電子機械與電氣傳動論文

　　一、我們正處在電子機械的時代

縱觀機械產品的發展史，可以區分爲四個明顯的過程。最早的機械是以機器的機構、結構爲主體，加上執行機構和能源組成。能源主要是人力、畜力、水力、風力等。這是原始的機械時代。後來發展到了用蒸汽作能源，以熱力機械作爲執行機構，這是人類發展史上的一大進步，機械產品的生產效率也躍上一個新臺階。建築在熱力學基礎上的這一代機械產品可以稱之爲熱力機械。當發明了發電機和電動機之後，電取代了蒸汽成了主要的能源，而執行機構則是以電動機爲主體的電氣傳動機構，電氣傳動這門技術開始與機械結上了不解之緣。這又是一個劃時代的技術革命。這個時代的機械主要以電工技術爲支?輳??ǜ叢踊?檔目刂啤⒉僮饕泊蠖際且曰?邛即叛г?淼母髦值縉骼詞迪值模?晌?縉??檔氖貝?這個時代的機械，已經實現了機、電的結合,不過這種結合,主要是從外部以獨立分體的方式進行，機與電之間的界限比較分明。第三次世界技術革命的浪潮把以電子技術爲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、硬件產品爲神經中樞、傳感器爲耳目、電動機爲手足、機械本體爲軀幹、電力電子換能器等爲生命源泉的新一代智能化的機械產品。這類機械在原來機、電結合的*礎上，融入了各類電子產品。電子技術、特別是電子計算機技術、以其強大的滲透力融入機械的各個要素中，形成緊密的、有機的結合，強弱電、硬軟件、機與電混然成一體，所以大家都習慣稱這類產品爲機電一體化產品。

關於機電一體化這個詞，國內專家學者已經從不同的側面作過許多註釋，但至今尚沒有一個統一的定義。而且相當一部分人認爲，機電一體化這個詞並未能很貼切地表達tb這一代機械的主要特徵，有時還會使人產生某些誤解，因爲電氣機械時代.也已經是機與電的結合了。這一代產品的主要特徵是微電子技術的融入與?B透，應該突出的是其電子爲主導的內涵。因此，把這最新一代的機械產品稱之爲電子機械，可能更合適些。日本人分別用機械學（mechanics)和電子學（elec?tronics)兩個英文字的前半部與後半部結合創造了一個“mechatronics”的新詞來描述這一代機械的特徵，是很有新意的。把這個詞翻譯成爲“電子機械學”也比較符合造字者的原意，因爲mechanics和electronics兩個字的最特徵部分都在字首，而mechatronics保留了機械學一詞的字首而用了電子學一詞的字尾，其含意也應是重點落在“機械”上。按中國語法，“電子機械學”恰好是把重點落在“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。

機械產品經歷了原始機械時代、熱力機械時代、電氣機械時代'發展到今天已經進入了電子機械的新時代了。

　　二、電子機械與電氣傳動

一個電子機械產品，可以用圖1中所示的五個要素及其相互作用來表達。

能源主要是電力及其變流、變壓、變頻等電力電子裝置，部分爲液壓、氣壓源。執行機構主要是電氣傳動設備，少量是液動、氣動設備。傳感器主要是各種電、熱、壓、流、位、聲、光等參量的檢測裝置。機械本體則是實現某種功能的機_、結構。處理器居於核心地位,它是以微處理機或電子計算機爲基礎的電子電控系統與設備，它與其它四個要素都有直接的信息溝通.起着判斷、塊調、指揮作用。五個要素不是獨立組件的簡單集結，而是你中有我、我中有你、相互滲透、融爲一體,從而構造成一代嶄新的機械產品。

