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摘 要：针对GD包装机烟库下烟器驱动装置经常损坏且维修费用较高的问题，通过对直流伺服和交流变频两种控制系统优缺点的分析，提出用三相交流异步电机替换原设备上的直流伺服电机，从而达到烟支搅动电机运行稳定，维修费用降低的目的。
关键词：搅动电机、三相交流異步电机、变频器控制
GDX2包装机是包装设备中的主力机型，车间现有12台GD包装机，使用时间在5年以上的有8台。其烟库下烟器驱动装置采用永磁直流伺服控制模式，由直流伺服电动机作为动力源。由于我厂采用早晚班工作制，直流电机及控制板经常损坏，且为进口件，供货周期长、价格高。针对这种情况，决定对下烟器驱动电机进行改进。
1 工作原理
1.1 下烟器的工作原理
烟支由烟支输送系统进入烟库后，在回转轮及左右烟支分离器作用下，均匀地向烟库下方三个并列的下烟道分流。烟库后面的有机玻璃拍烟板由于摆杆的带动而缓慢向后往复摆动，对下落烟支轻微拍打，帮烟支理齐和下落。下烟料斗是由23块上宽下窄的导烟板分三组而组成。每块导烟板上各有一左、右往返转动的六角形搅动辊，由于搅动作用，烟支顺利进入下烟槽，靠重力落到推烟板前方，完成烟支下落过程。
回转轮、拍烟板和搅动辊是由抖动电机驱动的，为了保证产品质量和机车正常运转，要求抖动电机的速度与机车速度相配匹，如电机速度过快，易造成烟支空虚，如电机速度过慢，烟支供不上将造成停机。原机车抖动电机采用直流电机控制，很好地实现速度调节。
1.2直流电机控制原理
直流电机的起停由GD主程序控制。脉冲串表示来自上位机，直接用于电机速度控制信号。测速电机将速度信号反馈给伺服控制板，通过比较实现闭环控制。伺服控制板将电机工作状态直接反馈给主控柜。
2 问题分析
2.1 车间卷烟包装设备现状
随着生产规模的扩大，一些较早使用的机车，烟库下烟器驱动控制系统故障率高，到了需要更换的时间，而直流电机控制系统备件费用较高，工厂决定寻找一种价格低、性能相同的驱动控制系统来代替原控制系统。
2.2 直流电机驱动的不足
2.2.1 永磁直流伺服电动机易烧毁。该电动机是水平方向安装，当油密封圈老化时，下烟器减箱速内的液体润滑油会沿电动机轴渗透密封圈进入电动绝缘漆机内部，逐渐溶解电动机定子绕组上的绝缘漆，达到一定程度时，绝缘漆被击穿，定子绕组间发生短路而使电动机烧毁。
2.2.2 （A456）易损坏。作为伺服电动机的核心器件，工作原理复杂，元器件多，故障率高，4层板结构，故障很难排除。另外，伺服控制实时性较差，当电动机因绕组间绝缘强度降低或其他原因而发生过流时，该伺服系统不能及时做出反应，导致电动机被烧坏，伺服板也同时损坏。
2.2.3 直流电动机要定期清洁换向器，而且需要更换碳刷。这既增加了维护工作，又降低了生产效率。
2.2.4 原装电动机及伺服板价格贵，供货周期长，不利于设备的维护保养。
针对原系统存在的以上问题，考虑采用交流变频系统来取代，以克服原系统的不足。
3 改进方案
直流电机调速性能良好，但随着变频技术的日益发展，交流电机电机调速性能不断完善，其调速性能可与直流调速性能相媲美，现变频调速应用各领域。交流电动机的价格远低于直流电动机，故障率低，维修简单，使用场合没有限制，单机容量远大于直流电动机，为此决定选用交流电机代替直流电机。
3.1 交流电机控制原理
3.3.1 交流电动机的起停由GD主程序控制。
3.3.2 脉冲串表示来自上位机，经过频压转换模块，将频率信号转换成电压信号送到变频器，从而实现对交流电动机的控制。
