本文提出了一種改進(jìn)措施，將變頻技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)軟關(guān)閉功能，在改善控制品 質(zhì)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排效果。

　　在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，執(zhí)行單元的工作質(zhì)量至關(guān)重要。每套自調(diào)系統(tǒng)的對(duì)象特性、時(shí)間常數(shù)、滯后時(shí)間、放大倍數(shù)都不同。因此，作為執(zhí)行單元的電動(dòng)執(zhí)行器也應(yīng)有各種工作速度與之對(duì)應(yīng)才是。但電動(dòng)調(diào)節(jié)閥一旦確定選型，工作速度、行程時(shí)間就相對(duì)固定，無(wú)法滿足系統(tǒng)要求。結(jié)果只有通過(guò)頻繁的啟動(dòng)、停止來(lái)滿足給定值附近的微調(diào)，造成了系統(tǒng)的振蕩，容易發(fā)生電機(jī)燒毀事故。采用變頻式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥能很方便的解決這個(gè)問(wèn)題。電動(dòng)執(zhí)行器要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高精度的控制，對(duì)控制信號(hào)的微小變化要反應(yīng)靈敏。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度必須和控制信號(hào)幅度成比例。要克服系統(tǒng)靜差，執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有以低速運(yùn)行通過(guò)極強(qiáng)的微調(diào)作用才能修正給定值微小偏差。顯然，不具有變速功能的電動(dòng)執(zhí)行器是難以滿足上述要求的。

1、系統(tǒng)主要特點(diǎn)及其工作原理

　　智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器是利用數(shù)字化變頻、單片機(jī)技術(shù)，改造目前現(xiàn)有的電動(dòng)執(zhí)行器，使之具有智能化、變速運(yùn)行、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、調(diào)節(jié)定位精度高、穩(wěn)定性好、故障率低、壽命長(zhǎng)及應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛的特點(diǎn)。

　　1.1、主要特點(diǎn)

　　1)起動(dòng)電流小

　　系統(tǒng)的線路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化，不用配置專用動(dòng)力柜，線路簡(jiǎn)單，安全可靠，起動(dòng)電流最多也就是變頻電機(jī)的額定電流，而傳統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能達(dá)到5-7倍左右。

　　2)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程最優(yōu)化減少電機(jī)起停次數(shù)，減少閥門(mén)磨損

　　變頻控制電路使動(dòng)作過(guò)程始終隨控制信號(hào)和閥位反饋信號(hào)偏差自適應(yīng)調(diào)整。可確保以最小的啟停次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)最高的控制精度，從而實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程最優(yōu)化，并因起停次數(shù)的減少而減少閥門(mén)的磨損。

　　3)“軟啟動(dòng)”和“軟關(guān)閉”在確保最大力矩的同時(shí)可避免對(duì)閥門(mén)的沖撞

　　以最大力矩的低速度漸進(jìn)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度，并柔性軟起動(dòng)使起動(dòng)電流大大減少。即使頻繁起動(dòng)次數(shù)很多的流量，壓力系統(tǒng)也不會(huì)燒毀電機(jī)。這就是變頻、軟啟動(dòng)、軟關(guān)閉的特色。這一傳統(tǒng)執(zhí)行器難以實(shí)現(xiàn)的功能，因內(nèi)置一體化變頻器的采用而得以實(shí)現(xiàn)。在接近設(shè)定或極限位置時(shí)，變頻器自動(dòng)調(diào)整電機(jī)供電的頻率和電壓，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以最低速度慢慢到達(dá)位置。避免因慣性對(duì)閥門(mén)造成的過(guò)調(diào)和沖撞而施加電制動(dòng)功能，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩永遠(yuǎn)都不會(huì)超過(guò)事先設(shè)定的關(guān)斷力矩。

　　4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可改善閥門(mén)的線性特性，使用較為簡(jiǎn)單的閥門(mén)，完成復(fù)雜的控制

