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張俊偉
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山洋步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算方法及常見問題

 

 

１、 步進(jìn)電機(jī)的選用計(jì)算方法
　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的； 同時(shí)您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。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(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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。

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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(dòng)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(dòng)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(tái)，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(tái)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(dòng)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

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　　　　　　　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(dòng)頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)頻率（Hz） fq0---空載起動(dòng)頻率
　　　　　　　　　　　Ml---起動(dòng)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(dòng)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。
　　２、 步進(jìn)電機(jī)分類
　　步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度，山洋步進(jìn)電機(jī)均為這種步進(jìn)電機(jī)。  字串9
　　３、保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）　　
　　保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。
　　４、步進(jìn)電機(jī)精度為步進(jìn)角的3-5%， 只有周期性的誤差，且不累積。
　　５、步進(jìn)電機(jī)的外表溫度
　　步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
　　６、步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降
　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。
　　７、步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲 字串7
　　步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?/span>
　　８、如何克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)和噪聲
　　步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲大是其固有的缺點(diǎn)，一般可采用以下方案來克服：
　　　A.如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機(jī)械傳動(dòng)避開共振區(qū)；
　　　B.采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器，這是最常用的、最簡(jiǎn)便的方法；
　　　C.換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī)，如三相或五相步進(jìn)電機(jī)；
　　　D.換成交流伺服電機(jī)，幾乎可以完全克服震動(dòng)和噪聲，但成本較高；
　　　E.在電機(jī)軸上加磁性阻尼器，市場(chǎng)上已有這種產(chǎn)品，但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大。
　　９、細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度
　　步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請(qǐng)參考有關(guān)文獻(xiàn)），其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。比如對(duì)于步進(jìn)角為1.8° 的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4，那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個(gè)脈沖0.45°，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近0.45°，還取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。 字串9
　　１０、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的直流供電電源
　　A.電壓的確定：混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍（比如PMM-BD-5702的供電電壓為24～36VDC），電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動(dòng)器。
　　B.電流的確定：供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I 的1.5～2.0倍。
　　１１、混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脫機(jī)信號(hào)FREE
　　當(dāng)脫機(jī)信號(hào)FREE為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出到電機(jī)的電流被切斷，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）。在有些自動(dòng)化設(shè)備中，如果在驅(qū)動(dòng)器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸（手動(dòng)方式），就可以將FREE信號(hào)置低，使電機(jī)脫機(jī)，進(jìn)行手動(dòng)操作或調(diào)節(jié)。手動(dòng)完成后，再將FREE信號(hào)置高，以繼續(xù)自動(dòng)控制。
　　１２、如何用簡(jiǎn)單的方法調(diào)整兩相步進(jìn)電機(jī)通電后的轉(zhuǎn)動(dòng)方向
　　只需將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線的A+和A-（或者B+和B-）對(duì)調(diào)即可。

 

山洋電気は，創(chuàng)業(yè)以來培ってきた技術(shù)の蓄積を役立て，
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交流伺服系統(tǒng) ACservo System SANMOTION R 由比傳統(tǒng)機(jī)型小30％的伺服馬達(dá)，以及可方便地設(shè)置優(yōu)運(yùn)轉(zhuǎn)的高響應(yīng)單軸伺服放大器和多軸伺服放大器(最大6軸)構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)。可用于半導(dǎo)體制造裝置，芯片貼裝機(jī)，機(jī)器人，一般產(chǎn)業(yè)機(jī)械，機(jī)床等。

 

交流伺服系統(tǒng) ACservo System SANMOTION Q 由比傳統(tǒng)機(jī)型小30％的伺服馬達(dá)，以及可方便地設(shè)置優(yōu)運(yùn)轉(zhuǎn)的高響應(yīng)單軸伺服放大器和多軸伺服放大器(最大6軸)構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)。可用于半導(dǎo)體制造裝置，芯片貼裝機(jī)，機(jī)器人，一般產(chǎn)業(yè)機(jī)械，機(jī)床等。

 

交流伺服系統(tǒng) ACservo System SANMOTION P 具有各種小容量和大容量馬達(dá)的交流伺服系統(tǒng)。可用于從半導(dǎo)體制造裝置到機(jī)床的各種用途。

 

 

直流伺服系統(tǒng) DCservo System SANMOTION T 由通過與高分辨率編碼器組合后可進(jìn)行低速脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服馬達(dá)，以及可方便地設(shè)置最優(yōu)運(yùn)轉(zhuǎn)的高響應(yīng)伺服放大器構(gòu)成的直流伺服系統(tǒng)。可用于測(cè)量?jī)x器，一般產(chǎn)業(yè)機(jī)械等。

 

運(yùn)動(dòng)控制器 Motion Controller SANMOTION C 集運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)器人控制和PLC 控制于一體，可降低設(shè)備成本，同時(shí)縮短開發(fā)周期。其接口可使用多種不同類型的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。可用于搬運(yùn)機(jī)器人，一般產(chǎn)業(yè)機(jī)械等。

 

編碼器 Encoder 備有以下3 種類型：PA 系列光學(xué)絕對(duì)值傳感器；PP 系列增量式傳感器；以及RA 系列旋轉(zhuǎn)變壓器式無電池絕對(duì)值傳感器。

 

 

 

直線伺服系統(tǒng) Linear Servo System 有芯，無芯，圓柱和磁引力補(bǔ)償式線直線伺服系統(tǒng)特別適用于高速，高精密應(yīng)用之場(chǎng)合。可用于半導(dǎo)體制造裝置，芯片貼裝機(jī)等。

 

 

閉環(huán)步進(jìn)系統(tǒng) Closed loop Stepping System SANMOTION Model No.PB 兼?zhèn)浣涣魉欧到y(tǒng)和步進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的馬達(dá)。結(jié)構(gòu)小巧，可進(jìn)行高速及高加減速運(yùn)轉(zhuǎn)，性價(jià)比優(yōu)異。可用于標(biāo)簽機(jī)，半導(dǎo)體檢查裝置等。

 

 

驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置步進(jìn)馬達(dá) Stepping Motor SANMOTION F2 該系統(tǒng)通過將驅(qū)動(dòng)器與馬達(dá)一體化，不僅減少了“安裝空間”和“配線工時(shí)”，還具有可根據(jù)用途選擇運(yùn)轉(zhuǎn)模式的功能。可用于半導(dǎo)體制造裝置，芯片貼裝機(jī)及監(jiān)控?cái)z像機(jī)等各種用途。

 

 

二相步進(jìn)系統(tǒng) Stepping System SANMOTION F2 具有直流輸入型( 單極/ 雙極規(guī)格) 驅(qū)動(dòng)器和馬達(dá)組合，馬達(dá)基本步距角為1.8°的高扭矩系統(tǒng)。可用于復(fù)印機(jī)，半導(dǎo)體制造裝置，工業(yè)用縫紉機(jī)及金融終端等各種用途。S

 

 

三相步進(jìn)系統(tǒng) Stepping System SANMOTION F3 具有直流輸入型驅(qū)動(dòng)器和馬達(dá)組合，馬達(dá)基本步距角為1.2°，可用于半導(dǎo)體制造裝置，傳真機(jī)等用途。

 

 

 

五相步進(jìn)系統(tǒng) Stepping System SANMOTION F5 具有直流輸入/ 交流輸入型驅(qū)動(dòng)器和馬達(dá)組合，馬達(dá)基本步距角為0.72°的低振動(dòng)，高響應(yīng)系統(tǒng)。適用于一般產(chǎn)業(yè)機(jī)械，半導(dǎo)體制造裝置等要求低振動(dòng)的設(shè)備。

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