淺談機電一體化中的電機控制與保護

陸靜靜

【摘 要】近幾十年來隨著電子技術及現代控制理論的發展，電動機在工農業生產及人們的生活中都有其廣泛的應用，特別是在機電一體化中，更需要電動機的應用，本文中依據機電一體化技術的發展前景，從電機的結構與工作原理入手，分析電機的控制與保護，及繼電器的保護現狀與發展。

【關鍵詞】機電一體化；繼電器保護；電動機

機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發展和進步有賴于相關技術的進步與發展，其主要發展方向有數字化、智能化、模塊化、網絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。

一、電機執行機構的組成

目前較常用的主要是交流電動機，它可分為三相異步電動機、單相交流電動機兩，前一種比較多的用在工業上，而后一種通常用在民用電器上。從電機的結構上看，主要分為控制部分和執行驅動部分，控制部分主要由三相PWM波發生器、單片機、智能逆變模塊、整流模塊、A/D、故障檢測、輸入輸出通道等組成；執行驅動部分主要包括三相伺報電機和位置傳感器。

二、電動執行機構的工作原理

霍爾電流、電壓傳感器及位置傳感器檢測到的逆變模塊三相輸出電流、電壓及閥門的位置信號，經A/D轉換后送入單片機。單片機通過8255控制PWM波發生器，產生的PWM波經光電耦合作用于逆變模塊IPM，實現電機的變頻調速以及閥位控制。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進行全橋整流得到。

三、電機中控制系統各功能元件選型

1.電機閥位及速度控制

實現電機執行機構的閥位和速度的控制需要解決的關鍵性技術問題主要有五個方面，分別是閥門柔性開關的控制、閥位的極限位置的判斷、電機保護的實現、準確定位與模擬信號的隔離。對于機電一體化中電機閥門位和速度的控制，微處理器根據測得的變頻器輸出電壓和電流，通過計算得出輸出力矩，如果輸出力矩達到或大于設定的力矩，那么就會自動降低運行速度。

2..單片機

選用INTEL公司生產的8031單片機，它主要通過并行8255口擔負控制系統的信號處理：接收系統對轉矩、閥門開啟、關閉及閥門開度等設定信號，并提供三相PWM波發生器所需要的控制信號；處理IPM發出的故障信號和報警信號；處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測信號；提供顯示電動執行機構的工作狀態信號；執行控制系統來的控制信號，向控制系統反饋信號；

3.智能逆變模塊IPM

為了滿足執行機構體積小，可靠性高的要求，電機電源采用智能功率模塊IPM。該執行機構主要適用功率小于5.5kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率因數為0.75。經計算可知，選用日本產的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統要求。該功率模塊集功率開關和驅動電路、制動電路于一體，并內置過電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警輸出，是一種高性能的功率開關器件。

4.位置檢測電路

位置檢測電路是執行機構的重要組成部分，它的功能是提供準確的位置信號。關鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統的電動執行機構中多采用繞線電位器、差動變壓器、導電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變壓器由于線性區太短和溫度特性不理想而受到限制。導電塑料電位器目前較為流行，但它是有觸點的，壽命也不可能很長，精度也不高。筆者采用的位置傳感器為脈沖數字式傳感器，這種傳感器是無觸點的，且具有精度高、無線性區限制、穩定性高、無溫度限制等特點。

5.液晶顯示單元

為了實現人機對話功能，選用MGLS12832液晶顯示模塊組成顯示電路。采用組態顯示方式。通過菜單選擇，可分別對閥門、力矩、限位、電機、通訊和參數等信號進行設置或調試。

6.電機保護的實現

為了防止電機因過熱而燒毀，單片機通過溫度傳感器連續檢測電機的實際運行溫度，如果溫度傳感器檢測到電機溫度過高，自動切斷供電電源。溫度傳感器內置于電機內部。

7.準確定位

傳統的電動執行機構在異步電機通電后會很快達到其額定動作速度，當接近停止位置時，電機斷電后，由于機械慣性，其閥門不可能立即停下來，會出現不同程度的超程，這一超程通常采用控制電機反向轉動來校正。機電一體化的大流量電動執行機構根據當前位置與給定位置的差值以及運行速度的大小超前確定減速點的位置及減速段變化速率ki，使閥門在較低的速度下實現精確的微調和定位，從而將超程降到最低。

四、機電一體化中繼電器保護的現狀與發展

機械工業的飛速發展對繼電器運行維護不斷提出新的要求，而現代科技技術的飛速發展又為繼電器的保護水平的提高提供了新的空間。繼電保護技術未來趨勢是向計算機化，網絡化，智能化，保護、控制、測量和數據通信一體化發展。

在機電一體化控制中，該執行機構集微機技術和執行器技術于一體，是一種新型的終端控制單元，其電機是通過內部集成的一體化變頻器來控制，因此，同一臺智能執行機構可以在一定范圍內具有不同的運行速度和關斷力矩。該智能執行機構采用了液晶顯示技術，它利用內置的液晶顯示板，不僅可以顯示閥門的開、關狀態和正常運行時閥門的開度，還可以通過菜單選擇運行參數設定，當系統出現故障時，能顯示出故障信息?？傊?，該執行機構集測量、決斷、執行3種功能于一體，順應了電動執行機構的發展趨勢，它的研制成功給電動執行機構的研究開發提供了新的思路。建國以來，我國電力系統繼電保護技術經歷了4個時代。隨著電力系統的高速發展和計算機技術、通信技術的進步，繼電保護技術面臨著進一步發展的趨勢。國內外繼電保護技術發展的趨勢為：計算機化，網絡化，保護、控制、測量、數據通信一體化和人工智能化，這對繼電保護工作者提出了艱巨的任務，也開辟了活動的廣闊天地。發展機電一體化，開發和生產有關的機電一體化產品。機電一體化產品功能強、性能好、質量高、成本低，且具有柔性，可根據市場需要和用戶反映時產品結構和生產過程做必要的調整、改革，而無須改換設備。同時，可為傳統的機械工業注入新鮮血液，帶來新的活力把機械生產從繁重的體力勞動中解脫出來，實現文明生產。

參考文獻：

[1] 陳玉紅.一種簡單實用的線性光隔離放大器[J].漳州師范學院學報（自然科學版），1999（4）.

[2] 楊自厚. 人工智能技術及其在鋼鐵工業中的應用[J].冶金自動化，1994（5）

[3] 唐懷斌. 工業控制的進展與趨勢 [J].自動化與儀器儀表，1996（4）

（作者單位：佳木斯師范學校）