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步进电机扭矩计算

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步进电机的选用计算方法

2009-02-16 16:11

步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元

件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉 冲数成正比例，相应的转速取决丁输入脉冲频率。

步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。

步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用丁机电 一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。

关键词：步进电机,选择，工作原理，控制电路

选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大丁负载所需的功率。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。 一般地说最大静力矩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，这样可以得到机床所需的脉冲当 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，使之最高速连续工作频率 能满足机床快速移动的需要。

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=( 4 .S)/(360. △) (1-1) 式中4 ---步进电机的步距角(o/脉冲)

S ---丝杆螺距(mm)

△ ---(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/2 兀)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(crnj)

(3) 计算电机输出的总力矩M

M=Ma+Mf+Mt(1-3)

Ma= (Jm+Jt).n /T x 1.02 x 10 — 2 ( 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)/(2 TT T] i) x 10 — 2 (1-5)

Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩(N.m)

u---摩擦系数

T]---传递效率

Mt=(Pt.s)/(2 Tt T] i) x 10— 2 (1-6)

Mt---切削力折算至电机力矩(N.m)

Pt---最大切削力(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)

若负载参数无法精确确定，则可按fq=1/2fq0进行估算.

(5) 运行的最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，因此在最高频率 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) 负载力矩和最大静力矩 Mmax负载力矩可按式(1-5)和式(1-6)计算， 电机在最大进给速度时，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.

步进电机和交流伺服电机是运动控制系统中最常用的两种执行电动机。 在电机选 型过程中，必须首先计算出负载通过机械传动系统对电机轴的折算扭矩 (T折)， 下面就几中常见的机械传动方式介绍折算扭矩(T折)的计算过程。

1、 重物提升

T折=(m x gx D) /(2 x i) [N.m] 2、 丝杠螺母传动

T折=1/I((F X t)/(2 乂兀 X n )+Tb) [N.m] F=F0+ mg [N] 3、同步带或齿轮齿条传动

T折=(FX D)/( 2 X i X n ) [N.m] F=F0+

应用情况，步进电机要拉动横梁沿垂直导轨上下运动，运动速度为 100mm/s,需要计算步进电机的扭矩。

牵引力计算： 假设横粱重100kg，负载重100kg，电机及其他重50kg

则提升这些重物需要的牵引力为： 250kg*10=2500N

由于横梁及负载重力产生的横向力矩挤压立柱，从而产生的摩擦力。设挤压力为 P,则有力矩平衡

100*10*2+100*10*1-50*10*0.5=P*0.5（0.5 为横粱上下宽度），得出 P=5500N

假如摩擦系数为 0.02,则摩擦力f = 5500*0.02=110N

则为了拉动横梁上下运动，需要的牵引力 F

F=2500+110=2610N

根据公式 P=F*V = 2610*0.1=261W，即电机至少需要 261w=0.261kw

扭矩计算： 提升速度为100mm/s，即电机齿轮线速度为 0.1m/s，电机齿轮直径30mm，则电机转速约：1.

06r/s，约 65r/min

若电机轴直接带齿轮， 则 T=9950*P/n=9950*0.261/65 40N*m

请问这样的计算方法对吗？ 对于普通电机如果对的话，对于步进电机还对吗?p mg [N]

图卒回①

1*1 句现 H

I>I4 ELL 繇

扭矩的计算，其实就是说你的电机所带的齿轮产生的扭矩，能够克服重力加上摩擦力产生的力矩。所以, 根据你上面的计算，电机的扭矩应为：

重力(250K必 10X+ 110) X( 30/2)= 39.15NM 约为 40NM。

如果怕不够用的话，可以在这个基础上增加 50%的力矩，

也就是 40*1.5=60NM

这样简单的计算就很可靠。如果你有配减速机，则扭矩 速倍数滋率即可。

根据种类不同 摩擦系数也不同

直线导轨0.002-0.003

滚珠花键0.002-0.003

直线滚筒0.0050-0.010

交义滚子导轨0.0010-0.0025

直线滚珠花键0.0006-0.0012 100kg

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步进电机选型计算方法

步进电机选型计算方法

步进电机选型计算方法

步进电机是一种能将输入脉冲信号转化为角位移的电机。它具有结构简单、控制精度高、启动扭矩大等优点，广泛应用于机械系统中的定位控制、速度调节、角度控制等领域。在选型过程中，需要考虑步进电机的型号、参数和性能等因素。本文将介绍步进电机选型的计算方法。

