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步进电机控制器
步进电机控制器
 
 
 
    
步进电机驱动器概念性描述
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2012-8-9 8:39:12
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步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大特点是其“数字性”,对于微电脑发过来的每一个脉冲信号,步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度(简称一步),如下图所示。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。同时您可通过控制脉冲频率,直接对电机转速进行控制。由于步进电机工作原理易学易用,成本低(相对于伺服)、电机和驱动器不易损坏,非常适合于微电脑和单片机控制,因此近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛的应用.本文将向用户简述步进电机的基本结构和工作原理,举例说明步进电机驱动器的工作原理,直线步进电机的结构和工作原理。

 步进电机的种类和特点

步进电机在构造上有三种主要类型:反应式(Variable Reluctance,VR)、永磁式(Permanent Magnet,PM)和混合式(Hybrid Stepping,HS)。

•反应式:
定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小,可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大,可靠性难保证。
•永磁式:
永磁式步进电机的转子用永磁材料制成,转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大,但这种电机精度差,步矩角大(一般为7.5°或15°)。
•混合式:
混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点,其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料,转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好,步矩角小,但结构复杂、成本相对较高。
按定子上绕组来分,共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机,约占 97% 以上的市场份额,其原因是性价比高,配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步矩角为1.8°/步,配上半步驱动器后,步矩角减少为0.9°,配上细分驱动器后其步矩角可细分达256倍(0.007°)。由于摩擦力和制造精度等原因,实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

1. 基本结构:

 


2. 工作原理:

简单的讲,步进电机驱动器根据外来的脉冲,通过其内部的逻辑电路控制步进电机的绕组按一定的次序正反通电,从而实现其运转。以两相1.8度,步进电机为例,
其主要分为4线(双极性),6线(单极性)两种方式:

线(双极性)电机,当其绕组的通电方向顺序按照AC->BD->CA->DB 四个状态周而复始进行变化,每变化一次,电机运转一步,即1.8度。

 6线(单极性)电机,当其绕组的通电方向顺序按照OA->OB->OC->OD 四个状态周而复始进行变化,每变化一次,电机运转一步,即1.8度。

•以上仅仅是一个原理性的介绍,实际的运行中会有很多复杂的情况产生,其相应的控制方式也有很多种,如果需要特殊的帮助,可以和上海运控公司联系。

步进电机的基本原理
 
 

 

 电机将电能转换成机械能,步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的,并可重复,这就是为什么步进电机在定位应用中如此有效的原因。   


图2显示了一个两相电机的典型的步进顺序。在第1步中,两相定子中的A相被通电,因异性相吸,其磁场将转子固定在图示位
置。当A相关闭、B相被通电时,转子顺时针旋转90°。在第3步中,B相关闭、A相被通电,但极性与第1步相反,这促使转子再次旋转90°。在第4步中,A相关闭、B相通电,极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90°的步距角顺时针旋转。

 

 


     图2中显示的步进顺序称为“单相通电”步进。更常用的步进方法是“双相通电”,即电机的两相一直通电。但是,一次只能转换一相的极性,见图3所示。两相步进时,转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电,本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%的力矩,但输入功率为2倍。

 

半步步进
   电机也可以转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如,一个90°的步进电机将每半步移动45°,见图4。但是,与“两相通电”相比,半步进通常导致15%-30%的力矩损失(取决于步进速率)。在每交换半步的过程中,由于其中一个绕组没有通电,所以作用在转子上的电磁力要小,造成了力矩的净损失。
 

 

 

双极性绕组
  二相通电步进顺利利用了一种“双极性线圈绕组”的方法,每极只有一个绕组,通过改变绕组中的电流方向,从而改变相应极上的电磁极性,典型的两相双极驱动的输出步骤在电器原理图和下面图5中的步进顺序中有进一步阐述。

 

 

 双极性步进 Q2-Q3 Q1-Q4 Q6-Q7 Q5-Q8
 

 