電氣傳動自動控制系統是現代化電子機械五要素的集成化體現，其覆蓋面如圖2所示。電氣傳動自動控制系統的基礎部分是作爲執行機構用的電動機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若是恆壓的，則由以電磁接觸器或電子接觸器爲基礎的電機控制中控制中心等是電氣傳動自動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節都覆蓋在內了。在新型的電子機械中，作爲機械本體的機構、結構部分，因機電之間的有機融合，某些過去需由各種機械傳動鏈聯成一體的機構,有可能設計成若干個機電融合的獨立部件，通過電控系統而集成爲一體。因此電氣傳動自動控制系統也就侵入到了機械本體的相當一部分。整個電氣傳動自動控制系統控制策略的體現，大多是以微處理器、單片微型計算機等爲核心的控制單元，專用集成電路芯片:可編程序控制器和作爲總體監控的電子計算機及各種控制專用軟件包等構成。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的範疇，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，有時是要靠電氣傳動系統來進行的。所以電氣傳動與傳感器要素之間的界限也是模糊的。由此可見，電氣傳動自動控制系統是電子機械中的一個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爲一個有機的整體。它在一個大型複雜的電子機械中所佔的投資比重，已經比電氣機械時代大爲提高了。因此在電子機械的總體設計中，必須對電氣傳動自動控制系統給予通盤的考慮，足夠的重視，才能真正創造出一代嶄新的、機械與電子高度融合的好產品來。

　　三、電子機械時代的電氣傳動發展方向

電氣傳動自動控制系統爲了適應電子機械時代的新要求，並結合其自身發展的規律，目前正朝着以下幾個主要的方向發展。

1.加速傳動電機交流化的進程

在電子機械中，傳動電機?機械部件在空間上的結合將愈來愈緊密，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，從電氣傳動自身發展進程看，調速電氣傳勁領域中長期由直流調速傳動佔^主導地位的形勢在80年代後期出現了重要的_機》交流電機調速傳動的技術日趨完善，主要性能指標，如調速精度、響應截止頻率、調速範圍等均開始超過直流調速傳動,而轉矩/電流的脈動率和價格則降到與直流調速傳動的同等水平，這是交流調速傳動時代來臨的先兆。到了90年代初，交流調速電氣傳動系統在發達國家中的銷售量也開始超過直流調速傳動系統，標誌着交流調速傳動時代的真正到來。在各種調速電氣傳動領域中加快採用交流調速傳動系統的進程.是國際發展的新潮流。在這個潮流中，感應式電機、同步電機當然佔着主導地位，但一種比鼠籠式感應電機結構更簡單、可靠，控制更方便的開關磁阻式電機，有可能在中小功率範圍內與鼠籠電機爭雄，會佔有一部分市場，這個動向在歐洲表?得更明顯些，值得引起注意。.

當前交流調速傳動的分野大體如下。

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，用循環變流器供電。

滑環式感應電機(雙饋）:3000kW以下.用循環變流器供電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，用循環變流器&電>20000kW，以下，用電流型變流器+晶閘管逆變器供電。

開關磁阻式電機:100kW以下，甩電壓型變流器+GTO逆變器供電。

2.研製無公畲的“綠色”電力電子傳動系統

電力電子傳動系統的廣泛應甩，對電網造成了無功衝擊、諧波污染、通訊受擾等公害。目前採用事後補救的辦法，如用無功功率補償裝置、濾波器等，能收到?定的效果，但這畢竟是一種被動的治標措施。我們應該更積極主動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，採取治本的措施，大力研製對外界無公畲的“綠色”電力電子傳動系統，向着功率因數爲一，電流波形爲正弦，電壓電流過零時切換，無電磁輻射等方向努力。比如對大功率傳動系統，在常規開關頻率下，可以研製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實現功率因?滴?唬換蠐τ萌?縉降?TO-PWM技術，同時對整流和逆變進行控制，以取得大型感應電機無電流與轉矩脈動的控制效果等。對中小功率的'傳動系統，則可考慮用提?PWM開關頻率的方法，既在直流側、也在交流側進行PWM控制，使網側、負荷側均能得到較好的正弦波;或採用諧振原理，在電流或電壓過零時切換的軟開關技術與PWM技術複合，以求消除高頻通斷切換時的干擾與損耗等。

