步进电机选择的详细计算过程.doc

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正常来说这不是问题，只要电机在所设定的速度和电流极限值内运行。因为电机速度与电机线电压成正比，因此选择某种电源电压不会引起过速，但可能发生驱动器等故障。 此外, 必须保证电机符合驱动器的最小电感系数要求，而且还要确保所设定的电流极限值小于或等于电机的额定电流。 事实上，如果你能在你设计的装置中让电机跑地比较慢的话 (低于额定电压)，这是很好的。 以较低的电压 (因此比较低的速度) 运行会使得电刷运转反弹较少，而且电刷/换向器磨损较小，比较低的电流消耗和比较长的电机寿命。 另一方面，如果电机大小的限制和性能的要求需要额外的转矩及速度，过度驱动电机也是可以的，但会牺牲产品的使用寿命。 18， 我如何为我的应用选择适当的供电电源? 推荐选择电源电压值比最大所需的电压高10%-50%。此百分比因Kt, Ke,以及系统内的电压降而不同。驱动器的电流值应该足够传送应用所需的能量。记住驱动器的输出电压值与供电电压不同, 因此驱动器输出电流也与输入电流不相同。为确定合适的供电电流，需要计算此应用所有的功率需求，再增加5%。按I = P/V公式计算即可得到所需电流值。19，对于伺服驱动器我可以选择那种工作方式？ 请见下表（以下模式并不全部存在于所有型号的驱动器中）开环模式 输入命令电压控制驱动器的输出负载率。此模式用于无刷电机驱动器，和有刷电机驱动器的电压模式相同。电压模式 输入命令电压控制驱动器的输出电压。此模式用于有刷电机驱动器，和无刷电机驱动器的开环模式相同。 电流模式(力矩模式) 输入命令电压控制驱动器的输出电流（力矩）。驱动器调整负载率以保持命令电流值。如果驱动器可以速度或位置环工作，一般都含有此模式。 IR补偿模式 输入命令控制电机速度。IR补偿模式可用于控制无速度反馈装置电机的速度。驱动器会调整负载率来补偿输出电流的变动。当命令响应为线性时，在力矩扰动情况下，此模式的精度就比不上闭环速度模式了。 Hall速度模式 输入命令电压控制电机速度。此模式利用电机上hall传感器的频率来形成速度闭环。 由于hall传感器的低分辨率，此模式一般不用于低速运动应用。 编码器速度模式 输入命令电压控制电机速度。此模式利用电机上编码器脉冲的频率来形成速度闭环。由于编码器的高分辨率，此模式可用于各种速度的平滑运动控制。 测速机模式 输入命令电压控制电机速度。此模式利用电机上模拟测速机来形成速度闭环。由于直流测速机的电压为模拟连续性，此模式适合很高精度的速度控制。当然，在低速情况下，它也容易受到干扰。 模拟位置环模式(ANP 模式) 输入命令电压控制电机的转动位置。这其实是一种在模拟装置中提供位置反馈的变化的速度模式（如可调电位器、变压器等）。在此模式下，电机速度正比于位置误差。且具有更快速的响应和更小的稳态误差。 20，驱动器和系统如何接地？ a. 如果在交流电源和驱动器直流总线（如变压器）之间没有隔离的话，不要将直流总线的非隔离端口或非隔离信号的地接大地，这可能会导致设备损坏和人员伤害。因为交流的公共电压并不是对大地的，在直流总线地和大地之间可能会有很高的电压。 b. 在多数伺服系统中，所有的公共地和大地在信号端是接在一起的。多种连接大地方式产生的地回路很容易受噪音影响而在不同的参考点上产生电流。c. 为了保持命令参考电压的恒定，要将驱动器的信号地接到控制器的信号地。 它也会接到外部电源的地，这将影响到控制器和驱动器的工作（如：编码器的5V电源）。 d. 屏蔽层接地是比较困难的，有几种方法。正确的屏蔽接地处是在其电路内部的参考电位点上。这个点取决于噪声源和接收是否同时接地，或者浮空。要确保屏蔽层在同一个点接地使得地电流不会流过屏蔽层。21， 减速器为什么不能和电机正好相配在标准转矩点? 如果考虑到电机产生的经过减速器的最大连续转矩，许多减速比会远远超过减速器的转矩等级。 如果我们要设计每个减速器来匹配满转矩，减速器的内部齿轮会有太多组合(体积较大、材料多)。 这样会使得产品价格高，且违反了产品的“高性能、小体积”原则。22，我如何选择使用行星减速器还是正齿轮减速器? 行星减速器一般用于在有限的空间里需要较高的转矩时，即小体积大转矩，而且它的可靠性和寿命都比正齿轮减速器要好。正齿轮减速器则用于较低的电流消耗，低噪音和高效率低成本应用。部分伺服驱动器故障检查方法参考: 现象 可能原因 纠正方法 示波器检查驱动器的电流监控输出端时，发现它全为噪声，无法读出 电流监控输出端没有与交流电源相隔离（变压器） 可以用直流电压表检测观察 电机在一个方向上比另一个方向跑得快 无刷电机的相位搞错 检测或查出正确的相位 在不用于测试时，测试/偏差开关打在测试位置 将测试/偏差开关打在偏差位置 偏差电位器位置不正确 重新设定 电机失速 速度反馈的极性搞错 可以尝试以下方法：1. 如果可能，将位置反馈极性开关打到另一位置。（某些驱动器上可以）2. 如使用测速机，将驱动器上的TACH+和TACH-对调接入。3. 如使用编码器，将驱动器上的ENC A和ENC B对调接入。4. 如在HALL速度模式下，将驱动器上的HALL-1和HALL-3对调，再将Motor-A和Motor-B对调接好。 编码器速度反馈时，编码器电源失电 检查连接5V编码器电源。确保该电源能提供足够的电流。如使用外部电源，确保该电压是对驱动器信号地的。 LED灯是绿的,但是电机不动 一个或多个方向的电机禁止动作 检查+INHIBIT 和 INHIBIT 端口命令信号不是对驱动器信号地的 将命令信号地和驱动器信号地相连 上电后，驱动器的LED灯不亮 供电电压太低，小于最小电压值要求 检查并提高供电电压 当电机转动时， LED灯闪烁 HALL相位错误 检查电机相位设定开关(60/120)是否正确。 多数无刷电机都是120相差。 HALL传感器故障 当电机转动时检测Hall A, Hall B, Hall C的电压。电压值应该在5VDC和0之间。 