淺談機(jī)電一體化中的電機(jī)控制與保護(hù)

陸靜靜

【摘 要】近幾十年來隨著電子技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的生活中都有其廣泛的應(yīng)用，特別是在機(jī)電一體化中，更需要電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，本文中依據(jù)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展前景，從電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理入手，分析電機(jī)的控制與保護(hù)，及繼電器的保護(hù)現(xiàn)狀與發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化；繼電器保護(hù)；電動(dòng)機(jī)

機(jī)電一體化是機(jī)械、微電子、控制、計(jì)算機(jī)、信息處理等多學(xué)科的交叉融合，其發(fā)展和進(jìn)步有賴于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，其主要發(fā)展方向有數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。

一、電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成

目前較常用的主要是交流電動(dòng)機(jī)，它可分為三相異步電動(dòng)機(jī)、單相交流電動(dòng)機(jī)兩，前一種比較多的用在工業(yè)上，而后一種通常用在民用電器上。從電機(jī)的結(jié)構(gòu)上看，主要分為控制部分和執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分，控制部分主要由三相PWM波發(fā)生器、單片機(jī)、智能逆變模塊、整流模塊、A/D、故障檢測(cè)、輸入輸出通道等組成；執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分主要包括三相伺報(bào)電機(jī)和位置傳感器。

二、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理

霍爾電流、電壓傳感器及位置傳感器檢測(cè)到的逆變模塊三相輸出電流、電壓及閥門的位置信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。單片機(jī)通過8255控制PWM波發(fā)生器，產(chǎn)生的PWM波經(jīng)光電耦合作用于逆變模塊IPM，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速以及閥位控制。逆變模塊工作時(shí)所需要的直流電壓信號(hào)由整流電路對(duì)380V電源進(jìn)行全橋整流得到。

三、電機(jī)中控制系統(tǒng)各功能元件選型

1.電機(jī)閥位及速度控制

實(shí)現(xiàn)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥位和速度的控制需要解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題主要有五個(gè)方面，分別是閥門柔性開關(guān)的控制、閥位的極限位置的判斷、電機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)、準(zhǔn)確定位與模擬信號(hào)的隔離。對(duì)于機(jī)電一體化中電機(jī)閥門位和速度的控制，微處理器根據(jù)測(cè)得的變頻器輸出電壓和電流，通過計(jì)算得出輸出力矩，如果輸出力矩達(dá)到或大于設(shè)定的力矩，那么就會(huì)自動(dòng)降低運(yùn)行速度。

2..單片機(jī)

選用INTEL公司生產(chǎn)的8031單片機(jī)，它主要通過并行8255口擔(dān)負(fù)控制系統(tǒng)的信號(hào)處理：接收系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩、閥門開啟、關(guān)閉及閥門開度等設(shè)定信號(hào)，并提供三相PWM波發(fā)生器所需要的控制信號(hào)；處理IPM發(fā)出的故障信號(hào)和報(bào)警信號(hào)；處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測(cè)信號(hào)；提供顯示電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)信號(hào)；執(zhí)行控制系統(tǒng)來的控制信號(hào)，向控制系統(tǒng)反饋信號(hào)；

3.智能逆變模塊IPM

為了滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積小，可靠性高的要求，電機(jī)電源采用智能功率模塊IPM。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要適用功率小于5.5kW的三相異步電機(jī)，其額定電壓為380V，功率因數(shù)為0.75。經(jīng)計(jì)算可知，選用日本產(chǎn)的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統(tǒng)要求。該功率模塊集功率開關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路、制動(dòng)電路于一體，并內(nèi)置過電流、短路、欠電壓和過熱保護(hù)以及報(bào)警輸出，是一種高性能的功率開關(guān)器件。

