步進電機的工作原理及使用特點_步進電機在包裝機械中的應用

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用實例，指出步進電機在包裝機械中具有的廣闊應用前景。

我國的包裝機械經過近20年的發展，已經取得了長足的進步，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，溫州大學的楊福餐和河南科技大學的吳龍奇兩位專家，就他們所從事的研究內容寫成系列文章，希望能對有關業內人士有所啟發。

一、步進電機工作原理

步進電機是將給定的電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。

給定一個電脈沖信號，步進電機轉子就轉過相應的角度，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，步進電機就轉過0.9度；給兩個脈沖信號，步進電機就轉過1.8度。以此類推，連續給定脈沖信號，步進電機就可以連續運轉。由 于電脈沖信號與步進電機轉角存在的這種線性關系，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，一是電脈沖信號發生器，它按照給定的設置重復為步進電機輸送電脈沖信號，目前這種信號大多數由可編程控制器或單片機來完成；二是驅動器（信號放大器），它除了對電脈沖信號進行放大、驅動步進電機轉動以外，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中起著重要的作用，一般一種步進電機可以根據不同的工況具有多種驅動器；三是步進電機，它有多種控制原理和型號，現在常用的有反應式、感應子式、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的。當發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量控制的。給定一個脈沖，轉過一個步距角，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。在包裝機控制中，給定脈沖數的多少，還與機構的參數有關，例如螺桿的直徑等。

在包裝機械中，很多情況下需要控制執行機構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，機構復雜、調節不易。改用步進電機后，不僅能使包裝機械結構變得簡單、調節方便、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，它是通過螺桿旋轉的圈數多少來達到計量的多少，為了達到計量大小可調和提高計量精度的目的，要求螺桿的轉速可調和位置定位準確，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速和轉數，不僅簡化了精密機械加工結構，而且使得控制非常方便。在不過載的情況下，步進電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，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，結構簡單，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，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精確計量。齒輪泵在輸送粘稠體方面得到了廣泛的應用，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，存在著調整困難、結構復雜、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，其它經濟指標會顯著下降。對于轉速比較高的齒輪泵來說，選用升速結構比較好。我們在粘稠體包裝機上開始采用的是步進電機直聯齒輪泵的結構，結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間歇拉帶方式，結構復雜，調整困難，特別是當需要更換產品時，不僅調節困難，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，不僅結構得到了簡化，而且調節極為方便，只要通過控制面板上的按鈕就可以實現，這樣既節省了調節時間，又節約了包裝材料。

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，通過預先設定步進電機轉速的方法實現，轉空比的設定通過撥碼開關就可以實現。色標模式配備有光電開關，光電開關檢測色標的位置，當檢測到色標時，發出控制開關信號，步進電機按到信號后，停止轉動，延時一定時間后，再轉動供膜，周而復始，保證按照色標的位置定長供膜。

2．用于連續式包裝機

在連續工包裝機中，步進電機是連續轉動的，包裝膜被均勻的連續輸送，當改變袋長時，只需通過撥碼開關就可以實現。

四、步進電機在橫封中的應用

在連續式包裝機中，橫封是一個很重要的執行機構，也是包裝機中比較復雜的機構之一。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、曲柄導桿機構等，但這些機構都存在著調整十分麻煩、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。

步進電機直接驅動橫封輪可以實現速度同步。連續式包裝機的供膜輪是連續供膜的，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的轉速分成兩部分，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。

為了實現良好的封口質量，還可以通過步進電機對橫封輪實現非衡速的控制模式，就是在橫封的每一點上都實現速度同步，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”為單位旋轉的，數字特征比較明顯，這樣就給計算機控制帶來了很大的方便，反過來，計算機的出現也為步進電機開辟了更為廣闊的使用市場；三是整機結構簡單。傳統的機械速度和位置控制結構比較復雜，調整困難，使用步進電機后，使得整機的結構變得簡單和緊湊。

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用，相信在較短的時間內，我國的包裝機械行業定能在步進電機技術的平臺上躍上一個新的水平。`