【实战演练】电机选型案例2— 步进电机驱动 + 滚珠丝杆水...

步进电机简介

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。

步进电机主要特性

1 步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步距角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。

2 三相步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360 度，需要48 个脉冲完成。

3 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

4 改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。

因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。



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1 驱动机构的形式及规格
1.1 机构组成及结构形式如图，滚珠丝杆驱动工作台左右移动，动力采用步进电机，与滚珠丝杆通过联轴器直联。


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【补充说明】该机构可广泛应用各种传动机构、定位机构、机械手、机器人、各类夹具和生产线上。
1.2 要求基本参数


2  必要分辨率

的计算




= 0.72 [°]可选用步进电机组合产品AR系列（分辨率0.72°/脉冲）。【公式理解】依据分辨率计算得到电机的步距角，依次选择电机类型。参考点击链接：步进电机及AC伺服电机选型时必备的计算公式

3  运行模式的制定
3.1 工作脉冲数A [脉冲] 的计算



= 6000 [脉冲]【公式理解】工作脉冲数是指完成整个移动量步进电机所需接收的脉冲数。3.2 加减速时间t1  的确定加减速时间以定位时间的25%为适。t1 = 0.8 x 0.25 =0.2    3.3  运行脉冲频率f2 [Hz] 的计算



=10000     [Hz]【公式理解】参照下图，

参考点击链接：步进电机及AC伺服电机选型时必备的计算公式由此，运行模式图如下




3.4  电机转速NM [r/min] 的计算



=1200   [r/min]【公式理解】清楚每个参数的含义后，公式比较好理解。60是时间单为转换。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站！
4  必要转矩Tm[Nm] 的计算
4.1  负载转矩TL   [Nm] 的计算（1）运行方向负载



=19.6 [N]【公式理解】请参考：一文全面掌握电机选型计算通用公式，让你机械设计如虎添翼！公式（46）。ϴ = 0，代表水平安装。（2） 滚珠丝杆预负载


=6.53 [N]
（3） 负载转矩



=0.0567    [N·m]【公式理解】请参考：一文全面掌握电机选型计算通用公式，让你机械设计如虎添翼！公式（47）。4.2  加速转矩 Ta [N · m] 的计算4.2.1  负载转动惯量 JL [kg · m2] 的计算（1）滚珠丝杆的转动惯量



= 0.236 × 10 - 4    [kg·m²]【公式理解】请参考：一文全面掌握电机选型计算通用公式，让你机械设计如虎添翼！公式（13）。（2）工作台与工作物的转动惯量





   [kg·m 2]【公式理解】请参考：一文全面掌握电机选型计算通用公式，让你机械设计如虎添翼！公式（55）。（3）负载转动惯量JL = JB+JT= 0.236 x 10-4 +2.28 x 10-4= 2.52 x 10-4    [kg·m 2]4.2.2 加速转矩Ta [N·m] 的计算



= 628 J0 + 0.158    [N·m]【公式理解】请参考：步进电机及AC伺服电机选型时必备的计算公式。通过脉冲速度计算其加速转矩时方法如下所示。计算结果相同。




= 628 J0  + 0.158    [N · m]

【公式理解】请参考：步进电机及AC伺服电机选型时必备的计算公式。
4.3  必要转矩Tm [N · m] 的计算安全系数Sf = 2。



= 1256 Jo + 0.429   [N·m]
5 电机的选用5.1 初步选用步进电机




5.2 依据 转速一转矩特性 来确定电机AR66AC - ◇

因运行速度与必要转矩表示的运行领域在转速一转矩特性的最大同步转矩以内，因此可使用。6 惯性比的确认惯性比



=6.6AR66AC-◇的惯性比在30以下，因此若为6.6即可判断能够运行。5 总结总体计算思路和步骤（1）依据分辨率计算得到电机的步距角，依次选择电机类型。（2）根据位移量、定位时间及丝杆导程等参数制定运行模式即脉冲频率-时间曲线。
（3）计算必要转矩，以此为依据初步选定电机。所谓必要转矩给负载提供足够的力让负载移动所需要提供的扭矩。顾名思义，必要就是必要条件但不一定是充分条件。初步选定其实就是根据相关参数试着选择，因为最终确定与电机本身参数有关，电机没有确定前，只能初步选定，然后再进行校验，直到满足要求为止。手动计算比较麻烦，如果采用自动计算，只要输入参数结果自动就出来了，大大提高选型计算效率。（4）负载转动惯量校核确认，将初步选定的电机，与整个驱动机构成为完整的系统，计算出整个系统的转动惯量，与电机输出轴的容许值进行比较，是否满足要求。概括起来：满足分辨率要求  -运行模式 - 必要扭矩校验（能动）-转动惯量校验（按要求动）。

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以上述选型计算过程，作为学习了解，采用excel自动计算更方便快捷。
《步进电机驱动 + 滚珠丝杆水平布置》excel自动计算表截图：



自动计算表格说明：手工输入基本参数，根据要求初选电机并输入相关参数，自动计算结果并进行判别是否可用，不可以则需要重新选择输入，直到结果符合要求为止，省去了手工计算的麻烦。特别说明：
（1）计算说明部分参考某品牌电机选型资料进行整理完善及说明。excel自动计算表格为作者原创编写制作，版权为作者所有，未经允许不得违规使用。
（2）因作者水平、疏忽和时间局限等原因，文中可能会有疏漏之处，欢迎读者留言斧正和探讨。
（3）《机械工程文萃》发布过一些excel 自动计算的截图供参考学习，原则上不提供原档免费服务。