电子机械与电气传动

　　一、我们正处在电子机械的时代

　　纵观机械产品的发展史，可以区分为四个明显的过程。最早的机械是以机器的机构、结构为主体，加上执行机构和能源组成。能源主要是人力、畜力、水力、风力等。这是原始的机械时代。后来发展到了用蒸汽作能源，以热力机械作为执行机构，这是人类发展史上的一大进步，机械产品的生产效率也跃上一个新台阶。建筑在热力学基础上的这一代机械产品可以称之为热力机械。当发明了发电机和电动机之后，电取代了蒸汽成了主要的能源，而执行机构则是以电动机为主体的电气传动机构，电气传动这门技术开始与机械结上了不解之缘。这又是一个划时代的技术革命。这个时代的机械主要以电工技术为支掙，包括复杂机械的控制、操作也大都是以基于黾磁学原理的各种电器来实现的，成为电气机械的时代?这个时代的机械，已经实现了机、电的结合,不过这种结合,主要是从外部以独立分体的方式进行，机与电之间的界限比较分明。第三次世界技术革命的浪潮把以电子技术为核心的电力电子器件、电子计算机、传感器、控制器、微电子芯片等导入机械系统，构成了以电子计算机等微电子软、硬件产品为神经中枢、传感器为耳目、电动机为手足、机械本体为躯干、电力电子换能器等为生命源泉的新一代智能化的机械产品。这类机械在原来机、电结合的*础上，融入了各类电子产品。电子技术、特别是电子计算机技术、以其强大的渗透力融入机械的各个要素中，形成紧密的、有机的结合，强弱电、硬软件、机与电混然成一体，所以大家都习惯称这类产品为机电一体化产品。

　　关于机电一体化这个词，国内专家学者已经从不同的侧面作过许多注释，但至今尚没有一个统一的定义。而且相当一部分人认为，机电一体化这个词并未能很贴切地表达tb这一代机械的主要特征，有时还会使人产生某些误解，因为电气机械时代.也已经是机与电的结合了。这一代产品的主要特征是微电子技术的融入与滲透，应该突出的是其电子为主导的内涵。因此，把这最新一代的机械产品称之为电子机械，可能更合适些。日本人分别用机械学（mechanics)和电子学（elec?tronics)两个英文字的前半部与后半部结合创造了一个“mechatronics”的新词来描述这一代机械的特征，是很有新意的。把这个词翻译成为“电子机械学”也比较符合造字者的原意，因为mechanics和electronics两个字的最特征部分都在字首，而mechatronics保留了机械学一词的字首而用了电子学一词的字尾，其含意也应是重点落在“机械”上。按中国语法，“电子机械学”恰好是把重点落在“机械”一词上，比较贴切。如果把它翻译成“机电一体化”，就把“电子”这一最根本的含意弄得反而含混不清了。

　　机械产品经历了原始机械时代、热力机械时代、电气机械时代'发展到今天已经进入了电子机械的新时代了。

　　二、电子机械与电气传动

　　一个电子机械产品，可以用图1中所示的五个要素及其相互作用来表达。

　　能源主要是电力及其变流、变压、变频等电力电子装置，部分为液压、气压源。执行机构主要是电气传动设备，少量是液动、气动设备。传感器主要是各种电、热、压、流、位、声、光等参量的检测装置。机械本体则是实现某种功能的机_、结构。处理器居于核心地位,它是以微处理机或电子计算机为基础的电子电控系统与设备，它与其它四个要素都有直接的信息沟通.起着判断、块调、指挥作用。五个要素不是独立组件的简单集结，而是你中有我、我中有你、相互渗透、融为一体,从而构造成一代崭新的机械产品。

　　电气传动自动控制系统是现代化电子机械五要素的集成化体现，其复盖面如图2所示。电气传动自动控制系统的基础部分是作为执行机构用的电动机3其电源，若是变压、变频、变流或是变频变压的，主要是由各种电力电子变换装置控制r若是恒压的，则由以电磁接触器或电子接触器为基础的电机控制中控制中心等是电气传动自动控制系统的主体部分，它把能源要素的绝大部分及其与执行机构之间的传递环节都复盖在内了。在新型的电子机械中，作为机械本体的机构、结构部分，因机电之间的有机融合，某些过去需由各种机械传动链联成一体的机构,有可能设计成若干个机电融合的独立部件，通过电控系统而集成为一体。因此电气传动自动控制系统也就侵入到了机械本体的相当一部分。整个电气传动自动控制系统控制策略的体现，大多是以微处理器、单片微型计算机等为核心的控制单元，专用集成电路芯片:可编程序控制器和作为总体监控的电子计算机及各种控制专用软件包等构成。它履行“处理器”这一核心要素的全部功能，是现代电子机械的灵魂。传感器要素中，有些变送器是纯属仪表行业的范畴，但有些参数的测量，比如电机转速、钢卷直径、各种电.量等，以及某些传感元件检出信号的加工4理，有时是要靠电气传动系统来进行的。所以电气传动与传感器要素之间的界限也是模糊的。由此可见，电气传动自动控制系统是电子机械中的一个十分重要而且是不可分割的组成部分。就是靠了它，才把电子机械的五要素连结成为一个有机的整体。它在一个大型复杂的电子机械中所占的投资比重，已经比电气机械时代大为提高了。因此在电子机械的总体设计中，必须对电气传动自动控制系统给予通盘的考虑，足够的重视，才能真正创造出一代崭新的、机械与电子高度融合的好产品来。

