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摘要：机电一体化作为一门新型的学科，其将各种自动控制技术、电力电子技术以及接口技术和机械技术等群体技术集于一体，使得系统工程技术高质、低耗、多用及可靠的特定价值得以实现。文章主要阐述了机电一体化的发展及应用概况，从而针对机电一体化系统中电机的控制与保护中存在问题进行了分析，并提出了改善措施。
关键词：机电一体化电机控制问题 措施
中图分类号：TP271+.4 文献标识码：A 文章编号：
在机电一体化技术不断创新与发展的背景下，电机的控制与保护主要是依靠专业的电力电子装置，其主要目的是保障电机运转的节能性、安全性与高效性。但是在电机控制与保护中，由于受到各种技术、人为、外界因素的影响和限制，尚存在很多现实问题没有解决。因此，对于电机控制与保护的相关问题进行深入的探讨具有重要的意义。
1 机电一体化的发展
20世纪70 年代，是机电一体化初始研究探索的时期，此阶段研究者通过尝试各种科学试验来提高机电器械的运作效率和质量。但由于尚处于技术发展的初级阶段，性能和质量并不是特别完善，而适合产业发展的外在环境条件尚不充分，因此其进一步发展受到局限。后来网络通信技术和控制、传播技术的推广带来微型计算机和集成电路等技术的使用等成为了电子技术和机械技术相融合的前提性条件甚至决定性条件，对促进机电一体化事业功不可没。90年代以后，机电一体化的发展出现新的进程，有已下两点：1）学术界同仁始进一步关注机电一体化进程的研究，由此扩展出新的相关学科和研究重点，如出现了光机电一体化以及微机电一体化等等；2）神经网络技术、光纤技术等新的研究对象兴起后为机电一体化技术的推广传播提供了技术等方面的支持。
2 机电一体化技术的优势及应用
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。如：邮政信函自动分捡处理生产线。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：1）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；2）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；3）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；4）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；5）加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。
3 机电一体化应用中电机控制与保护
电机控制与保护针对的是机电相关设施的维护和保养。它是机电事业强大的后盾和不能忽略的组成部分，它的开发使用是时代发展的需要也是各国政府大力提倡和推进的一项措施。它的节省能耗的优点使其在各个领域都能发挥作用，并成为经济发展必须考虑必须重视的重要环节，对它的倡导和规划符合国情和民生需要，也是我国事业国际化的一项推进因素。
3.1电机控制与保护中存在的问题
目前，在我国机电一体化技术的发展中，电机控制保护装置的研发与应用尚存在许多问题未解决，例如：在井下机电设备的应用，电机控制与保护中鼠笼式异步电机是最为薄弱的环节，由此而引发的电机运行故障约占整个机电设备故障的50%以上，所以，在井下机电设备的电机控制与保护中，研发性能更为可靠的电机控制保护装置是十分重要的。另外，现阶段使用的电机控制保护装置多是基于电热原理与电磁原理，利用熔断器的短路保护及热继电器的过载保护功能，难以完全符合机电一体化应用中的电机控制与保护需求。因此，在电机产品的设计过程中，必须对其后期的控制与保护问题进行综合考虑，做到设计、控制与保护的一体化。同时，还要注重提高控制保护装置的多样化与全面化，以改善其监测手段与处理数据能力，从而实现电机控制与保护的数字化与智能化。
3.2 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。
3.2.1 控制保护系统中各功能元件的选型与设计
（1） 单片机。一般是通过并行接口的方式，负担整个控制保护系统的信号处理要求，例如：接受系统对转矩、阀门开启与关闭、阀门开度等信号的设定与处理，并且提供三相PWM波发生器运行中所需要的各类控制信号。同时，单片机还要具有处理IPM逆变器所发出的故障信号、报警信号等功能，通过模拟电压、电流与位置等特定检测信号的输入、输出，从而实现对于电机的控制与保护。
（2）PWM 发生器。为了进一步提升智能功率模块的功能需求，必须强化PWM 波控制信号的接收与处理能力，从而保证微处理器可以有足够的时间进行电机设备整体运行状态的检测、保护与控制。目前，国内在机电一体化技术的应用中，通常是选用较为先进的三相PWM发生器，其必须具有大规模集成电路的特性和相对独立的标准微处理器接口，芯片内部则包含了频率、波形、幅值等智能化、自动化控制信息，这对于电机的控制与保护是必不可少的。
（3）智能逆变模块IPM。在机电一体化应用中，电机控制与保护常用的智能逆变模块IPM必须同时满足执行机构体积小及可靠性较高的实际要求。例如：如果电机设备的电源采用智能功率模块IPM，其执行机构一般适用于功率小于5.5kW的三相异步电机，功率因数为0.75，额定电压为380V，此类功率模块集合了功率开关。驱动电路与制动电路的功能，并且在内部装置了短路、过电流、欠电压、过热保护、报警输出等控制保护功能，从而构成一种性能较为理想的功率开关装置。
