机电一体化范文

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主管单位：上海市科学技术情报研究所

主办单位：上海科技文献出版社

出版周期：月刊

出版地址：上海市

语

种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1007-080X

国内刊号：31-1714/TM

邮发代号：4-565

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1995

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期刊简介

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中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：

一、机电一体化技术的发展历程与现状

1、机电一体化的发展历程

机电一体化技术的发展有三个阶段，即发展初级阶段、蓬勃发展阶段和智能化发展阶段。最初早在20实际60年代人们开始利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。而由于军事和工业发展的需求，当时的人们对于这方面开始重视，由于当时电子技术水平发展不够，技术结合与运用还没有得到深入发展。到上个世纪七八十年，计算机技术和通信技术开始快的发展为机电一体化的发展奠定了技术基础。到了90年代后期，机电一体化进入深入发展时期，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。此外，由于神经网络技术、人工智能技术、光纤技术等领域巨大进步，为机电一体化技术的发展创造了更好的条件。从数控机床的问世到微电子技术的全新发展， 进而可编程序控制器、电力电子等的发展为机电一体化提供了电机坚强基础，最后激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使机电一体化跃上新台阶。

2、机电一体化技术发展现状

近些年来，机电一体化技术有了更全面的进步，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予自动显示记录、自动处理信息、自动检测、自动调节与控制自动诊断与保护等许多新的功能。目前一些电动的实际运行中依然存在着一定的问题，比如执行机构机构多、定位精度低、结构复杂、可靠性差等问题，因而对于这种情况，采用机电一体化技术，将伺服电机、阀门、控制器合为一体，采用模糊神经网络，通过内置变频器，实现阀门的高效控制。

二、机电一体化中电动机构的组成及工作原理

1、电机执行机构的组成

目前较常用的主要是交流电动机，它可分为三相异步电动机、单相交流电动机两，前一种比较多的用在工业上，而后一种通常用在民用电器上。从电机的结构上看，主要分为控制部分和执行驱动部分，控制部分主要由三相PWM波发生器、单片机、智能逆变模块、整流模块、A/D、故障检测、输入输出通道等组成；执行驱动部分主要包括三相伺报电机和位置传感器。

2、电机的工作原理

电机执行机构系统通过电流与电压传感器和位置传感器的检测，得出逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号，然后由A/D转换后送入单片机。单片机通过控制PWM波发生器的作用，最后实现电机的运行控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。对于电动机运行原理的分析，这里主要针对工业中应用的三相异步电动机的原理进行探讨。电动机转动的基本工作原理是三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场，转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流，转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。

三、机电一体化中电机阀位及速度控制与运行维护

1、电机阀位及速度控制

实现电机执行机构的阀位和速度的控制需要解决的关键性技术问题主要有五个方面，分别是阀门柔性开关的控制、阀位的极限位置的判断、电机保护的实现、准确定位与模拟信号的隔离。对于机电一体化中电机阀门位和速度的控制，微处理器根据测得的变频器输出电压和电流，通过计算得出输出力矩，如果输出力矩达到或大于设定的力矩，那么就会自动降低运行速度。在传统电机的执行机构中，阀位的极限位置的检测是通过机械式限位开关获得的。电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得，单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较，如果未发生变化或变化较小，就会自动电机的供电电源。

电机的运行控制与加速度的大小、时间长短、当前位置、速度控制给定位置以及运行速度有关。在机电一体化中电机采用的是双环控制方案，外环为位置环，内环为速度环。外环是通过当前位置速度的设定将速度给定发生器向内环提供速度的设定值。内环是将当前速度与速度给定与发生器的设定速度进行比较，依靠速度调节器改变PWM波发生器载波频率，以实现电机的转速调节。

2、机电一体化中电机的运行维护

机械工业的飞速发展对电机运行维护不断提出新的要求，而现代科技技术的飞速发展又为电机的保护水平的提高提供了新的空间。然而再先进的技术都需要依靠人为的操控，因而对于电机的运行维护是确保电机的机电一体化技术优势表现的重要前提。在这里把电机的维护分为三个方面，一个是电机运行前的准备，一个是电机运行中的监管，还一个是电机的日常保养。

