出軸上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，常見傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與公式如下：a）深珠絲杠xBP 命ML：w :可動(dòng)部分總B®kgBP：絲杠蛭矩血GL：癡速比（無(wú)單位）b）齒條和小齒輪傳送帶槌條傳動(dòng)W：可動(dòng)部分總重呈kgo：小齒輪直徑mm鏈輪直徑mrnGL：凝速比（無(wú)単位）c）旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)盤嶇動(dòng)J 二（jm 角

6、書 XGL£Ji:轉(zhuǎn)盤的慣性矩 w :轉(zhuǎn)盤上拗體的亙童Kg:物體與旋轉(zhuǎn)軸的gl：減透比（無(wú)蘭位）B.加速度計(jì)算皿(rad / s2)ArC.電機(jī)力矩計(jì)算力矩計(jì)算公式為:T = (Jy + TM式中：Tl為系統(tǒng)外力折算到電機(jī)上的力矩：為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。13計(jì)算例題已知：直線平臺(tái)水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最大行程L=400 mm,同步帶傳動(dòng)；往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期為 T = 4s；重復(fù)建位謀差mm：平臺(tái)運(yùn)動(dòng)質(zhì)M = 10 kg，無(wú)外力。求：電機(jī)型號(hào).同步帶輪直徑.最大細(xì)分?jǐn)?shù)。平均速度為：V =0.4/2 = 0.27H/5設(shè)加速時(shí)間為S：（步進(jìn)電機(jī)一般取加速時(shí)間為：1秒）（伺服電機(jī)一般取加速時(shí)間為：秒）則加減

7、速時(shí)間共為S,且加減速過程的平均速度為最大速度的一半。故有：L = Vmax / 2 + Vmax+ Vmax/2= m得：Vmax = / ( /2 + ) = m/sa = AV=211-0 = 2Hm/s2所以，加速度為：01加速距離：S=S.+V+-at2 =1x2.1 lx0.12=0.0106m1 ° ° 2 2勻速距離:S2 = Vmax X t = 0.211x1.8 = 0.380 m減速距離和加速距離相同，S3 = S = 0.0106 m S = S + S2 + S3 = 0.401 m2動(dòng)力學(xué)計(jì)算同步帶上需要拉力：F = Ma + f摩擦力：f =

8、 Mg設(shè)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)=則摩擦力：f= 10 = N慣性力:Fi = Ma = 10 = N故：同步帶上要有拉力F=Fi+f=+= N3.選擇同步帶直徑和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)m設(shè)同步帶直徑6=30 mm周長(zhǎng)為C=30 = mm核算定位精度:C/(360° /m)<：細(xì)分?jǐn)?shù)：m>C/(200 =/(200 =核算最大轉(zhuǎn)速:nmax = Vmax/C = /1000) = r/s顯然，細(xì)分?jǐn)?shù)太大，最大轉(zhuǎn)速太低。但是，同步帶直徑也不可能小2倍，所以只能增加一級(jí)減速。第2級(jí)主動(dòng)輪宜徑仍?。?lt;1>3= 30 mm：第1級(jí)主動(dòng)輪直徑取：5= 25 mm：減速比?。篿 = 1 ：

9、3：則第1級(jí)從動(dòng)輪直徑為?。? = 75 mm：電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為："max uSxHmax/CuGnZWs)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)：m > 67(200x0.05/,) = 34故，取4細(xì)分就很合適了。實(shí)際脈沖當(dāng)疑：J = C/(200xmH) = 0.04/nn/即滿足重復(fù)左位誤差 mm。4. 計(jì)算電機(jī)力矩，選擇電機(jī)型號(hào)第2級(jí)主動(dòng)輪上的力矩：T2=F<P3/2第1級(jí)主動(dòng)輪上，即電機(jī)軸上的力矩：Tl=T2i=F<D3/2 i= Nm由于沒有考慮同步帶的效率、導(dǎo)軌和滑塊裝配誤差造成的摩擦、同步帶輪的摩擦和轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量等因素，同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在髙速時(shí)扭矩要大幅度下降：所以，取安全系數(shù)為2比較 保險(xiǎn)。故，電機(jī)力矩To= 2 = Nm選57HS09即可，其靜力矩為