 
1 ON OFF ON OFF
2 OFF ON ON OFF
3 OFF ON OFF ON
4 ON OFF OFF ON
1 ON OFF ON OFF

 

 

单极性绕组
     另一常用绕组是单极性绕组,每个电极上饶有两个绕组,当一个绕组通电时,产生被磁场,另一个绕组通电则产生南磁场,因为从驱动器到线圈的电流不会反向,所以可称为单极性绕组。该方法下电机的步进顺序见图6所示。通过这种设计使得电子驱动器简单化,但是与双极性绕组相比,其力矩大约小30%,因为磁线圈仅被利用了一半。
 

 

 

 

  单极性步进 Q1 Q2 Q3 Q4


 
1 ON OFF ON OFF
2 OFF ON ON OFF
3 OFF ON OFF ON
4 ON OFF OFF ON
1 ON OFF ON OFF
精度
     混合式式步进电机精确度达3-5%每步,且不累积。一个1.2度的步进电机每步的误差会少于0.06度,而且不管走了多少步,这个误差是不会累积的。
力矩


一个特定的旋转步进电机所产生的力矩是下述参数的函数
• 步进速度
• 通过绕组的电流大小
• 所使用的驱动器的类型
(直线电机所产生的力也取决于这些因素)

力矩是摩擦力矩(Tf)和惯性力矩(Ti)之和

 

摩擦力矩(oz-in或g-cm)为要求移动一个载荷的力(单位为oz或g)乘以用于驱动载荷的力臂(r)长度(单位为in或cm)(见图8所示)。

 

 

惯性力矩(Ti)是用于加速负载(单位为:g-cm2)而需要的力矩

 

其中:
I=转动惯量,单位: g-cm2
w=步进速率,单位:步数/秒
t=时间,单位:秒
θ=步距角度,单位:度
常数:93.73
应该注意到的是,当电机的步进频率增加时,电机的反向电动势(EMF)也增加,限制了电流的增大,并导致可使用的输出力矩的减少。  

步进电机驱动器的工作原理
步进电机在控制系统中具有广泛的应用。它可以把脉冲信号转换成角位移,并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。
  有时从一些旧设备上拆下的步进电机(这种电机一般没有损坏)要改作它用,一般需自己设计驱动器。本文介绍的就是为从一日本产旧式打印机上拆下的步进电机而设计的驱动器。本文先介绍该步进电机的工作原理,然后介绍了其驱动器的软、硬件设计。

  1. 步进电机的工作原理

  该步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

  图1 四相步进电机步进示意图

  

 


  开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

  当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极


产生错齿。依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

  四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

  单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示:

  图2.步进电机工作时序波形图  

 

 

  2.基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理
  图3 步进电机驱动器系统电路原理图  


 

  AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4~P1.7输出,经74LS14反相后进入9014,经9014放大后控制光电开关,光电隔离后,由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大,驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一相绕组。AT89C2051选用频率22MHz的晶振,选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。

  图3中的RL1~RL4为绕组内阻,50Ω电阻是一外接电阻,起限流作用,也是一个改善回路时间常数的元件。D1~D4为续流二极管,使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(D1~D4)而衰减掉,从而保护了功率管TIP122不受损坏。

  在50Ω外接电阻上并联一个200μF电容,可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿,提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻可减小回路的放电时间常数,使绕组中电流脉冲的后沿变陡,电流下降时间变小,也起到提高高频工作性能的作用。

  3.软件设计

  该驱动器根据拨码开关KX、KY的不同组合有三种工作方式供选择:

  方式1为中断方式:P3.5(INT1)为步进脉冲输入端,P3.7为正反转脉冲输入端。上位机(PC机或单片机)与驱动器仅以2条线相连。

  方式2为串行通讯方式:上位机(PC机或单片机)将控制命令发送给驱动器,驱动器根据控制命令自行完成有关控制过程。

  方式3为拨码开关控制方式:通过K1~K5的不同组合,直接控制步进电机。

  当上电或按下复位键KR后,AT89C2051先检测拨码开关KX、KY的状态,根据KX、KY 的不同组合,进入不同的工作方式。以下给出方式1的程序流程框图与源程序。

