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由于及驱动器型号较多、种类较多,用户在选择时应有一定的讲究,这样才能以优的性能、低的价格选择好自己所需的产品。
1、 首先确定步进电机拖动负载所需要的扭矩。
简单的方法是在负载轴上加一杠杆,用弹簧秤拉动杠杆,拉力乘以力臂长度既是负载力矩。或者根据负载特性从理论上计算出来。
由于步进电机是控制类电机,所以目前常用步进电机的大力矩不超过45nm,力矩越大,成本越高,如果您所选择的电机力矩较大或超过此范围,可以考虑加配减速装置。
2、 确定步进电机的高运行转速。
转速指标在步进电机的选取时至关重要,步进电机的特性是随着电机转速的升高,扭矩下降,其下降的快慢和很多参数有关,如:驱动器的驱动电压、电机的相电流、电机的相电感、电机大小等等,一般的规律是:驱动电压越高,力矩下降越慢;电机的相电流越大,力矩下降越慢。www.diangon.com在设计方案时,应使电机的转速控制在600转/分或800转/分以内,当然这样说很不规范,可以参考〈矩-频特性〉。
3、根据负载大力矩和高转速这两个重要指标,再参考〈矩-频特性〉,就可以选择出适合自己的步进电机。如果您认为自己选出的电机太大,可以考虑加配减速装置,这样可以节约成本,也可以使您的设计更灵活。要选择好合适的减速比,要综合考虑力矩和速度的关系,选择出佳方案。
4、后还要考虑留有一定的(如50%)力矩余量和转速余量。
5、可以先选择混合式步进电机,如果由于价格因素,可以选取反应式步进电机。
6、尽量选取细分驱动器,且使驱动器工作在细分状态。
7、选取时且勿走入只看电机力矩这一个指标的误区,也就是说并非电机的扭矩越大越好,要和速度指标一起考虑。
8、超小型驱动器和微型驱动器是靠外壳作为散热器的,应固定在较大、较厚的金属板上或外加风机散热,如果没有散热条件,而驱动器又工作在转速较低的场合(这时驱动器发热较大),可以选用带风机的90型驱动器代替。
选择时,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,这样可以得到系统所需的脉冲当量。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,使之高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。
依据电机在一定驱动速度的条件下,其所带的负载转矩、负载惯量(转动惯量)和必需的加速转矩,来计算所选择步进电机的输出转矩。
负载惯量所需的加速转矩和摩檫转矩
负载转矩tl时,欲驱动其到f2的转速,则先在低速f1起动电机,然后加速到f2。此时,负载包含有转子的转动惯量j,因此要使其加速,就必须要施加加速转矩ta,则(tl+ta)为步进电机欲加速运行到f2转速所需的转矩。此加速转矩即为式下式的项:
上式的d为比例速度的系数,第二项比其他的项小可忽略不计。tm为电机产生的转矩,(tm-tl)为产生加速度的转矩。令加速到转子角速度ω2时驱动脉冲到达f2(pps),然后恒速运行,再进行减速运行,达到转子角速度ω1,驱动频率返回到f1(pps),后停止。此时的梯形面积相当于总步数,即电机轴在横轴的时间内转动的步数,负载到达定位位置。设加速时间为ta。步距角为θs,则加速转矩用下式表示:
步进电机的失步转矩为该步进电机所能输出的大转矩。选择步进电机,转矩的安全系数sf选择1.3~2,下式决定所需的转矩:
t=sf(ta+tl)
【例题】:求负载惯量为2kg·cm2,ω1=0,ω2=157rad/s(相当于25rps),tl=0,ta=0.1s时的加速所需的转矩。
【解】:j=2(kg·cm2)=2×10-4(kg·m2),根据式上面的(式1)ta=j(ω2-ω1)/ta
t=2×10-4×(157-0)/0.1=0.314(n·m)
转矩的单位为kgf·cm,1kgf=9.8n,用下式来计算:
t=0.314×100-9.8=0.314×10.2=3.20kg·cm
输出轴上的转动惯量和扭矩计算:
力矩=力*力臂 你套上的轮转一圈5cm长,可以算得轮的半径0.8cm。所需力矩=20*0.8=16kg.cm。提起重物要求多大的速度,转换成速度单位rpm(每分钟转速)
现在选电机的重要参数都有了,你只要找在你要求的转速下能输出16kg.cm力矩的步进电机就可以了。好要乘以一个安全系数1.2,输出力矩要求达到约20kg.cm。
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---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
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)负载力矩和大静力矩mmax。负载力矩可按式(1-5)和式(1-6)计算,电机在大进给速度时,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
设置驱动器的细分数,通常细分数越高,控制分辨率越高 ,但细分数太高则影响到大进给速度,一般来说,对于模具机用户可考虑脉冲当量为0.001mm/p(此时大进给速度为9600mm/min)或者 0.0005mm/p(此时大进给速度为4800mm/min),对于精度要求不高的用户,脉冲当量可设置的大一些,如0.002mm/p(此时大进 给速度为19200mm/min)或0.005mm/p(此时大进给速度为48000mm/min)。对于两相步进电机,脉冲当量计算方法如下:脉冲当 量=丝杠螺距÷细分数÷200。
弯道加速度:用以描述多个进给轴联动时的加减速能力,单位是毫米/秒平方,它决定了机床在做圆弧运动时的高速度。这个值越大,机床在做圆弧运动时的大允许速度越大。通常,对于步进电机系统组成的机床,该值在400--1000之间,对于系统,可以设置在1000--5000之间。如果是重型机床,该值要小一些。在设置过程中,开始设置小一点,运行一段时间,重复做各种典型联动运 动,注意观察,如果没有异常情况,然后逐步增加,如果发现异常情况,则降低该值,并留50%--的保险余量。
起跳速度:该参数对应步进电机的起跳频率。所谓起跳频率是步进电机不经过加速,能够直接 启动工作的高频率。合理地选取该参数能够提高加工效率,并且能避开步进电机运动特性不好的低速段;但是如果该参数选取大了,就会造成闷车,所以一定要留有余量。在电机的出厂参数中,一般包含起跳频率参数。但是在机床装配好后,该值可能发生变化,一般要下降,特别是在做带负载运动时。所以,该设定参数好 是在参考电机出厂参数后,再实际测量决定。
单轴加速度:用以描述单个进给轴的加减速能力,单位是毫米/秒平方。这个指标由机床的物 理特性决定,如运动部分的质量、进给电机的扭矩、阻力、切削负载等。这个值越大,在运动过程中花在加减速过程中的时间越小,效率越高。通常,对于步进电机,该值在100--500之间,对于伺服电机系统,可以设置在400--1200之间。在设置过程中,开始设置小一点,运行一段时间,重复做各种典型运动,注意观察,如果没有异常。