混合式步进电机系统在塑料软包装机械上的应用.pdf

收稿日期19990322 设计分析 混合式步进电机系统在塑料软包装机械上的应用 郑 灼 李兴根 浙江大学 浙江 杭州310027 Plastic Soft Packing Machine with Hybrid Step Motor System Zheng Zhuo Li Xinggen Zhejiang University , Zhejiang Hangzhou 310027 【摘 要】 简要介绍比较了几种当前塑料软包装机械 中应用的控制系统,并详细介绍了其中一种新型的混合式 步进电机系统,分析了它的硬软件构成和优缺点,指出混合 式步进电机系统是性价比最优的系统。 【关键词】 混合式步进电机 塑料软包装 制袋机 中图分类号TM38 文献标识码A 文章编号10047018199906 - 0023 - 03 【Abstract】 Briefly compares control systems used in plastic soft packing machine ,mainly discusses the hybrid step motor sys2 temof its software and hardware design , shortage and advantage. Last points out because of its best perance/price ratio , hybrid step motor system is the best choice. 【Keywords】 hybrid step motor plastic soft packing bag packing machine 1引 言 随着人民生活水平的提高,包装的重要性愈来 愈被大家所认识到,包装行业迅速发展,包装机械 也在不断进步中。塑料软包装机械就是其中之一, 它包括底封机、 热切机、 三边封机等各种塑料、 纸 张、 商标制袋机。它最早使用的控制系统是机械式 的定长控制系统,利用摆轮和离合器实现定长控 制,这种系统由于操作复杂,制袋速度慢,精度低, 维护繁琐,现在已经很少被采用了。在异步电机控 制技术发展的基础上出现了交流伺服控制系统,它 的性能很好但居高不下的价格使得采用它的厂家 和用户比较少。步进系统是作为机械式系统的替 代品而出现的,步进电机自身的特点使它非常适合 应用于此类定长系统中,最初的步进系统是反应式 步进电机系统,采用单片机作为控制单元,它具有 操作简便直观、 制袋速度较快、 精度较高的特点,由 于它的价格便宜,性能又较好,故现在被大多数的 厂家所采用。由于对更高性能的要求,混合式步进 电机系统在此基础上应运而生了,它比反应式步进 电机系统速度更快,精度更高,而成本却几乎一致。 表1为这几种控制系统的一个简要对比,从表中不 难看出混合式步进电机系统是性能价格比最好的 一种。 性能、 价格比较表 系统 价格 只/ min 制袋速度 袋长mm 50200500 机械式价格低慢 200快 200快 100 反应步进式价格低快 200较快 150慢 70 混合步进式价格低极快 400快 200快 100 以下将对混合式步进电机系统的硬软件实现 和优缺点作一分析探讨,并展望其发展前景。 2混合式步进电机控制系统构成 塑料软包装机械上的混合式步进电机系统主 要由混合式步进电机、 混合式步进电机驱动器和控 制单元三部分组成。系统结构示意图如图1所示。 可选用的混合式步进电机一般有2相、4相、3 相、5相几种,实用中应考虑具体的机械和负载情 况选用相应的电机。需注意的是电机转矩要留有 足够的余量。 驱动器要和电机相应地配套选用,对驱动器的 要求主要是性能和可靠性。相对来说,它是系统中 32混合式步进电机系统在塑料软包装机械上的应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 最薄弱的一个部分。 图1 系统总体结构示意图 控制单元负责人机交互和产生相应的步进脉 冲,可以用计算机或单片机结合外围电路构成,考 虑成本,以单片机作为主控芯片已可满足要求。控 制单元的主要问题就是如何控制步进电机的运行, 使它和包装机械的机械部分配合动作,尽量达到高 速平稳的运行。 3混合式步进电机控制系统软件 控制系统的软件是协调系统各部分动作的关 键所在,它主要包括显示信息、 接收用户输入、 接收 机械部分位置输入、 控制外围设备、 错误处理、 系统 内部通讯和产生步进电机步进脉冲这几个功能。 