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1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了現(xiàn)代電機的基本理論基礎(chǔ)。從19世紀40年代研制成功*臺直流電機，經(jīng)過大約17年的時間，直流電機技術(shù)才趨于成熟。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，對直流電機的要求也就越來越高，有接觸的機械換向裝置限制了有刷直流電機在許多場合中的應(yīng)用。為了取代有刷直流電機的電刷－換向器結(jié)構(gòu)的機械接觸裝置，人們曾對此作過*的探索。1915年，美國人Langnall發(fā)明了帶控制柵極的汞弧整流器，制成了由直流變交流的逆變裝置。20世紀30年代，有人提出用離子裝置實現(xiàn)電機的定子繞組按轉(zhuǎn)子位置換接的所謂換向器電機，但此種電機由于可靠性差、效率低、整個裝置笨重又復(fù)雜而無實用價值。
科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶來了電力半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍。開關(guān)型晶體管的研制成功，為創(chuàng)造新型直流電機 ——無刷直流電機帶來了生機。1955年，美國人Harrison*提出了用晶體管換相線路代替電機電刷接觸的思想，這就是無刷直流電機的雛形。它由功率放大部分、信號檢測部分、磁極體和晶體管開關(guān)電路等組成，其工作原理是當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在信號繞組中感應(yīng)出周期性的信號電動勢，此信號電動勢分別使晶體管輪流導(dǎo)通實現(xiàn)換相。問題在于，首先，當轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時，信號繞組內(nèi)不能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，晶體管無偏置，功率繞組也就無法饋電，所以這種無刷直流電機沒有起動轉(zhuǎn)矩；其次，由于信號電動勢的前沿陡度不大，晶體管的功耗大。為了克服這些弊病，人們采用了離心裝置的換向器，或采用在定子上放置輔助磁鋼的方法來保證電機可靠地起動。但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而后者需要附加的起動脈沖。其后，經(jīng)過反復(fù)的試驗和不斷的實踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來代替有刷直流電機的機械換向裝置，從而為直流電機的發(fā)展開辟了新的途徑。⒛世紀60年代初期，接近開關(guān)式位置傳感器、電磁諧振式位置傳感器和高頻耦合式位置傳感器相繼問世，之后又出現(xiàn)了磁電耦合式和光電式位置傳感器。半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，使人們對1879年美國人霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)再次發(fā)生興趣，經(jīng)過多年的努力，終于在1962年試制成功了借助霍爾元件（霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器）來實現(xiàn)換相的無刷直流電機。在⒛世紀70年代初期，又試制成功了借助比霍爾元件的靈敏度高千倍左右的磁敏二極管實現(xiàn)換相的無刷直流電機。在試制各種類型的位置傳感器的同時，人們試圖尋求一種沒有附加位置傳感器結(jié)構(gòu)的無刷直流電機。1968年，德國人W·Mieslinger提出采用電容移相實現(xiàn)換相的新方法。在此基礎(chǔ)上，德國人R·Hanitsch試制成功借助數(shù)字式環(huán)形分配器和過零鑒別器的組合來實現(xiàn)換相的無位置傳感器無刷直流電機。
無刷直流電機按照工作特性，可以分為兩大類：
1．具有直流電機特性的無刷直流電機
反電動勢波形和供電電流波形都是矩形波的電機，稱為矩形波同步電機，又稱無刷直流電機。這類電機由直流電源供電，借助位置傳感器來檢測主轉(zhuǎn)子的位置，由所檢測出的信號去觸發(fā)相應(yīng)的電子換相線路以實現(xiàn)無接觸式換相。顯然，這種無刷直流電機具有有刷直流電機的各種運行特性。
2．具有交流電機特性的無刷直流電機
