机电一体化中的电机保护与控制技术分析

何继贤

机电一体化中的电机保护与控制技术分析

何继贤

(长沙职业技术学院，湖南 长沙 410000)

近年来，随着我国科技水平的提高，机电一体化技术日趋完善，在全面提升生产效率、机械系统性能和节能属性方面效果显著，逐渐成为机电领域发展的新潮流，也将成为振兴我国机电工业的必然选择。机电一体化系统在运行期间，现场环境与作业条件一般较为复杂，同时受人为操作、设备自身老化、电磁干扰等因素的影响，容易出现运行故障，影响设备运行。以电机保护控制作为切入点，结合工作经验，详细阐述和分析了现代机电一体化项目中常用的电机保护技术和控制技术，旨在帮助企业开拓技术应用思路，为制订科学合理、符合实际生产需要的电机保护和控制方案提供参考，以保证电机的安全稳定运行。

机电一体化；电机；保护技术；控制技术

1　机电一体化中的电机保护技术

1.1　短路保护

短路保护技术是指在系统中安装自动空气断路器或熔断器，当被测参数超过额定阀值后，自动执行保护动作，切断故障电流。自动空气断路器通过检测线路电流的方式实现电路保护，当线路中流通过载电流或是电流值大于瞬时脱扣整定值时，电磁脱扣装置会产生较大吸力，在反力弹簧作用下控制锁口分断主触头，执行切断电源的保护指令。熔断器采取高温条件下熔断熔体来切断电路的方式来实现电路保护，当线路中流通过载电源或是电源短路时，部分电能会转换为热量，使线路与熔断器工作温度上升，当温度超过一定标准后熔体会自动熔断，从而切断电路。

1.2　欠压保护

欠压保护技术是指在系统中安装电磁式或接触式电压继电器，用于在系统运行期间持续监测电源电压值，当实时监测值未达到额定运行范围的下限值时，电压继电器执行断开动合触点与闭合动断触点的保护动作，切断电源，避免电机在欠压状态下运行。一般情况下，将电源电压的额定下限值设定为0.8倍整定值即可，在电压值低于该数值后，会对电机运行状态与结构性能造成明显影响。

1.3　弱磁保护

弱磁保护技术适用于直流电机，通过在电机励磁回路内串入弱磁继电器，对比电机运行期间的实时励磁电流值和装置预设动作值，如果实时数值达到或超过动作值，弱磁继电器将执行吸合、闭合电路中串接常开触头的保护动作，维持电机稳定运行状态。当实时数值未达到动作值时，则弱磁继电器执行释放、断开常开触头、切断控制电路的保护动作，电机在接触器线圈失电情况下处于停机状态，避免电机因磁场强度降低或消失而出现转速异常升高的情况。

1.4　过载保护

过载保护是指在系统中安装热继电器等保护器件，当电机处于过载运行状态或运行时间过长时温度会随之升高，如果工作温度超过额定允许值被热继电器实时检测到，随后执行保护动作，切断电源，避免电动机出现运行故障，缩短使用寿命。

1.5　失压保护

在机电一体化系统运行期间，如果生产现场工作电源出现故障或发生停电，电动机在无人工干预情况下，来电后将会保持自行启动运转的状态，存在安全隐患，不但影响正常的生产计划，严重时还会造成人员伤亡等严重后果。失压保护技术是指在系统中加装接触器与中间继电器，当保护装置检测到电路电压值低于额定下限值或出现工作电源断开情况时，接触器两端线圈的电压下降、磁通减弱，拉动铁芯将释放主触头与分断自锁触头，执行切断电源、锁定起重机、发送报警信号等保护性操作，控制电动机脱离电源停转。当后续停电问题得到解决时，需要工作人员对起重机执行手工复位操作，方可重新启动电机。

1.6　过电流保护

在系统运行期间如果电动机制动电流或是启动电流过大、超出安全电流值，容易导致电机损坏，过电故障与短路故障较为相似，但电机受损程度有所不同。在系统中应用过电流保护技术，需在电机电枢回路或是转子回路当中串入过电流继电器，当装置在电机工作期间检测到流经超过安全电流值的起动/制动电流时，装置KA线圈执行保护动作，主动吸动衔铁、开启常闭触点、释放接触器KM，完成切断电源的保护动作。也可选择加装断路器，由装置电流检波线圈来持续检测流经电流值，当检测到电流值过大时，调节断路器主触点启闭状态来切断过电流[1]。

