上海船舶研究設(shè)計(jì)院 潘俊宇

隨著國家科學(xué)技術(shù)水平的日益發(fā)展，機(jī)電一體化科學(xué)技術(shù)的水平將會(huì)得到進(jìn)一步的提升，而發(fā)電機(jī)則作為國家制造業(yè)現(xiàn)代化工程中的關(guān)鍵角色起著非常重要的作用，對(duì)于機(jī)電一體化中的電動(dòng)機(jī)控制與維護(hù)技術(shù)也因此變得特別關(guān)鍵，而電機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)也是目前電器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

1 機(jī)電一體化的發(fā)展?fàn)顩r

在整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)中，除上述各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，另外一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)方面便是生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品。DSP 是機(jī)電一體化中的一個(gè)設(shè)備，可以借助與機(jī)電一體化完全融合的各類高新技術(shù)，對(duì)機(jī)電一體化中的電機(jī)產(chǎn)品發(fā)揮著保護(hù)監(jiān)控的功能。因此。機(jī)電一體化主要包括“科技”和“生產(chǎn)”兩方面。而且值得一提的是，機(jī)電一體科學(xué)技術(shù)并非指微電子科學(xué)技術(shù)、機(jī)器科學(xué)技術(shù)和其他新科學(xué)技術(shù)的單純結(jié)合，而是建立將這些群體科學(xué)技術(shù)有機(jī)融合的一門綜合科學(xué)技術(shù)。也正是由于有了這些綜合科學(xué)技術(shù)為保證，才可以使機(jī)電設(shè)備對(duì)整個(gè)電器控制系統(tǒng)具有很好地保護(hù)與控制能力。機(jī)電一體化的發(fā)展可以分為三個(gè)階段。

第一階段是在20世紀(jì)60時(shí)代之前。這時(shí)的電氣科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展還不能到達(dá)相當(dāng)?shù)乃疁?zhǔn)，機(jī)器科學(xué)技術(shù)和電氣技術(shù)之間的融合也還沒有普遍和深度的進(jìn)展。不過，在這一時(shí)期已經(jīng)開始運(yùn)用電子科學(xué)技術(shù)的初步研究成果，來進(jìn)一步完善機(jī)器生產(chǎn)的性能，為機(jī)電合一的發(fā)展趨勢(shì)奠定了前提。

第二階段則是在20世紀(jì)70～80年間，成為經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展階段。之所以取得了如此快速的進(jìn)展，主要是因?yàn)殡娮佑?jì)算機(jī)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為機(jī)電一體化的蓬勃發(fā)展創(chuàng)造了重要科技物質(zhì)，而大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路以及微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，為機(jī)電一體化的蓬勃發(fā)展創(chuàng)造了充分的科技物質(zhì)。

第三階段則是在20世紀(jì)90年代后期，在這個(gè)時(shí)候機(jī)電一體化科技也開始向高度自動(dòng)化方面發(fā)展，也可以說機(jī)電一體化已經(jīng)進(jìn)入了深入發(fā)展時(shí)期，并且機(jī)電一體化開始逐步形成了完善的技術(shù)基礎(chǔ)，并且也逐步建立了完善的科學(xué)系統(tǒng)[1]。

2 電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)和保護(hù)裝置所存在的問題

對(duì)現(xiàn)階段的電動(dòng)機(jī)的控制與保護(hù)裝置而言，還存在著不少的問題，并不能從根源上進(jìn)行有效途徑的解決，比如：在井下電動(dòng)機(jī)的控制與保護(hù)裝置中，鼠籠式的同步電動(dòng)機(jī)在失效率方面也相對(duì)較多，所占用電動(dòng)機(jī)裝置的整體失效率50%以上。所以，就井下電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)而言，有一套安全可靠的防護(hù)和監(jiān)控設(shè)備是保證井下安全作業(yè)的首要原因所在。

常見的電器防護(hù)和監(jiān)控設(shè)備，在基本原理上都是電氣基本原理和電熱基本原理，比如：使用熔斷器來實(shí)現(xiàn)對(duì)電源短路的防護(hù)，甚至是使用熱繼電器來實(shí)現(xiàn)對(duì)超載電壓的防護(hù)等，而其中所使用的基本原理也都源自于典型的技術(shù)。

