機(jī)電一體化中的電機(jī)控制與保護(hù)研究

【摘要】所謂機(jī)電一體化就是機(jī)械裝置技術(shù)與電子技術(shù)的技術(shù)性融合，共同發(fā)揮各自優(yōu)勢能力以達(dá)成更好的生產(chǎn)效果?，F(xiàn)代社會工業(yè)發(fā)展需要機(jī)電一體化來完成更多的生產(chǎn)行為以滿足需求，因此機(jī)電一體化設(shè)備的電機(jī)控制與保護(hù)就變得格外重要。本文簡要探討了機(jī)電一體化的主要應(yīng)用領(lǐng)域，并在技術(shù)應(yīng)用方面分析了對電機(jī)設(shè)備的控制保護(hù)問題。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化；電機(jī)；控制；保護(hù)；閥門

機(jī)電一體化的最初形態(tài)是機(jī)械裝置技術(shù)，隨后引進(jìn)電子技術(shù)，形成了生產(chǎn)機(jī)構(gòu)上的功能化豐富。它的主功能、動力功能與控制功能被強(qiáng)化，并最新增添了信息處理功能。從系統(tǒng)化的視角來看，機(jī)電一體化就是一種將群體技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)合理配置布局的新技術(shù)。它根據(jù)系統(tǒng)功能優(yōu)化來組織全新的生產(chǎn)操作目標(biāo)，其目的就是為了達(dá)到最理想的生產(chǎn)狀態(tài)。

一、機(jī)電一體化的主要應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)代機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)領(lǐng)域就是自動生產(chǎn)線與數(shù)控機(jī)床。正是有了機(jī)電一體化技術(shù)，數(shù)控技術(shù)的功能操作性、結(jié)構(gòu)精密性與控制精度才開始擁有質(zhì)的飛躍。由于采用了開放式設(shè)計，所以機(jī)電一體化的硬件體系結(jié)構(gòu)可以讓機(jī)械裝置與電子功能模塊接口相互兼容銜接，使得設(shè)備的性能最大化。另外，機(jī)電一體化也能實現(xiàn)多通道、多過程的同步控制，比如說一臺機(jī)床可以同時控制加工多個機(jī)床才能完成的生產(chǎn)任務(wù)。它主要以單板和單片機(jī)作為系統(tǒng)控制機(jī)，并利用芯片和模組來操控主控裝置，幫助系統(tǒng)達(dá)成多級網(wǎng)絡(luò)功能，強(qiáng)化系統(tǒng)組合的可能性與實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)生產(chǎn)加工能力。正是這些技術(shù)的出現(xiàn)才讓我國的工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)技術(shù)在進(jìn)入21世紀(jì)以后擁有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步[1]。

二、機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用中所存在的電機(jī)控制與保護(hù)問題

（一）電機(jī)控制保護(hù)裝置問題

機(jī)電一體化的電機(jī)控制與保護(hù)存在諸多問題，這也是其技術(shù)功能日益復(fù)雜多元化以后所帶來的技術(shù)故障困擾。就比如說在井下電機(jī)控制保護(hù)設(shè)備中，常常會用到的鼠籠式異步電機(jī)其故障率發(fā)生所占比率就非常之高（約總故障比率的68%）。當(dāng)進(jìn)行井下電機(jī)控制時，其目的就是為了保證井下施工的安全。而從技術(shù)角度講，鼠籠式異步電機(jī)的故障發(fā)生就存在于電機(jī)的電磁電熱技術(shù)上，例如沒有充分合理利用熔斷器實現(xiàn)短路保護(hù)、熱繼電器的過載保護(hù)不足等等，這些都是可能影響井下電機(jī)控制出現(xiàn)問題的主要因素。考慮到現(xiàn)如今的設(shè)備自動化操作越來越多，所以當(dāng)機(jī)電設(shè)備的啟動時間、電壓、電流發(fā)生變化時，設(shè)備的損壞率就會受到一定影響，導(dǎo)致它的壽命也隨之被影響。

（二）機(jī)電設(shè)備用電問題

由于自動化用電所造成的機(jī)電設(shè)備短路、電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行問題到目前為止相當(dāng)常見。許多工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在選擇電機(jī)時僅僅只注重電機(jī)本身的運(yùn)行性能及損壞狀況，而往往忽略了電機(jī)在電能方面的損耗，這主要是由于目前依然有許多工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)對生產(chǎn)時電能的損耗不重視，嚴(yán)重忽略電能節(jié)約才造成用電問題的普遍出現(xiàn)[2]。

