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電子機械與電氣傳動(dòng)論文
一、我們正處在電子機械的時(shí)代
縱觀(guān)機械產(chǎn)品的發(fā)展史，可以區分為四個(gè)明顯的過(guò)程。最早的機械是以機器的機構、結構為主體，加上執行機構和能源組成。能源主要是人力、畜力、水力、風(fēng)力等。這是原始的機械時(shí)代。后來(lái)發(fā)展到了用蒸汽作能源，以熱力機械作為執行機構，這是人類(lèi)發(fā)展史上的一大進(jìn)步，機械產(chǎn)品的生產(chǎn)效率也躍上一個(gè)新臺階。建筑在熱力學(xué)基礎上的這一代機械產(chǎn)品可以稱(chēng)之為熱力機械。當發(fā)明了發(fā)電機和電動(dòng)機之后，電取代了蒸汽成了主要的能源，而執行機構則是以電動(dòng)機為主體的電氣傳動(dòng)機構，電氣傳動(dòng)這門(mén)技術(shù)開(kāi)始與機械結上了不解之緣。這又是一個(gè)劃時(shí)代的技術(shù)革命。這個(gè)時(shí)代的機械主要以電工技術(shù)為支掙，包括復雜機械的控制、操作也大都是以基于黽磁學(xué)原理的各種電器來(lái)實(shí)現的，成為電氣機械的時(shí)代?這個(gè)時(shí)代的機械，已經(jīng)實(shí)現了機、電的結合,不過(guò)這種結合,主要是從外部以獨立分體的方式進(jìn)行，機與電之間的界限比較分明。第三次世界技術(shù)革命的浪潮把以電子技術(shù)為核心的電力電子器件、電子計算機、傳感器、控制器、微電子芯片等導入機械系統，構成了以電子計算機等微電子軟、硬件產(chǎn)品為神經(jīng)中樞、傳感器為耳目、電動(dòng)機為手足、機械本體為軀干、電力電子換能器等為生命源泉的新一代智能化的機械產(chǎn)品。這類(lèi)機械在原來(lái)機、電結合的*礎上，融入了各類(lèi)電子產(chǎn)品。電子技術(shù)、特別是電子計算機技術(shù)、以其強大的滲透力融入機械的各個(gè)要素中，形成緊密的、有機的結合，強弱電、硬軟件、機與電混然成一體，所以大家都習慣稱(chēng)這類(lèi)產(chǎn)品為機電一體化產(chǎn)品。
關(guān)于機電一體化這個(gè)詞，國內專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)從不同的側面作過(guò)許多注釋?zhuān)两裆袥](méi)有一個(gè)統一的定義。而且相當一部分人認為，機電一體化這個(gè)詞并未能很貼切地表達tb這一代機械的主要特征，有時(shí)還會(huì )使人產(chǎn)生某些誤解，因為電氣機械時(shí)代.也已經(jīng)是機與電的結合了。這一代產(chǎn)品的主要特征是微電子技術(shù)的融入與滲透，應該突出的是其電子為主導的內涵。因此，把這最新一代的機械產(chǎn)品稱(chēng)之為電子機械，可能更合適些。日本人分別用機械學(xué)（mechanics)和電子學(xué)（elec?tronics)兩個(gè)英文字的前半部與后半部結合創(chuàng )造了一個(gè)“mechatronics”的新詞來(lái)描述這一代機械的特征，是很有新意的。把這個(gè)詞翻譯成為“電子機械學(xué)”也比較符合造字者的原意，因為mechanics和electronics兩個(gè)字的最特征部分都在字首，而mechatronics保留了機械學(xué)一詞的字首而用了電子學(xué)一詞的字尾，其含意也應是重點(diǎn)落在“機械”上。按中國語(yǔ)法，“電子機械學(xué)”恰好是把重點(diǎn)落在“機械”一詞上，比較貼切。如果把它翻譯成“機電一體化”，就把“電子”這一最根本的含意弄得反而含混不清了。
機械產(chǎn)品經(jīng)歷了原始機械時(shí)代、熱力機械時(shí)代、電氣機械時(shí)代'發(fā)展到今天已經(jīng)進(jìn)入了電子機械的新時(shí)代了。
二、電子機械與電氣傳動(dòng)
一個(gè)電子機械產(chǎn)品，可以用圖1中所示的五個(gè)要素及其相互作用來(lái)表達。
能源主要是電力及其變流、變壓、變頻等電力電子裝置，部分為液壓、氣壓源。執行機構主要是電氣傳動(dòng)設備，少量是液動(dòng)、氣動(dòng)設備。傳感器主要是各種電、熱、壓、流、位、聲、光等參量的檢測裝置。機械本體則是實(shí)現某種功能的機_、結構。處理器居于核心地位,它是以微處理機或電子計算機為基礎的電子電控系統與設備，它與其它四個(gè)要素都有直接的信息溝通.起著(zhù)判斷、塊調、指揮作用。五個(gè)要素不是獨立組件的簡(jiǎn)單集結，而是你中有我、我中有你、相互滲透、融為一體,從而構造成一代嶄新的機械產(chǎn)品。
