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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(jī)的基本理論基礎(chǔ)。從19世紀(jì)40年代研制成功*臺(tái)直流電機(jī)，經(jīng)過大約17年的時(shí)間，直流電機(jī)技術(shù)才趨于成熟。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)直流電機(jī)的要求也就越來越高，有接觸的機(jī)械換向裝置限制了有刷直流電機(jī)在許多場(chǎng)合中的應(yīng)用。為了取代有刷直流電機(jī)的電刷－換向器結(jié)構(gòu)的機(jī)械接觸裝置，人們?cè)鴮?duì)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(jì)30年代，有人提出用離子裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定子繞組按轉(zhuǎn)子位置換接的所謂換向器電機(jī)，但此種電機(jī)由于可靠性差、效率低、整個(gè)裝置笨重又復(fù)雜而無實(shí)用價(jià)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(jī) ——無刷直流電機(jī)帶來了生機(jī)。1955年，美國人Harrison提出了用晶體管換相線路代替電機(jī)電刷接觸的思想，這就是無刷直流電機(jī)的雛形。它由功率放大部分、信號(hào)檢測(cè)部分、磁極體和晶體管開關(guān)電路等組成，其工作原理是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在信號(hào)繞組中感應(yīng)出周期性的信號(hào)電動(dòng)勢(shì)，此信號(hào)電動(dòng)勢(shì)分別使晶體管輪流導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換相。問題在于，首先，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)繞組內(nèi)不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(jī)沒有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；其次，由于信號(hào)電動(dòng)勢(shì)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(jī)可靠地起動(dòng)。但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而后者需要附加的起動(dòng)脈沖。其后，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)和不斷的實(shí)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(jī)的機(jī)械換向裝置，從而為直流電機(jī)的發(fā)展開辟了新的途徑。⒛世紀(jì)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(duì)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(shí)現(xiàn)換相的無刷直流電機(jī)。在⒛世紀(jì)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(shí)現(xiàn)換相的無刷直流電機(jī)。在試制各種類型的位置傳感器的同時(shí)，人們?cè)噲D尋求一種沒有附加位置傳感器結(jié)構(gòu)的無刷直流電機(jī)。1968年，德國人W·Mieslinger提出采用電容移相實(shí)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(shí)現(xiàn)換相的無位置傳感器無刷直流電機(jī)。

　　無刷直流電機(jī)按照工作特性，可以分為兩大類：

　　1．具有直流電機(jī)特性的無刷直流電機(jī)

　　反電動(dòng)勢(shì)波形和供電電流波形都是矩形波的電機(jī)，稱為矩形波同步電機(jī)，又稱無刷直流電機(jī)。這類電機(jī)由直流電源供電，借助位置傳感器來檢測(cè)主轉(zhuǎn)子的位置，由所檢測(cè)出的信號(hào)去觸發(fā)相應(yīng)的電子換相線路以實(shí)現(xiàn)無接觸式換相。顯然，這種無刷直流電機(jī)具有有刷直流電機(jī)的各種運(yùn)行特性。

　　2．具有交流電機(jī)特性的無刷直流電機(jī)

　　反電動(dòng)勢(shì)波形和供電電流波形都是正弦波的電機(jī)，稱為正弦波同步電機(jī)。這類電機(jī)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(dòng)一般的同步電機(jī)。因此，它們具有同步電機(jī)的各種運(yùn)行特性。

