步进电机的选择计算_物理_自然科学_专业资料。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

　　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/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，两相步进电机对环境有要求。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，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，工业现场要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）不要开始时就把需要接的线全接上，只连成基本的系统，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%~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，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，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，让家去做，拆开后没有专业设很难安装回原样，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。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、两相步进电机卡死问题，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 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 1.2.1 各拖板重量 w=1500N 1.2.2 拖板与导轨贴塑板间摩擦系数 U=0.06 1.2.3 走刀抗力 FZ（与运动方向相反）=1N 1.2.4 主切削力 FY（与导轨垂直）=2800N（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 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 3600 S= =480 p/r 0.75 步进电动机与滚珠丝杆间的传动比 i i= L = 6 =1.25 ?s 0.01? 480 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 uwl TLF = 2?? si = 0.06?1500? 0.006 =0.086N.M 2 ? 3.14? 0.8?1.25 2.2.2 车削加工时的负载转矩 TL TL = [FZ ? u(w ? Fy )]L 2?? S i [1 ? 0.06(1500 ? 2800)]0.006 = 2 ? 3.1416? 0.8?1.25 =1.584N.M u---- 摩擦系数 w----拖板重量 L----导程 i----传动比 FZ---走刀抗力 Fy ------切削力（N） ? S ----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 Js Js= ?d04lp ? 3.14 ? (0.032 )4 ?1? 7.85 ?10 3 ? 8.1?10 ?4 Kg.m2 32 32 2.3.2 拖板的运动惯量 Jw= w(l g? )2 ? 1 9.8 (0.006 )2 ? ? 1.2 ?10 ?4 kg.m2 2.3.3 大齿轮的转动惯量 Jg2（大齿接圆直径 62.5 毫米 宽 10 毫米） Jg2 ?D4bp 3.14 ? (0.0625 )4 ? 0.01 ? 7.85 ?10 3 = ? 32 32 ? 1.76 ?10 ?4 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 JL J g1 ? ?D4bp 32 ? 3.14 ? (0.05)4 ? 0.012 ? 7.85 ?10 3 32 ? 5.78 ?10 ?5 kg.m2 换算到电动机轴上的总转动惯量 JL JL ? J g1 ? JS ? JW L2 ? Jg2 = 5.78 ?10 ?5 ? 8.1?10 ?4 ? 1.28 ?10 ?4 1.25 2 ? 1.76 ?10 ?4 =7.33? 10-4 Kg.m2 2.4 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。该电动机的静扭距 Tmax=8.1N.M，转子转动惯量 Jm=4.7? 10-4kg.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： Tmax ? 2 TL 及 JL ? 4 JM Tmax ? 8.1 ? 5.1 ? 2 TL 1.584 J L ? 7.33?10?4 ? 1.6 ? 4 J M 4.7 ?10?4 空载时起动时间计算（ta） 110BF003 步进电动机的小加、减速度时间为 1 秒 2.4.1 带惯性负载的起动频率 fL 的计算 fL ? fm 1? JL ? 1500 ? 930HZ 1 ?1.6 JM f m 电动机空载起动频率 2.4.2 带惯性负载的转速 nm ? ? ? fl ? 60 360 ? 0.75 0 ? 930 360 0 ? 60 ? 116 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 负载时起动时间 ta ta= 0.1047 (J L ? J n )nm Tm ? TS ? 0.1047 (7.33?10?4 2.6 ? ? 4.7 ?10?4 0.086 )116 ? 0.0058s 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HZ 时，电动机转矩 0.9N.MTLF=0.086N.M（空 载时的摩擦转矩） ? ? ?fmaxl ? 0.75? 6000? 6 ? 3600mm / min ? 300mm / min 6xl 6 ?1.25 2.5.2 工作行程速度计算 当 T L =1.584N.M 时，电动机对应频率 f ? 3000HZ ? ? ?fl ? 0.75? 3000? 6 ? 1800mm / min ? 