论文部分内容阅读
[摘 要]文章论述了机电一体化应用中电机控制与保护存在的问题与解决措施，供业内人士参考。
[关键词]机电一体化 电机 控制 保护
中图分类号：TH-39 文献标识码：TH 文章编号：1009―914X（2013）22―0338―01
从专业技术的角度进行分析，机电一体化中主要涵盖了技术和产品两个方面，并且是一种新型的综合技术，而不仅仅是现代机械技术、微电子技术及其他新技术的简单拼凑与组合，这也是其与机械电气化之间的根本区别。
1 机电一体化应用中电机控制与保护存在的问题
在机电一体化的实际应用中，电机控制与保护主要是依靠一些专业的控制保护装置，其具有节能降耗、自动化控制与保护的基本功能，符合我国的机电产业发展策略，而且有利于提高机电设备的运行效率与节能效果。目前，在我国机电一体化技术的发展中，电机控制保护装置的研发与应用尚存在许多问题未解决，例如：在井下机电设备的应用，电机控制与保护中鼠笼式异步电机是最为薄弱的环节，由此而引发的电机运行故障约占整个机电设备故障的50%以上，所以，在井下机电设备的电机控制与保护中，研发性能更为可靠的电机控制保护装置是十分重要的。另外，现阶段使用的电机控制保护装置多是基于电热原理与电磁原理，利用熔断器的短路保护及热继电器的过载保护功能，难以完全符合机电一体化应用中的电机控制与保护需求。因此，在电机产品的设计过程中，必须对其后期的控制与保护问题进行综合考虑，做到设计、控制与保护的一体化。同时，还要注重提高控制保护装置的多样化与全面化，以改善其监测手段与处理数据能力，从而实现电机控制与保护的数字化、电子化、智能化。
2 机电一体化应用中电机控制与保护的措施
在机电一体化应用中，电机设备的执行机构主要分为：控制部分与执行驱动部分，其中控制部分主要是由单片机、IPM 逆变器、PWM 泼发生器、整流模块、A/D 与D/A 转换模块、输入通道、输出通道、故障检测与报警电路等组成；执行驱动部分则主要是由三相伺服电机、位置传感器等组成。在电机设備正常运行的情况下，霍尔电流、位置传感器、电压传感器等将逆变模块的三相输出电流、电压与阀门的位置信号等经过A/D 转换后，传输至单片机，通PWM 波发生器的控制，产生的PWM 波在光电耦合的作用下，传输至逆变模块IPM，从而实现对于电机设备的变频调速与阀位控制。
3.1 控制保护系统中各功能元件的选型与设计
3.1.1 单片机
一般是通过并行接口的方式，负担整个控制保护系统的信号处理要求，例如：接受系统对转矩、阀门开启与关闭、阀门开度等信号的设定与处理，并且提供三相PWM 波发生器运行中所需要的各类控制信号。同时，单片机还要具有处理IPM 逆变器所发出的故障信号、报警信号等功能，通过模拟电压、电流与位置等特定检测信号的输入、输出，从而实现对于电机的控制与保护。
3.1.2 PWM 发生器
为了进一步提升智能功率模块的功能需求，必须强化PWM 波控制信号的接收与处理能力，从而保证微处理器可以有足够的时间进行电机设备整体运行状态的检测、保护与控制。目前，国内在机电一体化技术的应用中，通常是选用较为先进的三相PWM 发生器，其必须具有大规模集成电路的特性和相对独立的标准微处理器接口，芯片内部则包含了频率、波形、幅值等智能化、自动化控制信息，这对于电机的控制与保护是必不可少的。
3.1.3 智能逆变模块IPM
在机电一体化应用中，电机控制与保护常用的智能逆变模块IPM 必须同时满足执行机构体积小及可靠性较高的实际要求。例如：如果电机设备的电源采用智能功率模块IPM，其执行机构一般适用于功率小于5.5 kW 的三相异步电机，功率因数为0.75，额定电压为380 V，此类功率模块集合了功率开关、驱动电路与制动电路的功能，并且在内部装置了短路、过电流、欠电压、过热保护、报警输出等控制保护功能，从而构成一种性能较为理想的功率开关装置。
3.1.4 位置检测电器
位置检测电路是电机控制保护装置执行机构的关键组成部分，其主要功能是为相关操控提供真实、准确、有效的位置信号。在位置检测电路的设计中，位置传感器的选型是必须重视的技术问题之一。在传统的电动控制保护装置的执行机构中，一般是采用差动变压器、绕线电位器与导电塑料电位器等装置，但是其实际保护与控制效果不理想。目前，国内常用位置传感器以脉冲数字式传感器为代表，以具有无触点、精度高、稳定性高、无线性区限制与无温度限制等技术优势，从而起到了理想的电机控制与保护功能。
3.1.5 电机控制保护装置