上位机将模拟转换板N2—4点输出的速度控制脉冲信号，通过光藕隔离，转换成幅度为15 V的矩形波，经频压转换模块专用电路缓冲、整形、放大、转换后，输出-10～10 V的直流电压信号。该信号送到变频器，从而控制交流电动机按上位机给定速度同步运动。该电压在0～10 V之间变化时，电动机会在0～1 500 r/min内作线性同步运动。如果电动机速度不能与上位机匹配，可通过变频器的速度参数和GD包装机OPC控制平台进行小范围调整， 直到电动机速度与上位机匹配为止。
3.1.3 变频器自身具有诊断功能，将自诊断信号返回给上位机。
3.2 三相交流电机、变频器的选用
选用三相异步交流电机：型号为YSJ7124，功率为370W。变频器选用西门子的MICROMASTER 440， 功率为0.75KW。
3.3 设计加工交流电机法兰盘
根据选型的三相交流电机固定底座和原直流电机的安装位置进行测绘，设计并加工固定件法兰盘。
4 具体实施
4.1 安装过程
4.1.1 拆下原直流电机及安装盘，并卸下直流电机联轴器装在交流电机上，将加工好的法兰盘固定在箱体上，再将电机与法兰盘固定。
4.1.2 在电控柜内适当位置打孔攻丝， 固定变频器支架，然后把变频器装在该支架上。
4.1.3 安装频压转换模块、起停继电器和空气开关，安装在变频器的安装支架上。
4.1.4 连接线缆。
连接电动机和变频器。将电动机动力电缆（UVW）铺设到电控柜里，与变频器的相应接口相连。
连接变频器的控制端线路。将上位机模拟板的脉冲信号接到频压模块的输入端，再将其输出端连接到变频器控制端子的模拟输入端。将上位机输出板控制电动机的起停信号线连接到起停继电器的线圈端，选取继电器的一组常开点连接到变频器控制端的起停端子上。将变频器的自诊断信号端连接到上位机输入板。
4.1.5 给变频器接动力电源。从电控柜中引三相电源经三相空气开关接到变频器的电源输人端。
4.1.6 把变频器的地线接到电控柜中的地线排上。
4.2 设备启动运行
GD机加电，开机启动，即可正常工作。工作过程如下：下烟库抖动电动机随主机做同步运动，当上位机起动信号发出后，同时输出对此电动机的起动信号，经起停继电器电路送给变频器的起动控制端。该电动机要与主机速度跟随，以供应主机烟支，由主机输出速度脉冲信号，经频压转换电路将频率信号转换成电压信号，送给变频器的模拟输入信号，通过变频处理输出，从而控制该交流电动机。当变频器或电动机运行出现故障时，将故障信号送给上位机处理。
5 改进后系统优点
5.1高可靠性。系统采用交流电动机，没有以前直流电动机的机械式换向器和碳刷结构， 工作可靠性更高。
5.2改进成本低。永磁直流伺服系统成本53816元，改进后的交流变频拖动系统成本11300元。
5.3可维护性好。电动机是无刷结构，不需要像直流电动机那样定期维护换向器和更换碳刷。
5.4电动机寿命延长。
5.5完善的保护功能。具有自诊断、过流、过压、过载、堵转、超速、连线错误、设置错误等完善的系统实时保护功能。
6 改进后的效果
在车间12台设备上对烟库下烟器驱动系统作了改进之后， 使用了近三年， 系统运行稳定、可靠。在近三年内系统几乎没有做过任何维护保养，而且没有发生过电动机损坏的事故， 有效地提高了设备作业率， 降低了维修工作量。
参考文献
[1] 顾绳谷.电动机及拖动基础（上、下册）[M]. 合肥：合肥工业大学出版社，2007年.
[2] 机械设计手册编委会.机电一体化手册[M].北京：机械工业出版社，2004年.
