淺析機電一體化中的電機控制與保護

概述：典型的機電一體化設備的機械部件、PLC模塊、變頻器模塊、按鈕模塊、電源模塊、模擬生產設備實訓模塊、接線端子排和各種傳感器、計算機等組成。整體結構采用開放式和拆裝式，實訓設備用于機械部件組裝，可根據現有的機械部件組裝生產設備，也可添加機械部件組裝其他生產設備，使整個裝置能夠靈活的按教學或競賽要求組裝具有生產功能的機電一體化設備。模塊采用標準結構和抽屜式模塊放置架，互換性強；按具有生產性功能和整合學習功能的原則確定模塊內容，使教學或競賽時可方便的選擇需要的模塊。同時還要求具有可拓展功能，可以組成更加大型的生產模擬系統，以配合各個用戶學校不同層次，不同專業的教學及培訓要求。
隨著我國電子技術與微電子技術的快速發展，機電一體化技術也有很大的進步，在現代機電控制中有更多的應用，為機電一體化的發展帶來很大的促進作用。作為現代工業技術中重要的部分之一，機電一體化技術為我國機械工業的發展創造更多的機遇。首先介紹了機電一體化技術的發展歷程與現狀，接著闡述機電一體化中電動機構的組成及工作原理，然后探討機電一體化中電機閥位及速度控制與機電一體化中電機的運行維護。
1、機電一體化技術的發展歷程與現狀：
    1.1機電一體化的發展歷程
    機電一體化技術的發展有三個階段，即發展初級階段、蓬勃發展階段和智能化發展階段。最初早在20實際60年代人們開始利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能。而由于軍事和工業發展的需求，當時的人們對于這方面開始重視，由于當時電子技術水平發展不夠，技術結合與運用還沒有得到深入發展。到上個世紀七八十年，計算機技術和通信技術開始快速的發展為機電一體化的發展奠定了技術基礎。到了90年代后期，機電一體化進入深入發展時期，出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支。此外，由于神經網絡技術、人工智能技術、光纖技術等領域巨大進步，為機電一體化技術的發展創造了更好的條件。從數控機床的問世到微電子技術的全新發展，進而可編程序控制器、電力電子等的發展為機電一體化提供了堅強基礎，最后激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使機電一體化躍上新臺階。
    1.2機電一體化技術發展現狀
    近些年來，機電一體化技術有了更全面的進步，其中的微電子裝置除可取代某些機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、自動調節與控制自動診斷與保護等許多新的功能。目前一些電動的實際運行中依然存在著一定的問題，比如執行機構機構多、定位精度低、結構復雜、可靠性差等問題，因而對于這種情況，采用機電一體化技術，將伺服電機、閥門、控制器合為一體，采用模糊神經網絡，通過內置變頻器，實現閥門的高效控制。
2、機電一體化中電動機構的組成及工作原理：
    2.1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[1]。
    2.2電機的工作原理
    電機執行機構系統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轉換后送入單片機。單片機通過控制PWM波發生器的作用，最后實現電機的運行控制。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。對于電動機運行原理的分析，這里主要針對工業中應用的三相異步電動機的原理進行探討。電動機轉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生圓形旋轉磁場，轉子導體切割旋轉磁場感應電動勢和電流，轉子載流導體在磁場中受到電磁力的作用，從而形成電磁轉距，驅使電動機轉子轉動。
3、機電一體化中電機閥位及速度控制與運行維護：
    3.1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。在傳統電機的執行機構中，閥位的極限位置的檢測是通過機械式限位開關獲得的。電動執行機構極限位置通過檢測位置信號的增量獲得，單片機將本次檢測的位置信號與上次檢測的信號相比較，如果未發生變化或變化較小，就會自動電機的供電電源。
    電機的運行控制與加速度的大小、時間長短、當前位置、速度控制給定位置以及運行速度有關。在機電一體化中電機采用的是雙環控制方案，外環為位置環，內環為速度環。外環是通過當前位置速度的設定將速度給定發生器向內環提供速度的設定值。內環是將當前速度與速度給定與發生器的設定速度進行比較，依靠速度調節器改變PWM波發生器載波頻率，以實現電機的轉速調節。
    3.2機電一體化中電機的運行維護
    機械工業的飛速發展對電機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電機的保護水平的提高提供了新的空間。然而再先進的技術都需要依靠人為的操控，因而對于電機的運行維護是確保電機的機電一體化技術優勢表現的重要前提。在這里把電機的維護分為三個方面，一個是電機運行前的準備，一個是電機運行中的監管，還一個是電機的日常保養。
    在電動機啟動前需要檢查電源是否有電，觀察啟動器是否正常、熔絲規格大小是否合適，檢查傳動電動機轉子和負載機械的轉軸、電動機及啟動電器外殼是否接地、負載機械是否妥善地作好了啟動準備。接通電源后，啟動時應注意觀察電動機、傳動裝置、負載機械的工作情況，如果發現異常應立即切斷電源。對于電動機運行中的監視，要時刻注意電動機的電壓與電流，關注電動機的振動、響聲和氣味，注意傳動裝置的檢查，以便及早發現問題，減少或避免故障的發生。而對于電動機保護除了運行過程中注意監視和維護外還應進行定期檢查和保養。
4、結語：
總而言之，隨著我國科技水平的快速發展，機電一體化技術的會得到不斷的提高，而電動機作為扮演我國工業現代化建設中的重要角色，上海茂育公司生產的光機電一體化實訓設備，符合各院校的教學實訓實驗需求，為走上社會的技術人員起著非常關鍵的作用。要從電動機的技術發展和運行維護上進行探討分析，以從根本上解決目前機電一體化中電機的高效問題，同時也為將后的進一步發展奠定基礎。