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摘要：在我国工业现代化建设进程不断加速的背景下，工制造水平得以全面提升，各项工业生产装备也在不断创新。塑料是现代工业技术发展的用途广泛的材料。当前塑料生产主要采用挤塑成型的方式，通过挤塑机设备可以实现一次成型，电机驱动系统作为挤塑机的核心系统之一，为了提升挤塑机应用效果，则需要对电机驱动系统进行优化设计，采用科学的控制方式。因此，本文将对挤塑机电机驱动系统设计及控制方面进行深入研究，并提出一些科学的设计优化方案，以期能够对相关领域有所帮助。

关键词：挤塑机；电机驱动；系统设计；控制研究

挤塑机设备在工业生产中具有广泛的应用，是生产塑料的主要设备。在挤塑机的系统工程中，电机驱动系统设计科学与否，会对挤塑机应用效果产生直接影响，如果系统设计不够合理，将会导致挤塑机驱动力不足，从而无法一次挤塑成型，严重影响塑料生产效率和质量，因此，需要依据实际生产需要，对挤塑机的电机驱动系统进行优化设计，并采用更加精确、科学的控制方法，以此方式提高挤塑机应用效果，对于现代工业生产具有重要的意义。

一、挤塑机结构概述

挤塑机的送料系统负责将塑料颗粒输送至机筒，通常包括送料机构和送料装置，送料机构可以根据不同的生产需要选择不同的送料方式，如单螺杆送料和双螺杆送料；挤塑机的机筒内需要提供足够的热能，以将输送到其中的塑料颗粒加热至熔融状态，加热系统通常包括电加热圈、电热管等元件，确保机筒内温度达到塑料熔点；挤塑机的核心部分是螺杆挤出系统，包括主螺杆和辅助螺杆，主螺杆负责将熔融的塑料挤出机筒，而辅助螺杆则用于混合、压缩和输送；挤塑机的模头和挤出口决定了最终塑料制品的形状和尺寸，不同的模头设计和挤出口设置将产生不同的制品；在挤塑机结构中，冷却系统主要用于降温和固化刚刚挤出的塑料制品，冷却方式包括自然冷却和水循环冷却，确保制品能够保持所需的形状和尺寸[1]。

挤塑机的电机驱动系统是整个设备的心脏，直接影响挤塑机的运行效率和生产质量，电机驱动系统通常包括主电机、辅助电机和控制系统，主电机是挤塑机的动力源，负责驱动主螺杆进行挤出操作，其驱动性能和稳定性直接关系到挤塑机的生产能力和产品质量，需要采用高效、稳定的主电机；辅助电机主要用于驱动送料系统、冷却系统和其他辅助设备，合理配置辅助电机能够协同工作，确保挤塑机各个部分协调运行，提高生产效能；控制系统是挤塑机电机驱动的智能化管理中枢，通过监控和调节各个部分的运行状态，保证挤塑机的稳定运行，先进的控制系统具有数据采集、远程监控、自动调节等功能，提高了挤塑机的智能化水平。

二、挤塑机电机驱动系统设计

（一）电机驱动系统特点

挤塑机电机驱动系统的运行始于电机的启动，在启动过程中电机会消耗较大的电流，为了避免电机启动冲击过大，常采用星三角启动或软启动等启动方式，通过逐步提高电机的起动电流，降低起动时的冲击，保护电机和挤塑机的其他零部件。电机成功启动后，进入运转阶段，在运转过程中电机将转动能量传递给挤塑机的主螺杆，从而实现对塑料材料的挤出加工，电机的运转是整个挤塑机工作的基础，其稳定性和高效性直接影响挤塑机的生产效能。螺杆挤出系统是挤塑机的核心部分，其工作原理涉及到螺杆的旋转运动，电机通过传动装置将动力传递给主螺杆，使其发生旋转，主螺杆在旋转的过程中，推动塑料颗粒向前移动；挤塑机机筒内设置了电加热圈或其他加热装置，通过加热将进入机筒的塑料颗粒加热至熔化状态，主螺杆的旋转运动带动熔融塑料向前推进，形成持续挤出的状态。挤塑机电机驱动系统中常采用变频器进行调速，变频器通过改变电源频率，调整电机的转速，其工作原理是通过改变输入电压和频率，控制电机的输出转矩和转速，实现对电机的精确控制[2]。