反電動勢波形和供電電流波形都是正弦波的電機，稱為正弦波同步電機。這類電機也由直流電源供電，但通過逆變器將直流電變換成交流電，然后去驅(qū)動一般的同步電機。因此，它們具有同步電機的各種運行特性。
嚴格來說，只有具有直流電機特性的電機才能稱為無刷直流電機，本書主要討論這種類型的無刷直流電機。
本文論述了步進電機的工作原理及使用特點，介紹了步進電機在包裝機械中的幾個應(yīng)用實例，指出步進電機在包裝機械中具有的廣闊應(yīng)用前景。
我國的包裝機械經(jīng)過近20年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長足的進步，但與國外相比，還存在著比較大的差距，差距空間在什么地方呢？我們認為主要在于控制方面。鑒于此，溫州大學(xué)的楊福餐和河南科技大學(xué)的吳龍奇兩位專家，就他們所從事的研究內(nèi)容寫成系列文章，希望能對有關(guān)業(yè)內(nèi)人士有所啟發(fā)。
一、步進電機工作原理
步進電機是將給定的電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。
給定一個電脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，這個角度就稱作該步進電機的步距角。目前常用步進電機的步距角大多為1.8度（俗稱一步）或0.9度（俗稱半步）
。以步距角為0.9度的進步電機來說，當我們給步進電機一個電脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)過0.9度；給兩個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)過1.8度。以此類推，連續(xù)給定脈沖信號，步進電機就可以連續(xù)運轉(zhuǎn)。由
于電脈沖信號與步進電機轉(zhuǎn)角存在的這種線性關(guān)系，使得步進電機在速度控制、位置控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
步進電機的使用至少需要三個方面的配合，一是電脈沖信號發(fā)生器，它按照給定的設(shè)置重復(fù)為步進電機輸送電脈沖信號，目前這種信號大多數(shù)由可編程控制器或單片機來完成；二是驅(qū)動器（信號放大器），它除了對電脈沖信號進行放大、驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動以外，還可以通過它改善步進電機的使用性能，事實上它在步進電機系統(tǒng)中起著重要的作用，一般一種步進電機可以根據(jù)不同的工況具有多種驅(qū)動器；三是步進電機，它有多種控制原理和型號，現(xiàn)在常用的有反應(yīng)式、感應(yīng)子式、混合式
步進電機的速度控制是通過輸入的脈沖頻率快慢實現(xiàn)的。當發(fā)生脈沖的頻率減小時，步進電機的速度就下降；當頻率增加時，速度就加快。還可以通過頻率的改變而提高步進電機的速度或位置精度。
步進電機的位置控制是靠給定的脈沖數(shù)量控制的。給定一個脈沖，轉(zhuǎn)過一個步距角，當停止的位置確定以后，也就決定了步進電機需要給定的脈沖數(shù)。在包裝機控制中，給定脈沖數(shù)的多少，還與機構(gòu)的參數(shù)有關(guān)，例如螺桿的直徑等。
在包裝機械中，很多情況下需要控制執(zhí)行機構(gòu)的運行速度和運行位置，以前都是通過機械或其它方式來完成的，機構(gòu)復(fù)雜、調(diào)節(jié)不易。改用步進電機后，不僅能使包裝機械結(jié)構(gòu)變得簡單、調(diào)節(jié)方便、可靠性增加，而且粗度會得到很大提高。
二、步進電機在物料計量方面的應(yīng)用
1．粉狀物料的計量
螺桿計量是常用的容積式計量方式，它是通過螺桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)多少來達到計量的多少，為了達到計量大小可調(diào)和提高計量精度的目的，要求螺桿的轉(zhuǎn)速可調(diào)和位置定位準確，使用步進電機可以同時滿足這兩個方面的要求。
例如粉劑包裝機的計量采用了步進電機控制螺桿的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)，不僅簡化了機械結(jié)構(gòu)，而且使得控制非常方便。在不過載的情況下，步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，這與電磁離合器控制的螺桿計量相比，具有明顯的精度優(yōu)勢，更加適合于比重變化比較大的物料計量。
