碎纸机堵转保护方法

2013-07-20张晓涛

机械工程与自动化 2013年1期

张晓涛

（广州城建职业学院机电工程系，广东广州 510925）

0 引言

碎纸机是广泛使用的办公自动化设备，采用交流异步电动机作为动力机构。异步电动机在全压启动过程中，有时不能在设计的启动时间内迅速达到额定转速，甚至会出现堵转或在低转速下运行的现象。目前常用的电动机防堵转方法是采用过电流采样方法［1，2］。过电流采样，即通过采样电阻形成采样电压，将此采样电压与预设的电压值进行比较，如果超出预设值则认为发生堵转。此方法的缺陷是：当电机产生过电流时，电机定子、转子绕组温升也迅速增加，即使及时地停止启动过程，过电流对电机性能的影响也是存在的。本文基于交流异步电动机的动态特性来判断电机启动过程是否发生堵转。此方法既可以在转速发生变化时及时停止电机，避免出现因纸张过多将电机轴卡死难以取出的问题，同时也避免因堵转产生过流而导致的上述一系列问题。

1 典型碎纸机系统结构

碎纸机包括机械和电子两大系统。机械系统包括两大主要部件，即切纸刀和电动马达，它们之间通过齿轮紧密地连接在一起，马达带动齿轮，把能量传送给切纸刀，而切纸刀通过转动，用锋利的金属角把纸、CD切碎。

典型的碎纸机电子系统结构如图1 所示。主CPU通过纸传感器和CD传感器来检测纸张和CD信号，并根据光电传感器判断纸张类型。控制面板上按键包括电源开关、电机正／反转按键、紧急停止按键、启动按键等；指示灯包括电源指示灯、门开指示灯、电机堵转及入口纸过多指示灯、垃圾桶满指示灯、电机过热（TCO）指示灯等。

图1 典型的碎纸机系统结构

2 动态方程及其数值解法

2.1 动态方程

交流异步电动机的电压方程和转矩方程［3］为：

其中：i为电流；R为电阻；U为电压；L为电感；Ω为角速度；θ为转子位置角；P为极对数；J为转动惯量；RΩ为阻尼系数；ML为负载转矩。

电压方程和转矩方程选择转子电流、转子角速度和转角作为方程变量，采用基尔霍夫定律和达朗贝儿原理，经推导可得出电机的状态方程为：

其中：

2.2 状态方程的数值解算法

状态方程（3）是一组初始条件为零的非线性的微分方程组，可以采用多种方法求解，如：①按幂级数展开式用迭代法；②特征矢量法；③欧拉法；④龙格－库塔法。前两种方法运算时间过长；而欧拉法的程序较简单，但计算结果欠精确；龙格－库塔法的程序较复杂，但计算结果较精确，用的较普遍。此处采用四阶龙格－库塔方法求解。

3 电机堵转保护的判定方法

从理论上分析，交流异步电动机在启动过程中有一个时间－转速变化曲线，该曲线可以由电机生产厂家提供，也可以通过实际测量得到。图2 为按照状态方程（3）采用数值解计算方法得到的某一型号的异步电动机启动过程的时间－转速变化曲线。异步电动机参数为：极对数P＝2，转速n＝120r／s，负载转矩ML＝0.1 N·m，转动惯量J＝0.15kg·m2，电阻R＝2.65Ω。

图2 电机转速－时间关系图

将通过理论计算得到的时间－转速曲线和实际测量得到的时间－转速曲线进行比较，可以得到一个当速度由上升过程逐渐趋于稳定的稳定点A，A点表示电机已经完全启动，速度达到稳定状态。从施加全压启动到A点这个时间点，如果测得的电机转速不小于A点速度，则认为电机启动过程到这一时刻为止运行正常。如果电机从全压启动，经过T时间段，转速测量值小于曲线上A点的转速值，则认为电机启动过程发生堵转，应立即停止启动过程，然后电机反转，将纸推出。

为了更准确地判断启动过程，可以在整个启动过程中设置若干个转速判断点，并将实际启动过程中的转速值和这些转速点比较，如果超出预设范围则认为发生堵转。但是由于碎纸机功能单一，对电动机的性能要求不高，所以只需设置一个转速判断点即可。

电机测速传感器可以采用简便的光电传感器或霍尔传感器，传感器直接输出转子的转速脉冲信号，经过快速光电耦合电路使输入信号与主电路隔离。经隔离后的转速脉冲信号经过调理，成为标准的TTL电平脉冲信号，输入到单片机的IO脚，再由单片机对转速信号分频及周期测量，从而得出电机的转速值。