（二）设计要求

挤塑机电机应选择高效率、低能耗的电机，以提高能源利用效率，高效能的电机不仅能够降低运行成本，还有助于减少对环境的负荷；设计时需要考虑采用有效的传动装置，确保能量传递的效率，优化传动结构，减小传动损耗，提高传动效率，从而提高整个系统的工作效能。设计要求确保挤塑机电机能够安全、平稳地启动和制动，合理启动和制动控制能够减小机械部件的磨损，延长设备寿命，同时保障生产过程的安全性，且需要考虑电机驱动系统的稳定性，确保在各种工况下都能够保持挤塑机的正常运行，通过合理的控制算法，降低系统的波动性，提高整个挤塑机系统的稳定性。设计要求确保挤塑机电机驱动系统具有广泛的转速调节范围，从而适应不同生产工艺和原料的需求，提高生产的灵活性，同时变频调速技术应具备高精度的转速调节能力，确保在生产过程中能够精确控制挤塑机主螺杆的转速，满足对产品质量的要求。

（三）直驱低速永磁电机

直驱低速永磁电机是一种先进的电动机技术，具有高效能、低速高扭矩、结构紧凑等特点。直驱低速永磁电机的工作原理基于电磁学和磁学原理，其核心部分是永磁体，通过在永磁体周围布置线圈，通过电流激发线圈产生磁场，与永磁体的磁场相互作用，产生电磁转矩，由于直驱设计，电机无需传统的减速装置，直接将转矩传递给负载。直驱低速永磁电机采用高性能的永磁材料，如钕铁硼钴磁体，确保电机具有较高的磁通密度和磁能积，提高电机的性能；在永磁体周围布置线圈，通过控制线圈中的电流，产生可控的磁场，与永磁体相互作用，从而产生转矩；直驱低速永磁电机通常采用无刷设计，避免传统刷子与换向器的摩擦和磨损，提高电机的寿命和可靠性。直驱设计是直驱低速永磁电机的显著特点之一，电机不需要传统的机械减速装置，直接将转矩传递给负载，能够降低了传动损耗，提高了系统效率，且与传统电机相比，直驱低速永磁电机在低速工作时能够提供更高的扭矩，使得电机特别适用于需要低速高扭矩的应用，如需要高起动力矩的工业设备，同时由于无需传统的减速装置，直驱低速永磁电机的结构更加紧凑，使得电机在空间利用方面更为灵活，适应性更强[3]。下表为当前常用直驱低速永磁电机的运行参数。

直驱低速永磁电机在挤塑机中的应用，具有高效能力，充分考虑到挤塑机工作的低速高扭矩要求，通过永磁技术实现了电机高效率的设计，高效率的直驱低速永磁电机意味着更低的能源损耗，能够提高挤塑机系统的能源利用效率；直驱低速永磁电机采用直接驱动的方式，避免了传统电机中常见的机械传动系统，如减速齿轮，无齿轮传动损失，减少了机械能转化的损耗，相比之下传统的带有齿轮传动的电机系统会存在更多的传动损耗，因而直驱低速永磁电机在高效能力方面更为优越。挤塑机在启动过程中需要克服一定的惯性和阻力，而直驱低速永磁电机以其独特的设计优势，可以提供更高的起动扭矩，于挤塑机在启动瞬间快速响应、保证生产线的稳定性和可控性具有明显的优势；挤塑机在运行过程中通常需要较低的运行速度，而直驱低速永磁电机在低速区间内能够提供稳定而强劲的扭矩输出，高扭矩性能确保了挤塑机在低速运行时的高效、稳定和可控制性，可以提高生产质量和降低设备维护成本。直驱低速永磁电机具备较高的动态响应性，能够在电机控制系统的精准调控下，实现迅速而精确的速度和扭矩调整，对于挤塑机生产过程中对产品精度和一致性要求较高的情况具有良好作用；挤塑机生产中，对于不同产品的挤出速度、拉伸速度等参数有着严格的要求，直驱低速永磁电机通过先进的电机控制技术，可以实现对电机速度的高精度控制，确保生产过程中产品的尺寸精度和质量一致性。此外，由于直驱低速永磁电机采用直接驱动方式，减少了传统电机系统中的机械传动部件，例如齿轮箱、联轴器等，从而降低系统的故障率，提高挤塑机系统的可靠性；传统电机系统中的机械传动通常需要定期润滑和维护，而直驱低速永磁电机采用无齿轮传动设计，避免了该问题，因为无机械磨损，电机的寿命更长，且无需定期更换润滑油，减少了维护成本[4]。

