淺析步進(jìn)電機(jī)的選擇與使用
摘要:隨著工業(yè)的快速發(fā)展。在當(dāng)今的生活生產(chǎn)中,人們對(duì)
電動(dòng)機(jī)這門學(xué)科的知識(shí)需要有足夠的了解。而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)中的執(zhí)行元件,在機(jī)電一體化產(chǎn)品中有著關(guān)鍵作用。本公司以目前最常用的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例,主要闡述了其工作原理、機(jī)械特性、實(shí)際應(yīng)用中的選擇和使用,希望對(duì)廣大用戶在其選擇上能有所幫助。
一、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理:
以三相反應(yīng)式步進(jìn)
電機(jī)為例。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。在定子上有三對(duì)磁極,磁極上裝有勵(lì)磁繞組,勵(lì)磁繞組分成三相,即A、B、C。在轉(zhuǎn)子上均勻分布著四個(gè)相位差為90°的轉(zhuǎn)子齒,轉(zhuǎn)子上不裝設(shè)繞組,為硅鋼片或軟磁性鋼片疊成的鐵心。
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)A相通電,B和C相不通電時(shí),由于A相繞組產(chǎn)生的磁通要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路,這樣將使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子的A相對(duì)齊。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)B相通電,A和C相不通電時(shí),由于B相繞組產(chǎn)生的磁通要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路,這樣將使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子的B相對(duì)齊。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)C相通電,A和B相不通電時(shí),由于C相繞組產(chǎn)生的磁通要經(jīng)過磁阻最小的路徑形成閉合磁路,這樣將使轉(zhuǎn)子齒1、3和定子的C相對(duì)齊。
按照A-B-C-A的通電順序往復(fù)下去,則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將按一定速度沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。反之,若按照A-C-B-A的通電順序往復(fù)下去,則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式,稱為三相單三拍方式。步進(jìn)電機(jī)還可以使用三相雙三拍(即AB-BC-CA-AB和AC-CB-BA-AC)和三相單、雙六拍(即A-AB-B-BC-C-CA-A和A-AC-C-CB-B-BA-A)的通電方式。
由此可見,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小取決于三相控制繞組通、斷電源的頻率,方向取決于其通電順序。當(dāng)其定子上有m相勵(lì)磁繞組時(shí),其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒的軸線偏移1/m、2/m……(m-1)/m、1,其通電順序按照一定相序,步進(jìn)電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行,基于這種原理,我們就可以生產(chǎn)出各種相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)。
二、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械特性:
1、步距角及步距角精度。步距角是指給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)脈沖后其所轉(zhuǎn)過的角度,即Ψ=360°/(KmZ),其中m為相數(shù);Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù);K為通電方式,全步方式K=1,半步方式K=2,通常在步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)表中給出兩個(gè)步距角。與工作原理相對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)全步方式時(shí),其步距角為30°;半步方式時(shí),其步距角為15°。步距角精度是指步進(jìn)電機(jī)在空載狀態(tài)下每步轉(zhuǎn)過角度與理論角度之差,一般其步距角精度小于10′。
2、靜態(tài)特性。1)矩角特性:指在不改變通電狀態(tài)的條件下,步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系,即T=-kI2sin,其中k為轉(zhuǎn)矩常數(shù);I為控制繞組電流;為失調(diào)角;2)最大靜轉(zhuǎn)矩:矩角特性中靜轉(zhuǎn)矩的最大值,即Tmax=kI2。
3、動(dòng)態(tài)特性。1)矩頻特性:指輸出轉(zhuǎn)矩與輸入頻率的關(guān)系。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定的條件下,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率必須小于對(duì)應(yīng)的頻率值,否則就會(huì)出現(xiàn)失步;2)慣頻特性:指轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與輸入頻率的關(guān)系;3)起動(dòng)頻率:指步進(jìn)電機(jī)在帶動(dòng)一定負(fù)載時(shí),不失步起動(dòng)的最高頻率;4)運(yùn)行頻率:指步進(jìn)電機(jī)不失步運(yùn)行的最高頻率。起動(dòng)時(shí),步進(jìn)電機(jī)需要足夠長的時(shí)間加速才能保證不失步,因此,在實(shí)際應(yīng)用中選用的運(yùn)行頻率應(yīng)該高于起動(dòng)頻率。
三、步進(jìn)電機(jī)的選擇:
步進(jìn)電機(jī)的選擇主要通過確定步距角、靜轉(zhuǎn)矩、電流的大小,就能確定其型號(hào)了。
1、步距角的選擇
步進(jìn)電機(jī)步距角的選擇取決于系統(tǒng)負(fù)載分辨率的要求,將系統(tǒng)負(fù)載所要求的最小分辨率換算到步進(jìn)電機(jī)的軸上就是此時(shí)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)走過的角度,步進(jìn)電機(jī)的步距角應(yīng)該等于或小于該角度。在實(shí)際應(yīng)用中,步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有1.5°/3°(三相)、0.9°/1.8°(二相或四相)、0.36°/0.72°(五相)等等。
2、靜轉(zhuǎn)矩的選擇:
步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩的選擇取決于系統(tǒng)負(fù)載種類的要求,系統(tǒng)負(fù)載的種類分為摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載。步進(jìn)電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)要考慮摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載;加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載;恒速運(yùn)行時(shí)主要考慮摩擦負(fù)載。在實(shí)際應(yīng)用中,步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩一般為摩擦負(fù)載的2-3倍的范圍內(nèi),步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩一旦確定下來,那么步進(jìn)
電機(jī)的幾何尺寸,即機(jī)座就能確定下來了。
3、電流的選擇:
步進(jìn)電機(jī)電流的選擇取決于系統(tǒng)的矩頻特性,步進(jìn)電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩一定時(shí),電流參數(shù)不同,其運(yùn)行性能也不同。在實(shí)際應(yīng)用中,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高,力矩就越大,則要求其電流就越大,驅(qū)動(dòng)電源的電壓就越高。要使步進(jìn)電機(jī)的電流大,盡可能提高驅(qū)動(dòng)電源的電壓,就必須選擇小電感大電流的步進(jìn)電機(jī)。
四、步進(jìn)電機(jī)的使用:
1、步進(jìn)電機(jī)適用于低速場(chǎng)合,其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300-600r/min,可通過減速裝置使其在此范圍內(nèi)進(jìn)行工作,此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的工作效率較高,噪聲較低;2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài),因?yàn)檎綘顟B(tài)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)較大;3、步進(jìn)電機(jī)的標(biāo)稱電壓值為12V時(shí)可以使用12V的驅(qū)動(dòng)電源,除此之外,其他步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行選擇;4、步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)慣量較大的負(fù)載時(shí),應(yīng)該選擇較大機(jī)座號(hào)的步進(jìn)電機(jī);5、步進(jìn)電機(jī)要求較高速運(yùn)行時(shí),應(yīng)該采用逐漸升頻提速的方法。這樣做的好處是:一能夠使步進(jìn)電機(jī)不失步;二能夠使步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中減少噪聲;三能夠使步進(jìn)電機(jī)提高停車的定位精度;6、步進(jìn)電機(jī)要求較高精度運(yùn)行時(shí),應(yīng)該采用機(jī)械減速、提高步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)
電機(jī)的方法,或采用5相步進(jìn)電機(jī)的方法;7、在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)該遵循先選步進(jìn)電機(jī)再選步進(jìn)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原則。
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×1.02×10¯² (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)×10¯² (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)×10¯² (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.