步进电机常识与选型计算

1、步进电机常识与选型计算、什么是步进电机1. 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2. 步进电机分哪几种步进电机分三种：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

2、 .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.这种步进电机的应用最为广泛 .3. 什么是保持转矩 （HOLDING TORQUE）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

3、特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N.m 的步进电机 .4. 什么是 DETENT TORQUEDETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩 .DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式 ,容易使大家产生误解 ;由于反应式步进电机的转子不是永磁材料 ,所以它没有 DETENT TORQUE.5. 步进电机精度为多少是否累积一般步进电机的精度为步进角的 3-5%, 且不累积 .6. 步进电机的外表温度允许达到多少 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

4、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 .7. 为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降当步进电机转动时 ,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 .8. 为什么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

5、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）.9. 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 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: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；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；C. 换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；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

6、较大10. 细分驱动器的细分数是否能代表精度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 .11. 四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别四相混合式步进电机一

7、般由两相驱动器来驱动 ，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法 将四相电机接成两相使用.串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的 0.7 倍，因而电机发热小 ;并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法 ），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4 倍，因而电机发热较大 .12. 如何步进电机驱动器的直流供电电源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 IM483 的供电电压为1248VDC）,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

8、波不能超过驱动器的最大输入 电压，否则可能损坏驱动器 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1.11.3倍;如果采用开关电源，电源电流一般可取I的1.52.0倍13. 混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE 般在什么情况下使用当脱机信号 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

9、 .14. 如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向只需将电机与驱动器接线的 A+ 和 A-（ 或者 B+ 和 B-） 对调即可 .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。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

10、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。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。二、 怎样选择步进电机决定驱动机构 ：首先决定驱动机构。代表性的驱动机构有简单的旋转体，以及滚珠螺杆、皮带轮、齿条齿轮等。因此，这时必须预先决定搬运物的质量、各部位的尺寸、滑动面的 摩擦系数等。确认所要求的规格 （设备的规格）:若为移动速度及驱动时间、定位运行时，则必须确认定 位距离与定位时间等的驱动

11、条件，并且要确认停止精度、分辨率、位置保持、使用电压、使用环境等。计算负载：计算电动机驱动轴上的负载转矩及负载惯性惯量，代表机构上的负载转矩的计算一卜参考。选择电动机机种 ：请依照需要的规格自AC小型标准电动机、无刷直流电动机、步进电动 机中选择最适合的机种。选用计算：从机械强度、加速时间、加速转矩等各方面再次确认电动机/减速机的规格是否符合所有要求规格，然后决定电动机。每一个电动机机种要确认的项目都不一样，请确定以下公式1、不同驱动机构的负载转矩的计算公式滚珠丝杠驱动N'mJF = FA 十Jn口（Sjn a 十 H co 的N滑轮驱动金属线皮带驱动齿条齿轮驱动N'mJF =

12、Flii-Ing (Sin a s) LNJl.实测计算方法F =轴方向负载 NFo =预负载N (= 1/3F ) 0 =预压螺帽的内部摩擦系数(0.10.3) =效率(0.85 0.95 )i =减速比(机构的减速比，不是本公司减速机的减速比)P B =滚珠螺杆螺距 mrev F A =外力NF B =主轴开始运转时的力量N(FB=弹簧秤值(kg )×g ms2)m =工作物与工作台的总质量kg =滑动面的摩擦系数(0.05 ) =倾斜角度° D=终段滑轮直径mg =重力加速度m/s2(9.807 ) 惯量的计算方式圆柱体惯量计算£附恥一扁PLD声g 1中空圆

13、柱体的惯性惯量1'JZ =-g-m(Ds+Za) = -22 WE(Di"QJ) -j2) ® 旳吕叭型乎十写 m讣=汗轴¾uK距HIml不通过重心的轴的惯性惯量12JJC =JQ十冊护二-7mU-+if 12Zj)kf mi棱柱体的惯性惯量x -命巾 Gvy >L -Lkg-m=羽 =m(j÷Ca>= J9C(Sa+C= m 一 G直线运动物体的惯性惯量=n(- )2 m3A = flltt Iv2、电机的选用计算公式转速低速、运行模式运行模式有下图二种。通常是以左边的加减速运行模式为一般的情形, 负载惯 性惯量小时，可以采取右图的