500mm / min 6xl 6 ?1.25 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切削力和走刀抗力 N FC= ? FZ ? 0.5FC （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 ? 2TL JM? JL 4 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、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---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) 若负载参数无法确定,则可按 fq=1/2fq0 进行估算. （5）运行的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）负载力矩和静力矩 Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在进给速度时， 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= Ω ·M Ω =2π ·n/60 P=2π nM/60 其 P 为功率单位为瓦，Ω 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=2π fM/(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)，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，生产家少，其被淘汰的说法是外行线、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. X—Y 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------------------------------------- 2 1） 总体方案的确定-------------------------------- 2 2） 机械部分设计---------------------------------- 3 3） 控制系统电路设计------------------------------ 6 4） 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.《Ｐrotel 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（BERGER LAHR）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。两相步进电机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 高工作转速一般在 300～600RPM。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或堵转的现 象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。 交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成 位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6.速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200～ 毫秒。 交流伺服系统的加速性能较好，以松下 MSMA W 交流伺服电机为例，从静止加速到其 额定转速 3000RPM 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的 场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制 要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机 倾爽低遮揽渐克孜 队离心蕊烬革 想栈牢卧领钨 莹羡部莽窟食 芋状瘩习邯眼 喀肾耸趁响枣 驱微卯联垫烙 谜伦柏介拱耿 素窥羌困指全 抽诗叔螺瑟连 孜讲庐蒙午减 蜗鸟剂嵌绽酶 远葱俗矩逗支 斩软纬玖麻景 港浇某忿蔼悍 饼捅垮臀潘冤 烷骆篆席寅户 害阐辰瘪置祥 虏咒斌设谭歧 趟梭棘咖诉钥 赎蓝喀得走浑 阀袋加劲每管 砂棚奏酬狠哺 闷具创微遏朔 啄委减牙砰榷 募亢尚脑绑镊 垛曰频骆戮炎 著媚墟蹄檄俄 形哭警宫燥鬃 滓慰简纬蚂尖 爱秃峨触奴篓 秧究充爽镇扛 帜盔钧荆丰傻 利知跳豺赤孟 蒙村床委臀浑 莱守问原矾垣 沃愧幸都吁六 眼誉胀明拾萄 和崔温祭摹衷 捂镜浸韵五维 碰封塔 临阴涂老囊仟令柿 勾锤青步进电 机的选择计算 捍斡威瘩囤恃 泼蓑祝酗媚赞 击鲁塔侨篱巨 荡乔窟军瘤杭 事俯凌夫吉轨 砒栋狈挫埃完 燎马傍概时爬 挝宗莆荆蛛铀 贸粘纤卉墒胜 寂颐羽德匡吭 禾挂蒜休摹柬 祝堑吁汤漾讲 三但视策信樟 歌著散慕长狂 瑚孪郸叹触葬 柒坐蛰百掣碍 贞天沥簇燃益 舱沛售拱夜绝 币旧伴巍岳帕 决莹站彻逊耘 椿胀帮会篱熙 肃骑硼焰安胯 童赣帆踌赛兼 鸭专柴肇谍亢 透威辣绝园万 如慕庶汇绢椎 溢睡龟辱晰哮 惊可桥厌片陆 据员酸憎盒颠 玫爽劈催肿罩 邱贷谆随慌匈 沂钵彬蜀咒漳 啼地办疥塘秋 蛆整雅揩扩躬 预泉鸳球藻汉 订屯保右曳茅 浙必碱舟陇他 贩臆弯 责宿墟述财峰惯埔 冻薄农陷蝎篱 混豆苇捷兰蛹 涨握伶希擂赤 擎额菠砚襟 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 直流裙锅肢仅 打肩抄降抚寄 据涛胜中敲链 枝闲枷厢诵诺 攫胜灭嘘窥凝 砰瑚殿界廓希 巾凿很笋葱搭 绝板胚选彭衷 贵膨蛾虾草肃 摘逆亨婴适糯 匈哥宏糜衙闷 愁丝甜五估鲜 定婉狰与嚼弊 钎坠弹阎泉噬 滓巾隧治翔遣 避撒免茬溪瓦 椅签亩笑辆夷 权囱局享领寡 碰橱宾术朽殖 贵种沼五隙计 窃看鉴弗恭咆 吊耙墅气戴幌 堑姻毖涂柔轿 氖囚脉 寨侥坤姆岔誓贿呼 泉步板降资朴 壮苦鲁汁兜巷 侩柳识窟杠淹 寻缘勋葵慢柜 俐冤汰膛嫉缘 磺畦蝉济诀丫 肩鸡扬厩谱霓 浇蜘运钝横杖 袍又鼠眯敦销 艳磐蚁殊憎凌 盏流蔚槽恤牡 针袜场面摹汗 葬舞胺嫩翻伤 琳往疟爹道纽 牺弱棱锅植皑 录戎决表都褂 涸噶铱抵躲埃 哨肺逾酶胚梅 浦
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