步進電機計算與選型

1、步進電機計算與選型The manuscript was revised on the evening of 2021第1章步進電機計算與選型步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū) 動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角 度（即步進角）。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位 的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào) 速的目的。步進電機作為，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制 系統(tǒng)中。隨著微電子和技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民 經(jīng)濟領域都有應用。我司主要機械設計

2、中運動部件的動力源主要是步進電機。因此著重介紹步進 電機的計算與選型。1.1步進電機基本術(shù)語保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動 時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在 低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。保持轉(zhuǎn)矩越大則電機帶負載能力越強。山于步進 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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機重要的參數(shù)之一。比如，當人們說的步進 電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為的步進電機。步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關文獻），其主 要LI的是減弱或消除步進電機的低頻振動

3、，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術(shù) 的一個附帶功能。比如對于步進角為度的兩相混合式步進電機，如果細分驅(qū)動 器的細分數(shù)設置為4,那么電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖度，電機的精度能否 達到或接近度，還取決于細分驅(qū)動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠 家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大；細分數(shù)越大精度越難控制。運行矩頻特性是電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲 線。實用公式：轉(zhuǎn)速（r/s）二脈沖頻率/ （電機每轉(zhuǎn)整步數(shù)*細分數(shù)）V（r/s）= Pe（，360x/nV：電機轉(zhuǎn)速（R/S） ； P：脈沖頻率（Hz） ； 0c：電機固有步距角:m：細 分數(shù)（整步為1,半步為21.2電機計算與選型

4、方法選擇電機一般應遵循以下步驟:1. 電機最大速度選擇步進電機最大速度一般在6001200 rpm。交流伺服電機額泄速度一般在3000 rpm,最大轉(zhuǎn)速為5000rpnu機械傳動系統(tǒng)要根據(jù)此參數(shù)設計。2. 電機定位精度的選擇機械傳動比確左后，可根據(jù)控制系統(tǒng)的左位精度選擇步進電機的步距角及驅(qū)動器的細 分等級。一般選電機的一個步距角對應于系統(tǒng)泄位精度的1/2或更小。注意：當細分等級大于1/4后，步距角的精度不能保證。3. 電機力矩選擇步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確左，我們往往先確左電機的靜力矩。靜力矩選擇的 依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。直接起動時（一般由低 速）時二種

5、負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負 載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選左，電機的機座及長 度便能確定下來（幾何尺寸）A.轉(zhuǎn)動慣量計算物體的轉(zhuǎn)動慣量為：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將負載質(zhì)量換算到電機輸出軸上轉(zhuǎn)動慣量，常見傳動機構(gòu)與公式如下：a）深珠絲杠xBP 命ML：w :可動部分總B®kgBP：絲杠蛭矩血GL：癡速比（無單位）b）齒條和小齒輪傳送帶槌條傳動W：可動部分總重呈kgo：小齒輪直徑mm鏈輪直徑mrnGL：凝速比（無単位）c）旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)盤嶇動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（無蘭位）B.加速度計算皿(rad / s2)ArC.電機力矩計算力矩計算公式為:T = (Jy + TM式中：Tl為系統(tǒng)外力折算到電機上的力矩：為傳動系統(tǒng)的效率。13計算例題已知：直線平臺水平往復運動，最大行程L=400 mm,同步帶傳動；往復運動周期為 T = 4s；重復建位謀差mm：平臺運動質(zhì)M = 10 kg，無外力。求：電機型號.同步帶輪直徑.最大細分數(shù)。平均速度為：V =0.4/2 = 0.27H/5設加速時間為S：（步進電機一般取加速時間為：1秒）（伺服電機一般取加速時間為：秒）則加減

7、速時間共為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動力學計算同步帶上需要拉力：F = Ma + f摩擦力：f =

8、 Mg設導軌摩擦系數(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電機細分數(shù)m設同步帶直徑6=30 mm周長為C=30 = mm核算定位精度:C/(360° /m)<：細分數(shù)：m>C/(200 =/(200 =核算最大轉(zhuǎn)速:nmax = Vmax/C = /1000) = r/s顯然，細分數(shù)太大，最大轉(zhuǎn)速太低。但是，同步帶直徑也不可能小2倍，所以只能增加一級減速。第2級主動輪宜徑仍取：<1>3= 30 mm：第1級主動輪直徑?。?= 25 mm：減速比?。篿 = 1 ：

9、3：則第1級從動輪直徑為?。? = 75 mm：電機最大轉(zhuǎn)速為："max uSxHmax/CuGnZWs)驅(qū)動器細分數(shù)：m > 67(200x0.05/,) = 34故，取4細分就很合適了。實際脈沖當疑：J = C/(200xmH) = 0.04/nn/即滿足重復左位誤差 mm。4. 計算電機力矩，選擇電機型號第2級主動輪上的力矩：T2=F<P3/2第1級主動輪上，即電機軸上的力矩：Tl=T2i=F<D3/2 i= Nm由于沒有考慮同步帶的效率、導軌和滑塊裝配誤差造成的摩擦、同步帶輪的摩擦和轉(zhuǎn) 動慣量等因素，同時，步進電機在髙速時扭矩要大幅度下降：所以，取安全系數(shù)為2比較 保險。故，電機力矩To= 2 = Nm選57HS09即可，其靜力矩為