　　對(duì)于復(fù)雜的控制過(guò)程，總是希望閥門(mén)的開(kāi)度與介質(zhì)的流速成比例。根據(jù)閥門(mén)的特性，內(nèi)置智能控制模塊自動(dòng)調(diào)整全行程過(guò)程中的運(yùn)行速度，將全行程運(yùn)行時(shí)間分為10檔。每一檔都以不同的速度運(yùn)行。通過(guò)參數(shù)設(shè)定來(lái)完成設(shè)置。這一功能被稱為“行程—速度特性”，主要被用來(lái)改善閥門(mén)線性特性。同時(shí)還具備改善閥門(mén)的流量特性。

　　5)智能程度高，應(yīng)用軟件性能豐富可靠

　　變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩、行程、速度編程可調(diào)，大大簡(jiǎn)化型號(hào)類別，節(jié)約備品件倉(cāng)貯投資及方便管理。軟件系統(tǒng)針對(duì)執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥各種應(yīng)用場(chǎng)合的要求開(kāi)發(fā)。輸入信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化，為4～20mA，1～5V;位置反饋信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化;斷線保護(hù);作用方式可現(xiàn)場(chǎng)任意設(shè)定;聯(lián)鎖控制;斷相、過(guò)熱、過(guò)力矩、閥卡等多重保護(hù);具有看門(mén)狗、掉電保護(hù)等多項(xiàng)功能。

　　1.2、系統(tǒng)工作原理

　　圖1為智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器的工作原理圖。智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器由減速器部分和控制部分構(gòu)成。控制部分又分為電機(jī)控制電路和控制回路電路。

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理圖

　　其簡(jiǎn)單工作過(guò)程是：輸入信號(hào)(或數(shù)字通信信號(hào))和位置反饋信號(hào)，同時(shí)進(jìn)入智能控制器A/D轉(zhuǎn)換電路，CPU將二者進(jìn)行比較、運(yùn)算，輸出一個(gè)和偏差方向一致的開(kāi)關(guān)信號(hào)及一個(gè)與偏差大小成比例的數(shù)字信號(hào)去電機(jī)控制電路，電機(jī)控制電路控制電機(jī)運(yùn)行速度和運(yùn)行方向，從而達(dá)到連續(xù)變速控制執(zhí)行器開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。電機(jī)控制電路對(duì)于電機(jī)過(guò)載、短路、斷相均可進(jìn)行保護(hù)并輸出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。RS485通信接口是智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器與外部按照通信協(xié)議進(jìn)行聯(lián)系的標(biāo)準(zhǔn)通信接口。智能型變頻執(zhí)行器通過(guò)顯示屏和旋鈕操作來(lái)設(shè)定滿足各種使用場(chǎng)合的性能參數(shù)。CPU工作按照預(yù)定程序和參數(shù)來(lái)指揮執(zhí)行器工作。

2、系統(tǒng)硬件方案

　　2.1、變頻控制電路

　　變頻控制單元是變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大腦，其主要功能是接收變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源輸入，并將輸入的交流電整流成電壓頻率可控的直流電，進(jìn)而控制變頻電機(jī)的運(yùn)行，最終輸出執(zhí)行動(dòng)作。另外提供了與外界控制單元如PLC、DCS等模擬開(kāi)關(guān)量信號(hào)接口和現(xiàn)場(chǎng)總線通迅接口。變頻控制單元的接口如圖2所示。