步進電機與螺桿采用直接連接的方式，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。值得指出的是，如步進電機的過載能力較代，當輕微過載時，就會出現(xiàn)相當大的噪聲。因此，在計量工況確定以后，就要選用較大的過載系數(shù)，以保證步進電機平衡工作。
2．粘稠體物料的計量
步進電機控制齒輪泵也可以實現(xiàn)精確計量。齒輪泵在輸送粘稠體方面得到了廣泛的應(yīng)用，例如糖漿、豆沙、白酒、油料、番茄醬等的輸送。目前在對這些物料的計量方面大多使用活塞泵，存在著調(diào)整困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便維修、功耗大、計量不準等缺點。
齒輪泵計量是靠一對齒輪嚙合轉(zhuǎn)動計量的，物料通過齒與齒的空間被強制從進料口送到出料口。動力來自步進電機，步進電機轉(zhuǎn)動的位置及速度由可編程控制器控制，計量精度高于活塞泵的計量精度。
步進電機適于在低速下運行，當速度加快時，步進電機的噪聲會明顯加大，其它經(jīng)濟指標會顯著下降。對于轉(zhuǎn)速比較高的齒輪泵來說，選用升速結(jié)構(gòu)比較好。我們在粘稠體包裝機上開始采用的是步進電機直聯(lián)齒輪泵的結(jié)構(gòu)，結(jié)果聲難以噪聲難以避免，可靠性下降。后來采用直齒輪升速的辦法，降低了步進電機的速度，噪聲得到了控制，可靠性也有所提高，計量精度得到了保證。
三、步進電機在供送包裝膜中的應(yīng)用
在制袋、充填、封口為一體的包裝機中，要求包裝用塑料薄膜定位定長供給，無論間歇供給還是連續(xù)供給，都可以用步進電機來可靠完成。
1．用于間歇式包裝機
間歇式包裝機使用步進電機供膜，可靠性可以得到提高。以前的包裝膜供送多采用曲柄連桿機構(gòu)間歇拉帶方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難，特別是當需要更換產(chǎn)品時，不僅調(diào)節(jié)困難，而且包裝膜浪費很多。采用步進電機與拉帶滾輪直接連接拉帶，不僅結(jié)構(gòu)得到了簡化，而且調(diào)節(jié)極為方便，只要通過控制面板上的按鈕就可以實現(xiàn)，這樣既節(jié)省了調(diào)節(jié)時間，又節(jié)約了包裝材料。&nbs
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在間歇式包裝機中，包裝材料的供送控制可以采用兩種模式：袋長控制模式和色標控制模式。袋長控制模式適用于不帶色標的包裝膜，通過預(yù)先設(shè)定步進電機轉(zhuǎn)速的方法實現(xiàn)，轉(zhuǎn)空比的設(shè)定通過撥碼開關(guān)就可以實現(xiàn)。色標模式配備有光電開關(guān)，光電開關(guān)檢測色標的位置，當檢測到色標時，發(fā)出控制開關(guān)信號，步進電機按到信號后，停止轉(zhuǎn)動，延時一定時間后，再轉(zhuǎn)動供膜，周而復(fù)始，保證按照色標的位置定長供膜。
2．用于連續(xù)式包裝機
在連續(xù)工包裝機中，步進電機是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，包裝膜被均勻的連續(xù)輸送，當改變袋長時，只需通過撥碼開關(guān)就可以實現(xiàn)。
四、步進電機在橫封中的應(yīng)用
在連續(xù)式包裝機中，橫封是一個很重要的執(zhí)行機構(gòu)，也是包裝機中比較復(fù)雜的機構(gòu)之一。特別對于有色檔的包裝膜，其封口和切斷位置要求極其嚴格，為了提高切斷的準確性，人們先后研制了偏心鏈輪機構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)等，但這些機構(gòu)都存在著調(diào)整十分麻煩、可靠性低的缺點。造成這些缺點的主要原因是工藝要求橫封輪定速橫封和定位切斷。
步進電機直接驅(qū)動橫封輪可以實現(xiàn)速度同步。連續(xù)式包裝機的供膜輪是連續(xù)供膜的，橫封時要求橫封的線速度與薄膜供送的速度同步，以免出現(xiàn)撕裂薄膜和薄膜堆積的情況，由于橫封輪的直徑是恒定的，當改變袋長時，就需要通過改變橫封輪的轉(zhuǎn)速來改變，但是橫封需要一定的時間，就是說橫封輪與薄膜從接觸到離開需要恒定的時間，否則封口吵嚴
。橫封輪每轉(zhuǎn)一周的總時間與橫封所需要的時間都是恒定的，要滿足速度同步的要求，可以將步進電機一周內(nèi)的轉(zhuǎn)速分成兩部分，一部分首先滿足速度同步的要求，而另外空載的部分滿足一周總時間的要求。
