淺析機(jī)電一體化中的電機(jī)控制與保護(hù)

概述：典型的機(jī)電一體化設(shè)備的機(jī)械部件、PLC模塊、變頻器模塊、按鈕模塊、電源模塊、模擬生產(chǎn)設(shè)備實(shí)訓(xùn)模塊、接線端子排和各種傳感器、計(jì)算機(jī)等組成。整體結(jié)構(gòu)采用開放式和拆裝式，實(shí)訓(xùn)設(shè)備用于機(jī)械部件組裝，可根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)械部件組裝生產(chǎn)設(shè)備，也可添加機(jī)械部件組裝其他生產(chǎn)設(shè)備，使整個(gè)裝置能夠靈活的按教學(xué)或競賽要求組裝具有生產(chǎn)功能的機(jī)電一體化設(shè)備。模塊采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和抽屜式模塊放置架，互換性強(qiáng)；按具有生產(chǎn)性功能和整合學(xué)習(xí)功能的原則確定模塊內(nèi)容，使教學(xué)或競賽時(shí)可方便的選擇需要的模塊。同時(shí)還要求具有可拓展功能，可以組成更加大型的生產(chǎn)模擬系統(tǒng)，以配合各個(gè)用戶學(xué)校不同層次，不同專業(yè)的教學(xué)及培訓(xùn)要求。
隨著我國電子技術(shù)與微電子技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)也有很大的進(jìn)步，在現(xiàn)代機(jī)電控制中有更多的應(yīng)用，為機(jī)電一體化的發(fā)展帶來很大的促進(jìn)作用。作為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中重要的部分之一，機(jī)電一體化技術(shù)為我國機(jī)械工業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造更多的機(jī)遇。首先介紹了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，接著闡述機(jī)電一體化中電動機(jī)構(gòu)的組成及工作原理，然后探討機(jī)電一體化中電機(jī)閥位及速度控制與機(jī)電一體化中電機(jī)的運(yùn)行維護(hù)。
1、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀：
    1.1機(jī)電一體化的發(fā)展歷程
    機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展有三個(gè)階段，即發(fā)展初級階段、蓬勃發(fā)展階段和智能化發(fā)展階段。最初早在20實(shí)際60年代人們開始利用電子技術(shù)的初步成果來完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。而由于軍事和工業(yè)發(fā)展的需求，當(dāng)時(shí)的人們對于這方面開始重視，由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)水平發(fā)展不夠，技術(shù)結(jié)合與運(yùn)用還沒有得到深入發(fā)展。到上個(gè)世紀(jì)七八十年，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)開始快速的發(fā)展為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。到了90年代后期，機(jī)電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時(shí)期，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支。此外，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)、光纖技術(shù)等領(lǐng)域巨大進(jìn)步，為機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了更好的條件。從數(shù)控機(jī)床的問世到微電子技術(shù)的全新發(fā)展，進(jìn)而可編程序控制器、電力電子等的發(fā)展為機(jī)電一體化提供了堅(jiān)強(qiáng)基礎(chǔ)，最后激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使機(jī)電一體化躍上新臺階。
    1.2機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
    近些年來，機(jī)電一體化技術(shù)有了更全面的進(jìn)步，其中的微電子裝置除可取代某些機(jī)械部件的原有功能外，還能賦予自動顯示記錄、自動處理信息、自動檢測、自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護(hù)等許多新的功能。目前一些電動的實(shí)際運(yùn)行中依然存在著一定的問題，比如執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)多、定位精度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等問題，因而對于這種情況，采用機(jī)電一體化技術(shù)，將伺服電機(jī)、閥門、控制器合為一體，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過內(nèi)置變頻器，實(shí)現(xiàn)閥門的高效控制。
2、機(jī)電一體化中電動機(jī)構(gòu)的組成及工作原理：
    2.1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機(jī)，它可分為三相異步電動機(jī)、單相交流電動機(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、輸入輸出通道等組成；執(zhí)行驅(qū)動部分主要包括三相伺報(bào)電機(jī)和位置傳感器[1]。