圖2 變頻控制原理

　　變頻單元內(nèi)部分整流、調(diào)壓、控制保護(hù)等三部分。整流部分功能就把輸入交流電經(jīng)三相或單相全橋整流成直流電。調(diào)壓部分的功能是把穩(wěn)恒的直流電通過(guò)開(kāi)關(guān)高頻控制調(diào)節(jié)成電機(jī)需要的電壓。控制保護(hù)部分采用了SIEMENS最先進(jìn)的DSP信號(hào)處理器與大規(guī)模可編程陣列技術(shù)，承擔(dān)了控制、保護(hù)、一次傳感元件等輸入信號(hào)的采集、PWM脈沖波形的產(chǎn)生與保護(hù)控制輸出的那個(gè)任務(wù)。中間的直流部分為電容濾波，當(dāng)電機(jī)快速?gòu)母咚傧陆禃r(shí)，電機(jī)通過(guò)逆變回路將電機(jī)的動(dòng)能回饋給變頻器，致使變頻單元內(nèi)部的中間直流電壓變高，所以在此位置可增加電氣制動(dòng)單元，吸收電機(jī)回饋的能量實(shí)現(xiàn)緊急剎車制動(dòng)功能。在變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中除了采用一個(gè)位置傳感器外，沒(méi)有也無(wú)需增設(shè)速度傳感器。當(dāng)今的變頻技術(shù)中有很多很成熟的控制技術(shù)如磁通控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)等等，它們的應(yīng)用使得變頻器控制下的交流電機(jī)的控制精度、動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)甚至超過(guò)了對(duì)直流電機(jī)的控制效果。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，對(duì)變頻單元來(lái)說(shuō)，只需改變輸出電壓波形的相序即可實(shí)現(xiàn)。通過(guò)輸出頻率的動(dòng)態(tài)變化即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的電機(jī)的開(kāi)停。完全取代以往手動(dòng)操作、伺服、減速等復(fù)雜裝置。

　　2.2、變頻電機(jī)

　　變頻電機(jī)的基本原理同普通異步電機(jī)一樣，但充分考慮到變頻器在輸出頻率較低時(shí)，電機(jī)運(yùn)行速度下降，電機(jī)的散熱條件卻大為惡化，于是在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括線圈繞向布線等均進(jìn)行了優(yōu)化處理，保證在電機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，因運(yùn)行電流產(chǎn)生的發(fā)熱在電機(jī)限定范圍內(nèi)，不影響電機(jī)的正常工作。

　　2.3、機(jī)械傳動(dòng)裝置

　　變頻單元的輸出控制異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，再由蝸桿—蝸輪裝置將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲚S的旋轉(zhuǎn)輸出，帶動(dòng)多回轉(zhuǎn)式的閥門(mén)、線性單元或曲柄連桿裝置控制被調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。250NM力矩輸出以上和以下的分別采用銅質(zhì)蝸輪-鋼質(zhì)蝸桿黃金組合和球墨鑄鐵的蝸輪—鋼質(zhì)蝸桿的組合，具有無(wú)磨損、傳動(dòng)效率恒定的優(yōu)良傳動(dòng)性能。其機(jī)械傳動(dòng)部分極為精密，噪音甚低，距離1米以內(nèi)的噪音小于70dB。在輸出軸的旁路增設(shè)專用霍爾感應(yīng)元件，用來(lái)采集輸出軸的位置信號(hào)參數(shù)，并送給變頻器作行程計(jì)算和保護(hù)處理。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　智能變頻電動(dòng)執(zhí)行器的軟件由三部分構(gòu)成：電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件、人機(jī)對(duì)話軟件和控制程序軟件。

　　3.1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件

　　主要解決電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度問(wèn)題，同時(shí)還能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的觸發(fā)條件，將過(guò)力矩、過(guò)熱、堵轉(zhuǎn)、缺相、斷相等事件和即時(shí)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流情況傳遞給控制電路。

　　3.2、人機(jī)對(duì)話軟件

　　主要用來(lái)設(shè)定智能變頻電動(dòng)執(zhí)行器常用的一些參數(shù)。

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向：用來(lái)設(shè)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的開(kāi)關(guān)方向，主要目的是適應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于現(xiàn)場(chǎng)安裝方式不同而造成的輸出方向差異。

