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1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。从19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的电刷－换向器结构的机械接触装置，人们曾对此作过长期的探索。1915年，美国人Langnall发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。20世纪30年代，有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。
科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机 ——无刷直流电机带来了生机。1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。它由功率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通实现换相。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；其次，由于信号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。为了克服这些弊病，人们采用了离心装置的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径。⒛世纪60年代初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世，之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的飞速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来实现换相的无刷直流电机。在⒛世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机。1968年，德国人W·Mieslinger提出采用电容移相实现换相的新方法。在此基础上，德国人R·Hanitsch试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。
无刷直流电机按照工作特性，可以分为两大类：
1．具有直流电机特性的无刷直流电机
反电动势波形和供电电流波形都是矩形波的电机，称为矩形波同步电机，又称无刷直流电机。这类电机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，由所检测出的信号去触发相应的电子换相线路以实现无接触式换相。显然，这种无刷直流电机具有有刷直流电机的各种运行特性。
2．具有交流电机特性的无刷直流电机
反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电机，称为正弦波同步电机。这类电机也由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的同步电机。因此，它们具有同步电机的各种运行特性。
严格来说，只有具有直流电机特性的电机才能称为无刷直流电机，本书主要讨论这种类型的无刷直流电机。
本文论述了步进电机的工作原理及使用特点，介绍了步进电机在包装机械中的几个应用实例，指出步进电机在包装机械中具有的广阔应用前景。
我国的包装机械经过近20年的发展，已经取得了长足的进步，但与国外相比，还存在着比较大的差距，差距空间在什么地方呢？我们认为主要在于控制方面。鉴于此，温州大学的杨福餐和河南科技大学的吴龙奇两位专家，就他们所从事的研究内容写成系列文章，希望能对有关业内人士有所启发。
一、步进电机工作原理
步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）
。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由
于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。
步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成；二是驱动器（信号放大器），它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能，事实上它在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式
步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降；当频率增加时，速度就加快。还可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度。
步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。在包装机控制中，给定脉冲数的多少，还与机构的参数有关，例如螺杆的直径等。
在包装机械中，很多情况下需要控制执行机构的运行速度和运行位置，以前都是通过机械或其它方式来完成的，机构复杂、调节不易。改用步进电机后，不仅能使包装机械结构变得简单、调节方便、可靠性增加，而且粗度会得到很大提高。
二、步进电机在物料计量方面的应用
1．粉状物料的计量
螺杆计量是常用的容积式计量方式，它是通过螺杆旋转的圈数多少来达到计量的多少，为了达到计量大小可调和提高计量精度的目的，要求螺杆的转速可调和位置定位准确，使用步进电机可以同时满足这两个方面的要求。
例如粉剂包装机的计量采用了步进电机控制螺杆的转速和转数，不仅简化了机械结构，而且使得控制非常方便。在不过载的情况下，步进电机的转速、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，这与电磁离合器控制的螺杆计量相比，具有明显的精度优势，更加适合于比重变化比较大的物料计量。
步进电机与螺杆采用直接连接的方式，结构简单，维修方便。值得指出的是，如步进电机的过载能力较代，当轻微过载时，就会出现相当大的噪声。因此，在计量工况确定以后，就要选用较大的过载系数，以保证步进电机平衡工作。
2．粘稠体物料的计量
步进电机控制齿轮泵也可以实现精确计量。齿轮泵在输送粘稠体方面得到了广泛的应用，例如糖浆、豆沙、白酒、油料、番茄酱等的输送。目前在对这些物料的计量方面大多使用活塞泵，存在着调整困难、结构复杂、不便维修、功耗大、计量不准等缺点。