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众所周知，随着科学技术的不断发展以及现代先进生产加工技术的不断完善，相关执行机构的重要性不言而喻，因为执行机构在自动控制系统工作中起着至关重要的作用。但是当前我国国产大流量电动执行机构无论是在相关控制手段上还是在机械传动机构上都出现明显落后和偏多的情况，同时电动执行机构中其结构相对复杂且其可靠性能也相对较低。本文针对执行机构发展的相关缺陷和不足，对如何采用机电一体化技术将阀门和控制器进行有机融合进行深度探究。

一、机电一体化发展历程与现代化技术发展趋势

从始初的数控机床逐渐演变为微电子技术机电一体化并在基础上沿用了可编程控制器，同时电力电子的出现也会机电一体化的发展奠定了重要基础。还需要强调的是，现代机电一体化技术主要是由激光技术和信息技术以及相应的模糊技术共同构成，其无论是在运转效率上还是在工作质量上都有着较大进步。

微控制器在生产数字化机电产品中起着重要作用，数控机床施工和机器人施工都是数字化机电一体生产中的重要表现形式，与此同时，随着科学技术的飞速发展和计算机系统的广泛应用，虚拟设计技术以及集成制造技术都是数字化机电一体应用中的重点环节。其优点一般具有软件可靠性、软件可维护性和软件自行诊断性以及软件高可靠性等。新型数字化技术的出现在一定程度上使远程操作远程诊断和远程修复成为可能。

智能化就是要求在进行机电产品生产的过程中其产品又有一定的智能特性，并使相关产品能够独立进行逻辑思考和自主决策。CNC中的人机对话功能就是机电产品智能化的的一种重要表现形式，其会在设置智能工艺数据库的同时使产品使用和产品操作以及产品维护带来较大便利。需要强调的是，模糊控制技术、灰色理论技术、神经网络技术和小波理论技术以及混沌分岔技术都是机电一体化产品智能化的几种体现，并在此基础上为机电一体化技术的发展奠定了有力基础。

因为生产机电一体化产品的商家和种类相对较多，那么在进行研制机械接口和研制动力接口以及开发环境接口的过程中就会产生一定的困难，具有集减速变频调的动力驱动单元以及需要进行视觉信息处理和图像信息识别等工作就是其中厂商研制开发机电一体化产品中的典型实例。

二、硬件控制与相关工作原理分析

（一）机电一体化智能执行机构主要分为智能控制部分以及智能执行驱动部分两种，而我们通常所说的控制部分主要包括单片机、IPM逆变器、输入输出通道和整流模块以及报警电路等，而智能执行驱动部分主要是由三相伺报电机结构以及位置传感器结构二者共同构成。

（二）被检测逆变模块中的电压位置信号以及三相输出电流会被相关程序转换，并在此过程中传送相应单片机上。而单片机则是用过8255控制PWM波发生器的，通过其中的光电耦合被逆变模块IPM所应用，这样就在一定程度上实现了阀位控制工作以及电机变频调速工作等。需要注意的是，在逆变模块进行正常工作的过程中，380V电源调整模式会将其所需直流电压信号进行全桥整流。

（三）双环控制技术是进行机电一体化电机控制工作中的主要技术，其内环和外环分别为速度环和位置环。我们需要了解的是，速度环的主要工作任务是将基础速度与设定速度进行相互比较，之后通过对PWM波发生器的载波频率的变换实现机电一体化电机自动转速调节，此时的速度调节器是以模糊神经网络控制算法为主要计算手段的。而外环中的相应速度设定则主要是根据其当前所处位置来完成并在此基础上形成内环设定值的。因为流量阀减速和流量阀匀速以及流量阀加速是其机构运行中的三个主要运行阶段，此时每个阶段中的运行时间和运行加速度以及特定位置特定运行的频率也有所不同，速度给定发生器的主要工作原理就是当实际阀位与相关给定阀位不等时，其会以恒定加速度为主要加速手段，此时的减速点会根据相关阀位值和阀位给定值以及当前速度这三者的大小来进行计算并得出具体数值。

（四）阀门柔性开关以及阀位极限位置判定是我们在执行机构是所要考虑的两项主要技术因素，阀门柔性开关的主要功能是当阀门开关的过程中保证阀门不受损伤，正确的做法是，我们应该运用微处理器对变频器输出电压和变频器输出电流进行相对精准的计算，并在计算的过程中得出输出力矩，在得出力矩信息后自动调节速度以防止阀门撞击。阀门全开位置以及阀门全关位置就是阀门的极限位置，传统执行机构中阀位监测在监测的过程中容易出现阀门松动，我们应该运用单片机将两次监测信号进行具体对比，并在确认已达到正确阀门极限位置的同时切断异步供电电源。

