变频技术在电动执行机构上的应用

    在自动调节系统中，执行单元的工作质量至关重要。每套自调系统的对象特性、时间常数、滞后时间、放大倍数都不同。因此，作为执行单元的电动执行器也应有各种工作速度与之对应才是。但电动调节阀一旦确定选型，工作速度、行程时间就相对固定，无法满足系统要求。结果只有通过频繁的启动、停止来满足给定值附近的微调，造成了系统的振荡，容易发生电机烧毁事故。采用变频式电动调节阀能很方便的解决这个问题。电动执行器要实现高质量和高精度的控制，对控制信号的微小变化要反应灵敏。实现动态响应好，执行机构运行速度必须和控制信号幅度成比例。要克服系统静差，执行机构只有以低速运行通过极强的微调作用才能修正给定值微小偏差。显然，不具有变速功能的电动执行器是难以满足上述要求的。

    1 系统主要特点及其工作原理

    智能型变频电动执行器是利用数字化变频、单片机技术，改造目前现有的电动执行器，使之具有智能化、变速运行、动态响应好、调节定位精度高、稳定性好、故障率低、寿命长及应用场合更加广泛的特点。

    1.1 主要特点

    1）起动电流小

    系统的线路设计更加简化，不用配置专用动力柜，线路简单，安全可靠，起动电流最多也就是变频电机的额定电流，而传统的执行机构能达到5-7倍左右。

    2）实现控制过程最优化减少电机起停次数，减少阀门磨损

    变频控制电路使动作过程始终随控制信号和阀位反馈信号偏差自适应调整。可确保以最小的启停次数来实现最高的控制精度，从而实现控制过程最优化，并因起停次数的减少而减少阀门的磨损。

    3）“软启动”和“软关闭”在确保最大力矩的同时可避免对阀门的冲撞

    以最大力矩的低速度渐进调整阀门开度，并柔性软起动使起动电流大大减少。即使频繁起动次数很多的流量，压力系统也不会烧毁电机。这就是变频、软启动、软关闭的特色。这一传统执行器难以实现的功能，因内置一体化变频器的采用而得以实现。在接近设定或极限位置时，变频器自动调整电机供电的频率和电压，降低电机转速，以最低速度慢慢到达位置。避免因惯性对阀门造成的过调和冲撞而施加电制动功能，使执行机构的输出力矩永远都不会超过事先设定的关断力矩。

    4）执行机构可改善阀门的线性特性，使用较为简单的阀门，完成复杂的控制

    对于复杂的控制过程，总是希望阀门的开度与介质的流速成比例。根据阀门的特性，内置智能控制模块自动调整全行程过程中的运行速度，将全行程运行时间分为10档。每一档都以不同的速度运行。通过参数设定来完成设置。这一功能被称为“行程—速度特性”，主要被用来改善阀门线性特性。同时还具备改善阀门的流量特性。

    5）智能程度高，应用软件性能丰富可靠

    变频电动执行机构力矩、行程、速度编程可调，大大简化型号类别，节约备品件仓贮投资及方便管理。软件系统针对执行器和调节阀各种应用场合的要求开发。输入信号标准化，为4～20mA，1～5V；位置反馈信号标准化；断线保护；作用方式可现场任意设定；联锁控制；断相、过热、过力矩、阀卡等多重保护；具有看门狗、掉电保护等多项功能。

    1.2 系统工作原理

    图1为智能型变频电动执行器的工作原理图。智能型变频电动执行器由减速器部分和控制部分构成。控制部分又分为电机控制电路和控制回路电路。

图1 执行机构工作原理图    

    其简单工作过程是：输入信号（或数字通信信号）和位置反馈信号,同时进入智能控制器A/D转换电路,CPU将二者进行比较、运算,输出一个和偏差方向一致的开关信号及一个与偏差大小成比例的数字信号去电机控制电路,电机控制电路控制电机运行速度和运行方向,从而达到连续变速控制执行器开度,实现自动调节的目的。电机控制电路对于电机过载、短路、断相均可进行保护并输出相应报警信号。RS485通信接口是智能型变频电动执行器与外部按照通信协议进行联系的标准通信接口。智能型变频执行器通过显示屏和旋钮操作来设定满足各种使用场合的性能参数。CPU工作按照预定程序和参数来指挥执行器工作。

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    2 系统硬件方案

    2.1 变频控制电路

    变频控制单元是变频电动执行机构的大脑，其主要功能是接收变频电动执行机构的电源输入，并将输入的交流电整流成电压频率可控的直流电，进而控制变频电机的运行，最终输出执行动作。另外提供了与外界控制单元如PLC、DCS等模拟开关量信号接口和现场总线通迅接口。变频控制单元的接口如图2所示。

图2 变频控制原理

    变频单元内部分整流、调压、控制保护等三部分。整流部分功能就把输入交流电经三相或单相全桥整流成直流电。调压部分的功能是把稳恒的直流电通过开关高频控制调节成电机需要的电压。控制保护部分采用了SIEMENS最先进的DSP信号处理器与大规模可编程阵列技术，承担了控制、保护、一次传感元件等输入信号的采集、PWM脉冲波形的产生与保护控制输出的那个任务。中间的直流部分为电容滤波，当电机快速从高速下降时，电机通过逆变回路将电机的动能回馈给变频器，致使变频单元内部的中间直流电压变高，所以在此位置可增加电气制动单元，吸收电机回馈的能量实现紧急刹车制动功能。在变频电动执行机构中除了采用一个位置传感器外，没有也无需增设速度传感器。当今的变频技术中有很多很成熟的控制技术如磁通控制技术、直接转矩控制技术、无传感器矢量控制技术等等，它们的应用使得变频器控制下的交流电机的控制精度、动静态性能指标甚至超过了对直流电机的控制效果。电机的正反转控制，对变频单元来说，只需改变输出电压波形的相序即可实现。通过输出频率的动态变化即可实现电机的电机的开停。完全取代以往手动操作、伺服、减速等复杂装置。

