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    步進(jìn)電機(jī)的選用計(jì)算方法

    2009-07-28 08:00:22馬秀清
    中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2009年13期
    關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī)工作原理控制電路

    馬秀清

    摘要:步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例,相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。

    關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī);選擇;工作原理;控制電路

    步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一,通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中,如:數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。

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

    選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí),應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配,這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量,一是可以改變絲桿的導(dǎo)程,二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率,不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。

    選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí),應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動頻率,使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量,使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動的需要。

    選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算:

    1 計(jì)算齒輪的減速比

    根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量,齒輪減速比i計(jì)算如下:

    i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1) 式中φ——步進(jìn)電機(jī)的步距角(o/脈沖)

    S——絲桿螺距(mm)

    Δ——(mm/脈沖)

    2 計(jì)算工作臺,絲桿以及齒輪折算至電機(jī)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(jī)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(jì)算電機(jī)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(jī)啟動加速力矩(N.m)

    Jm、Jt——電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2)

    n——電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速(r/min)

    T——電機(jī)升速時(shí)間(s)

    Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 (1-5)

    Mf——導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)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(jī)力矩(N.m)

    Pt——最大切削力(N)

    4 負(fù)載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)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(jī)輸出力矩(N.m)

    若負(fù)載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進(jìn)行估算。

    5 運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降,因此在最高頻率 時(shí),由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負(fù)載,并留有足夠的余量。

    6 負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax。負(fù)載力矩可按式(1-5)和式(1-6)計(jì)算,電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí),由矩頻特性決定的電機(jī)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(yīng)小于(0.2 ~0.4)Mmax。

    步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)是運(yùn)動控制系統(tǒng)中最常用的兩種執(zhí)行電動機(jī)。在電機(jī)選型過程中,必須首先計(jì)算出負(fù)載通過機(jī)械傳動系統(tǒng)對電機(jī)軸的折算扭矩(T折),下面就幾中常見的機(jī)械傳動方式介紹折算扭矩(T折)的計(jì)算過程。

    重物提升

    T折= (m×g×D) /(2×i) [N.m]

    絲杠螺母傳動

    T折= 1/I((F×t)/(2×π ×η)+Tb) [N.m] F=F0+μmg [N]

    同步帶或齒輪齒條傳動

    T折=(F×D)/( 2×i ×η) [N.m] F=F0+μmg [N]

    參考文獻(xiàn)

    [1]王也平等編著.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,1992.

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