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分析步进电机负载时如何计算的?以及选型

2017-09-25
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。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。
 
注:步距角定义上文已解释,对于步距角为1.8度的步进电机(小电机),转一圈所用的脉冲数为 n=360/1.8=200个脉冲。
 
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。
选择步进电机如何配步进驱动器需要进行以下计算:
(1)计算齿轮的减速比根据所要求脉冲当量,齿轮减速比i:
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)    
式中,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)    
式中,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(Hz)
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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