步进电机选型
步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用于各种自动化控制系统。要正确选择步进电机,需要考虑转矩、负载、电流、惯量、转速、精度等因素,只有明确这些要素,才能选择出适合特定应用场景的步进电机。 1、选择步进电机的种类(PM型、VR型、HB型) 步进电机按转子的构造大体可分为以下三种类型:一是由钣金爪极与圆筒线圈组成的定子和永磁铁氧体组成的PM型;二是转子不使用永久磁铁的VR型;三是转子由两个磁极中间加一个磁铁组成的HB型。三种类型步进电机各自的特点如下表:
如上述表格所示,需要考虑转矩、步距角、时间常数以及价格这四点,依据这些来判断哪种步进电机是合适的。 例如,PM 型电机的轴承不像 HB 型电机使用滚柱轴承,而是采用金属滑动轴承。当施加弹性负载时,如果采用皮带传递负载或者利用滚珠丝杠进行转矩传动,金属滑动轴承的径向载荷或止推载荷的允许值容易出现故障,并且在使用 PM 型电机时需要注意其温度范围。VR 型步进电机在作为伺服电机使用时需要进行闭环控制,所以这种应用场景很少。这是因为 VR 型步进电机价格接近 HB 型步进电机,但其分辨率只有 HB 型的 ½,而且效率不如永磁电机高,暂态特性也较差。HB 型步进电机转矩大、分辨率高,多用于位置定位或低速运行的情况,不过它容易产生振动和噪声问题。 2、判断需要多大的力矩,静力矩是选择步进电机的主要参数之一 在判断需要多大的静力矩时,要确保步进电机的输出转矩大于负载所需的转矩,以此保障整个系统正常运转。负载可分为惯性负载和摩擦负载两种,在实际情况中,单一的惯性负载或单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时,惯性负载和摩擦负载都要考虑:加速启动时主要考虑惯性负载、恒速运行时则主要考虑摩擦负载。在计算整个机械系统的负载转矩时,电机的矩频特性要能满足机械负载的需求,并且要有一定余量以保证可靠运行(步进电机的安全系数一般选择 1.3 - 2)。在实际工作过程中,各种频率下的负载转矩必须处于矩频特性曲线范围内。一般而言,静力矩越大的电机,其输出转矩越大,承受负载的能力也就越强。 3、如何判断电机的运转速度? 选用市面上出售的产品时,依据使用速度让步进电机工作在良好状态是非常重要的。在选型过程中,要尽量避免出现电机功率不足(即所谓 “小马拉大车”)和性能过剩的情况。那么,如何从转速角度选择合适的步进电机呢?这需要分清步进电机工作的三种速度状态:①仅在低速状态下使用;②在2000rpm以上的高速工况下使用;③从低速到高速的宽范围使用这三种速度状态。 在低速运行时,步进电机容易产生振动和共振。为了避免或减小这种情况,应选择步距角小的电机,而且两相电机在这方面不如三相电机。当步进电机高速运行时,由于线圈电感的影响,会对线圈电流的流入形成限制。因此,要选择相电流较大、电感较小的电机,这样可以增加输入功率。并且在选择驱动器时,应采用高供电电压。 4、选择电机的安装规格 目前,市面上使用较多的步进电机安装规格有 20*20mm(NEMA8)、28*28mm(NEMA11)、35*35mm(NEMA14)、39*39mm(NEMA16)、42*42mm(NEMA17)、57*57mm(NEMA23)、86*86mm(NEMA34)、110*110mm(NEMA42)这几种。一般来说,步进电机的机座尺寸越大,其输出力矩也就越大。如果电机安装空间有限且存在输出力矩不足的情况,可以考虑鸣志力矩增强型步进电机。这种电机的力矩增强技术能够使电机在全速度段内的输出力矩提升 25% - 40%。该技术是通过优化磁路设计来提高输出力矩的,无需提高输入电压或输入电流。 5、确定步进电机的定位精度 高定位精度步进电机具备高分辨率、齿槽转矩小、动态转矩大、暂态特性良好等特性。一般而言,步进电机的相数越多,其位置定位精度越高;步距角越小,位置定位精度也越高。不过,因为电机是多相构造,所以加工制造的复杂程度会相应增加。目前,市场上大多采用两相 1.8° 和 0.9°、三相 1.2°、五相 0.72° 和 0.36° 等方案。若对振动和噪音方面有要求,还可以采用微步细分的方式。 6、根据电机的电流、细分和供电电压选择合适的驱动器。 另外,您还可以使用鸣志的智能选型软件 SEARCH ROBOT 来帮助自己快速选型。该软件不仅支持传统选型方式,还增加了不同工作频率下力矩和温升的选型功能,从而解决了客户的选型难题。
PM型 | HB型 | VR型 | |
步距角 | 7.5°∼15°较多 | 1.8°较多 | 1.8°∼15° |
转矩 | 小 | 大 | 中∼大 |
时间常数 | 小∼中 | 小 | 大 |
价格 | 便宜 | 高价 | 高价 |