4混合式步进电机控制系统优缺点 混合式步进电机控制系统的优点正是由混合 式步进电机特殊的结构所带来的,简而言之它具有 稳定可靠、 性能好、 运行平稳等优点,以和最具有可 比性的反应式步进电机系统相比为例。 首先,混合式步进电机系统可靠性和稳定性较 高,由于驱动器是系统中可靠性最薄弱的一个部 分,所以系统可靠性和稳定性主要是由驱动器的可 靠性来决定的。混合式电机转子上有永磁体,部分 磁场已由转子上的磁钢产生,所以混合式电机绕组 电流可以设计得比较小,而反应式电机磁场完全由 绕组电流产生,故欲和混合式电机产生相同的转 矩,在电机体积相差不太大的情况下,反应式电机 所需电流就要大得多。在当前电力电子器件水平 限制下,混合式电机的驱动器就比反应式电机的驱 动器要可靠得多,同时由于大的绕组电流,反应式 电机本体的发热情况也要严重的多。 实际上,为产生相同的转矩,反应式电机不仅 线圈电流大,而且定子线圈匝数多,电机体积大,绕 组电感也大。由于绕组电感大,反应式驱动器必须 要以高压驱动才会有比较好的高频性能,但这样驱 动器的可靠性会明显变差;如果反应式驱动器取和 混合式驱动器一样的驱动电压时,电机的高频转矩 明显要小,这也是反应式电机系统性能比混合式电 机系统差的一个重要原因。 由于塑料具有延展性,所以塑料软包装机械的 运行都希望在保证性能的前提下尽量平稳。混合 式步进电机一般步距角θ较小,再加上混合式步 进电机共振区不明显,振荡较小,在控制步进电机 升降频规律一致的情况下,运行要比反应式步进电 机稳定。 混合式步进电机系统的缺点在于混合式步进 电机的制造比较复杂,电机的成本相对较高;其次 是虽然混合式步进电机共振区不明显,振荡较小, 但依然影响性能。 5与性能有关的几个问题的探讨 除去步进电机和驱动器的设计之外,与性能最 直接相关的问题就是步进电机的升降频规律问题。 按不同的升降频曲线运行会导致性能的很大差异, 应考虑负载和步进电机矩频特性来决定。步进电 机的升降速过程大致如下步进电机先以突跳频率 f0启动,然后按一定的规律提升运行频率f直至达 到最高运行频率fm,然后以此最高运行频率fm运 行直至降速段,再按一定的规律减小运行频率f直 至达到终止运行频率fn。如何达到高速和平稳运 行相结合就必须考虑f0、fm、fn和提升、 减小运行频 率的规律。考虑负载后的步进电机启动频率f0至 少应选得使此频率下牵入转矩T0TLTL为负载 转矩以保证能带负载启动。升降频曲线可结合参 考步进电机矩频特性Tf曲线和负载定出,有如 下的转矩平衡式 J θ2π 360 df dt T -TL-Tf1 J Jr JL2 Tf K4θf3 式中Jr 转子惯量; JL 负载惯量; θ 步距角; T 步进电机转矩; TL 恒定摩擦和负载转矩; Tf 随转速变化的摩擦和负载转矩。 步进电机矩频特性T-f曲线一般可以分段 直线来逼近[1], T Tm-K1f T1-K2f - f1 T2-K3f - f2 4 42微特电机 1999年第6期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 和式1联立可解得 f ft- ft- f0e C1 A1 t 5 式中ft - B1 C1 f0为启动频率。 A1 J θ2π 360 B1 Tm-TL C1 - K1 K4 θ 由式5可见负载和电机惯量J直接影响加 速,惯量愈大同样的升速时间内能达到的运行频率 f愈小,步距角θ的影响则比较复杂,理想的情况 下 突跳频率和步距角成反比、 矩频特性斜率和 步距角成反比时理论上步距角不同的电机可达到 的性能是一样的,但在实用中,由于是步进式的升 频,步距角大的电机要考虑步距角大的运行速度波 动相对大一些等实际原因,还是步距角小的电机可 以升速快一些。 如用单片机实现式5的升频规律,可以用时 钟中断结合查表法实现。先按式5计算出升降频 各步频率,转成对应的值存人表格,运行时依序从 表格中取数送入定时器,中断时送出步进脉冲。程 序基本框图如图2所示。 6展 望 当前塑料软包装行业中反应式的步进系统仍 是市场的主流,但混合式步进系统由于它优异的性 能、 低廉的价格必将被广泛采用,随着电机、 驱动器 性能的进一步改进,控制方法的完善,相信它会有 一个美好的应用前景。 图2 升降频控制程序框图 参 考 文 献 1 王晓初.步进电机自动升降速及其单片机控制[J ].微特电机, 1998 ,2 14 第一作者简介郑灼,男,1973年生,浙江大学电机系电机及控制专 业攻读博士学位,主要研究方向为步进电动机及驱动控制。 52混合式步进电机系统在塑料软包装机械上的应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.