在电机控制保护装置的应用，对于电压、电流的准确检测是电机力矩、断相保护、变频器输出回路短路、逆变模块故障诊断的基本要求。一般情况下，变频器输出电流与电压的频率为0～50 Hz，而采用常规的电流与电压互感器很难满足电机控制与保护的要求，所以，为了保证电机控制保护功能可以快速反映出其运行电流的大小，多是采用霍尔型电流互感器进行IPM 输出三相电流的检测，IPM 输出电压则是采用分压电路进行检测。
3.2 阀位与速度控制
在电机控制保护装置的实际应用中，阀位与速度控制也是重要的功能之一。目前，国内主要是采用双环控制方案，其中内环、外环分别为速度环、位置环。速度环的主要作用将当前的运行速度与给定发生器的设定速度进行比较，通过速度调节器的运行，改变PWM 波发生器的载波频率，从而实现对于电机实际转速的调节与控制；外环则主要是指根据当前的位置速度设定，利用速度给定发生器向内环提供相应的速度设定值。由于在大流量阀执行机构的运行过程中，存在匀速、加速与减速等阶段，而且各个阶段之间的加速度大小、调节时间长短，以及实际位置与给定位置的不确定性，所以，在电机控制保护装置的阀位与速度控制中，应通过实际阀位与给定阀位的比较，实现电机设备的恒定加速度加速，减速点则要根据当前阀位给定值、阀位值、速度的实际大小进行计算。
4 结语
近年来，国内外在机电一体化技术的应用中已经取得了较多的成果，但是在电机的控制与保护中尚有许多问题没有解决。随着现代电力电子技术的高速发展，以及电机控制保护理论与技术研究的不断深入，在新型电机的控制保护装置中应用了先进的仿真计算与故障建模技术，并且引入了相位量、序分量、突破量、阻抗量、谐波分量等多种电机运行故障数据的监测与分析，在进行智能化的判断后，对于电机的运行状态进行自动化的调节。另外，随着现代计算机与网络技术在机电行业的广泛应用，利用高频电磁波、振动、机械、位移、红外线、热、电、光、声等原理，实现了电机控制保护装置的在线监测，根据装置输出的各种数据与信号，通过在线分析与比对，可以及时确定电机设备故障类型与严重程度，并且采取相应的补救措施。
参考文献
[1]殷际英.光机电一体化实用技术[M].北京：化学工业出版社，2003
[2]芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004
[3]王涛.论机电一体化与我国的经济发展[J].中国经贸导刊，2010（15）
[关键词]机电一体化 电机 控制 保护
中图分类号：TH-39 文献标识码：TH 文章编号：1009―914X（2013）22―0338―01
从专业技术的角度进行分析，机电一体化中主要涵盖了技术和产品两个方面，并且是一种新型的综合技术，而不仅仅是现代机械技术、微电子技术及其他新技术的简单拼凑与组合，这也是其与机械电气化之间的根本区别。
1 机电一体化应用中电机控制与保护存在的问题
在机电一体化的实际应用中，电机控制与保护主要是依靠一些专业的控制保护装置，其具有节能降耗、自动化控制与保护的基本功能，符合我国的机电产业发展策略，而且有利于提高机电设备的运行效率与节能效果。目前，在我国机电一体化技术的发展中，电机控制保护装置的研发与应用尚存在许多问题未解决，例如：在井下机电设备的应用，电机控制与保护中鼠笼式异步电机是最为薄弱的环节，由此而引发的电机运行故障约占整个机电设备故障的50%以上，所以，在井下机电设备的电机控制与保护中，研发性能更为可靠的电机控制保护装置是十分重要的。另外，现阶段使用的电机控制保护装置多是基于电热原理与电磁原理，利用熔断器的短路保护及热继电器的过载保护功能，难以完全符合机电一体化应用中的电机控制与保护需求。因此，在电机产品的设计过程中，必须对其后期的控制与保护问题进行综合考虑，做到设计、控制与保护的一体化。同时，还要注重提高控制保护装置的多样化与全面化，以改善其监测手段与处理数据能力，从而实现电机控制与保护的数字化、电子化、智能化。
2 机电一体化应用中电机控制与保护的措施
在机电一体化应用中，电机设备的执行机构主要分为：控制部分与执行驱动部分，其中控制部分主要是由单片机、IPM 逆变器、PWM 泼发生器、整流模块、A/D 与D/A 转换模块、输入通道、输出通道、故障检测与报警电路等组成；执行驱动部分则主要是由三相伺服电机、位置传感器等组成。在电机设備正常运行的情况下，霍尔电流、位置传感器、电压传感器等将逆变模块的三相输出电流、电压与阀门的位置信号等经过A/D 转换后，传输至单片机，通PWM 波发生器的控制，产生的PWM 波在光电耦合的作用下，传输至逆变模块IPM，从而实现对于电机设备的变频调速与阀位控制。