電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統是現代化電子機械五要素的集成化體現，其復蓋面如圖2所示。電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統的基礎部分是作為執行機構用的電動(dòng)機3其電源，若是變壓、變頻、變流或是變頻變壓的，主要是由各種電力電子變換裝置控制r若是恒壓的，則由以電磁接觸器或電子接觸器為基礎的電機控制中控制中心等是電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統的主體部分，它把能源要素的絕大部分及其與執行機構之間的傳遞環(huán)節都復蓋在內了。在新型的電子機械中，作為機械本體的機構、結構部分，因機電之間的有機融合，某些過(guò)去需由各種機械傳動(dòng)鏈聯(lián)成一體的機構,有可能設計成若干個(gè)機電融合的獨立部件，通過(guò)電控系統而集成為一體。因此電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統也就侵入到了機械本體的相當一部分。整個(gè)電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統控制策略的體現，大多是以微處理器、單片微型計算機等為核心的控制單元，專(zhuān)用集成電路芯片:可編程序控制器和作為總體監控的電子計算機及各種控制專(zhuān)用軟件包等構成。它履行“處理器”這一核心要素的全部功能，是現代電子機械的靈魂。傳感器要素中，有些變送器是純屬儀表行業(yè)的范疇，但有些參數的測量，比如電機轉速、鋼卷直徑、各種電.量等，以及某些傳感元件檢出信號的加工4理，有時(shí)是要靠電氣傳動(dòng)系統來(lái)進(jìn)行的。所以電氣傳動(dòng)與傳感器要素之間的界限也是模糊的。由此可見(jiàn)，電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統是電子機械中的一個(gè)十分重要而且是不可分割的組成部分。就是靠了它，才把電子機械的五要素連結成為一個(gè)有機的整體。它在一個(gè)大型復雜的電子機械中所占的投資比重，已經(jīng)比電氣機械時(shí)代大為提高了。因此在電子機械的總體設計中，必須對電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統給予通盤(pán)的考慮，足夠的重視，才能真正創(chuàng )造出一代嶄新的、機械與電子高度融合的好產(chǎn)品來(lái)。
三、電子機械時(shí)代的電氣傳動(dòng)發(fā)展方向
電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統為了適應電子機械時(shí)代的新要求，并結合其自身發(fā)展的規律，目前正朝著(zhù)以下幾個(gè)主要的方向發(fā)展。
1.加速傳動(dòng)電機交流化的進(jìn)程
在電子機械中，傳動(dòng)電機?機械部件在空間上的結合將愈來(lái)愈緊密，對性能好、體積小、少維護的電機有強烈的要求，而交流電機正好符合這一要求，從電氣傳動(dòng)自身發(fā)展進(jìn)程看，調速電氣傳勁領(lǐng)域中長(cháng)期由直流調速傳動(dòng)占^主導地位的形勢在80年代后期出現了重要的_機》交流電機調速傳動(dòng)的技術(shù)日趨完善，主要性能指標，如調速精度、響應截止頻率、調速范圍等均開(kāi)始超過(guò)直流調速傳動(dòng),而轉矩/電流的脈動(dòng)率和價(jià)格則降到與直流調速傳動(dòng)的同等水平，這是交流調速傳動(dòng)時(shí)代來(lái)臨的先兆。到了90年代初，交流調速電氣傳動(dòng)系統在發(fā)達國家中的銷(xiāo)售量也開(kāi)始超過(guò)直流調速傳動(dòng)系統，標志著(zhù)交流調速傳動(dòng)時(shí)代的真正到來(lái)。在各種調速電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中加快采用交流調速傳動(dòng)系統的進(jìn)程.是國際發(fā)展的新潮流。在這個(gè)潮流中，感應式電機、同步電機當然占著(zhù)主導地位，但一種比鼠籠式感應電機結構更簡(jiǎn)單、可靠，控制更方便的開(kāi)關(guān)磁阻式電機，有可能在中小功率范圍內與鼠籠電機爭雄，會(huì )占有一部分市場(chǎng)，這個(gè)動(dòng)向在歐洲表鱔得更明顯些，值得引起注意。.