（4）位置检测电器。位置检测电路是电机控制保护装置执行机构的关键组成部分，其主要功能是为相关操控提供真实、准确、有效的位置信号。在位置检测电路的设计中，位置传感器的选型是必须重视的技术问题之一。在传统的电动控制保护装置的执行机构中，一般是采用差动变压器 绕线电位器与导电塑料电位器等装置，但是其实际保护与控制效果不理想。目前，国内常用位置传感器以脉冲数字式传感器为代表，以具有无触点、精度高、稳定性高、无线性区限制与无温度限制等技术优势，从而起到了理想的电机控制与保护功能。
（5）电机控制保护装置。在电机控制保护装置的应用，对于电压 电流的准确检测是电机力矩、断相保护、变频器输出回路短路 逆变模块故障诊断的基本要求。一般情况下，变频器输出电流与电压的频率为0~50Hz，而采用常规的电流与电压互感器很难满足电机控制与保护的要求，所以，为了保证电机控制保护功能可以快速反映出其运行电流的大小，多是采用霍尔型电流互感器进行IPM 输出三相电流的检测。
3.2.2 阀位与速度控制
在电机控制保护装置的实际应用中，阀位与速度控制也是重要的功能之一 目前，国内主要是采用双环控制方案，其中内环、外环分别为速度环、位置环。速度环的主要作用将当前的运行速度与给定发生器的设定速度进行比较，通过速度调节器的运行，改变PWM波发生器的载波频率，从而实现对于电机实际转速的调节与控制；外环则主要是指根据当前的位置速度设定，利用速度给定发生器向内环提供相应的速度设定值。由于在大流量阀执行机构的运行过程中，存在匀速 加速与减速等阶段，而且各个阶段之间的加速度大小 调节时间长短，以及实际位置与给定位置的不确定性，所以，在电机控制保護装置的阀位与速度控制中，应通过实际阀位与给定阀位的比较，实现电机设备的恒定加速度加速，减速点则要根据当前阀位给定值、阀位值、速度的实际大小进行计算。
4 结束语
总之，在我国机电一体化技术的应用中已经取得了较多的成果，但是在电机的控制与保护中尚有许多问题没有解决。随着现代电力电子技术的高速发展，以及电机控制保护理论与技术研究的不断深入，在新型电机的控制保护装置中应用了先进的仿真计算与故障建模技术，对电机的运行状态进行自动化的调节，解决了电机设备故障类型与严重程度，实现自动化技术的优势及发展策略。
参考文献
[1]芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004
[2]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).
[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）
关键词：机电一体化电机控制问题 措施
中图分类号：TP271+.4 文献标识码：A 文章编号：
在机电一体化技术不断创新与发展的背景下，电机的控制与保护主要是依靠专业的电力电子装置，其主要目的是保障电机运转的节能性、安全性与高效性。但是在电机控制与保护中，由于受到各种技术、人为、外界因素的影响和限制，尚存在很多现实问题没有解决。因此，对于电机控制与保护的相关问题进行深入的探讨具有重要的意义。
1 机电一体化的发展
20世纪70 年代，是机电一体化初始研究探索的时期，此阶段研究者通过尝试各种科学试验来提高机电器械的运作效率和质量。但由于尚处于技术发展的初级阶段，性能和质量并不是特别完善，而适合产业发展的外在环境条件尚不充分，因此其进一步发展受到局限。后来网络通信技术和控制、传播技术的推广带来微型计算机和集成电路等技术的使用等成为了电子技术和机械技术相融合的前提性条件甚至决定性条件，对促进机电一体化事业功不可没。90年代以后，机电一体化的发展出现新的进程，有已下两点：1）学术界同仁始进一步关注机电一体化进程的研究，由此扩展出新的相关学科和研究重点，如出现了光机电一体化以及微机电一体化等等；2）神经网络技术、光纤技术等新的研究对象兴起后为机电一体化技术的推广传播提供了技术等方面的支持。
2 机电一体化技术的优势及应用
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。如：邮政信函自动分捡处理生产线。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：1）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；2）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；3）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；4）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；5）加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。
3 机电一体化应用中电机控制与保护
