机电一体化中的电机控制与保护

郭英杰

平高集团有限公司，河南 平顶山 467000

1 机电一体化概要

1.1 机电一体化概况

机电一体化是指在机构的信息处理功能、控制功能、动力功能、主功能等引进电子技术，将机械装置与电子技术结合起来所构成的系统的总称。机电一体化从上个世纪六七十年代开始，现在已经发展成为一门自成一体的新型学科，随着科学技术的不断发展，必将被赋予新的内容。机电一体化最基本的特征就是从系统的观点出发，综合运用计算机技术、自动控制技术、微电子技术、电力电子技术、信息变换技术、传感测控技术、接口技术、机械技术、信息技术以及软件编程技术等群体技术，以合理配置与布局各功能单元、优化组织结构为目标，依据系统功能目标，在高可靠性、高质量、多功能、低能耗的意义上实现特定的价值，并使整个机电系统最终达到最优化的系统工程技术。在机电一体化系统中，除了前面提到的各种技术，还有一个很重要的方面就是机电一体化产品。后文中将会介绍的DSP就是机电一体化中的一种装置，他依托机电一体化融合的各种技术，对机电一体化中的电机产品起到了保护的控制的作用。因此，机电一体化涵盖“技术”和“产品”两个方面。这里值得一提的是，机电一体化技术不是指微电子技术、机械技术以及其它新技术的简单组合，而是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术。就是因为有这种综合技术作保障，才能使机电装置对整个电机系统起到很好的保护和控制。

1.2 机电一体化的发展状况

机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。第一阶段为初级阶段，可以追溯到上世纪70年代以前。在这一时期，因为受到国外新技术的影响，人们会不自觉地利用这些技术来完善机电产品的性能，并且这些应用也取得了初步成果。尤其在第二次世界大战期间，战争极大地刺激了电子技术与机械产品的结合，这些由机电相结合所产生的技术和产品，战后还可以转为民用，对当地经济复苏起到了积极的作用。从当时研制的产品或者技术可以看出，当时电子技术的发展尚未达到一定水平，并且多数的产品都属于自发状态，因此电子技术与机械技术的结合还不可能广泛和深入得发展，并且由于当时的局限性，已经开发的产品也没有大量的推广使用。

第二阶段可称为蓬勃发展阶段，这时，通信技术、控制技术、计算机技术迅猛发展，大规模、超大规模集成电路和微型计算机的快速进步，为机电一体化的发展奠定了坚实的技术基础和充分的物质基础。

进入20世纪90年代后期，机电一体化大踏步迈向了崭新的阶段，此时机电一体化进入深入发展时期。一方面，机电一体化的学科体系得到了广泛的重视，专家们对机电系统的发展趋势进行了深入研究，并逐渐形成了譬如微机电一体化、光机电一体化等新分支。另一方面，由于光纤技术、神经网络技术及人工智能技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了广阔的天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。

2 机电一体化技术的主要应用领域

目前机电一体化技术应用最广泛的领域即数控机床和自动机与自动生产线这两方面。

数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在功能、操作、结构和控制精度上都有迅速提高，具体表现有：机电一体化采用开放性设计，即硬件体系结构和功能模块为符合接口标准，应具有兼容性、层次性，能最大限度地提高用户的收益；机电一体化能实现多过程、多通道控制，即同一台机床能同时控制或独立加工多种机床的和多台机床的能力；机电一体化的应用最终可以将物料搬运、机械手等控制、刀具破损检测都集成到系统中去；以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置；系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。当前机电一体化技术应用的又一具体体现主要为在国民经济生产和生活中广泛使用的各种自动化设备、自动机械及自动生产线等。如：邮政信函自动分捡处理生产线；各种印刷包装、高速香烟、易拉罐生产线等；这些自动机或生产线中广泛应用了传感技术与现代电子技术。近十年来，我国技术水平迅猛增长，已超过了发达国家的水平。