[3]《ZB45型硬盒应条包装机组培训教材（机械部分）》上海烟草机械有限责任公司.
关键词：搅动电机、三相交流異步电机、变频器控制
GDX2包装机是包装设备中的主力机型，车间现有12台GD包装机，使用时间在5年以上的有8台。其烟库下烟器驱动装置采用永磁直流伺服控制模式，由直流伺服电动机作为动力源。由于我厂采用早晚班工作制，直流电机及控制板经常损坏，且为进口件，供货周期长、价格高。针对这种情况，决定对下烟器驱动电机进行改进。
1 工作原理
1.1 下烟器的工作原理
烟支由烟支输送系统进入烟库后，在回转轮及左右烟支分离器作用下，均匀地向烟库下方三个并列的下烟道分流。烟库后面的有机玻璃拍烟板由于摆杆的带动而缓慢向后往复摆动，对下落烟支轻微拍打，帮烟支理齐和下落。下烟料斗是由23块上宽下窄的导烟板分三组而组成。每块导烟板上各有一左、右往返转动的六角形搅动辊，由于搅动作用，烟支顺利进入下烟槽，靠重力落到推烟板前方，完成烟支下落过程。
回转轮、拍烟板和搅动辊是由抖动电机驱动的，为了保证产品质量和机车正常运转，要求抖动电机的速度与机车速度相配匹，如电机速度过快，易造成烟支空虚，如电机速度过慢，烟支供不上将造成停机。原机车抖动电机采用直流电机控制，很好地实现速度调节。
1.2直流电机控制原理
直流电机的起停由GD主程序控制。脉冲串表示来自上位机，直接用于电机速度控制信号。测速电机将速度信号反馈给伺服控制板，通过比较实现闭环控制。伺服控制板将电机工作状态直接反馈给主控柜。
2 问题分析
2.1 车间卷烟包装设备现状
随着生产规模的扩大，一些较早使用的机车，烟库下烟器驱动控制系统故障率高，到了需要更换的时间，而直流电机控制系统备件费用较高，工厂决定寻找一种价格低、性能相同的驱动控制系统来代替原控制系统。
2.2 直流电机驱动的不足
2.2.1 永磁直流伺服电动机易烧毁。该电动机是水平方向安装，当油密封圈老化时，下烟器减箱速内的液体润滑油会沿电动机轴渗透密封圈进入电动绝缘漆机内部，逐渐溶解电动机定子绕组上的绝缘漆，达到一定程度时，绝缘漆被击穿，定子绕组间发生短路而使电动机烧毁。
2.2.2 （A456）易损坏。作为伺服电动机的核心器件，工作原理复杂，元器件多，故障率高，4层板结构，故障很难排除。另外，伺服控制实时性较差，当电动机因绕组间绝缘强度降低或其他原因而发生过流时，该伺服系统不能及时做出反应，导致电动机被烧坏，伺服板也同时损坏。
2.2.3 直流电动机要定期清洁换向器，而且需要更换碳刷。这既增加了维护工作，又降低了生产效率。
2.2.4 原装电动机及伺服板价格贵，供货周期长，不利于设备的维护保养。
针对原系统存在的以上问题，考虑采用交流变频系统来取代，以克服原系统的不足。
3 改进方案
直流电机调速性能良好，但随着变频技术的日益发展，交流电机电机调速性能不断完善，其调速性能可与直流调速性能相媲美，现变频调速应用各领域。交流电动机的价格远低于直流电动机，故障率低，维修简单，使用场合没有限制，单机容量远大于直流电动机，为此决定选用交流电机代替直流电机。
3.1 交流电机控制原理
3.3.1 交流电动机的起停由GD主程序控制。
3.3.2 脉冲串表示来自上位机，经过频压转换模块，将频率信号转换成电压信号送到变频器，从而实现对交流电动机的控制。