步进电机的型号和参数

步进电机通常由两个参数决定，即步距角和相数。步距角指的是电机每接受一个脉冲信号所转动的角度。常见的步距角有1.8度（200步/转）和0.9度（400步/转）两种。步距角越小，电机的定位精度越高。相数指的是电机的相数，常见的有2相、4相、6相等。相数越多，电机的转矩平稳性越好。

步进电机的性能

步进电机的性能包括静态转矩、动态转矩、最大转速等指标。静态转矩是指电机在静止状态下能够提供的最大转矩，动态转矩是指电机在运转过程中能够提供的最大转矩。最大转速是指电机能够达到的最高转速。选型时需根据具体的应用需求来确定这些指标。

步进电机的负载特性

负载特性包括电机扭矩-速度曲线和转动惯量。电机扭矩-速度曲线描述了电机在不同速度下的输出扭矩和输入电流的关系，可以用来评估电机的运行稳定性。转动惯量描述了电机转动时的惯性大小，通常是根据系统的加速度和位置控制要求来确定的。 步进电机的选型计算方法主要包括定位精度、动态响应性能以及转矩要求三个方面。

1.定位精度计算

步进电机的定位精度受到步距角、齿距、电机的误差等因素的影响。根据具体的应用需求，可以采用以下公式来计算定位精度：

定位精度=N*U/360

其中，N为步数（一转的步数），U为脉冲数

2.动态响应性能计算

动态响应性能主要包括加速度曲线和最大速度两个方面。加速度曲线是根据系统的加速度和行程要求来确定的。最大速度则取决于电机的最大转速和负载特性。

3.转矩要求计算

转矩要求主要是根据负载的特性来确定的。计算转矩要求时需要考虑负载的惯性、摩擦力、载荷等因素。

综合考虑以上因素，可以选择合适的步进电机。通常情况下，需要进行多个步进电机比较和试验，以找到最适合应用需求的电机。

力矩计算

力矩计算

选择步进电机时，首先必须确保步进电机的输出功率大于负载所需的功率。选择动力步进电机时，应首先计算机械系统的负载转矩。电动机的转矩-频率特性可以满足机械负载并具有一定的裕度，以确保其可靠的运行。在实际工作过程中，各种频率的负载力矩必须在力矩-频率特性曲线的范围内。一般来说，静转矩Mjmax大的电动机具有大的负载转矩。

选择步进电机时，步进角应与机械系统匹配，以便获得机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中，为了减小脉冲当量，一个可以改变丝杠的导程，另一个可以通过步进电机的细分驱动来实现。但是细分只能更改其分辨率，而不能更改其精度。精度取决于电机的固有特性。

在选择动力步进电机时，应估算机械负载的负载惯量和机床所需的启动频率，以使其与步进电机的惯量频率特性相匹配，并具有一定的余量，以便可以实现最高速度的连续工作频率。满足了机床快速运动的需求。