  在程序的编制中,要特别注意步进电机在换向时的处理。为使步进电机在换向时能平滑过渡,不至于产生错步,应在每一步中设置标志位。其中20H单元的各位为步进电机正转标志位;21H单元各位为反转标志位。在正转时,不仅给正转标志位赋值,也同时给反转标志位赋值;在反转时也如此。这样,当步进电机换向时,就可以上一次的位置作为起点反向运动,避免了电机换向时产生错步。

  图4 方式1程序框图

  


 

  方式1源程序:

  MOV 20H,#00H ;20H单元置初值,电机正转位置指针

  MOV 21H,#00H ;21H单元置初值,电机反转位置指针

  MOV P1,#0C0H ;P1口置初值,防止电机上电短路

  MOV TMOD,#60H ;T1计数器置初值,开中断

  MOV TL1,#0FFH

  MOV TH1,#0FFH

  SETB ET1

  SETB EA

  SETB TR1

  SJMP $

  ;***********计数器1中断程序************

 

  IT1P: JB P3.7,FAN ;电机正、反转指针

  ;*************电机正转*****************

  JB 00H,LOOP0

  JB 01H,LOOP1

  JB 02H,LOOP2

  JB 03H,LOOP3

  JB 04H,LOOP4

  JB 05H,LOOP5

  JB 06H,LOOP6

  JB 07H,LOOP7

  LOOP0: MOV P1,#0D0H

  MOV 20H,#02H

  MOV 21H,#40H

  AJMP QUIT

  LOOP1: MOV P1,#090H

  MOV 20H,#04H

  MOV 21H,#20H

  AJMP QUIT

  LOOP2: MOV P1,#0B0H

  MOV 20H,#08H

  MOV 21H,#10H

  AJMP QUIT

  LOOP3: MOV P1,#030H

  MOV 20H,#10H

  MOV 21H,#08H

  AJMP QUIT

  LOOP4: MOV P1


,#070H

  MOV 20H,#20H

  MOV 21H,#04H

  AJMP QUIT

  LOOP5: MOV P1,#060H

  MOV 20H,#40H

  MOV 21H,#02H

  AJMP QUIT

  LOOP6: MOV P1,#0E0H

  MOV 20H,#80H

  MOV 21H,#01H

  AJMP QUIT

  LOOP7: MOV P1,#0C0H

  MOV 20H,#01H

  MOV 21H,#80H

  AJMP QUIT

  ;***************电机反转*****************

  FAN: JB 08H,LOOQ0

  JB 09H,LOOQ1

  JB 0AH,LOOQ2

  JB 0BH,LOOQ3

  JB 0CH,LOOQ4

  JB 0DH,LOOQ5

  JB 0EH,LOOQ6

  JB 0FH,LOOQ7

  LOOQ0: MOV P1,#0A0H

  MOV 21H,#02H

  MOV 20H,#40H

  AJMP QUIT

  LOOQ1: MOV P1,#0E0H

  MOV 21H,#04H

  MOV 20H,#20H

  AJMP QUIT

  LOOQ2: MOV P1,#0C0H

  MOV 21H,#08H

  MOV 20H,#10H

  AJMP QUIT

  LOOQ3: MOV P1,#0D0H

  MOV 21H,#10H

  MOV 20H,#08H

  AJMP QUIT

  LOOQ4: MOV P1,#050H

  MOV 21H,#20H

  MOV 20H,#04H

  AJMP QUIT

  LOOQ5: MOV P1,#070H

  MOV 21H,#40H

  MOV 20H,#02H

  AJMP QUIT

  LOOQ6: MOV P1,#030H

  MOV 21H,#80H

  MOV 20H,#01H

  AJMP QUIT

  LOOQ7: MOV P1,#0B0H

  MOV 21H,#01H

  MOV 20H,#80H

  QUIT: RETI

  END

  4.结论

  该驱动器经实验验证能驱动0.5N.m的步进电机。将驱动部分的电阻、电容及续流二极管的有关参数加以调整,可驱动1.2N.m的步进电机。该驱动器电路简单可靠,结构紧凑,对于I/O口线与单片机资源紧张的系统来说特别适用