當前交流調速傳動(dòng)的分野大體如下。
鼠籠式感應電機:500kW以下，用電壓型變流器+IGBT逆變器供電；2000kW以下，用電壓型變流番+GTO逆變器供電;4000kW以下，用電流型變流器+GTO逆變器供電;7500kW以卞，用循環(huán)變流器供電。
滑環(huán)式感應電機(雙饋）:3000kW以下.用循環(huán)變流器供電UOOOOkW以下，用電流型變流器+晶閘管逆變器供電。
永磁式同步電機ilOkW以下，用電壓型4-變流器+IGBT逆變器供電；lOOOkW以下，用電壓變流器+GTO逆變器供電。
勵磁^同步電機：10000kW以下，用循環(huán)變流器&電>20000kW，以下，用電流型變流器+晶閘管逆變器供電。
開(kāi)關(guān)磁阻式電機:100kW以下，甩電壓型變流器+GTO逆變器供電。
2.研制無(wú)公畬的“綠色”電力電子傳動(dòng)系統
電力電子傳動(dòng)系統的廣泛應甩，對電網(wǎng)造成了無(wú)功沖擊、諧波污染、通訊受擾等公害。目前采用事后補救的辦法，如用無(wú)功功率補償裝置、濾波器等，能收到?定的效果，但這畢竟是一種被動(dòng)的治標措施。我們應該更積極主動(dòng)地利用電力電子器件研究的最新成果，以及各種新型的電路理論，采取治本的措施，大力研制對外界無(wú)公畬的“綠色”電力電子傳動(dòng)系統，向著(zhù)功率因數為一，電流波形為正弦，電壓電流過(guò)零時(shí)切換，無(wú)電磁輻射等方向努力。比如對大功率傳動(dòng)系統，在常規開(kāi)關(guān)頻率下，可以研制具有容性的晶閘管變流器與具有感性的晶_管變流器互補供電的方式來(lái)實(shí)現功率因數為一；或應用三電平的GTO-PWM技術(shù)，同時(shí)對整流和逆變進(jìn)行控制，以取得大型感應電機無(wú)電流與轉矩脈動(dòng)的控制效果等。對中小功率的傳動(dòng)系統，則可考慮用提髙PWM開(kāi)關(guān)頻率的方法，既在直流側、也在交流側進(jìn)行PWM控制，使網(wǎng)側、負荷側均能得到較好的正弦波;或采用諧振原理，在電流或電壓過(guò)零時(shí)切換的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與PWM技術(shù)復合，以求消除高頻通斷切換時(shí)的干擾與損耗等。
3.應用新型控制策略，提離系統智能化水平
電子機械的重要特點(diǎn)之一是其智能化程度高，對環(huán)境、負荷等變化的自適應能力強。最近一些嶄露頭角的新型控制策略,對提高系統的智能化水平有重要作用，受到電氣傳動(dòng)界的普遍關(guān)注。比如：應用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )原理，在感'應電機非直接矢量控制系統中，對在各種轉速和負荷下電機參數的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的自學(xué)習，并據此對電機的轉速進(jìn)行精確的自適應控制，使電機的磁化電流和轉差頻率實(shí)現最優(yōu)化;應甩狀態(tài)變量觀(guān)測器技術(shù)，在具有強機械扭振的傳動(dòng)系統中進(jìn)行扭振源的在線(xiàn)觀(guān)測，并據此來(lái)設計強魯棒性的速度調節器，以實(shí)現抗扭振的控制；應用模糊控制技術(shù)，繞過(guò)需要確定被控對象的精確數學(xué)模型這一難關(guān)，對非線(xiàn)性、強耦合、多變量的復雜系統進(jìn)行智能化控制;應用故障自診斷技術(shù)，對大型、復雜的系統進(jìn)行故障隱患預報、故障源快速定位、故障前數據的自動(dòng)記錄，以提高系統的可靠性等。其它一些新型的控制策略，如滑模變結構控制、參數自整定控制、交流調速傳動(dòng)中的轉矩直接控制、無(wú)速度傳感器的矢量控制等的實(shí)際應用都將會(huì )對電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統和智能化起到重要的推動(dòng)作用。
4.控制系統硬件的集成化
利用不斷發(fā)展、日趨成熟的大規模集成電路工藝，把電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統中的某些控制電路,凡是相對固定的部分，集成化為若干個(gè)專(zhuān)用1C芯片(ASIC)使整個(gè)系統的構成快速、靈活、可靠、小型、輕量。目前國際市場(chǎng)上已有幾十種這類(lèi)ASIC芯片面市，如VECOM,VectorDSP,TRANSputer等；包括矢量控制、功率因數的有源修正、零電流與零電壓諧振逆變開(kāi)關(guān)、軟開(kāi)關(guān)等控制均已有專(zhuān)用ASIC可供。一種標準電力電子控制單71：.尺寸為16.0X100mm2，裝有一塊88mm2的AS1C,含有12000個(gè)門(mén)和運放、比較器等線(xiàn)性電路，全部控制功能都集成在該電路中，該單元可直接驅動(dòng)容量達400kVA的IGBT裝置，實(shí)現矢量控制等多種用途。