LED灯始终保持红色 存在故障 原因: 过压、欠压、短路、过热、驱动器禁止、HALL无效 23， 何为负载率(duty cycle)? 负载率(duty cycle)是指电机在每个工作周期内的工作时间/（工作时间+非工作时间）的比率。如果负载率低，就允许电机以3倍连续电流短时间运行，从而比额定连续运行时产生更大的力量。24，标准旋转电机的驱动电路可以用于直线电机吗？ 一般都是可以的。你可以把直线电机就当作旋转电机，如直线步进电机、有刷、无刷和交流直线电机。具体请向供应商咨询。25，直线电机是否可以垂直安装，做上下运动？ 可以。根据用户的要求，垂直安装时我们可以加装动子滑块平衡装置或加装导轨抱闸刹车。26，在同一个平台上可以安装多个动子吗？ 可以。只要几个动子之间不互相妨碍即可。27，是否可以将多个无刷电机的动子线圈安装于同一个磁轨道上？ 可以。只要几个动子之间不互相妨碍即可。28，AMS的直线电机是否可以用于特殊环境，如水溅、真空、洁净室、辐射等环境？ 可以提供。具体请与我们联系。29，使用直线电机比滚珠丝杆的线性电机有何优点？ 由于定子和动子之间没有机械连接，所以消除了背隙、磨损、卡死问题，运动更加平滑。突出了更高精度、高速度、高加速度、响应快、运动平滑、控制精度高、可靠性好体积紧凑、外形高度低、长寿命、免维护等特点。30，你们的滑台可以做多个组合一起使用吗？ 是的。可以组合为XY, XZ, YZ, XYZ及其它灵活组合。步进电动机的选择与计算叶文卿 （眉山职业技术学院 四川 眉山 620020）【摘 要】本文以C616车床改为开环式数控车床的设计计算，为根据车床参数，选择步进电动机提供了可靠易行的计算方法和步骤。【关键字】转矩 转动惯量 负载起动性能数控产品设计时，根据工作系统的力学模型，计算选择步进电动机或伺服电动机的规格型号，是进行数控产品设计的一个重要环节。因为电动机的参数决定着数控系统中各功能模块的性能参数，各功能模块都要与电动机相匹配，这里以用普通车床C616改为简易数控车床为例。说明步进电动机的计算过程。1 c616车床的各参数11改进后的传动系统简易数控车床即开环式控制将c616车床的纵向进给系统常采用步进电动机驱动滚轴丝杆，带动装有刀架的拖板作往复直线运动。其工作原理如图 改进后的车床传动系统 1.小刀架 2.横向步进电动机 3.横向滚珠丝杆 4.大拖板 5.纵向滚珠丝杆 6.纵向步进电动机1.2 各参数1.2.1各拖板重量w=1500N1.2.2拖板与导轨贴塑板间摩擦系数U=0.061.2.3 最大走刀抗力FZ（与运动方向相反）=1400N1.2.4 最大主切削力FY（与导轨垂直）=2800N（最大走刀抗力和主切削力可根据普通C616车床的电动机功率和车削时车刀的主偏角为900 时计算而得出）1.2.5 拖板进给速V1 =10500毫米/分1.2.6 车刀空行程速度V2 =200毫米/分1.2.7 滚珠丝杆导程L=6毫米1.2.8 滚珠丝杆节圆直径d0 =30毫米1.2.9 丝杆总长L=1000毫米1.2.10 定位精度0.01毫米2 确定步进电动机的型号2.1脉冲当量的选择脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离=0。01mm/p（输入一个指令脉冲工作台移动0.01毫米）初选之相步进电动机的步距角0.750 /1.50 ，当三相六拍运行时，步距角=0.750 其每转的脉冲数S=480 p/r步进电动机与滚珠丝杆间的传动比ii= = =1.25在步进电动机与滚珠丝杆之间加Z1 =20，Z2 =25 模数m=2.5的一对齿轮。齿轮的模数根据c616车床，挂轮齿类比确定。2.2 等效负载转矩的计算2.2.1 空载时的摩擦转矩TLF TLF = = =0.086N.M2.2.2 车削加工时的负载转矩TL TL = = =1.584N.Mu- 摩擦系数w-拖板重量L-导程i-传动比FZ-最走刀抗力Fy -最大切削力（N）-滚动丝杆传动效率2.3 等效转动惯量计算2.3.1滚珠丝杆的转动惯量JsJs=Kg.m22.3.2拖板的运动惯量Jw=kg.m22.3.3大齿轮的转动惯量Jg2（大齿接圆直径62.5毫米 宽10毫米）Jg2 =kg.m2 2.3.4小齿轮的转动惯量Jg1（小齿接圆直径50毫米 宽12毫米）换算系列电机轴上的总转动惯量JLkg.m2 换算到电动机轴上的总转动惯量JL = =7.3310-4 Kg.m22.4 初选步进电动机型号根据车削时负载转距TL=1.58N.M和电动机总转动惯量JL=7.33x10-4,初步选定电动型号为110BF003反应式步进电动机。该电动机的最大静扭距Tmax=8.1N.M，转子转动惯量 Jm=4.710-4kg.m2为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度应为： 及空载时起动时间计算（ta）110BF003步进电动机的最小加、减速度时间为1秒2.4.1带惯性负载的最大起动频率fL的计算电动机空载起动频率2.4.2带惯性负载的最大转速转/分2.4.3带惯性负载起动力矩Tm电动机起动矩-频率特性曲线Tm=2.6N.M2.4.4 负载时起动时间tata=该电机带惯性负载时能够起动2.5速度验算2.5.1 空行程快速移动速度的验算从电动机的运行矩-频率特性曲线查得fmax=6000HZ时，电动机转矩0.9N.MTLF=0.086N.M（空载时的摩擦转矩）2.5.2工作行程速度计算当T=1.584N.M时，电动机对应频率f3000HZ以上计算，选该型号步进电动机，无论是起动性能，还是空行程快速进给，还是工作行进给速度都能满足c616车床的设计要求3 结论3.1 根据普通车床的电机和切削速度计算出最大切削力和走刀抗力FC= FZ （车刀主偏角900，零件材料45#钢）3.2 计算出空载时摩擦转矩TLF 和加工时负载转矩TL 3.3 计算机械传动系统换算到电机轴上的总惯量JL 3.4初选步进电动型号： TM 3.5校核电动机起动性能，验算空行程速度和工作行程速度 选定步进电动机后，步进电动机的性能参数，为数控系统，特别是输出接口，驱动电源模块型号的选择提供依据。