齿轮泵计量是靠一对齿轮啮合转动计量的，物料通过齿与齿的空间被强制从进料口送到出料口。动力来自步进电机，步进电机转动的位置及速度由可编程控制器控制，计量精度高于活塞泵的计量精度。
步进电机适于在低速下运行，当速度加快时，步进电机的噪声会明显加大，其它经济指标会显著下降。对于转速比较高的齿轮泵来说，选用升速结构比较好。我们在粘稠体包装机上开始采用的是步进电机直联齿轮泵的结构，结果声难以噪声难以避免，可靠性下降。后来采用直齿轮升速的办法，降低了步进电机的速度，噪声得到了控制，可靠性也有所提高，计量精度得到了保证。
三、步进电机在供送包装膜中的应用
在制袋、充填、封口为一体的包装机中，要求包装用塑料薄膜定位定长供给，无论间歇供给还是连续供给，都可以用步进电机来可靠完成。
1．用于间歇式包装机
间歇式包装机使用步进电机供膜，可靠性可以得到提高。以前的包装膜供送多采用曲柄连杆机构间歇拉带方式，结构复杂，调整困难，特别是当需要更换产品时，不仅调节困难，而且包装膜浪费很多。采用步进电机与拉带滚轮直接连接拉带，不仅结构得到了简化，而且调节极为方便，只要通过控制面板上的按钮就可以实现，这样既节省了调节时间，又节约了包装材料。&nbs
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在间歇式包装机中，包装材料的供送控制可以采用两种模式：袋长控制模式和色标控制模式。袋长控制模式适用于不带色标的包装膜，通过预先设定步进电机转速的方法实现，转空比的设定通过拨码开关就可以实现。色标模式配备有光电开关，光电开关检测色标的位置，当检测到色标时，发出控制开关信号，步进电机按到信号后，停止转动，延时一定时间后，再转动供膜，周而复始，保证按照色标的位置定长供膜。
2．用于连续式包装机
在连续工包装机中，步进电机是连续转动的，包装膜被均匀的连续输送，当改变袋长时，只需通过拨码开关就可以实现。
四、步进电机在横封中的应用
在连续式包装机中，横封是一个很重要的执行机构，也是包装机中比较复杂的机构之一。特别对于有色档的包装膜，其封口和切断位置要求极其严格，为了提高切断的准确性，人们先后研制了偏心链轮机构、曲柄导杆机构等，但这些机构都存在着调整十分麻烦、可靠性低的缺点。造成这些缺点的主要原因是工艺要求横封轮定速横封和定位切断。
步进电机直接驱动横封轮可以实现速度同步。连续式包装机的供膜轮是连续供膜的，横封时要求横封的线速度与薄膜供送的速度同步，以免出现撕裂薄膜和薄膜堆积的情况，由于横封轮的直径是恒定的，当改变袋长时，就需要通过改变横封轮的转速来改变，但是横封需要一定的时间，就是说横封轮与薄膜从接触到离开需要恒定的时间，否则封口吵严
。横封轮每转一周的总时间与横封所需要的时间都是恒定的，要满足速度同步的要求，可以将步进电机一周内的转速分成两部分，一部分首先满足速度同步的要求，而另外空载的部分满足一周总时间的要求。
为了实现良好的封口质量，还可以通过步进电机对横封轮实现非衡速的控制模式，就是在横封的每一点上都实现速度同步，限于篇幅，这里不再陈述。
步进电机的特点主要归于三个方面，一是过载性好。其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合；二是控制方便。步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场；三是整机结构简单。传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。
步进电机在包装机械中的就用还刚刚开始，原来许多传统的机械控制方式都可以用步进电机来替代，除了上面介绍的一些用途外，它还在印刷、灌装、囊包等方面得到了应用，相信在较短的时间内，我国的包装机械行业定能在步进电机技术的平台上跃上一个新的水平。
电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择电动机功率大小时应注意以下两点：
(1＞如果电动机功率选得过小．就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载．使其绝缘因发热而损坏．甚至电动机被烧毁。
(2)如果电动机功率选得过大．就会出现“大马拉小车”现象．其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利。而且还会造成电能浪费。
要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较：
(1)对于恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(即生产机械轴上的功率)Pl(kw)．可按下式计算所需电动机的功率P(kw)：P=P1/n1n2式中n1为生产机械的效率；n2为电动机的效率。即传动效率。
按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此．所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。
例：某生产机械的功率为3．95kw．机械效率为70％、如果选用效率为0．8的电动机，试求该电动机的功率应为多少kw?
解:P=P1/n1n2=3.95/0.7*0.8=7.1kw
由于没有7．1kw这—规格．所以选用7．5kw的电动机。
(2)短时工作定额的电动机．与功率相同的连续工作定额的电动机相比．最大转矩大，重量小，价格低。因此，在条件许可时，应尽量选用短时工作定额的电动机。
(3)对于断续工作定额的电动机，其功率的选择、要根据负载持续率的大小，选用专门用于断续运行方式的电动机。负载持续串Fs％的计算公式为
FS％＝tg/(tg+to)×100％式中tg为工作时间，t。为停止时间min；tg十to为工作周期时间min。
此外．也可用类比法来选择电动机的功率。所谓类比法。就是与类似生产机械所用电动机的功率进行对比。具体做法是：了解本单位或附近其他单位的类似生产机械使用多大功率的电动机，然后选用相近功率的电动机进行试车。试车的目的是验证所选电动机与生产机械是否匹配。验证的方法是：使电动机带动生产机械运转，用钳形电流表测量电动机的工作电流，将测得的电流与该电动机铭牌上标出的额定电流进行对比。如果电功机的实际工作电流与铭脾上标出的额定电流上下相差不大．则表明所选电动机的功率合适。如果电动机的实际工作电流比铭牌上标出的额定电流低70％左右．则表明电动机的功率选得过大(即“大马拉小车”应调换功率较小的电动机。如果测得的电动机工作电流比铭牌上标出的额定电流大40％以上．则表明电动机的功率选得 过小(即"小马拉大车")，应调换功率较大的电动机。
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