电机控制与保护针对的是机电相关设施的维护和保养。它是机电事业强大的后盾和不能忽略的组成部分，它的开发使用是时代发展的需要也是各国政府大力提倡和推进的一项措施。它的节省能耗的优点使其在各个领域都能发挥作用，并成为经济发展必须考虑必须重视的重要环节，对它的倡导和规划符合国情和民生需要，也是我国事业国际化的一项推进因素。
3.1电机控制与保护中存在的问题
目前，在我国机电一体化技术的发展中，电机控制保护装置的研发与应用尚存在许多问题未解决，例如：在井下机电设备的应用，电机控制与保护中鼠笼式异步电机是最为薄弱的环节，由此而引发的电机运行故障约占整个机电设备故障的50%以上，所以，在井下机电设备的电机控制与保护中，研发性能更为可靠的电机控制保护装置是十分重要的。另外，现阶段使用的电机控制保护装置多是基于电热原理与电磁原理，利用熔断器的短路保护及热继电器的过载保护功能，难以完全符合机电一体化应用中的电机控制与保护需求。因此，在电机产品的设计过程中，必须对其后期的控制与保护问题进行综合考虑，做到设计、控制与保护的一体化。同时，还要注重提高控制保护装置的多样化与全面化，以改善其监测手段与处理数据能力，从而实现电机控制与保护的数字化与智能化。
3.2 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。
3.2.1 控制保护系统中各功能元件的选型与设计
（1） 单片机。一般是通过并行接口的方式，负担整个控制保护系统的信号处理要求，例如：接受系统对转矩、阀门开启与关闭、阀门开度等信号的设定与处理，并且提供三相PWM波发生器运行中所需要的各类控制信号。同时，单片机还要具有处理IPM逆变器所发出的故障信号、报警信号等功能，通过模拟电压、电流与位置等特定检测信号的输入、输出，从而实现对于电机的控制与保护。
（2）PWM 发生器。为了进一步提升智能功率模块的功能需求，必须强化PWM 波控制信号的接收与处理能力，从而保证微处理器可以有足够的时间进行电机设备整体运行状态的检测、保护与控制。目前，国内在机电一体化技术的应用中，通常是选用较为先进的三相PWM发生器，其必须具有大规模集成电路的特性和相对独立的标准微处理器接口，芯片内部则包含了频率、波形、幅值等智能化、自动化控制信息，这对于电机的控制与保护是必不可少的。
（3）智能逆变模块IPM。在机电一体化应用中，电机控制与保护常用的智能逆变模块IPM必须同时满足执行机构体积小及可靠性较高的实际要求。例如：如果电机设备的电源采用智能功率模块IPM，其执行机构一般适用于功率小于5.5kW的三相异步电机，功率因数为0.75，额定电压为380V，此类功率模块集合了功率开关。驱动电路与制动电路的功能，并且在内部装置了短路、过电流、欠电压、过热保护、报警输出等控制保护功能，从而构成一种性能较为理想的功率开关装置。
（4）位置检测电器。位置检测电路是电机控制保护装置执行机构的关键组成部分，其主要功能是为相关操控提供真实、准确、有效的位置信号。在位置检测电路的设计中，位置传感器的选型是必须重视的技术问题之一。在传统的电动控制保护装置的执行机构中，一般是采用差动变压器 绕线电位器与导电塑料电位器等装置，但是其实际保护与控制效果不理想。目前，国内常用位置传感器以脉冲数字式传感器为代表，以具有无触点、精度高、稳定性高、无线性区限制与无温度限制等技术优势，从而起到了理想的电机控制与保护功能。
（5）电机控制保护装置。在电机控制保护装置的应用，对于电压 电流的准确检测是电机力矩、断相保护、变频器输出回路短路 逆变模块故障诊断的基本要求。一般情况下，变频器输出电流与电压的频率为0~50Hz，而采用常规的电流与电压互感器很难满足电机控制与保护的要求，所以，为了保证电机控制保护功能可以快速反映出其运行电流的大小，多是采用霍尔型电流互感器进行IPM 输出三相电流的检测。
3.2.2 阀位与速度控制
在电机控制保护装置的实际应用中，阀位与速度控制也是重要的功能之一 目前，国内主要是采用双环控制方案，其中内环、外环分别为速度环、位置环。速度环的主要作用将当前的运行速度与给定发生器的设定速度进行比较，通过速度调节器的运行，改变PWM波发生器的载波频率，从而实现对于电机实际转速的调节与控制；外环则主要是指根据当前的位置速度设定，利用速度给定发生器向内环提供相应的速度设定值。由于在大流量阀执行机构的运行过程中，存在匀速 加速与减速等阶段，而且各个阶段之间的加速度大小 调节时间长短，以及实际位置与给定位置的不确定性，所以，在电机控制保護装置的阀位与速度控制中，应通过实际阀位与给定阀位的比较，实现电机设备的恒定加速度加速，减速点则要根据当前阀位给定值、阀位值、速度的实际大小进行计算。
4 结束语
总之，在我国机电一体化技术的应用中已经取得了较多的成果，但是在电机的控制与保护中尚有许多问题没有解决。随着现代电力电子技术的高速发展，以及电机控制保护理论与技术研究的不断深入，在新型电机的控制保护装置中应用了先进的仿真计算与故障建模技术，对电机的运行状态进行自动化的调节，解决了电机设备故障类型与严重程度，实现自动化技术的优势及发展策略。
参考文献
[1]芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004
[2]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).
[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）