【参考文献】 （补充完整）格式要求：作者.书名.出版社名称.出版日期. 【1】机电一体化产品设计. 【2】数控车床原理. 【3】金属切削手册. 【4】工程力学.【5】机械设计手册.步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 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。 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。 选择步进电机需要进行以下计算： （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: i=(.S)/(360.) (1-1) 式中 -步进电机的步距角（o/脉冲） S -丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） （2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。 Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 （1-2） 式中Jt -折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) 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） （3）计算电机输出的总力矩M M=Ma+Mf+Mt （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102 （1-4） 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） T-电机升速时间（s） Mf=(u.W.s)/(2i)102 （1-5） Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) u-摩擦系数 -传递效率 Mt=(Pt.s)/(2i)102 （1-6） Mt-切削力折算至电机力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） （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 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 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. （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。 （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.步进电机的选择（一）步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400(半步工作） 其中f为每秒脉冲数（简称PPS) （二）、步进电机应用中的注意点1、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9、应遵循先选电机后选驱动的原则。原文缩略主要设计内容（一）总体方案的确定根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：进行系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。1. 系统运动方式与伺服系统采用连续控制系统。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。2. 计算机系统采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。3. XY工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。.论文目录目录一 毕业设计的目的和意义- 2二 毕业设计的题目及要求- 2三 进度安排- 2四 主要设计内容- 21） 总体方案的确定- 22） 机械部分设计- 33） 控制系统电路设计- 64） 系统控制系统软件设计- 10参考文献参考文献：1.机电一体化系统设计 张建民等编著高等教育出版社2.机电一体化设计指导 傅晓林 编 3.rotel电路设计教程 江思敏胡荣等编著高等教育出版社4.机械设计课程设计手册 吴宗泽 罗圣国 主编 高等教育出版社5.微机原理及接口技术 刘甘娜马瑞芳冯刚主编西安交通大学出版社6.机械设计 濮良贵纪名刚主编 高等教育出版社7.单片机基础 李广第 编著 北京航空航天大学出版社8.电路 邱关源主编高等教育出版社步进电机和交流伺服电机比较选择2007-01-20 13:15步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。1.控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。2.低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。3.矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。4.过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。5.运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步