混合式直线步进电机的工作原理和使用寿命
混  混合式直线步进电机技术概述

    步进电机由旋转运动变为线性运动可用几种机械方法完成,包括齿条和齿轮传动及皮带轮传动以及其他机械联动机械.所有这些设计都需要各种机械零件。而完成这种转变的最有效方法是直线电机,直线电机又分为直线伺服电机,和直线步进电机。直线伺服电机因其成本过高而暂时没有得到广泛应用,直线步进电机分为永磁式直线步进电机和混合式直线步进电机,运控公司的直线电机为两相混合式直线步进电机或三相混合式直线步进电机。

说明

    基本的步进电机是由有磁性的转子铁芯通过与由定子产生的脉动的定子电磁场相互作用而产生转动。直线电机把旋转运动变为线性运动,完成这个转变的精密性取决于转子的步进角度和所选方法。
     使用螺纹的直线电机的精密度,取决于它的螺距。在直线电机的转子中心安装一个螺母,相应地采用一根螺杆与此螺母啮合,为使螺杆轴向移动,必须用某种方法来防止螺杆与转子组件一同转动。由于螺杆转动受到制约,当转子旋转时,螺杆实现了线性运动。无论是在电机内部用固定螺纹轴组件还是在外部的螺纹轴上使用不能旋转但轴向可自由移动的螺母,都是实现转动约束的典型方法。

    为简化设计,在电机内部实现线性变换是有意义的。该方法极大的简化了设计,使得在许多应用领域中能够在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线电机进行精密的线性移动。

    最初的直线电机采用了一个滚珠螺母和丝杆的结合体。滚珠丝杆提高达90%以上的效率,而根据螺纹条件,梯形螺纹提供的效率仅有20%-70%。尽管对于转换旋转运动为线性运动而言滚珠丝杆是一种高效的方法,但是滚珠螺母对校准要求很高,而且体积较大,费用昂贵。因此,在大多数应用领域中,滚珠丝杆并非是一个较实用的解决方法。

    大多数设备设计人员对以混合式步进电机为基础的直线电机十分熟悉。该产品已有多年历史,与其它设备一样有其自身的长处和局限性。设计简便、紧凑、无电刷,显著的机械优点、设计的实用性、可靠性是它与生俱来的优点,然而在某些情况下,此直线电机不能用于某些设备,因为在没有日常维护的条件下它是不能保证其耐久性的。

    不过,目前有几种方法可以克服这样的障碍,使直线电机具有更高的耐久性且不用维护,由于步进电机的无电刷设计,产生磨损的唯一部件是转子轴承以及由导螺杆/螺母组成的螺纹接合。滚珠轴承近年来的改进已经提供了适应直线运动的长寿命产品。最近导螺杆和螺母组合的寿命和耐用性也都有了改进。
   

提高耐久性

    首先有必要了解电机的基本结构。一个较好的研究实例Size 17电机,它属于混全式步进电机家庭中尺寸较小的。习惯上,直线电机使用由一轴承级金属材料(如青铜)加工成的空心轴,该空心轴具有内螺纹然后与螺纹导杆连接。空心轴沿转子轴线安装。导杆材料通常为不锈钢,它具有相当的防腐蚀性能。大多数零件所用的螺纹的型式是加工螺纹(如#10-32),此螺纹有单头或多头,这取决于电机所需的精度和速度。

     加工螺纹一般选择 “V”形螺纹,这是由于其易加工并可轧制成形。尽管这对加工来说是较为适用,但对动力的传输而言却是不利。相比之下Acme螺纹更为合适,主要理由如下:

    Acme螺纹的设计更加高效。而从使用角度来看,低损耗(包括磨擦),就意味着磨损少和使用寿命长。从螺纹的基本几何原理看就很容易理解其中的原因。“V”形螺纹的相对面之间的角度为60度,而Acme螺纹的仅为29度。
   

 

    假定磨擦、扭矩和螺纹角相同,“V”形螺纹能传送的力约为梯形螺纹的85%。用式(1)和(2)可以求出效率,因为使用的螺纹是V形的,取决于负载方向。60度螺纹的效率除以29度螺纹效率就能计算出比率。

 


   
   这里的效率计算还未考虑由于“V”形螺纹表面的高压力而产生的额外的损耗。

    Acme螺纹导杆一般是为传送动力而制作的,所以其表面光洁度、螺距精度及公差得到严格保证。“V”形螺纹基本上用于紧固螺纹,所以其表面光洁度和直线性并不受到严格控制

    与此同时,驱动螺杆的螺母甚至显得更重要,该螺母通常是嵌入电机转子中的。传统的螺母材料采用轴承级的青铜并在其内部加工螺纹,这样做是综合考虑了物理稳定性和润滑性。当然,说它是综合考虑是因为其在这两方面并非特别优秀。直线电机中驱动螺母的较好材料是自润滑的热塑性材料。这是因为用新的工程塑料能使螺杆螺母运动磨擦系数降低。图3是不同内螺纹转子材料的磨擦性能的比较。

 


结果很明显,但为何不用塑料的驱动螺母?对螺纹来说塑料是好的,可惜的是对于混合式电机中的转子轴颈来说工程塑料却不稳定。由于电机的温度在运行时可能升至167°F,在这种情况下塑料的膨胀量可能达到0.004英寸,但黄铜在同样热条件下仅膨胀0.001英寸。见图4

 

 

轴承轴颈在混合式电机结构中是非常重要的,为了达到最佳性能,混合式电机在设计时必须保持千分之几英寸的转子铁芯外径和定子内径之间的空隙。如果转子装配不同心则将与定子内壁磨擦。设计人员希望通过选择合适的材料在螺纹寿命和轴承轴颈的稳定性上都取得较好的效果,而注塑有内螺纹的金属转子结构正好是理想的选择。(图5)

 

 

该结构极大地提高了电机运行寿命和效率,并降低了运行噪音。电机寿命比在其它电机中使用的常规青铜螺母结构高,且不需维护。


直线步进电机的工作原理和使用寿命
    步进电机的旋转运动可以通过很多种机械方法转化成直线运动,这包括齿轮,齿条机构,皮带,皮带轮及其他机械机构,这些选择都需要外部机械零件,最有效的方法是将这些转化在电机内部完成,直线步进电机最早在1968年出现,我国2006年开始广泛应用直线步进电机,目前主要以贯通式直线步进电机和螺母驱动式直线步进电机为主。
 在直线步进电机内部通过一个内螺纹螺母和导螺杆完成了旋转运动向直线运动的转化,转子的内部被加工成内螺纹,导螺杆代替了轴,为了实现直线运动,导螺杆的旋转运动必须被限制,转子旋转时,内螺纹驱动导螺杆做直线运动,改变转子的旋转方向可以改变直线运动方向。
     直线步进电机的步长决定于电机的步距角和相互配合的内螺纹螺母和导螺杆的螺距,大螺距螺纹比小螺距螺纹产生的步长大,然而,对于给定的步进速度小螺距螺纹可以提供更大推力。当电机失电时,大螺距螺纹容易被反向驱动或推动,但小螺距螺纹通常却不容易被反向驱动或推动,为了保证高的工作效率,在转子和导螺杆之间必须有一定的自由度,这就要求在两者之间有一定的间隙,这大约有0.03到0.08毫米轴向间隙(也叫反向间隙),通常导程越大间隙越大。
     直线步进电机,在电机内部完成了旋转运动向直线运动的转化,这给许多应用带来了方便,使得机械结构更加简单,因为直线步进电机自身内部包括了相关部件,所以对于外部零件比如皮带及带轮的需要大大降低或免除,较少的零件使得设计更加容易,降低整个系统的成本和尺寸,并且提高了产品的可靠性。