隨著工業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的進(jìn)展，發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)上也取得了極大程度的提高，電動(dòng)機(jī)的輸出功率與傳遞扭矩愈來愈大，但是質(zhì)量和容積卻愈來愈??；在智能化的水平上更是進(jìn)一步的完善和提升，由于電動(dòng)機(jī)在工作狀態(tài)方面也同樣有了一些改變，包括在制動(dòng)和起步等方面的工作頻率都比較高，因此其工作負(fù)載在變化上也就成為較為普遍的一個(gè)現(xiàn)象，對(duì)電動(dòng)機(jī)在控制方面也產(chǎn)生了一定意義上的消極影響。

電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控和維護(hù)技術(shù)的重要核心，首先，必須是電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的后期維護(hù)以及管理等問題，無論工程設(shè)計(jì)還是管理、維護(hù)，都必須實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。

其次，必須提高自身的保護(hù)裝置具有個(gè)性化和全面化的特性，對(duì)數(shù)據(jù)的管理能力要有相應(yīng)程度的提高。

最后，還必須完善對(duì)其檢測的具體手段，而這點(diǎn)從具體的操作過程當(dāng)中也可以做出相應(yīng)改變。因此唯有進(jìn)行全數(shù)字的處理系統(tǒng)，才能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的測試效果，而針對(duì)發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)和保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模式也是未來的趨勢(shì)。

3 在機(jī)電一體化中的電器控制和維護(hù)

電器控制系統(tǒng)和維護(hù)針對(duì)的是機(jī)電相關(guān)設(shè)備的控制系統(tǒng)，作為機(jī)電事業(yè)發(fā)展有力的后盾和不可忽視的一部分，它的發(fā)展與使用既是國家現(xiàn)代發(fā)展的必然要求，也是世界各國政府大力提倡和推廣的一種舉措。它節(jié)約能源的優(yōu)勢(shì)，使它在全國經(jīng)濟(jì)各項(xiàng)事業(yè)中均能發(fā)揮重要作用。作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中必須考慮也必須重視的重要環(huán)節(jié)，它的倡導(dǎo)與規(guī)劃必須符合國情與人民需求，它也是我國事業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重大推動(dòng)方面。

3.1 電機(jī)閥位及速度控制

實(shí)現(xiàn)電氣運(yùn)行部門的閥位與轉(zhuǎn)速的控制，系統(tǒng)所必須克服的重要性問題大致有五方面，依次為閥門柔性開關(guān)的限制、閥位的極限位移的確定、電氣保護(hù)的實(shí)施、精確位置和輸出信息的隔離。針對(duì)機(jī)電一體化中電動(dòng)機(jī)閥門位置與轉(zhuǎn)速的限制，微處理器通過所測得的變頻器輸出電壓與電流，并通過運(yùn)算確定輸出扭矩，而一旦輸出扭矩達(dá)到或超過規(guī)定的最大扭矩，那么系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)減小運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。在傳統(tǒng)電器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，對(duì)閥位的極限位移的測量通常是利用機(jī)械式限位開關(guān)獲得的。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限位移通過測量后定位信息的增量獲得，當(dāng)單片機(jī)把這次測量的位移信息和上次測量的信息相對(duì)進(jìn)行比較后，如未發(fā)生或變化較小，則將會(huì)自動(dòng)電機(jī)的供電電源。

發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制與加速度的高低、持續(xù)時(shí)間長度、當(dāng)前方位、速度的給定方式和運(yùn)動(dòng)速率相關(guān)。在機(jī)電一體化中發(fā)電機(jī)系統(tǒng)使用的是雙循環(huán)控制方法，外圈為定位環(huán)、內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)速循環(huán)。外圈是利用當(dāng)前位置轉(zhuǎn)速的設(shè)置，將當(dāng)前轉(zhuǎn)速給定發(fā)生器向內(nèi)環(huán)輸出轉(zhuǎn)速的設(shè)定值。內(nèi)環(huán)則是把當(dāng)前轉(zhuǎn)速和速度給定與發(fā)生器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速加以對(duì)比，再通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器改變PWM 波發(fā)生器載波頻率，以完成發(fā)電機(jī)的速度調(diào)整。

3.2 機(jī)電一體化中電機(jī)的運(yùn)行維護(hù)