1.7　智能保护

在机电一体化系统早期的应用中，普遍采取短路、欠压等保护措施，虽然效果较为可靠，但仅限于在被测参数超过额定限值的情况下方可执行保护动作，无法提前预测和规避电机出现故障问题，这是传统电机保护技术的主要局限。为改善电机的保护效果，在采取传统保护措施的同时，需要组合应用智能保护技术，可选择安装ZDB保护器与建立RBF神经网络算法模型。ZDB保护器是一种高性能单片机保护器，具备通信、自动检测与控制等功能，通过R485串行通信接口，可持续接收传感器采集的电机转速、电路电流电压等现场监测信号，通过对比实时监测数据与额定值，当实时监测值超过上限值或低于下限值时，自动执行发送报警信号和切断电路等保护动作，当故障未得到解决时，故障指示灯会处于常亮状态，并在显示器上显示对应的故障码。RBF神经网络算法模型属于前馈反向传播网络，基于函数逼近理论将全部隐藏神经元传递函数组成拟合平面基函数，在随机函数基础上形成多个离子来组成若干组神经元权值与粒子群，搜索均反差指标最小值的最优位置，获取最优连接权值，输出综合诊断结论。简单而言，两种技术的应用都是根据已掌握信息来预测未来一段时间的电机与机电一体化系统运行状态，提前发现可能出现的故障[2]。

2　机电一体化中的电机控制技术

2.1　直流电机控制

目前常用的直流电机控制技术为DSP数字信号处理技术，一般通过在机电一体化系统安装通用型号单片机设备作为控制器，使用C语言或是Fortran等软件编写计算机程序，采取数字形式采集系统运行期间产生的现场信号，对信号执行采集、变换、滤波、估值、识别等操作后，根据控制器运算结果来下达控制指令，控制电机的稳定运行，完成生产任务。

直流电机控制过程可分解为检测电路、控制电路、驱动电路三项步骤，检测电路是指在电路中安装完善的配套设施，通过霍尔传感器等装置持续采集现场监测信号和运行参数，将信号进行预处理后发送至控制器，如检测转子磁极位置，将转子磁极信号转换为换相信号。控制电路是指在系统中编写触发保护机制，安装开关器件，当电路与电机运行期间出现过流、转速过高、局部过压等问题时，自动触发保护程序，控制开关器件执行切断电路、电机停机等保护动作。驱动电路是指根据控制器运算结果来刷新输出电路，控制外接设备执行所下达控制指令。驱动电路功能可通过安装PLC可编程逻辑器来实现，逻辑器根据梯形图扫描结果进行逻辑运算分析，基于运算结果选择性执行特殊功能指令，随后进入输出刷新阶段，按照I/O映像区状态数据来刷新输出锁存电路，驱动外接设备，完成输出操作。

2.2　交流电机控制

(1)矢量控制。由于受到技术水平限制，在早期的交流电机控制方案中往往存在电机难以在整个频率范围内输出额定转矩和加速加减速的问题。为解决以上问题，可选择采取矢量控制的方法来控制交流电机，通过安装VFD变频器，在运行期间持续测量电机定子电流矢量，并及时对变频器输出电压与输出频率进行调整，基于磁场定向原理控制个别电机的转矩与磁场，从而实现高效控制交流电机的目的。以异步电动机矢量控制为例，加装变频器等装置后，可根据电机等效电路来获取磁链方程，如转子磁链、定子磁链等，将气隙磁链与转子定子保持连接状态，使用气隙将转子电流转换为定子电流，随后将部分坐标转换为静置坐标，使用磁链方程单位矢量来获取磁场电流分量以及转矩电流分量，执行解耦控制指令，再进行一次转换后形成三相交流电，控制异步电动机[3]。近年来，矢量控制技术日益完善，随着调节器自整定以及电机磁通量快速控制等新型技术的推广应用，转子磁场方向稳定性、变频器转动矩、电机过载能力均得到明显的提升，可根据电机控制需求选择恰当的矢量控制技术。

