机电一体化中的电机控制与保护研究
来源：UC论文网2016-06-28 10:47
摘要：
本文简要探讨了机电一体化的主要应用领域，并在技术应用方面分析了对电机设备的控制保护问题。
机电一体化的最初形态是机械装置技术，随后引进电子技术，形成了生产机构上的功能化丰富。它的主功能、动力功能与控制功能被强化，并最新增添了信息处理功能。从系统化的视角来看，机电一体化就是一种将群体技术、微电子技术、电力电子技术与机械技术合理配置布局的新技术。它根据系统功能优化来组织全新的生产操作目标，其目的就是为了达到最理想的生产状态。
一、机电一体化的主要应用领域
当代机电一体化技术应用最为广泛的技术领域就是自动生产线与数控机床。正是有了机电一体化技术，数控技术的功能操作性、结构精密性与控制精度才开始拥有质的飞跃。由于采用了开放式设计,所以机电一体化的硬件体系结构可以让机械装置与电子功能模块接口相互兼容衔接，使得设备的性能最大化。另外，机电一体化也能实现多通道、多过程的同步控制，比如说一台机床可以同时控制加工多个机床才能完成的生产任务。它主要以单板和单片机作为系统控制机，并利用芯片和模组来操控主控装置，帮助系统达成多级网络功能，强化系统组合的可能性与实现复杂系统生产加工能力。正是这些技术的出现才让我国的工业生产与科学技术在进入21世纪以后拥有了突飞猛进的进步。
二、机电一体化技术应用中所存在的电机控制与保护问腰
(一)电机控制保护装置问题
机电一体化的电机控制与保护存在诸多问题，这也是其技术功能日益复杂多元化以后所带来的技术故障困扰。就比如说在井下电机控制保护设备中，常常会用到的鼠笼式异步电机其故障率发生所占比率就非常之髙（约总故障比率的68%)。当进行井下电机控制时,其目的就是为了保证井下施工的安全。而从技术角度讲，鼠笼式异步电机的故障发生就存在于电机的电磁电热技术上，例如没有充分合理利用培断器实现短路保护、热继电器的过载保护不足等等，这些都是可能影响井下电机控制出现问题的主要因素。考虑到现如今的设备自动化操作越来越多，所以当机电设备的启动时间、电压、电流发生变化时，设备的损坏率就会受到一定影响，导致它的寿命也随之被影响。
(二）机电设备用电问题
由于自动化用电所造成的机电设备短路、电机超负荷运行问题到目前为止相当常见。许多工业生产企业在选择电机时仅仅只注重电机本身的运行性能及损坏状况，而往往忽略了电机在电能方面的损耗，这主要是由于目前依然有许多工业生产企业对生产时电能的损耗不重视，严重忽略电能节约才造成用电问题的普遍出现气
三、机电一体化中电机应用的控制与保护对策
电机应该是机电一体化设备中最为重要的组成部分，因为它主要涉及两方面的执行操控功能。第一是驱动操控部分，第二是控制部分。执行操控也叫执行驱动，它主要由位置传感器、三相伺服电机等设备组成。而控制部分则主要包括了传统机械设备中所固有的单片机、输入通道和变频器。它们在电机设备中共同协调发挥功能作用。
(一)电机阀位与速度控制研究
上文提到，电机设备的控制部分包括了IPM逆变器、单片机、整流模块、PWM波发生器、A/D和D/A转换模块、输入输出通道、故障检测与报警电路等等。在电机设备处于正常运行状态下,要将三相输出电流通过电压与阀门位置经A/D转换后才能正常输出至单片机中。此时再经过PWM波发生器控制，使PWM波处于光电耦合作用下并传输至逆变模块IPM中。如上述过程就能够实现电机设备的阀位控制与一些变频调速控制功能。
另外，对电机设备的阀位与速度控制还可以采用双环控制方案。所谓双环即内环与外环,它们还被称为速度环与位置环。其中速度环的主要作用是将电机设备运行速度与给定发生器的预设速度进行横向比较，并通过速度调节器的运行来改变PWM波发生器的载波频率，进而实现对电机实际转速的控制与调节作用。而外环则主要通过对电机设备的位置速度设定，并利用速度为PWM波发生器提供所需的速度预设值。考虑到电机设备中大流量阀的执行机构在运行状态下会处于减速、匀速和加速三种阶段，所以在各个阶段的加速度、速度调节时间与速度实际给定位置都具备不确定性。如果想精确控制电机保护装置中的阀位与速度，必须将实际阀位与给定阀位进行横向对比，才有可能实现电机设备的恒定加速和减速，如果有需要，还应该对阀位实际值、阀位给定值与阀位速度进行计算。
(二）电机保护装置控制
对电机保护装置的控制是出于安全角度考虑的，因为电机设备经常会出现逆变模块故障，在此时,变频器的输出电流与电压频率是不稳定的（在(T50HZ之间）。如果采用常规电压电流互感器很难达到电机控制与保护要求。因此应该启动电机控制保护功能，运用它来快速反应电机设备中电流的大小，例如霍尔型电流互感器就能对IPM输出三相电流检测，与此同时，IPM输出电压则会通过分压电路对电机保护装置进行检测，从而达到对电机设备的电压电流频率控制目的01。
进入21世纪以后，国内外的机电一体化技术都在不断创造技术突破，已经形成了许多先进的技术成果。但如文中所述的各种电机设备控制保护问题也不可回避。目前包括我国在内的许多国家已经实现了对电机控制的在线监控保护,它可以根据装置的输出数据与信号来在线分析对比，明确电机设备所存在的故障类型与故障程度。这一技术也说明了在未来，机电一体化技术的研究与提升依然有较大的发展空间。
王容霞
(广州南洋理工职业学院)
