隨著電力電子技術(shù)、微機控制技術(shù)、微電子技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，智能電動執(zhí)行器及其控制技術(shù)成為了現(xiàn)代電動執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展方向。本文首先結(jié)合相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用情況介紹了智能電動執(zhí)行器國內(nèi)外現(xiàn)狀;其次簡單介紹了智能電動執(zhí)行器的組成及基本工作原理;然后介紹了變頻調(diào)速控制技術(shù)中采用的幾種PWM控制技術(shù);最后對智能電動執(zhí)行器及其控制技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

　　工業(yè)生產(chǎn)過程自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般由檢測器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)對象組成，其中執(zhí)行器是不可缺少的重要組成部分，作為工業(yè)過程控制系統(tǒng)中終端產(chǎn)品，其在自動控制系統(tǒng)中發(fā)揮著其他產(chǎn)品不可替代的作用。隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，自動化程度的提高，執(zhí)行器應(yīng)用范圍的越來越廣泛，已經(jīng)從最初的石油、化工、冶金、電站等領(lǐng)域發(fā)展到食品、制藥、能源、供水、環(huán)保等自動控制領(lǐng)域。國家對執(zhí)行器的需求不僅數(shù)量上巨大，而且品種、規(guī)格要求也越來越高，這對執(zhí)行器的性能、適用范圍提出了更高的要求[1，2]，伴隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、微機控制技術(shù)以及通信技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)長期對執(zhí)行機構(gòu)的跟進(jìn)研究，逐漸形成了以多功能、智能化、遠(yuǎn)程控制、故障自診斷等技術(shù)為主要特點的智能型電動執(zhí)行器。

1、我國執(zhí)行器發(fā)展現(xiàn)狀

　　我國從20世紀(jì)50年代末開始仿制前蘇聯(lián)、西德的氣動調(diào)節(jié)閥開始，經(jīng)過20世紀(jì)60年代中期的行業(yè)調(diào)整，逐漸形成了我國自己的氣動調(diào)節(jié)閥系列產(chǎn)品;20世紀(jì)70年代初，逐漸開發(fā)了DDZ-II、DDZ-III型電動執(zhí)行器[3];20世紀(jì)80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，無觸點DKJ型角行程和DKZ型直行程電動執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)入市場，這也是我國最早的、唯一生產(chǎn)的電動執(zhí)行器[4];20世紀(jì)90年代初，儀器儀表行業(yè)組織了DDZ-S儀表與執(zhí)行機構(gòu)的聯(lián)合開發(fā)，初步實現(xiàn)了控制儀表和過程控制的數(shù)字化技術(shù)。由于我國工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，水平相對偏低，在工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動化程度比較低，所以對控制儀器儀表的要求普遍不高，這就客觀上致使一些廠家不在這個方向上投資，再加上國家在建國后一段時間內(nèi)沒有認(rèn)識到發(fā)展執(zhí)行機構(gòu)的重要意義。綜合這些原因，我國執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他控制儀表。改革開放以來，執(zhí)行器發(fā)展速度加快了很多，但是技術(shù)的進(jìn)步在客觀上是有個過程的，只有相關(guān)的技術(shù)都取得進(jìn)步才能促使執(zhí)行器更快的發(fā)展，近些年來一些廠家為了片面追求效益，只引進(jìn)國外產(chǎn)品組裝，相對的技術(shù)消化和技術(shù)人才的梯隊培養(yǎng)沒有跟上，致使國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)相比國外先進(jìn)技術(shù)落后十幾年的時間。

　　目前，國內(nèi)有幾十家執(zhí)行器廠商，但是在控制精度、智能化水平和安全性能等方面處于較低的水平，其中相對規(guī)模較大的廠家有天津儀表七廠、上海儀表十一廠、重慶川儀十廠和四廠、大連第三儀表廠、揚州電力修造廠、鞍山熱工儀表廠等，其中天津儀表七廠和重慶川儀十廠是電動執(zhí)行器的專業(yè)廠商，能夠提供多個規(guī)格的電動執(zhí)行器，但是相比國外，品種規(guī)格還是相對單一，沒有形成系列化，另外在防爆、核級產(chǎn)品和特殊環(huán)境的產(chǎn)品上基本上還是全部需要從國外進(jìn)口。