14、自起动运行。工作脉冲数是以脉冲信号来表示将工作物由A点移至B点时，电动 机必需转动的角度。工作脉冲妇脉神】=由A点到B点的移动盘电动机每运转一周的移动量乂电动机每远转一周 所需的展曲數刊：步距角工作肪冲数J冲定位时间运行脉冲速度f 2的计算公式 运行脉冲速度可通过工作脉冲数与定位时间及加减速时间进行计算加减速运行时加减速时间的长短是选用时的重点，但是除此之外还必须考虑加速转矩及加减速常数的平衡，所以不能轻易决定。因此，开始计算时，设定定位时间的25%左右为 标准来进行计算的（最后必须调整）抑减速时间s三定位时间（SlXO 25工作騰冲 S 加建連 ¾沖-谨度life 乂 时间僅 -定

15、位时间2加减腥时问同 8fj-f自起动运行时 运行 IfcflIiHz=加减速常数TR的计算公式 表示脉冲速度的加速程度，以下述公式计算机减il常JfcTV二 mkH2j加瘫谨时间訂 iB 起弹冲 速度kHz- kHzIi运行11度EmirI】W运行IH冲SHzxg360XGO运行脉冲速度至运行速度的换算公式加速转矩的计算公式不论电动机种类为何， 速度变化时，加速及减速转矩都是不可缺少的要素。 每一种电动机的基本公式都是一样的，但是步进电动机多数是根据脉冲速度考虑的，公式如下述，与其 它电动机不同。AC电动机（无刷贯流电动机亦同）转tRA全惯性惯加te _ kg mitkg v 我 运行iIt

16、lrfmim齐Nf麺抑诚速时间对_ （+ NH9.55 fisfffNM rmi* 'HAC VIB1Acvm步进电动机(I) 抑减速运行时Ctff TlIi) rua)HX步距ar】IW运荷肚冲 起动总冲 噫度凹 連gj -SiiS丽= Jd+J.) X180自起动运行时加速转距7N In)轻动惯惧Lkg - m1JJc+JJ Xttffl.JrX步i以：云行冲連蜃【山I mr / X130'二-180 Fln.6*J必要转矩T柚的计算公式负裁转矩与加速转矩的和.乘以安全率即是必要转矩。必要转M= (ft矩+抑速转距 X安全率 =(L + Ta) XSf、选型案例滚珠螺杆的机

17、构 步进电动机(dm-)控制器歩进駆动乗可编程控制器决定驱动机构工作台与工作物的总质量m =4Okg滑动面的摩擦系数“ =0.05滚珠螺杆的效率 =0.9预压蝮帽的内部摩擦系数“0 =0.3滚珠螺杆的轴径Db=15mm滚珠螺杆的全长LB =60Omin滚珠螺杆的材质铁(密度Q = 7.9 X10' kgm'J)滚珠螺杆的螺距 PB 15mm分辨率Z= 0.03mmSteP(1脉冲的移动)移动量I = 18OmnI定位时间 To = 0.8秒以内算出必要分辨率36CrX要求分辨率(山)滚珠1杆的螺距(Pb)360° XO.03 =15= 072° 可直接揺合使

18、用步进电动机组合产品p系列。决定运行摸式(i参阅G4页的基本公式)(1) 算出工作冲数A 脉冲工作脉冲数A =1次移动僵(/)360°滚珠螺杆的螺距(PJ步距角2s)180=百X硕T =6000【脉冲(2) 决定加减速时间ns加减速时间以定位时间的25%为适。加减速时间 tl = 0.8X0.25 = 0.2 8(3) 算出运行1»冲速度怠Hz运行脉沖速廝=工作脉冲数-起动脉冲速度S)X加减速时间(f)定位时间M-加减速时间S)0.8-0.2= IoOoo HzIOOOON工】««竜疋七醱6000族冲0.2时间o= 0.8(4) 出运行速度JVrmin运行速度X60O 7?= IOaOOX60=1200 rmin算出必要转矩7Nm(参阅G4页) (1) Jr出负載转矩TLtN m轴向负S?1 = Fa +mg (ain ÷rcoa )= 0+40× 9.807 (SinO+0.05COSO)= 19.N预负O =负载转矩几=F Pr2.2.719.6X15X1070.3X6.53X15X10 一-2.×0.9- +27= 0.0567 Nm(2) 算出加速转7aN m算出全惯性惯Skgm (请参阅G&