本文提出了一種改進(jìn)措施，將變頻技術(shù)應(yīng)用于電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟啟動軟關(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)行單元的電動執(zhí)行器也應(yīng)有各種工作速度與之對應(yīng)才是。但電動調(diào)節(jié)閥一旦確定選型，工作速度、行程時(shí)間就相對固定，無法滿足系統(tǒng)要求。結(jié)果只有通過頻繁的啟動、停止來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。采用變頻式電動調(diào)節(jié)閥能很方便的解決這個(gè)問題。電動執(zhí)行器要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高精度的控制，對控制信號的微小變化要反應(yīng)靈敏。實(shí)現(xiàn)動態(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)有的電動執(zhí)行器，使之具有智能化、變速運(yùn)行、動態(tài)響應(yīng)好、調(diào)節(jié)定位精度高、穩(wěn)定性好、故障率低、壽命長及應(yīng)用場合更加廣泛的特點(diǎn)。

　　1.1、主要特點(diǎn)

　　1)起動電流小

　　系統(tǒng)的線路設(shè)計(jì)更加簡化，不用配置專用動力柜，線路簡單，安全可靠，起動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)控制過程最優(yōu)化減少電機(jī)起停次數(shù)，減少閥門磨損

　　變頻控制電路使動作過程始終隨控制信號和閥位反饋信號偏差自適應(yīng)調(diào)整�？纱_保以最小的啟停次數(shù)來實(shí)現(xiàn)最高的控制精度，從而實(shí)現(xiàn)控制過程最優(yōu)化，并因起停次數(shù)的減少而減少閥門的磨損。

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

　　以最大力矩的低速度漸進(jìn)調(diào)整閥門開度，并柔性軟起動使起動電流大大減少。即使頻繁起動次數(shù)很多的流量，壓力系統(tǒng)也不會燒毀電機(jī)。這就是變頻、軟啟動、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。避免因慣性對閥門造成的過調(diào)和沖撞而施加電制動功能，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩永遠(yuǎn)都不會超過事先設(shè)定的關(guān)斷力矩。

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

　　對于復(fù)雜的控制過程，總是希望閥門的開度與介質(zhì)的流速成比例。根據(jù)閥門的特性，內(nèi)置智能控制模塊自動調(diào)整全行程過程中的運(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。通過參數(shù)設(shè)定來完成設(shè)置。這一功能被稱為“行程—速度特性”，主要被用來改善閥門線性特性。同時(shí)還具備改善閥門的流量特性。

　　5)智能程度高，應(yīng)用軟件性能豐富可靠

　　變頻電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩、行程、速度編程可調(diào)，大大簡化型號類別，節(jié)約備品件倉貯投資及方便管理。軟件系統(tǒng)針對執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥各種應(yīng)用場合的要求開發(fā)。輸入信號標(biāo)準(zhǔn)化，為4～20mA，1～5V;位置反饋信號標(biāo)準(zhǔn)化;斷線保護(hù);作用方式可現(xiàn)場任意設(shè)定;聯(lián)鎖控制;斷相、過熱、過力矩、閥卡等多重保護(hù);具有看門狗、掉電保護(hù)等多項(xiàng)功能。

　　1.2、系統(tǒng)工作原理

　　圖1為智能型變頻電動執(zhí)行器的工作原理圖。智能型變頻電動執(zhí)行器由減速器部分和控制部分構(gòu)成�？刂撇糠钟址譃殡姍C(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

　　其簡單工作過程是：輸入信號(或數(shù)字通信信號)和位置反饋信號，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關(guān)信號及一個(gè)與偏差大小成比例的數(shù)字信號去電機(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)行器開度，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的目的。電機(jī)控制電路對于電機(jī)過載、短路、斷相均可進(jìn)行保護(hù)并輸出相應(yīng)報(bào)警信號。RS485通信接口是智能型變頻電動執(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)行器通過顯示屏和旋鈕操作來設(shè)定滿足各種使用場合的性能參數(shù)。CPU工作按照預(yù)定程序和參數(shù)來指揮執(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執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大腦，其主要功能是接收變頻電動執(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)行動作。另外提供了與外界控制單元如PLC、DCS等模擬開關(guān)量信號接口和現(xiàn)場總線通迅接口。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)恒的直流電通過開關(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信號處理器與大規(guī)�？删幊剃嚵屑夹g(shù)，承擔(dān)了控制、保護(hù)、一次傳感元件等輸入信號的采集、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)快速從高速下降時(shí)，電機(jī)通過逆變回路將電機(jī)的動能回饋給變頻器，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單元，吸收電機(jī)回饋的能量實(shí)現(xiàn)緊急剎車制動功能。在變頻電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中除了采用一個(gè)位置傳感器外，沒有也無需增設(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、動靜態(tài)性能指標(biāo)甚至超過了對直流電機(jī)的控制效果。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，對變頻單元來說，只需改變輸出電壓波形的相序即可實(shí)現(xiàn)。通過輸出頻率的動態(tài)變化即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的電機(jī)的開停。完全取代以往手動操作、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，帶動多回轉(zhuǎn)式的閥門、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，具有無磨損、傳動效率恒定的優(yōu)良傳動性能。其機(jī)械傳動部分極為精密，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，用來采集輸出軸的位置信號參數(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)

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

　　3.1、電機(jī)驅(qū)動軟件

　　主要解決電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動速度問題，同時(shí)還能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的觸發(fā)條件，將過力矩、過熱、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)對話軟件

　　主要用來設(shè)定智能變頻電動執(zhí)行器常用的一些參數(shù)。

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向：用來設(shè)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的開關(guān)方向，主要目的是適應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于現(xiàn)場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)允許的信號要求與實(shí)際輸出位置之間的誤差值。死區(qū)過大，控制品質(zhì)會變差;死區(qū)過小，容易引起電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的震蕩，長期處于震蕩狀態(tài)會使執(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：用來設(shè)置繼電器的動作，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。

　　輸入信號整定：可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)場的實(shí)際情況，對輸入信號進(jìn)行修正，以保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度。輸出信號整定：可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)場的實(shí)際情況，對輸出信號進(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)動慣性而造成執(zhí)行器頻繁正、反轉(zhuǎn)動而影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定而設(shè)計(jì)的。

　　故障查詢：用來查詢最近發(fā)生的故障情況，以方便現(xiàn)場維護(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。

　　過力矩保護(hù)設(shè)置：通過讀取電機(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，使用者設(shè)置該參數(shù)后，輸出力矩大于設(shè)定值，則發(fā)生過力矩保護(hù)，令電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，直到過力矩狀態(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)動速度。

　　通過對“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)用場合對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求。

圖3 電動執(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)信息來決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制策略和動作。相當(dāng)于電動執(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

　　本文介紹了變頻技術(shù)應(yīng)用在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的一些優(yōu)勢，這是當(dāng)代電力電子技術(shù)和自動控制技術(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、操作使用簡易化等特點(diǎn)，也是當(dāng)今生產(chǎn)過程控制技術(shù)發(fā)展中所一直追求和倡導(dǎo)的。