(2)转矩控制。转矩控制是一项根据离散化转矩理论提出的直接控制方法，按照电流值来控制电机力矩值，因而也被称作为电流环控制技术，可以将电机运行期间的位置、力矩、转速等参数控制在额定范围内，起到消除滞环比较器脉动干扰、消除定子磁链膜值和转矩差值、保证电机稳定运行的作用。随着转矩控制技术的发展，新型智能技术逐渐与控制技术高度融合，模糊控制技术与鲁棒控制技术应运而生。模糊控制技术是将控制器输入量转换为可识别模糊量后进行推理分析，从而描述系统动态与输出控制指令的一项方法，可以对复杂程度较高的系统动态进行简化处理，达成控制目的。鲁棒控制技术是按照时间域概念来假定工作动态特定与规划变化范围，多用于控制异步交流电机。

(3)PID控制技术。PID控制技术全称为比例积分微分控制技术，是一项对比给定值与实际输出值来形成控制偏差值，采取比例、微分与积分方式对偏差值进行线性组合处理来获取、输出控制量的电机控制方法，也是当前应用中最为常见的控制方法，有着算法简单、可靠性强、鲁棒性好等优点。PID的电机控制流程为：预先分析所选电机工作原理建立数学模型，选取电机电枢电压与电流的传递函数，在输入阶跃信号时，经过处理输出阶跃响应波形，控制电机在一段时间后达到稳定状态。早期PID技术在实际应用期间暴露出算法参数选择困难、控制效果受外界因素影响、存在明显超调现象等问题，因此，需要对常规PID算法进行改进，可采取数字PID控制方法、模糊PID控制方法和自寻优PID控制方法。以自寻优PID控制为例，该方法可凭借算法自学习能力，提前在程序中设定初始值，进行逐次计算迭代操作，获取符合系统运行情况的最佳PID参数，无需工作人员人为不断调整参数，即可自动匹配系统最优性能的目标函数与保存对应参数[4]。

3　结语

随着机电一体化系统的日趋完善，其在全面提升机械生产效率、机械系统稳定性能和技能环保性能等方面的优势愈发明显。机电一体化系统运行的环境与条件一般较为复杂，受人为操作、设备自身老化、电磁干扰等因素的影响，容易出现运行故障，影响设备运行。相关高校、研究机构、生产企业应结市场中主流的电机实际控制需求，加大对电机保护与控制技术的研究力度，开拓技术应用思路，制订和选择科学合理、符合实际生产需要的电机保护和控制方案，以保证电机的安全、稳定运行。

[1] 闫先伟.机电一体化中的电机控制与保护分析[J].科教导刊(电子版)2015,(10):165.

[2] 崔海峰.阐述机电一体化中电机的保护与控制[J].企业技术开发(下旬刊),2015,34(5):93-94.

[3] 王容霞.机电一体化中的电机控制与保护研究[J].科技与企业,2016(7):103.

[4] 于建立,张占福.机电一体化中的电机控制与保护探讨[J].现代工业经济和信息化,2016(11):71-72.

Analysis of motor protection and control technology in mechatronics

HE Jixian

(Changsha Vocational and Technical College, Changsha, Hunan 410000, China)

In recent years, with the improvement of China's scientific and technological level, electromechanical integration technology is becoming more and more perfect. Electromechanical integration is conducive to the overall improvement of production efficiency, mechanical system performance, and energy-saving properties. It is gradually becoming a new trend in the development of the electromechanical field. It will also become an inevitable choice for the revitalization of China's electromechanical industry. However, during the operation of a mechatronics system, the site environment, and operating conditions are generally complex, are affected by human operation, equipment aging, electromagnetic interference, and other factors are often easy to operate failures that affect equipment operation. Therefore, the paper takes motor protection and control as the starting point and combines its own working experience to elaborate and analyze the motor protection technology and control technology commonly used in modern electromechanical integration projects. The purpose is to help enterprises establish a clear idea of developing technology applications, provide a reference for formulating a scientific and reasonable motor protection and control scheme that meets the actual production needs, and ensure the safe and stable operation of the motor.

mechatronics; electric machinery; protection technology; control technology

TM307

A

2096–8736(2022)03–0024–03

何继贤(1975—)，男，湖南长沙人，硕士研究生，主要研究方向为机电一体化。

责任编辑：阳湘晖

英文编辑：唐琦军