機(jī)器制造業(yè)的蓬勃發(fā)展對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行保護(hù)能力不斷提出了新的需求，而現(xiàn)代科技技術(shù)的飛速發(fā)展，也為電動(dòng)機(jī)維護(hù)能力的進(jìn)一步增強(qiáng)創(chuàng)造了新的發(fā)展空間。但是再高級(jí)的技術(shù)也必須通過人的操作，所以進(jìn)行電機(jī)的操作維修，才是實(shí)現(xiàn)電機(jī)的機(jī)電一體化技術(shù)優(yōu)越性發(fā)揮的關(guān)鍵前提。在這里可以把電動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)包括為三方面，一個(gè)是在電動(dòng)機(jī)工作前的準(zhǔn)備、一個(gè)是在電動(dòng)機(jī)工作中的監(jiān)管，還一種是對(duì)電動(dòng)機(jī)的日常維護(hù)。

在電機(jī)起動(dòng)之前必須檢測電源中是否有電，并觀察啟輝器電流是否正常、熔管尺寸是否正確，以檢測傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)荷機(jī)器的轉(zhuǎn)軸、電機(jī)和起動(dòng)電器機(jī)殼上有無接地、負(fù)荷機(jī)器上有無妥善地做好了起動(dòng)準(zhǔn)備。接上開關(guān)電源后，在開機(jī)時(shí)應(yīng)小心檢查發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)設(shè)備、負(fù)荷機(jī)器等的工作狀況，一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即斷開供電。對(duì)電機(jī)工作中的監(jiān)視人員，應(yīng)隨時(shí)關(guān)注電動(dòng)機(jī)的電壓和電流，關(guān)注電機(jī)的震動(dòng)、聲音和氣體，并注重對(duì)傳動(dòng)裝置的檢測，才能盡早發(fā)現(xiàn)問題，從而減輕或防止故障的出現(xiàn)。而對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，除工作過程中注意監(jiān)測與保護(hù)之外，還應(yīng)該進(jìn)行定期檢查。

3.3 電機(jī)保護(hù)控制裝置發(fā)展趨勢(shì)

電機(jī)控制安全保護(hù)工作急需尋求新的重大突破。因此隨著電機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)理論研究與新技術(shù)的進(jìn)展，必須采用模擬運(yùn)算與故障模型，并引進(jìn)了突破矢量、相位量、諧波矢量、電阻量、序矢量等幾種對(duì)電機(jī)故障狀態(tài)最靈敏的測試量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并作出了相關(guān)評(píng)估與分析，將上述工作量提前做好的話，不僅能夠大幅度提高保護(hù)控制系統(tǒng)裝置的準(zhǔn)確度與靈敏程度，還能夠?yàn)榻窈蟮幕A(chǔ)理論研究工作提供重要依據(jù)，并為今后的技術(shù)突破及發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。而新技術(shù)的應(yīng)用和研究（包括現(xiàn)場檢測防護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)用等），就是發(fā)展計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與安全保護(hù)器的一項(xiàng)重點(diǎn)方面。

運(yùn)用最新的科學(xué)技術(shù)產(chǎn)物（包括高頻電磁波信號(hào)、定位、震動(dòng)、紅外線、機(jī)械、電、熱、光、聲等）技術(shù)和理論，對(duì)發(fā)電機(jī)的正常工作狀態(tài)進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，然后再通過對(duì)各種設(shè)備所輸出的信號(hào)利用電子計(jì)算機(jī)做出診斷，并將反射的數(shù)據(jù)加以分析，再經(jīng)過科學(xué)的分類和比對(duì)判斷故障狀態(tài)發(fā)生種類和嚴(yán)重程度，最后再實(shí)施相應(yīng)的補(bǔ)救措施等，這不但可以完成上述各種發(fā)電機(jī)防護(hù)控制系統(tǒng)功能，更關(guān)鍵的還是可以在出現(xiàn)故障狀態(tài)前后產(chǎn)生警示，從而達(dá)到及時(shí)避免出現(xiàn)故障狀態(tài)的產(chǎn)生，防患于未然。