　　三、电子机械时代的电气传动发展方向

　　电气传动自动控制系统为了适应电子机械时代的新要求，并结合其自身发展的规律，目前正朝着以下几个主要的方向发展。

　　1.加速传动电机交流化的进程

　　在电子机械中，传动电机?机械部件在空间上的结合将愈来愈紧密，对性能好、体积小、少维护的电机有强烈的要求，而交流电机正好符合这一要求，从电气传动自身发展进程看，调速电气传劲领域中长期由直流调速传动占^主导地位的形势在80年代后期出现了重要的_机》交流电机调速传动的技术日趋完善，主要性能指标，如调速精度、响应截止频率、调速范围等均开始超过直流调速传动,而转矩/电流的脉动率和价格则降到与直流调速传动的同等水平，这是交流调速传动时代来临的先兆。到了90年代初，交流调速电气传动系统在发达国家中的销售量也开始超过直流调速传动系统，标志着交流调速传动时代的真正到来。在各种调速电气传动领域中加快采用交流调速传动系统的进程.是国际发展的新潮流。在这个潮流中，感应式电机、同步电机当然占着主导地位，但一种比鼠笼式感应电机结构更简单、可靠，控制更方便的开关磁阻式电机，有可能在中小功率范围内与鼠笼电机争雄，会占有一部分市场，这个动向在欧洲表鱔得更明显些，值得引起注意。.

　　当前交流调速传动的分野大体如下。

　　鼠笼式感应电机:500kW以下，用电压型变流器+IGBT逆变器供电；2000kW以下，用电压型变流番+GTO逆变器供电;4000kW以下，用电流型变流器+GTO逆变器供电;7500kW以卞，用循环变流器供电。

　　滑环式感应电机(双馈）:3000kW以下.用循环变流器供电UOOOOkW以下，用电流型变流器+晶闸管逆变器供电。

　　永磁式同步电机ilOkW以下，用电压型4-变流器+IGBT逆变器供电；lOOOkW以下，用电压变流器+GTO逆变器供电。

　　励磁^同步电机：10000kW以下，用循环变流器&电>20000kW，以下，用电流型变流器+晶闸管逆变器供电。

　　开关磁阻式电机:100kW以下，甩电压型变流器+GTO逆变器供电。

　　2.研制无公畲的“绿色”电力电子传动系统

　　电力电子传动系统的广泛应甩，对电网造成了无功冲击、谐波污染、通讯受扰等公害。目前采用事后补救的办法，如用无功功率补偿装置、滤波器等，能收到?定的效果，但这毕竟是一种被动的治标措施。我们应该更积极主动地利用电力电子器件研究的最新成果，以及各种新型的电路理论，采取治本的措施，大力研制对外界无公畲的“绿色”电力电子传动系统，向着功率因数为一，电流波形为正弦，电压电流过零时切换，无电磁辐射等方向努力。比如对大功率传动系统，在常规开关频率下，可以研制具有容性的晶闸管变流器与具有感性的晶_管变流器互补供电的方式来实现功率因數为一；或应用三电平的GTO-PWM技术，同时对整流和逆变进行控制，以取得大型感应电机无电流与转矩脉动的控制效果等。对中小功率的传动系统，则可考虑用提髙PWM开关频率的方法，既在直流侧、也在交流侧进行PWM控制，使网侧、负荷侧均能得到较好的正弦波;或采用谐振原理，在电流或电压过零时切换的软开关技术与PWM技术复合，以求消除高频通断切换时的干扰与损耗等。