　　嚴(yán)格來說，只有具有直流電機(jī)特性的電機(jī)才能稱為無刷直流電機(jī)，本書主要討論這種類型的無刷直流電機(jī)。

本文論述了步進(jìn)電機(jī)的工作原理及使用特點(diǎn)，介紹了步進(jìn)電機(jī)在包裝機(jī)械中的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例，指出步進(jìn)電機(jī)在包裝機(jī)械中具有的廣闊應(yīng)用前景。 
　　我國的包裝機(jī)械經(jīng)過近20年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)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(rèn)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(duì)有關(guān)業(yè)內(nèi)人士有所啟發(fā)。    
　　一、步進(jìn)電機(jī)工作原理    
　　步進(jìn)電機(jī)是將給定的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。    
　　給定一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，這個(gè)角度就稱作該步進(jìn)電機(jī)的步距角。目前常用步進(jìn)電機(jī)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(jìn)步電機(jī)來說，當(dāng)我們給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過0.9度；給兩個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過1.8度。以此類推，連續(xù)給定脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。由 　
于電脈沖信號(hào)與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角存在的這種線性關(guān)系，使得步進(jìn)電機(jī)在速度控制、位置控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用。    
　　步進(jìn)電機(jī)的使用至少需要三個(gè)方面的配合，一是電脈沖信號(hào)發(fā)生器，它按照給定的設(shè)置重復(fù)為步進(jìn)電機(jī)輸送電脈沖信號(hào)，目前這種信號(hào)大多數(shù)由可編程控制器或單片機(jī)來完成；二是驅(qū)動(dòng)器（信號(hào)放大器），它除了對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以外，還可以通過它改善步進(jìn)電機(jī)的使用性能，事實(shí)上它在步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中起著重要的作用，一般一種步進(jìn)電機(jī)可以根據(jù)不同的工況具有多種驅(qū)動(dòng)器；三是步進(jìn)電機(jī)，它有多種控制原理和型號(hào)，現(xiàn)在常用的有反應(yīng)式、感應(yīng)子式、混合式    
　　步進(jìn)電機(jī)的速度控制是通過輸入的脈沖頻率快慢實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)發(fā)生脈沖的頻率減小時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的速度就下降；當(dāng)頻率增加時(shí)，速度就加快。還可以通過頻率的改變而提高步進(jìn)電機(jī)的速度或位置精度。    
　　步進(jìn)電機(jī)的位置控制是靠給定的脈沖數(shù)量控制的。給定一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，當(dāng)停止的位置確定以后，也就決定了步進(jìn)電機(jī)需要給定的脈沖數(shù)。在包裝機(jī)控制中，給定脈沖數(shù)的多少，還與機(jī)構(gòu)的參數(shù)有關(guān)，例如螺桿的直徑等。    
　　在包裝機(jī)械中，很多情況下需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度和運(yùn)行位置，以前都是通過機(jī)械或其它方式來完成的，機(jī)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)節(jié)不易。改用步進(jìn)電機(jī)后，不僅能使包裝機(jī)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(huì)得到很大提高。    
　　二、步進(jìn)電機(jī)在物料計(jì)量方面的應(yīng)用    
　　1．粉狀物料的計(jì)量
    　　螺桿計(jì)量是常用的容積式計(jì)量方式，它是通過螺桿旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)多少來達(dá)到計(jì)量的多少，為了達(dá)到計(jì)量大小可調(diào)和提高計(jì)量精度的目的，要求螺桿的轉(zhuǎn)速可調(diào)和位置定位準(zhǔn)確，使用步進(jìn)電機(jī)可以同時(shí)滿足這兩個(gè)方面的要求。    
　　例如粉劑包裝機(jī)的計(jì)量采用了步進(jìn)電機(jī)控制螺桿的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)，不僅簡化了機(jī)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，這與電磁離合器控制的螺桿計(jì)量相比，具有明顯的精度優(yōu)勢(shì)，更加適合于比重變化比較大的物料計(jì)量。    
　　步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的過載能力較代，當(dāng)輕微過載時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的噪聲。因此，在計(jì)量工況確定以后，就要選用較大的過載系數(shù)，以保證步進(jìn)電機(jī)平衡工作。    
　　2．粘稠體物料的計(jì)量    
　　步進(jìn)電機(jī)控制齒輪泵也可以實(shí)現(xiàn)精確計(jì)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(duì)這些物料的計(jì)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(jì)量不準(zhǔn)等缺點(diǎn)。    
　　齒輪泵計(jì)量是靠一對(duì)齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)量的，物料通過齒與齒的空間被強(qiáng)制從進(jìn)料口送到出料口。動(dòng)力來自步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置及速度由可編程控制器控制，計(jì)量精度高于活塞泵的計(jì)量精度。    
　　步進(jìn)電機(jī)適于在低速下運(yùn)行，當(dāng)速度加快時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的噪聲會(huì)明顯加大，其它經(jīng)濟(jì)指標(biāo)會(huì)顯著下降。對(duì)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?cè)谡吵眢w包裝機(jī)上開始采用的是步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的速度，噪聲得到了控制，可靠性也有所提高，計(jì)量精度得到了保證。    
　　三、步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)來可靠完成。    
　　1．用于間歇式包裝機(jī)    
　　間歇式包裝機(jī)使用步進(jìn)電機(jī)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(jī)構(gòu)間歇拉帶方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難，特別是當(dāng)需要更換產(chǎn)品時(shí)，不僅調(diào)節(jié)困難，而且包裝膜浪費(fèi)很多。采用步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)，這樣既節(jié)省了調(diào)節(jié)時(shí)間，又節(jié)約了包裝材料。&nbs 　
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　　在間歇式包裝機(jī)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(biāo)控制模式。袋長控制模式適用于不帶色標(biāo)的包裝膜，通過預(yù)先設(shè)定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)空比的設(shè)定通過撥碼開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)。色標(biāo)模式配備有光電開關(guān)，光電開關(guān)檢測(cè)色標(biāo)的位置，當(dāng)檢測(cè)到色標(biāo)時(shí)，發(fā)出控制開關(guān)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)按到信號(hào)后，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，延時(shí)一定時(shí)間后，再轉(zhuǎn)動(dòng)供膜，周而復(fù)始，保證按照色標(biāo)的位置定長供膜。    
　　2．用于連續(xù)式包裝機(jī)
    　　在連續(xù)工包裝機(jī)中，步進(jìn)電機(jī)是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，包裝膜被均勻的連續(xù)輸送，當(dāng)改變袋長時(shí)，只需通過撥碼開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)。
　　四、步進(jìn)電機(jī)在橫封中的應(yīng)用    
　　在連續(xù)式包裝機(jī)中，橫封是一個(gè)很重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是包裝機(jī)中比較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)之一。特別對(duì)于有色檔的包裝膜，其封口和切斷位置要求極其嚴(yán)格，為了提高切斷的準(zhǔn)確性，人們先后研制了偏心鏈輪機(jī)構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等，但這些機(jī)構(gòu)都存在著調(diào)整十分麻煩、可靠性低的缺點(diǎn)。造成這些缺點(diǎn)的主要原因是工藝要求橫封輪定速橫封和定位切斷。   
　　步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)橫封輪可以實(shí)現(xiàn)速度同步。連續(xù)式包裝機(jī)的供膜輪是連續(xù)供膜的，橫封時(shí)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(dāng)改變袋長時(shí)，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(shí)間，就是說橫封輪與薄膜從接觸到離開需要恒定的時(shí)間，否則封口吵嚴(yán)
。橫封輪每轉(zhuǎn)一周的總時(shí)間與橫封所需要的時(shí)間都是恒定的，要滿足速度同步的要求，可以將步進(jìn)電機(jī)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(shí)間的要求。    
　　為了實(shí)現(xiàn)良好的封口質(zhì)量，還可以通過步進(jìn)電機(jī)對(duì)橫封輪實(shí)現(xiàn)非衡速的控制模式，就是在橫封的每一點(diǎn)上都實(shí)現(xiàn)速度同步，限于篇幅，這里不再陳述。    
　　步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)主要?dú)w于三個(gè)方面，一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響，不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載加大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進(jìn)電機(jī)使用在對(duì)速度和位置都有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合；二是控制方便。步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯，這樣就給計(jì)算機(jī)控制帶來了很大的方便，反過來，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)也為步進(jìn)電機(jī)開辟了更為廣闊的使用市場(chǎng)；三是整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)的機(jī)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(jìn)電機(jī)后，使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。    
　　步進(jìn)電機(jī)在包裝機(jī)械中的就用還剛剛開始，原來許多傳統(tǒng)的機(jī)械控制方式都可以用步進(jìn)電機(jī)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(shí)間內(nèi)，我國的包裝機(jī)械行業(yè)定能在步進(jìn)電機(jī)技術(shù)的平臺(tái)上躍上一個(gè)新的水平。