3 机电一体化中的电机控制与保护

机电一体化中的电机控制与保护主要体现在一些控制保护装置。电机保护控制装置现在成为自动化保护控制系统和节能降耗不可缺少的重要装置，是符合国家产业发展政策、节能效果显著、跨行业、量大面广的节能机电产品，对于以前产品的更新换代是一个很好的实例，在国民经济和节约能源事业中有着不可替代的重要地位和作用。

3.1 电机控制保护装置的不足

目前电机控制保护装置中存在着许多问题，主要体现在一下一些方面。例如对于井下电机控制保护设备，其最薄弱的环节是鼠笼式异步电机，这种电机发生故障的可能性占整个电机设备故障的50%，因此可靠的电机控制保护装置是井下安全生产的一个重要保证。一般的电机控制保护装置都是基于电热原理和电磁原理。用熔断器实现的短路保护和用热继电器实现的过载保护就是电热原理的典型应用。随着高新科技的发展，现代电机的设计制造比以前有所改进，使得电动机输出功率和输出转矩增大，但质量和体积比以前减小了。其次随着自动化水平的提高，电动机工作状态也发生了变化，它的起动、反向和制动将更加频繁，变负荷工作非常普遍，这为满足控制需要提供了很大的威胁。

那么，电机保护控制技术应该朝哪个方向发展呢?各个学者也经过了长久的研究和讨论，指出：首先应该在电机设计时考虑到后期保护与控制的问题，做到从设计，到控制及保护的一体化。其次是提高保护装置的全面化和多样化，增强其处理数据的能力。然后还需要改进监测手段，这点可以在操作过程中进行修改。因为只有数字处理系统可以达到这种检测效果，因此对于电机控制保护装置，数字化是其发展趋势。

3.2 电机保护控制装置发展趋势及前景

电机控制保护装置亟待寻找新的突破。随着电机保护控制理论研究和新技术的发展，通过仿真计算和故障建模，并引入突破量、相位量、谐波份量、阻抗量、序份量等多种对电机故障敏感的检测量进行数据分析，并作相应判断和分析，把这些工作量提前做好的话，不但可以大大提高保护控制装置的精度和灵感度，还可以为以后的理论研究提供依据，为今后的突破性紧张提供依据。新技术的应用与开发（例如在线监测保护控制装置的应用等）也是电机控制保护装置的一个重要方面。利用新的技术产品（例如高频电磁波、位移、振动、红外线、机械、电、热、光、声等）和理论对电机的运行进行实时监测，然后根据各种装置输出的信息通过计算机进行判断，把反射的数据进行分类，通过科学的分析和比对确定故障类型和严重程度，最后再采取相应的补救措施等，这样不仅能实现以上各种电机保护控制功能，更重要的是能在故障之前发出预警，达到提前防止故障发生，防患于未然。

电机控制与保护装置还有一项很重要的发展前景就是积极配套出厂电机保护控制装置，依据国家生产标准，不断提高质量等级，发展适用于我国的特有的电机控制保护装置。在世界上一些发达国家，电机保护控制装置会随着电机配套出厂，这种现象司空见惯，并且早已经成为一个惯例被普及应用，而在我国出口的电机配套保护控制装置多是单个出场，这样不仅在匹配上会出现问题，对生产者的成本也是一个极大的浪费。因此我们应该不断吸取国内外优秀经验，积极推进电机与保护控制装置配套使用。电机与保护装置配套，不仅减少了用户在选择保护控制装置上的麻烦，更重要的是减少了由于电机与保护控制装置不匹配而造成烧毁等损失，这样侧面提高了电机生产厂家的质量信誉和电机的质量等级，同时也给电机出口和国内应用拓宽了市场。电机与保护控制装置联手，不仅可以优势互补，还给各行各业都创造了更为广阔的发展空间和市场前景，对我国电机行业科技创新和技术进步与节约能源事业具有重要意义。

[1]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).

[2]杨荣.我国机电一体化发展趋势研究[J].科技咨询导报，2007(5).

[3]薛玄.机电一体化技术的现状和发展趋势[J].山西焦煤科技，2006(S1).

[4]刘志成，尹项根，张哲，邵德军.并联运行电动机短路故障仿真及保护对策[J].电力自动化设备，2007(4).