三、结束语

综上所诉，机电一体化中的电机控制是当下我们要亟待解决的问题，正确的做法是要根据机电一体化技术的技术发展现状和技术应用现状作为分析基础，之后进行对新型电动执行机构的相应合理方案进行较为科学的制定。本文针对执行机构发展的相关缺陷和不足，对如何采用机电一体化技术将阀门和控制器进行有机融合进行深度探究，希望为我国机电行业的发展贡献出一份力量。

参考文献：

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中图分类号：TH39 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）1210154-01

机电一体化技术的发展历程与现状

1.1 机电一体化的发展历程

机电一体化技术的发展有三个阶段，即发展初级阶段、蓬勃发展阶段和智能化发展阶段。最初早在20实际60年代人们开始利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。而由于军事和工业发展的需求，当时的人们对于这方面开始重视，由于当时电子技术水平发展不够，技术结合与运用还没有得到深入发展。到上个世纪七八十年，计算机技术和通信技术开始快速的发展为机电一体化的发展奠定了技术基础。到了90年代后期，机电一体化进入深入发展时期，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支。此外，由于神经网络技术、人工智能技术、光纤技术等领域巨大进步，为机电一体化技术的发展创造了更好的条件。从数控机床的问世到微电子技术的全新发展，进而可编程序控制器、电力电子等的发展为机电一体化提供了坚强基础，最后激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使机电一体化跃上新台阶。

1.2 机电一体化技术发展现状

近些年来，机电一体化技术有了更全面的进步，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予自动显示记录、自动处理信息、自动检测、自动调节与控制自动诊断与保护等许多新的功能。目前一些电动的实际运行中依然存在着一定的问题，比如执行机构机构多、定位精度低、结构复杂、可靠性差等问题，因而对于这种情况，采用机电一体化技术，将伺服电机、阀门、控制器合为一体，采用模糊神经网络，通过内置变频器，实现阀门的高效控制。

2 机电一体化中电动机构的组成及工作原理

2.1 电机执行机构的组成

目前较常用的主要是交流电动机，它可分为三相异步电动机、单相交流电动机两，前一种比较多的用在工业上，而后一种通常用在民用电器上。从电机的结构上看，主要分为控制部分和执行驱动部分，控制部分主要由三相PWM波发生器、单片机、智能逆变模块、整流模块、A/D、故障检测、输入输出通道等组成；执行驱动部分主要包括三相伺报电机和位置传感器[1]。

2.2 电机的工作原理

电机执行机构系统通过电流与电压传感器和位置传感器的检测，得出逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号，然后由A/D转换后送入单片机。单片机通过控制PWM波发生器的作用，最后实现电机的运行控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。对于电动机运行原理的分析，这里主要针对工业中应用的三相异步电动机的原理进行探讨。电动机转动的基本工作原理是三相对称绕组中通人三相对称电流产生圆形旋转磁场，转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流，转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。

3 机电一体化中电机阀位及速度控制与运行维护

3.1 电机阀位及速度控制

实现电机执行机构的阀位和速度的控制需要解决的关键性技术问题主要有五个方面，分别是阀门柔性开关的控制、阀位的极限位置的判断、电机保护的实现、准确定位与模拟信号的隔离。对于机电一体化中电机阀门位和速度的控制，微处理器根据测得的变频器输出电压和电流，通过计算得出输出力矩，如果输出力矩达到或大于设定的力矩，那么就会自动降低运行速度。在传统电机的执行机构中，阀位的极限位置的检测是通过机械式限位开关获得的。电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得，单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较，如果未发生变化或变化较小，就会自动电机的供电电源。

电机的运行控制与加速度的大小、时间长短、当前位置、速度控制给定位置以及运行速度有关。在机电一体化中电机采用的是双环控制方案，外环为位置环，内环为速度环。外环是通过当前位置速度的设定将速度给定发生器向内环提供速度的设定值。内环是将当前速度与速度给定与发生器的设定速度进行比较，依靠速度调节器改变PWM波发生器载波频率，以实现电机的转速调节。