電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率來選擇，盡量使電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行。選擇電動(dòng)機(jī)功率大小時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：
（1＞如果電動(dòng)機(jī)功率選得過小．就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電動(dòng)機(jī)*過載．使其絕緣因發(fā)熱而損壞．甚至電動(dòng)機(jī)被燒毀。
（2）如果電動(dòng)機(jī)功率選得過大．就會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象．其輸出機(jī)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(duì)用戶和電網(wǎng)不利。而且還會(huì)造成電能浪費(fèi)。
要正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率，必須經(jīng)過以下計(jì)算或比較：
（1）對(duì)于恒定負(fù)載連續(xù)工作方式，如果知道負(fù)載的功率（即生產(chǎn)機(jī)械軸上的功率）Pl（kw）．可按下式計(jì)算所需電動(dòng)機(jī)的功率P（kw）：P=P1/n1n2式中n1為生產(chǎn)機(jī)械的效率；n2為電動(dòng)機(jī)的效率。即傳動(dòng)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(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)等于或稍大于計(jì)算所得的功率。
例：某生產(chǎn)機(jī)械的功率為3．95kw．機(jī)械效率為70％、如果選用效率為0．8的電動(dòng)機(jī)，試求該電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。
（2）短時(shí)工作定額的電動(dòng)機(jī)．與功率相同的連續(xù)工作定額的電動(dòng)機(jī)相比．zui大轉(zhuǎn)矩大，重量小，價(jià)格低。因此，在條件許可時(shí)，應(yīng)盡量選用短時(shí)工作定額的電動(dòng)機(jī)。
（3）對(duì)于斷續(xù)工作定額的電動(dòng)機(jī)，其功率的選擇、要根據(jù)負(fù)載持續(xù)率的大小，選用專門用于斷續(xù)運(yùn)行方式的電動(dòng)機(jī)。負(fù)載持續(xù)串Fs％的計(jì)算公式為
FS％＝tg/（tg+to）×100％式中tg為工作時(shí)間，t。為停止時(shí)間min；tg十to為工作周期時(shí)間min。
此外．也可用類比法來選擇電動(dòng)機(jī)的功率。所謂類比法。就是與類似生產(chǎn)機(jī)械所用電動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行對(duì)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(jī)械使用多大功率的電動(dòng)機(jī)，然后選用相近功率的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行試車。試車的目的是驗(yàn)證所選電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械是否匹配。驗(yàn)證的方法是：使電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，用鉗形電流表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的工作電流，將測(cè)得的電流與該電動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)出的額定電流進(jìn)行對(duì)比。如果電功機(jī)的實(shí)際工作電流與銘脾上標(biāo)出的額定電流上下相差不大．則表明所選電動(dòng)機(jī)的功率合適。如果電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作電流比銘牌上標(biāo)出的額定電流低70％左右．則表明電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。如果測(cè)得的電動(dòng)機(jī)工作電流比銘牌上標(biāo)出的額定電流大40％以上．則表明電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。
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