為了實現(xiàn)良好的封口質(zhì)量，還可以通過步進電機對橫封輪實現(xiàn)非衡速的控制模式，就是在橫封的每一點上都實現(xiàn)速度同步，限于篇幅，這里不再陳述。
步進電機的特點主要歸于三個方面，一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進電機使用在對速度和位置都有嚴格要求的場合；二是控制方便。步進電機是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯，這樣就給計算機控制帶來了很大的方便，反過來，計算機的出現(xiàn)也為步進電機開辟了更為廣闊的使用市場；三是整機結(jié)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整困難，使用步進電機后，使得整機的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。
步進電機在包裝機械中的就用還剛剛開始，原來許多傳統(tǒng)的機械控制方式都可以用步進電機來替代，除了上面介紹的一些用途外，它還在印刷、灌裝、囊包等方面得到了應(yīng)用，相信在較短的時間內(nèi)，我國的包裝機械行業(yè)定能在步進電機技術(shù)的平臺上躍上一個新的水平。
電動機的功率應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機械所需要的功率來選擇，盡量使電動機在額定負載下運行。選擇電動機功率大小時應(yīng)注意以下兩點：
（1＞如果電動機功率選得過小．就會出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電動機*過載．使其絕緣因發(fā)熱而損壞．甚至電動機被燒毀。
（2）如果電動機功率選得過大．就會出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象．其輸出機械功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對用戶和電網(wǎng)不利。而且還會造成電能浪費。
要正確選擇電動機的功率，必須經(jīng)過以下計算或比較：
（1）對于恒定負載連續(xù)工作方式，如果知道負載的功率（即生產(chǎn)機械軸上的功率）Pl（kw）．可按下式計算所需電動機的功率P（kw）：P=P1/n1n2式中n1為生產(chǎn)機械的效率；n2為電動機的效率。即傳動效率。
按上式求出的功率，不一定與產(chǎn)品功率相同。因此．所選電動機的額定功率應(yīng)等于或稍大于計算所得的功率。
例：某生產(chǎn)機械的功率為3．95kw．機械效率為70％、如果選用效率為0．8的電動機，試求該電動機的功率應(yīng)為多少kw?
解:P=P1/n1n2=3.95/0.7*0.8=7.1kw
由于沒有7．1kw這—規(guī)格．所以選用7．5kw的電動機。
（2）短時工作定額的電動機．與功率相同的連續(xù)工作定額的電動機相比．zui大轉(zhuǎn)矩大，重量小，價格低。因此，在條件許可時，應(yīng)盡量選用短時工作定額的電動機。
（3）對于斷續(xù)工作定額的電動機，其功率的選擇、要根據(jù)負載持續(xù)率的大小，選用專門用于斷續(xù)運行方式的電動機。負載持續(xù)串Fs％的計算公式為
FS％＝tg/（tg+to）×100％式中tg為工作時間，t。為停止時間min；tg十to為工作周期時間min。
此外．也可用類比法來選擇電動機的功率。所謂類比法。就是與類似生產(chǎn)機械所用電動機的功率進行對比。具體做法是：了解本單位或附近其他單位的類似生產(chǎn)機械使用多大功率的電動機，然后選用相近功率的電動機進行試車。試車的目的是驗證所選電動機與生產(chǎn)機械是否匹配。驗證的方法是：使電動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)，用鉗形電流表測量電動機的工作電流，將測得的電流與該電動機銘牌上標出的額定電流進行對比。如果電功機的實際工作電流與銘脾上標出的額定電流上下相差不大．則表明所選電動機的功率合適。如果電動機的實際工作電流比銘牌上標出的額定電流低70％左右．則表明電動機的功率選得過大（即“大馬拉小車”應(yīng)調(diào)換功率較小的電動機。如果測得的電動機工作電流比銘牌上標出的額定電流大40％以上．則表明電動機的功率選得 過小（即"小馬拉大車"），應(yīng)調(diào)換功率較大的電動機。
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