电机计算与选型方法

选择电机一般应遵循以下步骤：

1、电机最大速度选择

步进电机最大速度一般在～rpm。

交流伺服电机额定速度一般在rpm，最大转速为rpm。

机械传动系统要根据此参数设计。

2、电机定位精度的选择

机械传动比确定后，可根据控制系统的定位精度选择步进电机的步距角及驱动器的细分等级。一般选电机的一个步距角对应于系统定位精度的1/2或更小。

注意：当细分等级大于1/4后，步距角的精度不能保证。

3、电机力矩选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）

转动惯量计算

物体的转动惯量为：

式中：dV为体积元，r为物体密度，r为体积元与转轴的距离。单位：kgm2

将负载质量换算到电机输出轴上转动惯量，常见传动机构与公式如下：

加速度计算

控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如图所示。

已知加速时间、最大速度Vmax，可得电机的角加速度：

(rad/s2)

电机力矩计算

力矩计算公式为：

4、计算例题

已知：直线平台水平往复运动，最大行程L＝mm，同步带传动；往复运动周期为T＝4s；重复定位误差0.05mm；平台运动质量M＝10kg，无外力。

求：电机型号、同步带轮直径、最大细分数。

运动学计算

平均速度为：

设加速时间为0.1S；(步进电机一般取加速时间为：0.1~1秒)

(伺服电机一般取加速时间为：0.05~0.5秒)

则加减速时间共为0.2S，且加减速过程的平均速度为最大速度的一半。

特性,也即恶化了步进电动机运行特性。所以,当步进电动机修完后,一定要接入小电阻;检修过程也必须用万用表检测小电阻有无断路、短路或击穿故障,如有则应同时更换合格的同规格小电阻,不要使之失效仍接入线路,不然影响抑制绕组中电感,使系统不同步,又为查找故障增加麻烦。

(2)定转子气隙不均,使定转子相擦,造成起动困难或运行速度减慢。由于气隙不均造成定转子相擦,加大了步进电动机静态力矩,阻力加大使动态特性变坏,导致起动和运行速度减慢。当发生此类故障时,应仔细检查定转子相擦的原因。根据造成的具体原因,采取有效措施,排除故障,使气隙均匀。

①检查中如发现因轴承损坏或端盖止口与定子外壳不同心所至,应更换新的合格轴承,及新配端盖,新端盖止口车削要按外壳止口公差尺寸配车。

②如检查出属转轴变弯,可采取调直方法调直弯曲端或更换新轴。

③测量转子外径如发现椭圆度超差,将转子进行精车一刀或磨削加工,消除不圆度。应注意车削或磨削加工时,加工量不宜过大,仅需将椭圆大直径车去或磨去,否则气隙加大,会导致电机其它性能变坏。

2、步进电动机运行中失步

当步进电动机改变负载运行时,如带大惯量负载则产生振荡,造成电机在某一运行频率下,起动丢步或停转滑步。造成步进电动机运行中失步。为了消除大惯性负载引起失步,可以采用机械阻尼的方法,用以消除或吸收振荡能量;也可以通过加大负载的摩擦力矩的方法,从而改善运行特性,消除失步。因为步进电动机受控于电脉冲而产生步进运动,采取如上措施能使电脉冲正常,不受干扰,从而消除电机运行中失步。

另一种失步可能是原采用双电源供电的而改为单电源供电,又未采取相应补救措施,使起动频率和运行频率降低,矩频特性恶化而失步。当是此种原因所至,应重新恢复双电源供电。有些使用单位或部门,为简化电路采用单电源供电造成电动机运行失步,这种做法不当,要知道采用双电源是为了提高起动和运行两种频率,改善矩频特性,从而改善了输入步进电动机绕组中脉冲电流的上升沿和下降沿。用单电源供电,脉冲稳定电流得不到维持,步进电动机功率相应减小,所以在驱动中相当于容量减小而过载,效率降低而失步。采用双电源,用高低两套电路,即在步进电动机绕组脉冲电流通入瞬间,对其施以高压,强迫电流上升加速;池电流达到一定值后,再改施以低压,使电机正常运行。这种措施不仅使驱动电源容量大大减小,同时也提高了运行效率,改善运行特性,电动机不会失步运行。

3、控制绕组一相反绕,影响正常运行

当步进电动机不能正常运行时,除上述两种原因影响速度或失步外,可能是定了控制绕组有一相反接。当一相绕组反接,相当于通电电流方向相反,电流相互抵消,电动机在此相内无脉冲电流,运行失常或根本不能运行。在通电情况下,检测三相电流就能发现。检测出反接相后,将该相绕组首末引出线对调,按正确接法接好,再通电运行进行电流的检测。

4、开路故障

定子控制绕组开路故障,表现为一种是引线接头处断或焊接处全脱焊,或从某一匝中导线折断;另一种情况是导线将断未断,如假焊、虚焊,或有裂纹。

此故障可采用检测普通三相电动机断路方法来检测,较方便的是用万用表电阻档来检测,当指针不动或电阻很大,说明所检测一相绕组为开路。

修理方法是找到故障处,将断开两头漆皮刮掉后拧紧再焊牢,包上绝缘。

5、短路故障

步进电动机定子控制绕组一般为单根导线绕制的多匝绕组,短路也是匝间短路。检测方法主要分以下两步:

目测法:凡短路的绕组因短路电流大而过热,绕组导线绝缘层有发黑变脆的糊焦状,凡有此种情况的为故障相;

用在通电运行状况下,测量各相电流,凡电流大的相为故障相。

故障相找到后,如果短路在端部外层,采用加热绕组后,轻轻撬起短路匝,用薄绝缘纸垫好,再压实,线圈局部加热,再刷上号绝缘漆后烘于即可;如短路严重不能局部修理,只有重绕线圈换上。

6、击穿故障

击穿故障的绕组可目测出,也可用兆欧表摇测其绝缘电阻,一般击穿后绕组将接地,检测相绝缘电阻为零者,说明即击穿又接地。

7、电源装置故障使步进电动机不能运行

功率放大失灵,门电路中电子开关损坏及计数器失灵是常发生的。可采用万用表及示波器等仪表,对照线路逐段检测。如测出放大程序逻辑部分无信号或信号弱,说明功率驱动器有毛病,对其应进一步检测和排除故障至有正常信号;当电子开关未在起动位置,门电路就开通,说明起动开关已经损坏,只有更换合格的开关;如反馈信号没有,即反馈没有电压值,说明反馈环节有故障,应检测脉冲数选器及整形反相环节等,找出毛病调整至有正常反馈电压为止。当发现电动机通电顺序不对,不符合设定顺序,说明环形分配器失灵,因它的级数应等于电动机的相数,在此情况下,它才按规定逻辑给电动机各相绕组依次通电,使之顺序转或逆转。总之,对电源装置应经常检测和调试,防止故障出现,影响电动机正常运行。