　　3.应用新型控制策略，提离系统智能化水平

　　电子机械的重要特点之一是其智能化程度高，对环境、负荷等变化的自适应能力强。最近一些崭露头角的新型控制策略,对提高系统的智能化水平有重要作用，受到电气传动界的普遍关注。比如：应用神经元网络原理，在感'应电机非直接矢量控制系统中，对在各种转速和负荷下电机参数的变化进行实时的自学习，并据此对电机的转速进行精确的自适应控制，使电机的磁化电流和转差频率实现最优化;应甩状态变量观测器技术，在具有强机械扭振的传动系统中进行扭振源的在线观测，并据此来设计强鲁棒性的速度调节器，以实现抗扭振的控制；应用模糊控制技术，绕过需要确定被控对象的精确数学模型这一难关，对非线性、强耦合、多变量的复杂系统进行智能化控制;应用故障自诊断技术，对大型、复杂的系统进行故障隐患预报、故障源快速定位、故障前数据的自动记录，以提高系统的可靠性等。其它一些新型的控制策略，如滑模变结构控制、参数自整定控制、交流调速传动中的转矩直接控制、无速度传感器的矢量控制等的实际应用都将会对电气传动自动控制系统和智能化起到重要的推动作用。

　　4.控制系统硬件的集成化

　　利用不断发展、日趋成熟的大规模集成电路工艺，把电气传动自动控制系统中的某些控制电路,凡是相对固定的部分，集成化为若干个专用1C芯片(ASIC)使整个系统的构成快速、灵活、可靠、小型、轻量。目前国际市场上已有几十种这类ASIC芯片面市，如VECOM,VectorDSP,TRANSputer等；包括矢量控制、功率因数的有源修正、零电流与零电压谐振逆变开关、软开关等控制均已有专用ASIC可供。一种标准电力电子控制单71：.尺寸为16.0X100mm2，装有一块88mm2的AS1C,含有12000个门和运放、比较器等线性电路，全部控制功能都集成在该电路中，该单元可直接驱动容量达400kVA的IGBT装置，实现矢量控制等多种用途。

　　集成化的另一个含义是，把控制、保护电力电子器件的相关电路，以及电气传动自动控制的某些电路，同时集成在一个电力电子器件的芯片上，构成强弱电一体，主电流变换与控制合一的新型电力电子器件，比如已商品化的SmartPower器件，即是一知。另一种称为智能化功率模块(IPM)的产品，则是混合式功率集成电路的一个代表。它把功率器件和各种集成电路芯片，以及难以集成到硅片上去的变压器、电感、大电容等，用厚膜技术、钵膜技术等封装成紧凑的模块，用以构成一个PWM三相全桥逆女轉，其被控电机的功率可达2kW。一种可同时驱动及保护由6个MOSFET或IGBT器件组成的PWM三相逆变全桥电路的多功能功率集成块，也己有商品面市，为交流变频调速装置的小型化、可靠性提供了新的成果。控制系统硬件集成化的结果，最终将有可能把被控电机与其控制系统集成在一个电机机壳内，构成所谓的智能化电机。日本、欧洲在小功率范围内已做出产品。

　　5.控制系统的软件化

　　电子机械是一个高度智能化、柔性化的系统,它除了依靠先进的控制策略与现代化的电子技术产品来实现以外，还有一个突出的手段就是使控制系统软件化。在以计算机为基础的相同硬件配置下，通过软件的不同配合，可以实现多种不同的控制功能。比如对直流电机、感应电机、同步电机等的控制，可以用同样的一个硬件配置、不同的软件配合来实现，简化了硬件结构，提高了柔性。现在市面上已经可以买到具有不同功能的各种通用软件包。控制系统的软件化对CPU芯片提出了更高的要求，微电子技术的不断进步，将为控制系统软件化提供更有利的条件.通过控制系统的软件化与通过专用ASIC进行固化的相互配合，可以使传统的电气传动自动控制系统面貌为之一新。

　　6.向高频化进军

　　充分利用新一代高频电力电子器件.如VDMOS管、MOSFET管、静电感应晶体管(SIT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、静电感应晶闸管（SITH)，以及功率器件(MCT)等提供的可能性，研究探索发展一代高频的（比如20kHz)电机、电器、电控装置，以求大大地缩小电气传动自动化控制设备的体积、重量'。电气设备的体积和重量是与其供电频率的平方根成反比的，按20kIiZ设计的,龟气设备.其体积重量只有50HZ的1/20。这就为机械与电子实现真正意义的融合提供新的物理基础。一?个多电机传动的复杂的电子机械系统可以设计为若干个机电完全融合、电机与电控系统集成化的自主单元系统的总成。这种自治式分布系统是机械电子融合的，种最新的发展趋向。

　　四、结论

　　(1)机械产品已经发展到了机械与电子高度融合的时代_把这个时代的产品称之为机电一体化产品似乎不够确切，称之为电子机械更合适些。

　　(2)电气传动自动控制系统是电子机械产品中的灵魂f通过它把电子机械产品中的五要素连结成为一个有机的整体。进行电子机械的设计必须把电气传动自动控制系统同时一并地加以融会贯通的考虑，才能得到一个好的产品。

　　电子机械时代的电气传动自动控制系统正沿着交流化、无公害化、智能化、集成化、软件化、高频化的方向发展。