步進電機的選用計算方法

步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機 轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例,相應的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關鍵部件之一,通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定 位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產(chǎn)品中,如:數(shù)控機床、包裝機械、計 算機外圍設備、復印機、傳真機等。

選擇步進電機時,首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時, 首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩,電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實 際工作過程中,各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說靜力矩Mjmax大的電 機,負載力矩大。

選擇步進電機時,應使步距角和機械系統(tǒng)匹配,這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程 中為了使得有更小的脈沖當量,一是可以改變絲桿的導程,二是可以通過步進電機的細分驅(qū)動來完成。但 細分只能改變其分辨率,不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。選擇功率步進電機時,應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率,使之與步進電機的慣性 頻率特性相匹配還有一定的余量,使高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。

選擇步進電機需要進行以下計算:

(1)計算齒輪的減速比

根據(jù)所要求脈沖當量,齒輪減速比i計算如下:i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1)式中φ---步進電機的步距角(o/脈沖)

S ---絲桿螺距(mm)

Δ---(mm/脈沖)

(2)計算工作臺,絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。Jt=J1(1/i2)[(J2 Js)W/g(S/2π)2](1-2)式中Jt ---折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2)

J1、J2 ---齒輪慣量(Kg.cm.s2)

Js ----絲桿慣量(Kg.cm.s2) W---工作臺重量(N)S ---絲桿螺距(cm)

(3)計算電機輸出的總力矩M

M=Ma Mf Mt(1-3)

Ma=(Jm Jt).n/T×1.02×10ˉ2(1-4)

式中Ma ---電機啟動加速力矩(N.m) Jm、Jt---電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2) n---電機所需達到的轉(zhuǎn)速(r/min)T---電機升速時間(s)Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2(1-5)

Mf---導軌摩擦折算至電機的轉(zhuǎn)矩(N.m)

u---摩擦系數(shù)

η---傳遞效率

Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2(1-6)

Mt---切削力折算至電機力矩(N.m)

Pt---切削力(N)

(4)負載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關系,其估算公式為 fq=fq0[(1-(Mf Mt))/Ml)÷(1 Jt/Jm)] 1/2(1-7)式中fq---帶載起動頻率(Hz)fq0---空載起動頻率Ml---起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩 (N.m)若負載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算.

(5)運行的頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降,因此在頻率 時,由矩頻特性的輸出力矩應能驅(qū)動負載,并留有足夠的余量。

(6)負載力矩和靜力矩Mmax。負載力矩可按式(1-5)和式(1-6)計算,電機在進給速度 時,由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和,并留有余量。一般來說,Mf與Mt之和應小于(0.2~0.4)Mmax.