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步进电机的选用计算方法

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发表于 2020-7-16 09:58:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
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1、 步进电机的选用计算方法
1 L( s, D. C) j9 J7 m  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。
' j9 C2 H! j4 m7 q  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。 6 {7 A. Y. g/ ^6 l
  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。 $ y/ A9 L( R3 P7 t' z
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。
3 ~% x* z$ P$ S1 R: a3 r7 @% R  选择步进电机需要进行以下计算:
$ t1 q. Q" T7 Y   (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: 5 y' }, r/ H5 }2 h4 B  q! \
       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 [* ~6 F1 o. W. J! f! p, ~   (2)计算工作台,丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。 / @7 R: }# y# G% u
       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)
' _9 G: K, `9 p3 F( x9 s& ~5 V           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) - z" a, _0 D* U2 v
   (3)计算电机输出的总力矩M 7 ~7 x* K/ p, ?
       M=Ma+Mf+Mt (1-3) - g# F, \( A2 ~- J2 v8 s* f4 F
       Ma=(Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 (1-4)
. }0 p/ |% w5 V2 b: E. o: Z, ~           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) ' p, k  z% |- _0 @( U# X" J- k' Z
             T---电机升速时间(s) - I7 U7 ]4 o3 \0 o- e  g
       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
: B4 R3 G. s5 e4 b       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) ) l! r0 _% }0 r/ n, T0 p( t
   (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
# d$ D* h  h. Q5 Z; G4 T       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
6 z  T$ T+ `" }8 m: q: U  v
6 {8 m- n: v5 m! C: L7 n4 P3 t" h' D$ r" W8 j
 楼主| 发表于 2020-7-16 09:58:47 | 显示全部楼层
 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.
  e; o( i& s# s% e5 N$ w   (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。 ( B' K' L) S4 {# N8 {# n9 h; s
   (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。/ Y/ g) M0 _2 p4 F- W$ E: h
  2、 步进电机分类& K" D, a7 _# Q: s% b2 c1 V' ~* \
  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。
. q) e( s! D, B* W  3、保持转矩(HOLDING TORQUE)  + h2 {+ I; {1 ~  I$ e
  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。
/ x3 k- U% Q8 U/ D4 C& z  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。0 A! n! \9 M! e8 d  L
  5、步进电机的外表温度
2 e8 p1 P, c9 k" G8 \9 _  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。
! o( t: H5 k( d; t' F  6、步进电机的力矩会随转速的升高而下降
4 n8 C8 @; l+ D, n) P! z  \8 o2 [  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。
3 a8 n9 d  x$ Y1 V  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
' P: U3 x0 O9 s) x  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)。
- W' W5 H1 n- g" V( a8 V  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
  ~% [2 F/ o- F" ?& p* h  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:7 c0 A$ S4 x& x7 b3 H
   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;! X+ U# w7 ^5 F+ T: _) _1 u. I
   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;  F+ g, g: @9 y  A( Q
   C.换成步距角更小的步进电机,如三相或五相步进电机;
# C& d* B$ h4 w   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;# u1 y9 @, V0 q
   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。, m; w7 t! k. j( m2 u: f, n
  9、细分驱动器的细分数是否能代表精度
  T, f$ w6 S  z  J  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
 楼主| 发表于 2020-7-16 09:59:34 | 显示全部楼层
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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。
' O- P% M/ r. B6 X7 v  10、步进电机驱动器的直流供电电源
* H2 `% k1 w! t  j  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。4 g5 ^5 w; i6 R( u
  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。
1 p$ }1 z- ?+ @* P6 S  11、混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE
9 P5 _2 D$ \4 i4 k( l% S0 g  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。
5 z0 j1 J8 E2 z/ w8 L  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1 h7 J1 F5 {7 h7 \- V3 E! L4 [: Y
  只需将电机与驱动器接线的A+和A-(或者B+和B-)对调即可。. H, ~, S* ?3 n
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