选择步进电机需要进行以下计算：

（1）计算齿轮的减速比

根据所需的脉冲当量，齿轮减速比I计算如下：

i =（φ.S）/（360.Δ）（1-1）

φ步进电机的步进角类型（o /脉冲）

S －－-螺距（mm）

δ-（毫米/脉冲）

（2）计算从工作台，螺杆和齿轮到电动机轴的惯量Jt。

Jt = J1 +（1 / i2）[（J2 + Js）+ W / g（S /2π）2]（1-2）

Jt的类型－－-转换为电动机轴上的惯性（Kg.cm.s2）

J1，J2 －－-齿轮惯性（Kg.cm.s2）

螺杆的JS惯性（Kg.cm.s2）

W －－－工作台重量（n）

S －－-螺距（cm）

（3）计算电动机输出的总转矩m

M = Ma + Mf + Mt（1-3）

Ma =（Jm + Jt）.n / T×1.02×10ˉ2（1-4）

Ma －－－电动机启动时的加速转矩（N.m）

Jm，Jt －－-电机本身的惯量和负载惯量（Kg.cm.s2）

N －－－电动机所需转速（r / min）

伺服电机步进电机选型中转动惯量计算折算公式

伺服电机步进电机选型中转动惯量计算折算公式

伺服电机步进电机选型中转动惯量计算折算公式

在伺服电机步进电机选型过程中，转动惯量的计算是十分重要的。转动惯量描述了物体绕轴转动时所具有的惯性大小，对电机的动态性能有很大影响。在实际应用中，需要根据具体的电机结构和工作条件，计算出电机的转动惯量。下面将介绍几种常见的转动惯量计算折算公式。

1.通过电机几何尺寸计算转动惯量：

转动惯量与电机的几何尺寸密切相关。对于常见的电机结构，可以通过电机的几何尺寸和材料属性，利用公式计算得到转动惯量。下面以直流电机为例，介绍计算方法。

首先需要测量电机的几何尺寸，包括电机长度、半径、转子长度和转子半径等。然后可以利用以下公式计算电机的转动惯量：

J=(1/2)*m*(r^2+l^2)

其中，J表示电机的转动惯量，m表示电机的质量，r表示电机的半径，l表示电机的长度。

2.通过转矩常数计算转动惯量：

转矩常数Kt是描述电机力矩大小和电流之间关系的参数，也可以用来计算电机的转动惯量。这种方法适用于需要在电机选型中预估转动惯量的情况。

首先需要测量电机的转矩常数Kt值。然后，可以通过以下公式计算电机的转动惯量：

J=T/(ω^2*Kt) 其中，J表示电机的转动惯量，T表示电机所需扭矩，ω表示电机的角速度，Kt表示电机的转矩常数。

3.通过加速度和角加速度计算转动惯量：

在一些特定应用中，需要根据电机的加速度和角加速度来计算转动惯量。这种方法适用于需要在特定工况下计算转动惯量的情况。

首先需要测量电机的加速度和角加速度。然后，可以通过以下公式计算电机的转动惯量：

J=T/α

其中，J表示电机的转动惯量，T表示电机所需扭矩，α表示电机的角加速度。

在实际应用中，可以根据具体情况选择适合的转动惯量计算折算公式。选型过程中，除了转动惯量，还需要考虑转速、功率、效率和工作条件等多个因素，并综合考虑才能选取到适合的电机。

步进电机选型的三种方法

步进电机选型的三种方法

电机选型—丝杆步进电机选型、电机插件使用方法

目的：熟悉丝杆电机使用模型，掌握3种计算方式，并对其中原理进行分析，掌握电机基本

参数和公式并且利用电机选型软件验证

课程内容：

已知:总负载m=20kg，速度V=0.1m/s，1610导程P=10mm，导轨摩擦系数为μ=0.1

1、扭矩匹配的三种方法

方法一：J（惯量）=M（P/2π）^2=20kg*0.00000254=0.0000507kgm^2=0.507

丝杆惯量J=1/8MD²=0.256总惯量=旋转惯量+直动惯量=0.507+0.256=0.8

加速时间0.2s

ω=2πN/60=6.28*600/60=62.8rad/s

角加速度β=ω/t=62.8rad/s/0.2s=314rad/s^2

T加速=j*β=0.00008kgm^2*314rad/s^2=0.025NM

f=μmg=0.1*20kg*10N/kg=20N

T（匀速）=F*Pb/2π=20N*0.01M/2/3.14=0.032NM

T（总）=T（匀速）+T（加速）=0.032NM+0.025NM=0.06NM方法二：

方法三：f=μmg=0.1*20kg*10N/kg=20N

T（匀速）=F*Pb/2π=20N*0.01M/2/3.14=0.032NM

T加速=5*T=0.16NM2、转速匹配

转速N=V*60*1000/Pb=0.1m/s*60*1000/10mm=600r/min200-600rpm

3、电机惯量匹配

电机惯量J=0.00008kgm^2/20=0.000004kgm^2=0.04*10^-4

课后作业：已知:总负载m=100kg，速度V=0.2m/s，导程Pb=？，计算所需步进电机参数