    2.2電機(jī)的工作原理
    電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)通過電流與電壓傳感器和位置傳感器的檢測，得出逆變模塊三相輸出電流、電壓及閥門的位置信號，然后由A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。單片機(jī)通過控制PWM波發(fā)生器的作用，最后實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行控制。逆變模塊工作時(shí)所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進(jìn)行全橋整流得到。對于電動機(jī)運(yùn)行原理的分析，這里主要針對工業(yè)中應(yīng)用的三相異步電動機(jī)的原理進(jìn)行探討。電動機(jī)轉(zhuǎn)動的基本工作原理是三相對稱繞組中通人三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)電動勢和電流，轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，從而形成電磁轉(zhuǎn)距，驅(qū)使電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
3、機(jī)電一體化中電機(jī)閥位及速度控制與運(yùn)行維護(hù)：
    3.1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)確定位與模擬信號的隔離。對于機(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，那么就會自動降低運(yùn)行速度。在傳統(tǒng)電機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，閥位的極限位置的檢測是通過機(jī)械式限位開關(guān)獲得的。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限位置通過檢測位置信號的增量獲得，單片機(jī)將本次檢測的位置信號與上次檢測的信號相比較，如果未發(fā)生變化或變化較小，就會自動電機(jī)的供電電源。
    電機(jī)的運(yùn)行控制與加速度的大小、時(shí)間長短、當(dāng)前位置、速度控制給定位置以及運(yùn)行速度有關(guān)。在機(jī)電一體化中電機(jī)采用的是雙環(huán)控制方案，外環(huán)為位置環(huán)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)。外環(huán)是通過當(dāng)前位置速度的設(shè)定將速度給定發(fā)生器向內(nèi)環(huán)提供速度的設(shè)定值。內(nèi)環(huán)是將當(dāng)前速度與速度給定與發(fā)生器的設(shè)定速度進(jìn)行比較，依靠速度調(diào)節(jié)器改變PWM波發(fā)生器載波頻率，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
    3.2機(jī)電一體化中電機(jī)的運(yùn)行維護(hù)
    機(jī)械工業(yè)的飛速發(fā)展對電機(jī)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)展又為電機(jī)的保護(hù)水平的提高提供了新的空間。然而再先進(jìn)的技術(shù)都需要依靠人為的操控，因而對于電機(jī)的運(yùn)行維護(hù)是確保電機(jī)的機(jī)電一體化技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)的重要前提。在這里把電機(jī)的維護(hù)分為三個(gè)方面，一個(gè)是電機(jī)運(yùn)行前的準(zhǔn)備，一個(gè)是電機(jī)運(yùn)行中的監(jiān)管，還一個(gè)是電機(jī)的日常保養(yǎng)。
    在電動機(jī)啟動前需要檢查電源是否有電，觀察啟動器是否正常、熔絲規(guī)格大小是否合適，檢查傳動電動機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載機(jī)械的轉(zhuǎn)軸、電動機(jī)及啟動電器外殼是否接地、負(fù)載機(jī)械是否妥善地作好了啟動準(zhǔn)備。接通電源后，啟動時(shí)應(yīng)注意觀察電動機(jī)、傳動裝置、負(fù)載機(jī)械的工作情況，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即切斷電源。對于電動機(jī)運(yùn)行中的監(jiān)視，要時(shí)刻注意電動機(jī)的電壓與電流，關(guān)注電動機(jī)的振動、響聲和氣味，注意傳動裝置的檢查，以便及早發(fā)現(xiàn)問題，減少或避免故障的發(fā)生。而對于電動機(jī)保護(hù)除了運(yùn)行過程中注意監(jiān)視和維護(hù)外還應(yīng)進(jìn)行定期檢查和保養(yǎng)。
4、結(jié)語：
總而言之，隨著我國科技水平的快速發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)的會得到不斷的提高，而電動機(jī)作為扮演我國工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)中的重要角色，上海茂育公司生產(chǎn)的光機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備，符合各院校的教學(xué)實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)需求，為走上社會的技術(shù)人員起著非常關(guān)鍵的作用。要從電動機(jī)的技術(shù)發(fā)展和運(yùn)行維護(hù)上進(jìn)行探討分析，以從根本上解決目前機(jī)電一體化中電機(jī)的高效問題，同時(shí)也為將后的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。