三、機(jī)電一體化中電機(jī)應(yīng)用的控制與保護(hù)對策

電機(jī)應(yīng)該是機(jī)電一體化設(shè)備中最為重要的組成部分，因為它主要涉及兩方面的執(zhí)行操控功能。第一是驅(qū)動操控部分，第二是控制部分。執(zhí)行操控也叫執(zhí)行驅(qū)動，它主要由位置傳感器、三相伺服電機(jī)等設(shè)備組成。而控制部分則主要包括了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備中所固有的單片機(jī)、輸入通道和變頻器。它們在電機(jī)設(shè)備中共同協(xié)調(diào)發(fā)揮功能作用。

（一）電機(jī)閥位與速度控制研究

上文提到，電機(jī)設(shè)備的控制部分包括了IPM逆變器、單片機(jī)、整流模塊、PWM波發(fā)生器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、輸入輸出通道、故障檢測與報警電路等等。在電機(jī)設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，要將三相輸出電流通過電壓與閥門位置經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后才能正常輸出至單片機(jī)中。此時再經(jīng)過PWM波發(fā)生器控制，使PWM波處于光電耦合作用下并傳輸至逆變模塊IPM中。如上述過程就能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)設(shè)備的閥位控制與一些變頻調(diào)速控制功能。

另外，對電機(jī)設(shè)備的閥位與速度控制還可以采用雙環(huán)控制方案。所謂雙環(huán)即內(nèi)環(huán)與外環(huán)，它們還被稱為速度環(huán)與位置環(huán)。其中速度環(huán)的主要作用是將電機(jī)設(shè)備運(yùn)行速度與給定發(fā)生器的預(yù)設(shè)速度進(jìn)行橫向比較，并通過速度調(diào)節(jié)器的運(yùn)行來改變PWM波發(fā)生器的載波頻率，進(jìn)而實現(xiàn)對電機(jī)實際轉(zhuǎn)速的控制與調(diào)節(jié)作用。而外環(huán)則主要通過對電機(jī)設(shè)備的位置速度設(shè)定，并利用速度為PWM波發(fā)生器提供所需的速度預(yù)設(shè)值?？紤]到電機(jī)設(shè)備中大流量閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài)下會處于減速、勻速和加速三種階段，所以在各個階段的加速度、速度調(diào)節(jié)時間與速度實際給定位置都具備不確定性。如果想精確控制電機(jī)保護(hù)裝置中的閥位與速度，必須將實際閥位與給定閥位進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，才有可能實現(xiàn)電機(jī)設(shè)備的恒定加速和減速，如果有需要，還應(yīng)該對閥位實際值、閥位給定值與閥位速度進(jìn)行計算。

（二）電機(jī)保護(hù)裝置控制

對電機(jī)保護(hù)裝置的控制是出于安全角度考慮的，因為電機(jī)設(shè)備經(jīng)常會出現(xiàn)逆變模塊故障，在此時，變頻器的輸出電流與電壓頻率是不穩(wěn)定的（在0～50Hz之間）。如果采用常規(guī)電壓電流互感器很難達(dá)到電機(jī)控制與保護(hù)要求。因此應(yīng)該啟動電機(jī)控制保護(hù)功能，運(yùn)用它來快速反應(yīng)電機(jī)設(shè)備中電流的大小，例如霍爾型電流互感器就能對IPM輸出三相電流檢測，與此同時，IPM輸出電壓則會通過分壓電路對電機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行檢測，從而達(dá)到對電機(jī)設(shè)備的電壓電流頻率控制目的[3]。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，國內(nèi)外的機(jī)電一體化技術(shù)都在不斷創(chuàng)造技術(shù)突破，已經(jīng)形成了許多先進(jìn)的技術(shù)成果。但如文中所述的各種電機(jī)設(shè)備控制保護(hù)問題也不可回避。目前包括我國在內(nèi)的許多國家已經(jīng)實現(xiàn)了對電機(jī)控制的在線監(jiān)控保護(hù)，它可以根據(jù)裝置的輸出數(shù)據(jù)與信號來在線分析對比，明確電機(jī)設(shè)備所存在的故障類型與故障程度。這一技術(shù)也說明了在未來，機(jī)電一體化技術(shù)的研究與提升依然有較大的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

[1]倫春紅.機(jī)電一體化中的電機(jī)控制和保護(hù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（8）：67-67.

[2]蔡士軍.探究如何做好電機(jī)控制及保護(hù)工作[J].中國科技縱橫，2013（9）：161-161.

[3]王曉輝.淺談機(jī)電一體化應(yīng)用中的電機(jī)控制與保護(hù)[J].機(jī)電信息，2012（12）：179-180.

作者簡介

王容霞（1983.08），女，湖北公安人，廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院教師，碩士研究生，研究方向：電氣自動化和機(jī)電一體化。