上位机将模拟转换板N2—4点输出的速度控制脉冲信号，通过光藕隔离，转换成幅度为15 V的矩形波，经频压转换模块专用电路缓冲、整形、放大、转换后，输出-10～10 V的直流电压信号。该信号送到变频器，从而控制交流电动机按上位机给定速度同步运动。该电压在0～10 V之间变化时，电动机会在0～1 500 r/min内作线性同步运动。如果电动机速度不能与上位机匹配，可通过变频器的速度参数和GD包装机OPC控制平台进行小范围调整， 直到电动机速度与上位机匹配为止。
3.1.3 变频器自身具有诊断功能，将自诊断信号返回给上位机。
3.2 三相交流电机、变频器的选用
选用三相异步交流电机：型号为YSJ7124，功率为370W。变频器选用西门子的MICROMASTER 440， 功率为0.75KW。
3.3 设计加工交流电机法兰盘
根据选型的三相交流电机固定底座和原直流电机的安装位置进行测绘，设计并加工固定件法兰盘。
4 具体实施
4.1 安装过程
4.1.1 拆下原直流电机及安装盘，并卸下直流电机联轴器装在交流电机上，将加工好的法兰盘固定在箱体上，再将电机与法兰盘固定。
4.1.2 在电控柜内适当位置打孔攻丝， 固定变频器支架，然后把变频器装在该支架上。
4.1.3 安装频压转换模块、起停继电器和空气开关，安装在变频器的安装支架上。
4.1.4 连接线缆。
连接电动机和变频器。将电动机动力电缆（UVW）铺设到电控柜里，与变频器的相应接口相连。
连接变频器的控制端线路。将上位机模拟板的脉冲信号接到频压模块的输入端，再将其输出端连接到变频器控制端子的模拟输入端。将上位机输出板控制电动机的起停信号线连接到起停继电器的线圈端，选取继电器的一组常开点连接到变频器控制端的起停端子上。将变频器的自诊断信号端连接到上位机输入板。
4.1.5 给变频器接动力电源。从电控柜中引三相电源经三相空气开关接到变频器的电源输人端。
4.1.6 把变频器的地线接到电控柜中的地线排上。
4.2 设备启动运行
GD机加电，开机启动，即可正常工作。工作过程如下：下烟库抖动电动机随主机做同步运动，当上位机起动信号发出后，同时输出对此电动机的起动信号，经起停继电器电路送给变频器的起动控制端。该电动机要与主机速度跟随，以供应主机烟支，由主机输出速度脉冲信号，经频压转换电路将频率信号转换成电压信号，送给变频器的模拟输入信号，通过变频处理输出，从而控制该交流电动机。当变频器或电动机运行出现故障时，将故障信号送给上位机处理。
5 改进后系统优点
5.1高可靠性。系统采用交流电动机，没有以前直流电动机的机械式换向器和碳刷结构， 工作可靠性更高。
5.2改进成本低。永磁直流伺服系统成本53816元，改进后的交流变频拖动系统成本11300元。
5.3可维护性好。电动机是无刷结构，不需要像直流电动机那样定期维护换向器和更换碳刷。
5.4电动机寿命延长。
5.5完善的保护功能。具有自诊断、过流、过压、过载、堵转、超速、连线错误、设置错误等完善的系统实时保护功能。
6 改进后的效果
在车间12台设备上对烟库下烟器驱动系统作了改进之后， 使用了近三年， 系统运行稳定、可靠。在近三年内系统几乎没有做过任何维护保养，而且没有发生过电动机损坏的事故， 有效地提高了设备作业率， 降低了维修工作量。
参考文献
[1] 顾绳谷.电动机及拖动基础（上、下册）[M]. 合肥：合肥工业大学出版社，2007年.
[2] 机械设计手册编委会.机电一体化手册[M].北京：机械工业出版社，2004年.
[3]《ZB45型硬盒应条包装机组培训教材（机械部分）》上海烟草机械有限责任公司.