3.1 控制保护系统中各功能元件的选型与设计
3.1.1 单片机
一般是通过并行接口的方式，负担整个控制保护系统的信号处理要求，例如：接受系统对转矩、阀门开启与关闭、阀门开度等信号的设定与处理，并且提供三相PWM 波发生器运行中所需要的各类控制信号。同时，单片机还要具有处理IPM 逆变器所发出的故障信号、报警信号等功能，通过模拟电压、电流与位置等特定检测信号的输入、输出，从而实现对于电机的控制与保护。
3.1.2 PWM 发生器
为了进一步提升智能功率模块的功能需求，必须强化PWM 波控制信号的接收与处理能力，从而保证微处理器可以有足够的时间进行电机设备整体运行状态的检测、保护与控制。目前，国内在机电一体化技术的应用中，通常是选用较为先进的三相PWM 发生器，其必须具有大规模集成电路的特性和相对独立的标准微处理器接口，芯片内部则包含了频率、波形、幅值等智能化、自动化控制信息，这对于电机的控制与保护是必不可少的。
3.1.3 智能逆变模块IPM
在机电一体化应用中，电机控制与保护常用的智能逆变模块IPM 必须同时满足执行机构体积小及可靠性较高的实际要求。例如：如果电机设备的电源采用智能功率模块IPM，其执行机构一般适用于功率小于5.5 kW 的三相异步电机，功率因数为0.75，额定电压为380 V，此类功率模块集合了功率开关、驱动电路与制动电路的功能，并且在内部装置了短路、过电流、欠电压、过热保护、报警输出等控制保护功能，从而构成一种性能较为理想的功率开关装置。
3.1.4 位置检测电器
位置检测电路是电机控制保护装置执行机构的关键组成部分，其主要功能是为相关操控提供真实、准确、有效的位置信号。在位置检测电路的设计中，位置传感器的选型是必须重视的技术问题之一。在传统的电动控制保护装置的执行机构中，一般是采用差动变压器、绕线电位器与导电塑料电位器等装置，但是其实际保护与控制效果不理想。目前，国内常用位置传感器以脉冲数字式传感器为代表，以具有无触点、精度高、稳定性高、无线性区限制与无温度限制等技术优势，从而起到了理想的电机控制与保护功能。
3.1.5 电机控制保护装置
在电机控制保护装置的应用，对于电压、电流的准确检测是电机力矩、断相保护、变频器输出回路短路、逆变模块故障诊断的基本要求。一般情况下，变频器输出电流与电压的频率为0～50 Hz，而采用常规的电流与电压互感器很难满足电机控制与保护的要求，所以，为了保证电机控制保护功能可以快速反映出其运行电流的大小，多是采用霍尔型电流互感器进行IPM 输出三相电流的检测，IPM 输出电压则是采用分压电路进行检测。
3.2 阀位与速度控制
在电机控制保护装置的实际应用中，阀位与速度控制也是重要的功能之一。目前，国内主要是采用双环控制方案，其中内环、外环分别为速度环、位置环。速度环的主要作用将当前的运行速度与给定发生器的设定速度进行比较，通过速度调节器的运行，改变PWM 波发生器的载波频率，从而实现对于电机实际转速的调节与控制；外环则主要是指根据当前的位置速度设定，利用速度给定发生器向内环提供相应的速度设定值。由于在大流量阀执行机构的运行过程中，存在匀速、加速与减速等阶段，而且各个阶段之间的加速度大小、调节时间长短，以及实际位置与给定位置的不确定性，所以，在电机控制保护装置的阀位与速度控制中，应通过实际阀位与给定阀位的比较，实现电机设备的恒定加速度加速，减速点则要根据当前阀位给定值、阀位值、速度的实际大小进行计算。
4 结语
近年来，国内外在机电一体化技术的应用中已经取得了较多的成果，但是在电机的控制与保护中尚有许多问题没有解决。随着现代电力电子技术的高速发展，以及电机控制保护理论与技术研究的不断深入，在新型电机的控制保护装置中应用了先进的仿真计算与故障建模技术，并且引入了相位量、序分量、突破量、阻抗量、谐波分量等多种电机运行故障数据的监测与分析，在进行智能化的判断后，对于电机的运行状态进行自动化的调节。另外，随着现代计算机与网络技术在机电行业的广泛应用，利用高频电磁波、振动、机械、位移、红外线、热、电、光、声等原理，实现了电机控制保护装置的在线监测，根据装置输出的各种数据与信号，通过在线分析与比对，可以及时确定电机设备故障类型与严重程度，并且采取相应的补救措施。
参考文献
[1]殷际英.光机电一体化实用技术[M].北京：化学工业出版社，2003
[2]芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004
[3]王涛.论机电一体化与我国的经济发展[J].中国经贸导刊，2010（15）