4.位置檢測(cè)電路

位置檢測(cè)電路是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要組成部分，它的功能是提供準(zhǔn)確的位置信號(hào)。關(guān)鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中多采用繞線電位器、差動(dòng)變壓器、導(dǎo)電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動(dòng)變壓器由于線性區(qū)太短和溫度特性不理想而受到限制。導(dǎo)電塑料電位器目前較為流行，但它是有觸點(diǎn)的，壽命也不可能很長(zhǎng)，精度也不高。筆者采用的位置傳感器為脈沖數(shù)字式傳感器，這種傳感器是無觸點(diǎn)的，且具有精度高、無線性區(qū)限制、穩(wěn)定性高、無溫度限制等特點(diǎn)。

5.液晶顯示單元

為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能，選用MGLS12832液晶顯示模塊組成顯示電路。采用組態(tài)顯示方式。通過菜單選擇，可分別對(duì)閥門、力矩、限位、電機(jī)、通訊和參數(shù)等信號(hào)進(jìn)行設(shè)置或調(diào)試。

6.電機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

為了防止電機(jī)因過熱而燒毀，單片機(jī)通過溫度傳感器連續(xù)檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行溫度，如果溫度傳感器檢測(cè)到電機(jī)溫度過高，自動(dòng)切斷供電電源。溫度傳感器內(nèi)置于電機(jī)內(nèi)部。

7.準(zhǔn)確定位

傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在異步電機(jī)通電后會(huì)很快達(dá)到其額定動(dòng)作速度，當(dāng)接近停止位置時(shí)，電機(jī)斷電后，由于機(jī)械慣性，其閥門不可能立即停下來，會(huì)出現(xiàn)不同程度的超程，這一超程通常采用控制電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)來校正。機(jī)電一體化的大流量電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)當(dāng)前位置與給定位置的差值以及運(yùn)行速度的大小超前確定減速點(diǎn)的位置及減速段變化速率ki，使閥門在較低的速度下實(shí)現(xiàn)精確的微調(diào)和定位，從而將超程降到最低。

四、機(jī)電一體化中繼電器保護(hù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

機(jī)械工業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)繼電器運(yùn)行維護(hù)不斷提出新的要求，而現(xiàn)代科技技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電器的保護(hù)水平的提高提供了新的空間。繼電保護(hù)技術(shù)未來趨勢(shì)是向計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。

在機(jī)電一體化控制中，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)集微機(jī)技術(shù)和執(zhí)行器技術(shù)于一體，是一種新型的終端控制單元，其電機(jī)是通過內(nèi)部集成的一體化變頻器來控制，因此，同一臺(tái)智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以在一定范圍內(nèi)具有不同的運(yùn)行速度和關(guān)斷力矩。該智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了液晶顯示技術(shù)，它利用內(nèi)置的液晶顯示板，不僅可以顯示閥門的開、關(guān)狀態(tài)和正常運(yùn)行時(shí)閥門的開度，還可以通過菜單選擇運(yùn)行參數(shù)設(shè)定，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能顯示出故障信息?？傊搱?zhí)行機(jī)構(gòu)集測(cè)量、決斷、執(zhí)行3種功能于一體，順應(yīng)了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，它的研制成功給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究開發(fā)提供了新的思路。建國(guó)以來，我國(guó)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了4個(gè)時(shí)代。隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的進(jìn)步，繼電保護(hù)技術(shù)面臨著進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)為：計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化和人工智能化，這對(duì)繼電保護(hù)工作者提出了艱巨的任務(wù)，也開辟了活動(dòng)的廣闊天地。發(fā)展機(jī)電一體化，開發(fā)和生產(chǎn)有關(guān)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。機(jī)電一體化產(chǎn)品功能強(qiáng)、性能好、質(zhì)量高、成本低，且具有柔性，可根據(jù)市場(chǎng)需要和用戶反映時(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程做必要的調(diào)整、改革，而無須改換設(shè)備。同時(shí)，可為傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)注入新鮮血液，帶來新的活力把機(jī)械生產(chǎn)從繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)。

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（作者單位：佳木斯師范學(xué)校）