机电一体化中的电机控制与保护探讨

机电一体化中的电机控制与保护探讨

发表时间：2018-06-14T09:33:12.700Z 来源：《电力设备》2018年第4期作者：曾琴

[导读] 摘要：随着科学技术的发展，机电一体化已成为一门新型的自成体系学科。

（杭州杭开环境科技股份有限公司浙江杭州 310015）

摘要：随着科学技术的发展，机电一体化已成为一门新型的自成体系学科。机电一体化的主要特点是从系统化的角度出发，为了实现多功能、高质量、高可靠性、低能耗等目标，将群体技术：机械技术、微电子技术、计算机技术、电力电子技术等进行合理的配置和布局，并根据系统功能与优化组织目标加以操作，从而达到理想的目标。机电一体化作为一门新型的综合性技术，并不是新技术之间的简单拼凑与结合，它涵盖了技术和产品两个方面，这也是与其机械电气化之间的根本区别。机电一体化技术已广泛应用于微电机装置，赋予了现代机械设备自动检测、自动调节与控制等，其有效地促进了生产效率的提高。

关键词：机电一体化；组成及工作原理；问题；措施

1、机电一体化中电动机构的组成及工作原理

1.1 电机执行机构的组成

目前较常用的主要是交流电动机，它可分为三相异步电动机、单相交流电动机两，前一种比较多的用在工业上，而后一种通常用在民用电器上。从电机的结构上看，主要分为控制部分和执行驱动部分，控制部分主要由三相PWM波发生器、单片机、智能逆变模块、整流模块、A/D、故障检测、输入输出通道等组成；执行驱动部分主要包括三相伺报电机和位置传感器。

1.2 电机的工作原理

电机驱动系统由电流电压传感器和位置传感器检测，得出逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号，然后由A/D转换后送入单片机。通过控制pwm波发生器的功能，单片机最终实现了电机的运行控制。从整流电路380V电源获得由逆变器模块所需要的直流电压信号。电动机转动的基本工作原理是三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场，转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流，转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。

2、电机的控制与保护装置所存有的问题

2.1电机控制保护装置的使用难以达到需求

在现阶段，所使用的电机控制保护装置还不够发达，尚未达到机电一体化应用中的电机控制与保护的需求。因为所使用的电机控制保护装置多是凭借电热原理和电磁原理，利用热继电器的过载保护功能和熔断器的短路保护而进行的，由于这种零部件本身的不足，导致机电控制与保护还存在缺陷，因此，在机电产品的设计过程中，要将设计、控制与保护融为一体、综合考虑，使电机控制与保护装置实现多样化和全面化。

2.2电机的控制与保护技术

第一，电动机的设计应考虑到后期保护及其控制。无论是设计、控制还是保护，都应该做到一体化。第二，应该提高自身的保护装置具备多样化和全面化的特点，对于数据的处理能力要有一定程度的提升。最后，有必要改进具体的监测手段，在具体操作过程中加以适当改进。只有数字化处理系统才能达到这种检测效果，数字化方式是电机控制保护装置的未来发展趋势。

3、机电一体化应用中电机控制与保护的措施

电机设备是机电一体化体系中重要的组成部分，在进行机电一体化应用模式的推广中，电机设备的主要执行机构由两个主要的部分组装而成。首先是执行驱动部分、其次是控制部分；执行驱动部分主要通过位置传感器、三相伺服电机等相关设备共同组成，而控制部分则是传统的单片机、变频器、输入通道等相关组成设备共同组成。两者相互协调、共同发挥作用。

3.1改善电机控制与保护装置的措施

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备正常运行的情况下，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。

3.2准确检测电流与电压

电流与电压的检测是电机控制与保护装置在机电一体化应用中非常中重要的一项操作。其有利于逆变模块以及电机力矩等故障的正确诊断，然而采用普通的电流与电压传感器是难以实现此目标的，为了能够正确而又迅速地排除故障问题，应该选用IPM输出电压以及霍尔型电流互感器，这样才能更加科学、有效地检测IPM输出三相电流与电压，进而达到最终的目标。

3.3对阀门与速度的控制

在电机控制保护装置的实际应用中，对阀门和速度的控制是不可缺少的。在我国主要采用的是双环控制方案，其中内环是速度环，外环是位置环。速度环的目的是为实现对于电机实际转速的调节与控制而进行的一系列操作，这个目的是通过使用速度调节器，将PWM波发生器的载波频率进行调节而达到的。外环的作用是向内环提供相应的速度设定值，这一过程是根据外环的当前位置速度设定，并使用速度给定发生器来实现的。在机电控制保护装置的阀门与速度控制中，由于大流量阀门执行机构在运行中存在匀速、加速或减速等阶段，而且实际位置与给定位置存在不确定性，从而导致阀门与速度控制存在困难，这就需要在对其调节中，要根据阀门与给定阀门的比较，对速度进行调节。

3.4单片机与位置检测电器

从单片机上实现对电机的控制与保护，主要从两个方面入手，首先单片机通常采用并行接口的方式，来进行控制保护系统的信号处理工作，比如阀门的开启与关闭、接收系统对转矩等，其次，当IPM逆转器发出故障时，可对IPM逆转器发出的故障信号做处理，从这两方面达到对电机的控制欲保护目的。位置检测电路的作用是为操作提供准确、有效的位置信号，传统的电控制保护装置与现今的电机控制保护装置大有不同，传统的电动控制保护装置的执行机构，大部分使用绕线电位器、差动变压器与导电塑料电位器等装置，效果不理想，现今使用位置传感器，其优势在于稳定性高、精度高、无触点、无线性区限制与不受温度限制，效果较为理想。