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之一是其智能化程度高，對環境、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，受到電氣傳動界的普遍關注。比如：應用神經元網絡原理，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行實時的自學習，並據此對電機的轉速進行精確的自適應控制，使電機的磁化電流和轉差頻率實現最優化;應甩狀態變量觀測器技術，在具有強機械扭振的傳動系統中進行扭振源的在線觀測，並據此來設計強魯棒性的速度調節器，以實現抗扭振的控制；應用模糊控制技術，繞過需要確定被控對象的精確數學模型這一難關，對非線性、強耦合、多變量的複雜系統進行智能化控制;應用故障自診斷技術，對大型、複雜的系統進行故障隱患預報、故障源快速定位、故障前數據的自動記錄，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、交流調速傳動中的轉矩直接控制、無速度傳感器的矢量控制等的實際應用都將會對電氣傳動自動控制系統和智能化起到重要的推動作用。

4.控制系統硬件的集成化

利用不斷髮展、日趨成熟的大規模集成電路工藝，把電氣傳動自動控制系統中的某些控制電路,凡是相對固定的部分，集成化爲若干個專用1C芯片(ASIC)使整個系統的構成快速、靈活、可靠、小型、輕量。目前國際市場上已有幾十種這類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關、軟開關等控制均已有專用ASIC可供。一種標準電力電子控制單71：.尺寸爲16.0X100mm2，裝有一塊88mm2的AS1C,含有12000個門和運放、比較器等線性電路，全部控制功能都集成在該電路中，該單元可直接驅動容量達400kVA的IGBT裝置，實現矢量控制等多種用途。

集成化的另一個含義是，把控制、保護電力電子器件的相關電路，以及電氣傳動自動控制的某些電路，同時集成在一個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。另一種稱爲智能化功率模塊(IPM)的產品，則是混合式功率集成電路的一個代表。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、鉢膜技術等封裝成緊湊的模塊，用以構成一個PWM三相全橋逆女?，其被控電機的功率可達2kW。一種可同時驅動及保護由6個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，爲交流變頻調速裝置的小型化、可靠性提供了新的成果。控制系統硬件集成化的結果，最終將有可能把被控電機與其控制系統集成在一個電機機殼內，構成所謂的智能化電機。日本、歐洲在小功率範圍內已做出產品。

5.控制系統的軟件化

電子機械是一個高度智能化、柔性化的系統,它除了依靠先進的控制策略與現代化的電子技術產品來實現以外，還有一個突出的手段就是使控制系統軟件化。在以計算機爲基礎的相同硬件配置下，通過軟件的不同配合，可以實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，可以用同樣的一個硬件配置、不同的軟件配合來實現，簡化了硬件結構，提高了柔性。現在市面上已經可以買到具有不同功能的各種通用軟件包。控制系統的軟件化對CPU芯片提出了更高的要求，微電子技術的不斷進步，將爲控制系統軟件化提供更有利的條件.通過控制系統的軟件化與通過專用ASIC進行固化的相互配合，可以使傳統的電氣傳動自動控制系統面貌爲之一新。

6.向高頻化進軍

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自動化控制設備的體積、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。這就爲機械與電子實現真正意義的融合提供新的物理基礎。一?個多電機傳動的複雜的電子機械系統可以設計爲若干個機電完全融合、電機與電控系統集成化的自主單元系統的總成。這種自治式分佈系統是機械電子融合的，種最新的發展趨向。

　　四、結論

(1)機械產品已經發展到了機械與電子高度融合的時代_把這個時代的產品稱之爲機電一體化產品似乎不夠確切，稱之爲電子機械更合適些。

(2)電氣傳動自動控制系統是電子機械產品中的靈魂f通過它把電子機械產品中的五要素連結成爲一個有機的整體。進行電子機械的設計必須把電氣傳動自動控制系統同時一併地加以融會貫通的考慮，才能得到一個好的產品。

電子機械時代的電氣傳動自動控制系統正沿着交流化、無公害化、智能化、集成化、軟件化、高頻化的方向發展。