直线电机使用寿命
    直线步进电机的使用寿命取决于电机的使用寿命和丝杠传动部分的损耗,市场上配件的精度和质量参差不齐。正常情况下,运控贯通式直线电机可完成多达2千万次的运行周期,而运控螺母驱动式电机可提供长达25,000小时运行寿命。电机最终的疲劳和综合寿命由每个用户的具体应用情况决定。

连续工作制: 在额定电压下连续运行电机。

25%工作制: 在L/R驱动上以双倍的额定电压运行电机,电机通电时间大约为25%。电机产生的输出力矩比在额定电压下运行大约要多60%。注意,工作周期与施加在电机上的负载无关。

寿命: 直线电机的寿命为电机能在指定的负载下运动,并维持步进精确度的循环次数。旋转电机的寿命为工作小时数

一个运动周期: 直线电机的一个运行周期包括伸出以及缩回到初始位置的整个动作。

    对于如何选择适当的电机并确保其拥有最长的寿命,这里有一些通用的准则,但最终,如要在给一个给定的系统中确定步进电机的性能,最好在“现场条件”下,或在尽可能类似的现场的条件下进行组装测试。

    由于步进电机没有电刷所产生的磨损,起寿命通常超过系统中的其他机械零件,步进电机若失效,一般来说是由于一些机械零件失效而引起的,螺杆/螺母接合处及轴承是首先会产生疲劳失效的零件,而工作力矩或推力以及工作环境也会影响这些零件的寿命。

    如果电机在起额定力矩或推力,或接近其额定力矩或推力下运行,则其寿命将受到影响,运控的测试表明电机寿命随工作负载的降低而呈指数增加,一般而言,电机应设计成在其最大承载能力的40%-60%下运行,一些环境因素,如高湿度,暴露于苛性化学制品中,大量的污垢以及热量,都会影响电机的寿命,组装中的一些机械因素,如直线电机中轴的侧向负载或旋转电机中的不平衡负载,安装过程的不同心,或者频繁正反转而没有加减速过程,都将对电机寿命造成不利影响。

    如果在短时工作制下使用电机,并向电机施加较高的电压,则通电时间应保证其温升不超过电机的最大温升限制,如果电机没有足够的断电时间,将会产生太多的热量,以至绕组过热,最终导致电机失效。

    设计一个能将这些因素降低到最小的系统将确保电机的最大寿命,将寿命最大化的第一步是选择一个安全系数为2或更大的电机,第二步是通过将侧向负载,不平衡的负载和冲击载荷降低到最小来保证系数具有良好的机械性能,另外,系统应配备散热系统,如果系统中存在苛性化学品,则必须对电机和其他所有零件加以防护,最后,在“现场条件”下测试电机及其组件可确保应用适当。

    如果遵守了这些准则,运控直线电机,将在广泛的领域内为您提供可靠的操作。如果用户在设计上需要帮助,运控将帮助您在我们的电机上获得最长寿命和最佳的性能。


 


步进电机力矩计算方法(功率换算方法)
        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。
       很多用户在选型时不知道该选择多大的步进电机,不清楚步进电机速度和力矩的关系,有的用户需要用步进电机替代交流电机或者直流电机时问到该选用多少瓦的步进电机(其实步进电机是不讲功率的),甚至有用户直接问到“我要带50公斤的物体,该用多大的步进电机?”针对不同的设备,不同的传动方式,不同的负载和速度,甚至不同的加速度,启动速度等因素,所需要适配的步进电机都会有所不同,运控公司无法针对每个公司不同的机械设计都做出精确的计算,现在把步进电机选型的科学计算方法跟用户分享。
  

步进电机力矩计算公式(功率换算公式)下载

   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*。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=(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)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/2π)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/T×1.02×10ˉ2 (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)/(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
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)
(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.
 

  
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