    2.2 变频电机

    变频电机的基本原理同普通异步电机一样，但充分考虑到变频器在输出频率较低时，电机运行速度下降，电机的散热条件却大为恶化，于是在设计时对电机的机械结构包括线圈绕向布线等均进行了优化处理，保证在电机低频运行时，因运行电流产生的发热在电机限定范围内，不影响电机的正常工作。

    2.3 机械传动装置

    变频单元的输出控制异步电机的旋转，再由蜗杆—蜗轮装置将电机的旋转转变为输出轴的旋转输出，带动多回转式的阀门、线性单元或曲柄连杆装置控制被调节机构。250NM力矩输出以上和以下的分别采用铜质蜗轮-钢质蜗杆黄金组合和球墨铸铁的蜗轮—钢质蜗杆的组合，具有无磨损、传动效率恒定的优良传动性能。其机械传动部分极为精密，噪音甚低，距离1米以内的噪音小于70dB。在输出轴的旁路增设专用霍尔感应元件，用来采集输出轴的位置信号参数，并送给变频器作行程计算和保护处理。

    3 系统软件设计

    智能变频电动执行器的软件由三部分构成：电机驱动软件、人机对话软件和控制程序软件。

    3.1 电机驱动软件

    主要解决电机的转动方向、转动速度问题，同时还能够根据预先设定好的触发条件，将过力矩、过热、堵转、缺相、断相等事件和即时的转向、转速、电机电流情况传递给控制电路。

    3.2 人机对话软件

    主要用来设定智能变频电动执行器常用的一些参数。

    执行机构的转向：用来设定执行机构输出的开关方向，主要目的是适应执行机构由于现场安装方式不同而造成的输出方向差异。

    死区：执行机构允许的信号要求与实际输出位置之间的误差值。死区过大，控制品质会变差；死区过小，容易引起电动执行机构的震荡，长期处于震荡状态会使执行机构的电机因发热而损坏。使用变频技术后，死区可设定在0.1～0.5之间，而不会发生超调、震荡等情况。

    零点：执行机构可以到达的输出位置最低（小）点。

    满度：执行机构可以到达的输出位置最高（大）点。

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    报警输出设置：用来设置继电器的动作，以便在各类故障发生时，继电器能将执行机构的某些状态输出，用以指示使用者发现和排除故障。

    输入信号整定：可根据执行机构应用现场的实际情况，对输入信号进行修正，以保证执行机构的控制精度。输出信号整定：可根据执行机构应用现场的实际情况，对输出信号进行修正，以保证能够将执行机构的位置状态真实的反馈给使用者。

    反转保护时间：该参数是为了保证电机在接收到反向转动命令时，电源相之间不发生短路。同时也是为了避免执行器运动惯性而造成执行器频繁正、反转动而影响调节系统稳定而设计的。

    故障查询：用来查询最近发生的故障情况，以方便现场维护人员及时发现、排除故障隐患。

    恢复设置：为了方便现场调试和使用，当发生误操作、误设置等情况时，可用该功能恢复初始设置。

    过力矩保护设置：通过读取电机电流值，计算出电机即时的出力情况，并利用处理器将执行机构的输出力矩以百分比的形式显示出来，使用者设置该参数后，输出力矩大于设定值，则发生过力矩保护，令电机停止转动，直到过力矩状态解除。

    转速设置：该参数是能够体现变频电动执行机构特点的最主要参数，参数设定的是执行机构工作时的最大输出转速。该转速对机构的最终输出力矩，行程时间以及控制精度都有很大的影响。通常设定范围为额定转速的50%-120%之间。

    加速位置设定：该参数是能够体现变频电动执行机构特点的主要参数之一。设定的是执行机构从低速开始向高速变化的起点位置。

    减速位置设定：该参数是能够体现变频电动执行机构特点的主要参数之一。设定的是执行机构从高速开始向低速变化的起点位置。

    最低速度设定：该参数是能够体现变频电动执行机构特点的主要参数之一。设定的是执行机构能够保证正常工作时最低的转动速度。

    通过对“转速”、“加速位置”、“减速位置”和“最低速度”参数的调整，可以很灵活的设定一条执行机构启/停特性曲线，如图3所示。以满足不同应用场合对电动执行机构的要求。

图3 电动执行机构启/停特性曲线

    3.3 控制程序软件

    根据设定好的参数和一些即时信息来决定执行机构的控制策略和动作。相当于电动执行机构的大脑，是决定整个控制品质优劣的关键。

    4 结束语

    本文介绍了变频技术应用在电动执行机构上的一些优势，这是当代电力电子技术和自动控制技术发展以及执行器技术发展的结晶，具有高度智能化、现代化、操作使用简易化等特点，也是当今生产过程控制技术发展中所一直追求和倡导的。