4 電機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)的裝置未來前途及其發(fā)展

就現(xiàn)在來說，電機(jī)的控制系統(tǒng)、保護(hù)裝置都急需尋求一種新的技術(shù)突破。隨著對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)這一重要控制基礎(chǔ)理論的深入研究，以及最新科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，通過運(yùn)用故障模型和仿真計(jì)算，合理地引入了相位分量、突破量、阻抗分量、諧波分量、序分量等多種多樣的電動(dòng)機(jī)故障類型的靈敏度量來完成對(duì)具體數(shù)據(jù)的分類，以及進(jìn)行相關(guān)的評(píng)估以及數(shù)據(jù)分析，將所有這樣的工作量都提前做好，既可以在一定程度維持和提升電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的靈敏度和精度，還能對(duì)以后在理論研發(fā)方面提出相應(yīng)的依據(jù)，對(duì)以后突破性的技術(shù)發(fā)展提出了一些直接的理論基礎(chǔ)。

新技術(shù)的研究和運(yùn)用，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)和維護(hù)設(shè)備而言，更是一項(xiàng)很關(guān)鍵的技術(shù)側(cè)重心。如：實(shí)現(xiàn)監(jiān)控性保護(hù)、監(jiān)控在設(shè)備上的具體應(yīng)用。利用這種高新技術(shù)產(chǎn)品和理論知識(shí)，針對(duì)發(fā)電機(jī)的具體運(yùn)動(dòng)來實(shí)時(shí)檢測，并通過與其不同的設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的傳遞和判斷，將那些從反射而回的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，再運(yùn)用科學(xué)的比較和大數(shù)據(jù)分析來判斷故障的嚴(yán)重程度及其類型，最后再根據(jù)提示信息作出采取相應(yīng)措施的補(bǔ)救。采用這種的方法，不只可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的監(jiān)控和防護(hù)功能貫穿在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，而且對(duì)于發(fā)生故障之前更能夠產(chǎn)生相應(yīng)的警示，進(jìn)而達(dá)到了及早發(fā)現(xiàn)故障，并真正達(dá)到防患于未然的目的。

電動(dòng)機(jī)的保護(hù)和控制設(shè)備也同時(shí)具有相當(dāng)重要的發(fā)展空間，通過積極的配套，生產(chǎn)出廠了一些電動(dòng)機(jī)保護(hù)、控制系統(tǒng)方面的設(shè)備，并按照我國制造的有關(guān)規(guī)范，通過不斷的試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量和等級(jí)的提升，進(jìn)一步發(fā)展適用于一個(gè)國家特色的、關(guān)于機(jī)電一體化之中電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)和保護(hù)方面的設(shè)備，可以在一定程度上推動(dòng)中國電氣事業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

對(duì)一些國家來說，將電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)、維護(hù)設(shè)備等與電動(dòng)機(jī)來配合生產(chǎn)是一個(gè)司空見慣的現(xiàn)狀，而且都是在不斷地被使用著，而在中國卻是逐一制造，這對(duì)制造商而言也是一個(gè)巨大成本的浪費(fèi)。根據(jù)這樣的狀況和實(shí)際發(fā)展需要，必須堅(jiān)持國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的引導(dǎo)，推動(dòng)中國機(jī)電一體化的電源控制系統(tǒng)和環(huán)境保護(hù)的相關(guān)發(fā)展。

由于機(jī)械行業(yè)對(duì)現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，再加上現(xiàn)代電力電子等科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，使得當(dāng)前機(jī)電一體化技術(shù)的廣泛應(yīng)用達(dá)到了良好的成效。但在機(jī)電控制與保護(hù)領(lǐng)域中尚存在的不少問題仍亟需克服。因此，為推動(dòng)中國機(jī)電一體化事業(yè)的發(fā)展，并降低電氣控制系統(tǒng)和保護(hù)故障的出現(xiàn)，要將其中的重大故障問題予以關(guān)注，并進(jìn)一步研究補(bǔ)救措施加以解決。

5 結(jié)語

在機(jī)電一體化科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的大歷史背景下，對(duì)電動(dòng)機(jī)的管理和維護(hù)主要是通過專門的電力電子裝置，其主要目的就是為了保證電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的節(jié)電性、安全性和高效率。但在電動(dòng)機(jī)控制與保護(hù)領(lǐng)域中，因?yàn)槭懿煌萍肌⑷肆?、外部等各種因素的影響與制約，尚存在著許多實(shí)際問題不能克服。所以，在今后的機(jī)電一體化科學(xué)技術(shù)研究和實(shí)踐應(yīng)用中，還需要進(jìn)一步針對(duì)電動(dòng)機(jī)控制與保護(hù)方面的有關(guān)問題展開更廣泛的研究，同時(shí)對(duì)其發(fā)展作出更科學(xué)合理的預(yù)測。