伺服电机，步进电机的选型计算

伺服电机的选型计算

1、 完整地伺服电机选型计算包含哪些参数

2、 如何确定伺服电机的额定转速

A 超过额定转速是否可行？

3、 编码器的类别及选用方法

A 增量式编码器（需要使用额外的电子设备（通常是PLC、计数器或变频器）以进行脉冲计数，并将脉冲数据转换为速度或运动数据），选型时需考虑PLC等最高的计数范围。速度闭环控制

安装时应注意：机械尺寸、分辨率、电气接口

B 绝对值式编码器（可产生能够识别绝对位置的数字信号） 机械手，位置闭环控制，尽量选择内部不带计数器的，怕干扰

码盘材料分为金属、玻璃、塑料

安装时应注意与用户轴的连接，采用弹性连接，切忌采用刚性连接

应用场合：

a、 当设备可能会有停电移动、惯性滑动会引起安全性问题时，比如：高度、长度的安全性测量设备、大型设备、起重类设备、水闸、工程机械、电梯、门机等，这类设备必须保证数据的稳定可靠，采用全行程编码器

b、 无法判断现场干扰情况时（对于现场的变频器、开关电源、接地状况不明时）

c、 需要多个编码器比较的同步纠偏、多个编码器联动的生产线、加工机械（CNC），此种情况下选用增量式编码器会占用过多的CPU资源

d、 设备容易受到水气、灰尘、振动影响时，（增量式编码器为光学式，绝对值式编码器为电磁式）

e、 设备运行时，不方便停机、检修、修正时，绝对值编码器可以保证其数据的稳定可靠，比如高速运转的一些生成线，偏远地区的自控设备

f、 高精度定位时，如机械手

4、 伺服电机的选型原则

a、连续工作扭 矩 < 伺服电机额定扭矩

b、瞬时最大扭矩 < 伺服电机最大扭矩 (加速时)

c惯量比 <电机规定的惯量比

d、连续工作速度 < 电机额定转速

5、伺服电机选型计算步骤

a、确定机械系统的类型

b、确定机构的运行模式

C、计算负载惯量和惯量比

J=J1/(i2*η)+J0

d、负载转矩的计算

第二节 步进电机的选型计算

步进电机分3种：永磁式步进电机（PM）、反应式步进电机（VR）和相混合式步进电机（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5°或15°，多半用于价格低廉

的消费性产品；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5°，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家20世纪80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相、三相和五相：两相步进角一般为1.8°，三相步距角为0.9°，而五相步进角一般为0.72°。混进合式步进是工业运动控制应用最常见的电机。此外，按照电机驱动架构又可分为单极性（unipolar）和双极性（bipolar）步进电机。

1、步进电机常用参数

A、相数：指电机内部的线圈组数

B、静转矩：电机在通电却不转动时，定子锁住转子的力矩

C、步距角：输入一个电脉冲信号，步进电动机转子相应的角位移

D、定位转矩：电机在不通电情况下，定子锁住转子的力矩

E、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示

F、步进电动机的机座号：主要有35、39、42、57、86、110等

G矩频特性曲线：输出力矩与频率的关系

2、步进电机选型时应注意的问题

A、步进电机的精度一般为步距角的3-5%，且不累积

B、力矩随转速的升高而下降（变化明显）,见矩频特性曲线

C、注意电机的空载启动频率，（高于改值，不能正常启动、丢步、堵转），

启动转速一般为10-100转，大负载的电机选用较低值

D、低频时振动、噪声明显

a、通过增加减速机来避开共振区

b、更换驱动器，选用带有细分功能的驱动器（此方法最为简便）

c、更换步进电机，选用更小步距角的电机（此方法会较大提高成本）

d、采用小电流、低电压进行驱动

e、增加磁性阻尼器(结构允许的情况下，加在电机轴上)

E、惯量较大的系统，应选用大机座号电机

F、最好不要使用整步状态，整步状态振动大

G、电机在600转以下工作时，应采用小电流、低电压、大电感来驱动

H、先选择电机再选择驱动器

I、电机的扭矩应至少大于3倍的计算扭矩

3、具体参数的选型计算

A、最大转速

Vmax≤1000

过高转速容易丢步，超多1000时，最好选用伺服电机

电机的效率较低

B、定位精度

定位精度有步距角和驱动器的细分功能共同决定，步距角与定位精度最少为2倍的关系

当有高精度要求，切忌单一的提高驱动器的细分，此方式不能保证输出的精度，细分等级一般不大于1/4

C、转动惯量的计算

此内容与伺服电机的选型一样，请参照伺服电机的选型

D、扭矩的计算

a 步进电机扭矩计算常采用脉冲速度来计算

工作脉冲数=移动的距离/定位精度----A

运行脉冲速度（HZ）=A-f1*t1/t0-t1---f2（t1=0.25t0）

运行速度（r/min）=f2*步距角*60/360

负载转矩的公式与伺服电机的选型公式一样

加速扭矩=总惯量*π*步距角*（f2-f1）*/(180*t1)

总扭矩=（负载转矩+加速扭矩）*安全系数---（安全系数一般取2以上）

E、惯量比的选择

需要快速启动的装置，惯量比一般要小于4，如果不满足以上惯量比，需考虑增加减速机，

F、根据矩频特性曲线，选择型号

4、选型计算实例

（1）一台四相八拍运行的步进电动机，通过一对减速齿轮，滚珠丝杠副带动工作台移动。齿轮1的齿数选定为Z1=27，步进电动机转子转子齿数Zr=45，并设定步进电动机每走一步，工作台移动8μm。当丝杠导程t=8mm，时，试求齿轮2的齿数Z2。

（2）水平放置的滚珠丝杠选型计算

计算前需准备的基础数据

工作台与工作物的总质量…m=40kg

滑动面的摩擦系数…………μ=0.05

滚珠螺杆的效率……………η ＝0.9（0.85-0.95）
预压螺帽的内部摩擦系数…μ0 ＝0.3（0.1-0.3）
滚珠螺杆的轴径……………DB＝15mm
滚珠螺杆的全长……………LB＝600mm
滚珠螺杆的材质密度……………ρ ＝ 7.9× 103[kg/m3]）
滚珠螺杆的螺距……………PB＝＝ 15mm
定位精度………………………Δl＝ 0.03mm
移动量………………………l ＝ 180mm
定位时间……………………t0＝ 0.8 s

★①计算最小分辨率

最小分辨率 θs＝ 360°×定位精度（△l）/滚珠螺杆的螺距（PB）=0.72°

★②工作脉冲数A=180mm/0.03mm=6000

★③加减速时间t1=0.25*0.8=0.2s

★④运行脉冲速度f 2= A-f1*t1/t0-t1=6000/(0.8-0.2)=10000(HZ)

★⑤运行速度=f2*步距角*60/360=1200

★⑥负载转矩

轴向负载F= mg（sina＋μcosa）=19.6

预紧力负载F0=?F=6.53

负载转矩T1

=0.056

★⑦螺杆的惯量=

=0.236x10-4

负载的惯量=

=2.28x10-4

总惯量=JB+JT=2.52X10-4

★⑧加速扭矩T2=总惯量*π*步距角*（f2-f1）*/(180*t1)=0.158

★⑨总扭矩=（T1+T2）*2=0.429

结合转速和扭矩和矩频曲线选取合适的电机

（3）滚珠丝杠竖直放置时