（四）结构设计

1额定扭矩计算

挤塑机的工作过程中，扭矩需满足挤塑机的负载要求，根据挤塑机的工作条件，通过下式计算额定扭矩：

Trated=Poutput/ωrated

其中，Poutput为挤塑机的输出功率，ωrated为电机的额定转速。

2.最大扭矩计算：

考虑到挤塑机启动和过载情况，需要计算电机的最大扭矩，一般情况下最大扭矩可通过额定扭矩乘以安全系数得出：

Tmax=α·Trated，其中α为安全系数。

3.电机额定转速计算

挤塑机对于速度的要求较为严格，电机的额定转速应根据挤塑机的工作速度来确定：

Ωrated=υprocess/（π·D），其中υprocess为挤塑机的工作速度，D为电机输出轴的直径。

4.电磁负荷计算

在采用永磁电机时，电磁负荷会直接影响电机的温度场分布、体积以及能源利用率等，电磁负荷与电机几何参数的关系公式为：

D2ilLef=6T（α’pKNmKdpABg），其中Dil表示定子内径，Lef表示定子有效长度，T表示转矩，α’p表示极弧系数，KNm表示气隙磁场波形系数，Kdp表示绕组公式。根据该公式可以明确，电机几何参数D2ilLef与电磁负荷之间具有反比关系，与Y之间具有正比关系，所以会使得电机在处于低速度、大转矩工况下时体积较大，为了合理控制电机体积，确保其在合理范围内，则需要提高电机电磁负荷，并采用水冷的冷却方式，将电磁负荷产生的热量进行及时散出。按照上述公式进行计算，将定子电流密度J1范围确定为2—4A/mm2，热负荷AJ1则在1300—1500A2（cm·mm2）范围内，电磁负荷在在0.7—0.85T范围内。

在直驱低速永磁电机的设计中，采用异步电机电子结构的常规方案可以有效降低成本，但是设计可能导致电机计算极弧系数的增大，使得电机运行效率下降，同时过度发热的问题也凸显出来，因此需要在设计中对这些问题进行调整，以达到提高电机性能和效率的目的。可以采用以下两个公式对其进行调整。

b’tl=（t1B1Lef）/（KFeLa）；h’jl=c/（2KFeLa），在上述两个公式中，b’tl表示定子齿轮顶部宽度，t1表示定子齿轮距离，B1表示气隙磁密度，Lef表示电枢计算长度，KFe表示铁芯叠压系数，La表示定子或转子铁芯长度中的较小值，h’jl表示轭部高度，c表示常数。

