步进电机选择的详细计算过程.docx

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步进电机选择的详细计算过程

步进电机选择的详细计算过程  

2011-07-2500:

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1，如何正确选择伺服电机和步进电机？

主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：

负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。

供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。

据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。

2，选择步进电机还是伺服电机系统？

其实，选择什么样的电机应根据具体应用情况而定，各有其特点。

请见下表，自然明白。

步进电机系统  

伺服电机系统 

力矩范围  

中小力矩（一般在20Nm以下）  

小中大，全范围 

速度范围  

低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM）  

高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达1~2万转/分 

控制方式  

主要是位置控制  

多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式 

平滑性  

低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）  

好，运行平滑 

精度  

一般较低，细分型驱动时较高  

高（具体要看反馈装置的分辨率） 

矩频特性  

高速时，力矩下降快  

力矩特性好，特性较硬 

过载特性  

过载时会失步  

可3~10倍过载（短时） 

反馈方式  

大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步  

闭环方式，编码器反馈 

编码器类型  

-  

光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型 

响应速度  

一般  

快 

耐振动  

好   

一般（旋转变压器型可耐振动） 

温升  

运行温度高  

一般 

维护性  

基本可以免维护  

较好 

价格  

低  

高 

3，如何配用步进电机驱动器？

根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。

如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。

对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。

4，2相和5相步进电机有何区别，如何选择？

2相电机成本低，但在低速时的震动较大，高速时的力矩下降快。

5相电机则振动较小，高速性能好，比2相电机的速度高30~50%，可在部分场合取代伺服电机。

5，何时选用直流伺服系统，它和交流伺服有何区别？

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。

因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。

控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。

电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。

大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。

因而适合做低速平稳运行的应用。

6，使用电机时要注意的问题？

上电运行前要作如下检查：

1）电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的+/-极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）； 

2）控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）； 

3）不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。

4）一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。

5）开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。

7，步进电机启动运行时，有时动一下就不动了或原地来回动，运行时有时还会失步，是什么问题？

一般要考虑以下方面作检查：

1）电机力矩是否足够大，能否带动负载，因此我们一般推荐用户选型时要选用力矩比实际需要大50%~100%的电机，因为步进电机不能过负载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复动。

2）上位控制器来的输入走步脉冲的电流是否够大（一般要>10mA），以使光耦稳定导通，输入的频率是否过高，导致接收不到，如果上位控制器的输出电路是CMOS电路，则也要选用CMOS输入型的驱动器。

3）启动频率是否太高，在启动程序上是否设置了加速过程，最好从电机规定的启动频率内开始加速到设定频率，哪怕加速时间很短，否则可能就不稳定，甚至处于惰态。

4）电机未固定好时，有时会出现此状况，则属于正常。

因为，实际上此时造成了电机的强烈共振而导致进入失步状态。

电机必须固定好。

5）对于5相电机来说，相位接错，电机也不能工作。

8，  我想通过通讯方式直接控制伺服电机，可以吗？

可以的，也比较方便，只是速度问题，用于对响应速度要求不太高的应用。

如果要求快速的响应控制参数，最好用伺服运动控制卡，一般它上面有DSP和高速度的逻辑处理电路，以实现高速高精度的运动控制。

如S加速、多轴插补等。

9，用开关电源给步进和直流电机系统供电好不好？

一般最好不要，特别是大力矩电机，除非选用比需要的功率大一倍以上的开关电源。

因为，电机工作时是大电感型负载，会对电源端形成瞬间的高压。

而开关电源的过载性能不好，会保护关断，且其精密的稳压性能又不需要，有时可能造成开关电源和驱动器的损坏。

可以用常规的环形或R型变压器变压的直流电源。

10，我想用±10V或4~20mA的直流电压来控制步进电机，可以吗？

可以，但需要另外的转换模块。

11，我有一个的伺服电机带编码器反馈，可否用只带测速机口的伺服驱动器控制？

可以，需要配一个编码器转测速机信号模块。

12，  伺服电机的码盘部分可以拆开吗？

禁止拆开，因为码盘内的石英片很容易破裂，且进入灰尘后，寿命和精度都将无法保证，需要专业人员检修。

13，步进和伺服电机可以拆开检修或改装吗？

不要，最好让厂家去做，拆开后没有专业设备很难安装回原样，电机的转定子间的间隙无法保证。

磁钢材料的性能被破坏，甚至造成失磁，电机力矩大大下降。

14，几台伺服电机可以作同步运行吗？

我们的产品是可以的。

15，伺服控制器能够感知外部负载的变化吗？

我们的产品是可以的，如遇到设定阻力时停止、返回或保持一定的推力跟进。

16，可以将国产的驱动器或电机和国外优质的电机或驱动器配用吗？

原则上是可以的，但要搞清楚电机的技术参数后才能配用，否则会大大降低应有的效果，甚至影响长期运行和寿命。

最好向供应商咨询后再决定。

17，使用大于额定电压值的直流电源电压驱动电机安全吗?

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ENCA和ENCB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HallA,HallB,HallC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（dutycycle）?

负载率（dutycycle）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。

1c616车床的各参数

1．1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

1.2.3最大走刀抗力FZ（与运动方向相反）=1400N

1.2.4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  =10~500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

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==480p/r

步进电动机与滚珠丝杆间的传动比i

i= ==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.M

2.2.2车削加工时的负载转矩TL 

TL=

  =

  =1.584N.M

u----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

Js=Kg.m2

Jw=kg.m2

宽10毫米）

Jg2 =kg.m2

   宽12毫米）换算系列电机轴上的总转动惯量JL

kg.m2

   换算到电动机轴上的总转动惯量JL

  =

 =7.3310-4Kg.m2

2.4初选步进电动机型号

根据车削时负载转距TL=,,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

电动机空载起动频率

转/分

Tm=2.6N.M

2.4.4负载时起动时间ta

ta=

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

当T=，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=（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（ 

J1、J2---齿轮惯量（ 

Js----丝杆惯量（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（ 

n---电机所需达到的转速（r/min） 

T---电机升速时间（s） 

Mf=（（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.

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