　　死區(qū)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許的信號(hào)要求與實(shí)際輸出位置之間的誤差值。死區(qū)過(guò)大，控制品質(zhì)會(huì)變差;死區(qū)過(guò)小，容易引起電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的震蕩，長(zhǎng)期處于震蕩狀態(tài)會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)因發(fā)熱而損壞。使用變頻技術(shù)后，死區(qū)可設(shè)定在0.1～0.5之間，而不會(huì)發(fā)生超調(diào)、震蕩等情況。

　　零點(diǎn)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以到達(dá)的輸出位置最低(小)點(diǎn)。

　　滿度：執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以到達(dá)的輸出位置最高(大)點(diǎn)。

　　報(bào)警輸出設(shè)置：用來(lái)設(shè)置繼電器的動(dòng)作，以便在各類故障發(fā)生時(shí)，繼電器能將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的某些狀態(tài)輸出，用以指示使用者發(fā)現(xiàn)和排除故障。

　　輸入信號(hào)整定：可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行修正，以保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度。輸出信號(hào)整定：可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行修正，以保證能夠?qū)��?zhí)行機(jī)構(gòu)的位置狀態(tài)真實(shí)的反饋給使用者。

　　反轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間：該參數(shù)是為了保證電機(jī)在接收到反向轉(zhuǎn)動(dòng)命令時(shí)，電源相之間不發(fā)生短路。同時(shí)也是為了避免執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)慣性而造成執(zhí)行器頻繁正、反轉(zhuǎn)動(dòng)而影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定而設(shè)計(jì)的。

　　故障查詢：用來(lái)查詢最近發(fā)生的故障情況，以方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除故障隱患。

　　恢復(fù)設(shè)置：為了方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和使用，當(dāng)發(fā)生誤操作、誤設(shè)置等情況時(shí)，可用該功能恢復(fù)初始設(shè)置。

　　過(guò)力矩保護(hù)設(shè)置：通過(guò)讀取電機(jī)電流值，計(jì)算出電機(jī)即時(shí)的出力情況，并利用處理器將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩以百分比的形式顯示出來(lái)，使用者設(shè)置該參數(shù)后，輸出力矩大于設(shè)定值，則發(fā)生過(guò)力矩保護(hù)，令電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，直到過(guò)力矩狀態(tài)解除。

　　轉(zhuǎn)速設(shè)置：該參數(shù)是能夠體現(xiàn)變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的最主要參數(shù)，參數(shù)設(shè)定的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)的最大輸出轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)構(gòu)的最終輸出力矩，行程時(shí)間以及控制精度都有很大的影響。通常設(shè)定范圍為額定轉(zhuǎn)速的50%-120%之間。

　　加速位置設(shè)定：該參數(shù)是能夠體現(xiàn)變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的主要參數(shù)之一。設(shè)定的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)從低速開(kāi)始向高速變化的起點(diǎn)位置。

　　減速位置設(shè)定：該參數(shù)是能夠體現(xiàn)變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的主要參數(shù)之一。設(shè)定的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)從高速開(kāi)始向低速變化的起點(diǎn)位置。

　　最低速度設(shè)定：該參數(shù)是能夠體現(xiàn)變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的主要參數(shù)之一。設(shè)定的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠保證正常工作時(shí)最低的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

　　通過(guò)對(duì)“轉(zhuǎn)速”、“加速位置”、“減速位置”和“最低速度”參數(shù)的調(diào)整，可以很靈活的設(shè)定一條執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟/停特性曲線，如圖3所示。以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求。

圖3 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟/停特性曲線

　　3.3 控制程序軟件

　　根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)和一些即時(shí)信息來(lái)決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制策略和動(dòng)作。相當(dāng)于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大腦，是決定整個(gè)控制品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵。

4、結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了變頻技術(shù)應(yīng)用在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的一些優(yōu)勢(shì)，這是當(dāng)代電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展以及執(zhí)行器技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，具有高度智能化、現(xiàn)代化、操作使用簡(jiǎn)易化等特點(diǎn)，也是當(dāng)今生產(chǎn)過(guò)程控制技術(shù)發(fā)展中所一直追求和倡導(dǎo)的。