　　相對普通電動執(zhí)行器，智能型具有變頻功能的執(zhí)行器相對國外差距更大。在國內(nèi)，將變頻技術(shù)應(yīng)用在執(zhí)行器上的廠商中，重慶川儀十廠的技術(shù)代表了國內(nèi)在此行業(yè)的先進(jìn)水平。該廠正在研發(fā)的智能型具有變頻控制技術(shù)的電動執(zhí)行器，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向力矩、速度的獨立、寬范圍調(diào)節(jié)，特別是在S9工作制式下實現(xiàn)力平衡的動態(tài)定位技術(shù)，可以顯著提高交流電機的定位精度和響應(yīng)速度。

2、國外執(zhí)行器發(fā)展現(xiàn)狀

　　相比國內(nèi)執(zhí)行器行業(yè)的技術(shù)落后，國外相關(guān)行業(yè)在數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、機電一體化等方面處于領(lǐng)先水平。在應(yīng)用領(lǐng)域的寬廣程度上，技術(shù)儲備深度上，產(chǎn)品規(guī)格型號等方面都是國內(nèi)所無法望其項背的。

　　目前，國外在智能型變頻執(zhí)行器方面，德國SIPOS、法國BERNARD、英國ROTORK、美國VALTEK型智能執(zhí)行器生產(chǎn)廠商基本代表了該領(lǐng)域的世界先進(jìn)水平。主要表現(xiàn)在以下幾個特點[5，6]：

2.1、智能控制。

　　智能變頻控制技術(shù)是智能電動執(zhí)行器變頻技術(shù)的核心，國外先進(jìn)的執(zhí)行器都采用智能控制技術(shù)，例如VALTEK公司的Starpac智能化閥門電動裝置能響應(yīng)外部4~20mA模擬信號，然后由RS-485通信口發(fā)來的數(shù)字信號按自身程序設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行PID控制[7]。

2.2、自我保護(hù)功能。

　　完善的自我診斷功能和自我保護(hù)功能可以減輕技術(shù)人員的工作量，提高產(chǎn)品使用壽命。以SIPOS5FLASH系列智能執(zhí)行器為例，將變頻裝置和控制器獨特的結(jié)合在一起，可以在電機行程進(jìn)入末端的時候采用比較低的速度。這樣，由于電機和齒輪的動能降低，減少了沖擊，從而避免了過力矩，同時也避免了慣性對閥門的沖撞。

2.3、豐富的在線顯示功能及通訊功能。

　　幾乎每個先進(jìn)的智能產(chǎn)品都采用了LCD顯示，有些產(chǎn)品同時也加上了LED發(fā)光指示。通訊功能可以使操作者和研發(fā)人員很方便控制機器，如SIPOS5FLASH系列，可以方便的選擇就地和遠(yuǎn)程操作，可以通過RS232C串口、現(xiàn)場總線等方式對參數(shù)設(shè)置和調(diào)試。

2.4、完善的智能自我診斷功能。

　　智能執(zhí)行器可以智能判斷產(chǎn)品故障，通過LCD現(xiàn)實或者通過LED發(fā)光報警，非常方便維修人員，降低了工作量。

2.5、變頻調(diào)速技術(shù)。

　　采用了變頻調(diào)速技術(shù)，在定位精度及穩(wěn)定性、柔性調(diào)節(jié)控制、寬范圍調(diào)節(jié)、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、減少備件的種類和數(shù)量等方面顯示了優(yōu)越的性能。

2.6、模塊化設(shè)計加一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計使得整個系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、操作、維護(hù)等方面大大簡化。而采用了模塊化設(shè)計可以更方便設(shè)備的調(diào)試和拆換，為用戶提供了最大的方便，節(jié)省了因部分壞掉而全部設(shè)備的更換帶來的額外費用開支。

3、智能電動執(zhí)行器的組成及基本工作原理

　　傳統(tǒng)的電動執(zhí)行器功能相對簡單，采用伺服放大器和執(zhí)行機構(gòu)就可以完成基本的功能設(shè)計，但是智能型電動執(zhí)行器要完成人機交互、智能控制、通訊等一些相對比較復(fù)雜的功能，這就要求在傳統(tǒng)電動執(zhí)行器的基礎(chǔ)上增加一些新的模塊來支撐這些功能。智能電動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 智能電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖

　　由圖1可知，智能執(zhí)行器的基本功能模塊主要由主控單元、接口模塊、電源模塊、功率驅(qū)動模塊、伺服驅(qū)動控制模塊、檢測反饋模塊組成。智能電動執(zhí)行器主控單元通過接受CAN總線傳送的上位機命令并結(jié)合所要調(diào)控的對象(如閥門)的檢測傳感器反饋回來的信號，主控CPU據(jù)此計算所需的速度控制信號，然后將該信號傳送至伺服驅(qū)動控制模塊，功率驅(qū)動模塊驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，使被控對象(閥門)的開度在理想的時間內(nèi)達(dá)到一個合理的位置。智能電動執(zhí)行器利用了現(xiàn)場總線通信技術(shù)將伺服放大器和功率驅(qū)動模塊緊密聯(lián)系起來，實現(xiàn)了主控單元和執(zhí)行機構(gòu)的雙向通訊、在線標(biāo)定、自我診斷、保護(hù)等多種功能，很大程度上提高了控制精度和設(shè)備運行的安全性[8，9]。

4、智能執(zhí)行器的變頻控制策略

　　交流電動機變頻調(diào)速是在現(xiàn)代微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，其調(diào)速性能比傳統(tǒng)的直流電機調(diào)速更優(yōu)越，比調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速等交流電機調(diào)速方式具有調(diào)速平滑、調(diào)速范圍更寬、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行安全可靠等優(yōu)勢。變頻技術(shù)在智能執(zhí)行器中的應(yīng)用，在定位精度及穩(wěn)定性、柔性調(diào)節(jié)控制、寬范圍調(diào)節(jié)、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、減少備件的種類和數(shù)量等方面進(jìn)一步提高了執(zhí)行器的性能和適用性[10，11]。

　　由于PWM技術(shù)可以在實現(xiàn)變頻變壓的同時可以抑制諧波的特點，其在交流傳動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。智能電動執(zhí)行器的執(zhí)行機構(gòu)一般采用交流電機，基于PWM控制技術(shù)在電機變頻調(diào)速中的優(yōu)異表現(xiàn)，故采用PWM控制技術(shù)也就成為了智能執(zhí)行器變頻控制技術(shù)的核心。

　　基于相電壓控制的SPWM法是目前應(yīng)用較為廣泛、技術(shù)比較成熟的PWM控制技術(shù)。這種控制技術(shù)要求的電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，但是在低頻階段，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都不好，系統(tǒng)性能不高、穩(wěn)定性差。

　　電壓空間矢量(SVPWM)控制方式是一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。在后來的實際使用過程中，人們又引入了頻率補償技術(shù)，可以減弱速度控制的誤差。但是這種控制方式的控制電路環(huán)節(jié)較多并且沒有引入轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，所以采用這種控制方式的系統(tǒng)并沒有從根本上得到改善[12]。

　　針對以上控制方式在性能上的不足，提出了矢量控制變頻調(diào)速方法。這種控制方法的主要思想是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。但是，在實際的應(yīng)用過程中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈不容易準(zhǔn)確觀測，電動機的參數(shù)對系統(tǒng)特性影響比較大，并且等效為直流電動機后在矢量旋轉(zhuǎn)變換較為復(fù)雜，這使得采用該控制方式的實際應(yīng)用效果很難達(dá)到理論分析的理想結(jié)果[13]。

　　1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該方法的基本思想是在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，省去了在矢量變頻控制技術(shù)方式里交流電動機等效為直流電動機種的復(fù)雜矢量旋轉(zhuǎn)變換計算，也不需要簡化交流電機模型，在很大程度上解決了矢量變頻控制的不足[14]。

5、發(fā)展趨勢

　　任何一種技術(shù)的進(jìn)步都和相關(guān)其他技術(shù)的進(jìn)步有著非常緊密的關(guān)系，執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展也離不開微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機電一體化技術(shù)等技術(shù)的進(jìn)步。伴隨這這些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展趨勢為：智能變頻技術(shù)、模塊化設(shè)計技術(shù)、高效變頻電機及傳動技術(shù)、S9工作制、動態(tài)力平衡定位技術(shù)、故障診斷及保護(hù)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、抗電磁干擾技術(shù)、機電一體化結(jié)構(gòu)、數(shù)字控制技術(shù)等等[15，16]。

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