集成化的另一個(gè)含義是，把控制、保護電力電子器件的相關(guān)電路，以及電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制的某些電路，同時(shí)集成在一個(gè)電力電子器件的芯片上，構成強弱電一體，主電流變換與控制合一的新型電力電子器件，比如已商品化的SmartPower器件，即是一知。另一種稱(chēng)為智能化功率模塊(IPM)的產(chǎn)品，則是混合式功率集成電路的一個(gè)代表。它把功率器件和各種集成電路芯片，以及難以集成到硅片上去的變壓器、電感、大電容等，用厚膜技術(shù)、缽膜技術(shù)等封裝成緊湊的模塊，用以構成一個(gè)PWM三相全橋逆女轉，其被控電機的功率可達2kW。一種可同時(shí)驅動(dòng)及保護由6個(gè)MOSFET或IGBT器件組成的PWM三相逆變全橋電路的多功能功率集成塊，也己有商品面市，為交流變頻調速裝置的小型化、可靠性提供了新的成果�？刂葡到y硬件集成化的結果，最終將有可能把被控電機與其控制系統集成在一個(gè)電機機殼內，構成所謂的智能化電機。日本、歐洲在小功率范圍內已做出產(chǎn)品。
5.控制系統的軟件化
電子機械是一個(gè)高度智能化、柔性化的系統,它除了依靠先進(jìn)的控制策略與現代化的電子技術(shù)產(chǎn)品來(lái)實(shí)現以外，還有一個(gè)突出的手段就是使控制系統軟件化。在以計算機為基礎的相同硬件配置下，通過(guò)軟件的不同配合，可以實(shí)現多種不同的控制功能。比如對直流電機、感應電機、同步電機等的控制，可以用同樣的一個(gè)硬件配置、不同的軟件配合來(lái)實(shí)現，簡(jiǎn)化了硬件結構，提高了柔性�，F在市面上已經(jīng)可以買(mǎi)到具有不同功能的各種通用軟件包�？刂葡到y的軟件化對CPU芯片提出了更高的要求，微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，將為控制系統軟件化提供更有利的條件.通過(guò)控制系統的軟件化與通過(guò)專(zhuān)用ASIC進(jìn)行固化的相互配合，可以使傳統的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統面貌為之一新。
6.向高頻化進(jìn)軍
充分利用新一代高頻電力電子器件.如VDMOS管、MOSFET管、靜電感應晶體管(SIT)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、靜電感應晶閘管（SITH)，以及功率器件(MCT)等提供的可能性，研究探索發(fā)展一代高頻的（比如20kHz)電機、電器、電控裝置，以求大大地縮小電氣傳動(dòng)自動(dòng)化控制設備的體積、重量'。電氣設備的體積和重量是與其供電頻率的平方根成反比的，按20kIiZ設計的,龜氣設備.其體積重量只有50HZ的1/20。這就為機械與電子實(shí)現真正意義的融合提供新的物理基礎。一?個(gè)多電機傳動(dòng)的復雜的電子機械系統可以設計為若干個(gè)機電完全融合、電機與電控系統集成化的自主單元系統的總成。這種自治式分布系統是機械電子融合的，種最新的發(fā)展趨向。
四、結論
(1)機械產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到了機械與電子高度融合的時(shí)代_把這個(gè)時(shí)代的產(chǎn)品稱(chēng)之為機電一體化產(chǎn)品似乎不夠確切，稱(chēng)之為電子機械更合適些。
(2)電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統是電子機械產(chǎn)品中的靈魂f通過(guò)它把電子機械產(chǎn)品中的五要素連結成為一個(gè)有機的整體。進(jìn)行電子機械的設計必須把電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統同時(shí)一并地加以融會(huì )貫通的考慮，才能得到一個(gè)好的產(chǎn)品。
電子機械時(shí)代的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統正沿著(zhù)交流化、無(wú)公害化、智能化、集成化、軟件化、高頻化的方向發(fā)展。
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