5.电枢绕组设计

分数槽绕组是指将电机的槽口分割成若干等份，每份槽中只绕入部分线圈，，可以降低电机的谐波含量，减小电机的铁损耗和铜损耗，提高电机的效率，且分数槽绕组的设计可以减小电机的磁场波动，从而降低电机的电磁噪音，在挤塑机等噪音敏感的工作环境中，能够提高设备的工作环境质量；由于分数槽绕组的设计，电机的谐波含量较低，有助于减小电机中谐波损耗，提高电机的运行效率，减轻电机的发热问题。在进行电机设计时，需要根据电机的具体工作要求和性能指标，合理选择分数槽的数目，槽数目的选择直接影响电机的结构和性能，需要综合考虑；利用先进的绕组工艺，如槽针工艺、自动绕线机等，确保分数槽电枢绕组的制造精度和质量，高质量的绕组工艺有助于提高电机的电气性能和机械强度，同时根据挤塑机的具体工作环境，考虑电机在高温、高湿等特殊条件下的工作性能，合理选择电绝缘材料和冷却系统，以确保分数槽电枢绕组的长期稳定运行。下表为电枢绕组的连接顺序。

三、挤塑机电机控制系统设计

（一）控制技术选择

选择适用于挤塑机电机控制的PLC技术，应具备高性能、可靠性强以及易于编程的特点，当前市场上多款PLC产品可供选择，根据挤塑机的工艺和性能要求选择适宜的PLC型号。

（二）PLC硬件设计

挤塑机电机控制系统的主控模块应具备足够的输入输出接口，用于连接传感器、执行器等设备，并能够支持复杂的控制算法；设计合适数量和类型的输入输出模块，用于接入温度传感器、压力传感器、位置传感器等监测设备，以及连接电机驱动器、阀门执行器等执行设备。为实现与上位监控系统的数据交互，配置通信模块，支持常见的通信协议。

（三）传感器与执行器的集成

安装温度传感器监测挤塑机的工作温度，通过PLC实时采集温度数据，以便进行温度控制；配置压力传感器，监测挤塑机的压力状况，PLC根据实时的压力数据进行相应的控制，确保塑料挤压的稳定性；通过安装位置传感器获取挤塑机电机的实时位置信息，PLC根据数据进行闭环控制，实现精准的位置调整；选择适用于挤塑机的电机驱动器，并通过PLC实现对电机的精确控制，包括速度调节和扭矩控制。

（四）控制流程

PLC检测所有传感器和执行器的状态，确保系统处于正常工作状态，进行电机预热和自检，确保各部件工作正常；根据预设的工艺参数，PLC控制电机的启停、转速和扭矩，确保挤塑机按照预定工艺进行工作；实时监测温度、压力和位置数据，通过反馈控制算法对电机进行动态调整，保证挤塑过程的稳定性。当系统检测到异常情况，如温度过高、压力异常等，PLC应立即采取相应的措施，例如停机报警、设定阈值报警等；记录异常事件，方便后续的故障诊断和维护。在挤塑任务完成后，PLC控制电机缓慢停机，避免因急停引起的机械冲击；关闭相关设备，保存工艺参数和生产数据。配置PLC系统以实现数据的实时存储和监控，以便运营人员随时了解挤塑机的运行状态和生产数据，可以通过HMI（人机界面）或者连接至上位监控系统实现远程监控和操作。

结束语

综上所述，本文简要介绍了挤塑机的基本结构，并提出了一种基于直驱低速永磁电机的挤塑机电机驱动设计方案，控制系统采用PLC技术，希望可以对挤塑机设计领域有所帮助，不断提升设计科学性，设计开发出更加高效且稳定挤塑机设备。

参考文献

[1]高源，赵龙，庞浩，等. 基于模糊滑模控制的塑料挤出机温度控制系统设计[J]. 现代制造技术与装备，2021，57（10）：62-65.

[2]邱睿，邱建成. 浅议挤出中空成型机的高效率挤出塑化系统的研制与发展（一）[J]. 塑料包装，2021，31（1）：37-41，62.

[3]徐秀英. 模糊PID控制在塑料挤出机中的应用研究进展[J]. 合成树脂及塑料，2021，38（6）：75-78.

[4]陈文科，刘强，王健雄. 基于专家PID的挤塑机温度控制系统设计[J]. 合成树脂及塑料，2021，38（4）：44-46.