淺談電動(dòng)執行器過(guò)力矩保護的發(fā)展

　　過(guò)力矩保護是電動(dòng)執行器的一個(gè)重要控制環(huán)節，它的控制精度直接決定著(zhù)執行器能否對自身和連接的閥門(mén)起到保護作用。本文從三種主流過(guò)力矩保護方式的優(yōu)缺點(diǎn)及控制精度等方面進(jìn)行對比和分析，以判斷過(guò)力矩保護的發(fā)展方向。

　　電動(dòng)執行器作為工業(yè)過(guò)程控制系統中一個(gè)十分重要的現場(chǎng)驅動(dòng)裝置，廣泛應用于電力、冶金、石油、化工等行業(yè)。在流體控制中如閥門(mén)在運轉中出現問(wèn)題，就會(huì )在電動(dòng)執行器中體現出來(lái)。所以它還擁有一個(gè)身份——“閥門(mén)的保護者”，其作用就體現在對閥門(mén)的正常使用的監測，其中很重要的一點(diǎn)就是過(guò)力矩保護。

　　顧名思義，過(guò)力矩保護就是指電動(dòng)執行器在運行過(guò)程中一旦出現負載轉矩超過(guò)允許的數值，應立即切斷電源或者發(fā)出報警信號，進(jìn)而停止電機的轉動(dòng)，以達到保護閥門(mén)同時(shí)保護執行器自身的目的。

　　作為現場(chǎng)儀表的一種，電動(dòng)執行器的價(jià)值更多地體現在穩定性、可靠性和控制精度上。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，對執行器的要求早已超越了運轉的穩定和可靠，對控制精度的要求越來(lái)越高，而過(guò)力矩保護在控制精度中占有極為重要的位置。在我國，電動(dòng)執行器發(fā)展相對較晚，在過(guò)力矩保護方面就體現得更為明顯。我們姑且把發(fā)展階段按過(guò)力矩的發(fā)展狀況分為三個(gè)階段：機械控制過(guò)力矩階段、傳感器控制過(guò)力矩前期、傳感器控制過(guò)力矩后期。在各項技術(shù)發(fā)展飛速的今天，我們的過(guò)力矩保護將走向何方呢?

1、機械控制過(guò)力矩階段

　　我國從六十年代末七十年代初開(kāi)始仿制前蘇聯(lián)的電動(dòng)執行器，經(jīng)過(guò)二十年緩慢發(fā)展，到八十年代生產(chǎn)出DKJ型角行程、DKZ型直行程電動(dòng)執行器(我國唯一生產(chǎn)的電動(dòng)執行器)。那個(gè)時(shí)候電動(dòng)執行器在我國尚在推廣之中，僅僅用來(lái)在特殊環(huán)境下代替人工作業(yè)，更談不上過(guò)力矩保護功能，只能依靠設計時(shí)電機的功率來(lái)保證對力矩的控制。后來(lái)引進(jìn)伯納德電動(dòng)執行器的技術(shù)，出現了最早的過(guò)力矩保護，其控制方式就是機械控制過(guò)力矩方式(后文介紹和分析的是在此基礎上加以改進(jìn)的控制過(guò)力矩方式)。這種方式的主要部件是力矩簧、傳動(dòng)件、行星內齒圈、力矩微動(dòng)開(kāi)關(guān)。見(jiàn)圖1。

圖1 電動(dòng)執行器減速器部分結構簡(jiǎn)圖

1.1、控制原理

　　電動(dòng)執行器帶負載運行，與電機連接的行星內齒圈隨著(zhù)轉矩的傳遞，根據傳遞轉矩的大小，軸側力出現微小的偏轉，偏轉的幅度幾乎與負載所產(chǎn)生的轉矩大小成正比(具體計算在這里省略)。

　　所以一旦負載超過(guò)允許的最大值，撥動(dòng)裝在內齒輪外沿上的裝有平衡正向和反向兩個(gè)轉矩的兩個(gè)螺旋圓柱彈簧(簡(jiǎn)稱(chēng)力矩簧組件)的傳動(dòng)件，使力矩簧組件整體左右移動(dòng)。當過(guò)力矩時(shí)，傳動(dòng)件帶動(dòng)連桿觸動(dòng)該方向上的力矩微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，產(chǎn)生瞬時(shí)電信號。在這里就有一個(gè)問(wèn)題，如果電動(dòng)執行器過(guò)力矩只報警一下，那就根本無(wú)法符合實(shí)際運轉要求，故要借助控制電路板中專(zhuān)用的繼電器來(lái)協(xié)助完成，從而使電動(dòng)執行器停止運轉。見(jiàn)圖2。

圖2 力矩簧組件和行星盤(pán)組件示意圖

1.2、控制精度

　　控制精度一般在10%到25%之間，而且隨著(zhù)負載的轉矩的變小，變得越來(lái)越差。

　　這種過(guò)力矩保護方式是電動(dòng)執行器發(fā)展到目前為止唯一的機械控制過(guò)力矩方式，與電氣控制部分、電機、減速器部分有機結合和連接。

1.3、缺點(diǎn)

　　這種機械控制方式主要存在三方面的問(wèn)題：

　　1)力矩簧的材質(zhì)——彈簧的彈性系數在整個(gè)控制過(guò)力矩過(guò)程起著(zhù)重要的作用;傳動(dòng)件的加工精度——傳動(dòng)件是保證連桿、力矩簧、傳動(dòng)件三部分保持相對受力平衡的關(guān)鍵部件。以上兩點(diǎn)，任何一方面都足以影響整個(gè)過(guò)力矩控制過(guò)程。

　　2)機械部件在長(cháng)期頻繁使用狀況下顯得壽命相對較短，隨著(zhù)使用時(shí)間的加長(cháng)，故障的出現率也會(huì )越來(lái)越高，同時(shí)大大影響過(guò)力矩保護控制的精度。

　　3)在現場(chǎng)安裝執行器需要根據不同的要求的保護轉矩值來(lái)對傳動(dòng)件的位置和力矩簧的松緊程度進(jìn)行有效調節，而這樣的機械控制方式需要打開(kāi)控制箱部分的箱蓋，最重要的是需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行調節，非專(zhuān)業(yè)人員不易掌握，而且不易調節準確，造成較大誤差。

　　之后也有一些制造商主動(dòng)求變，將這樣的過(guò)力矩保護方式結構做了一些改變，又將行星盤(pán)組件的位置做了一些改動(dòng)，但實(shí)際效果大同小異，并沒(méi)有實(shí)質(zhì)的改變。目前的機械控制方式顯然已經(jīng)不滿(mǎn)足現在的技術(shù)發(fā)展要求了，但作為唯一機械控制方式，仍可以控制過(guò)力矩的范圍，而不作為精確控制�？紤]到這種技術(shù)的成熟度和認知度，現在國內仍有廣大執行器制造商使用此種控制方式。

2、傳感器控制過(guò)力矩前期

　　隨著(zhù)電動(dòng)執行器行業(yè)和現代工業(yè)控制計算機的發(fā)展，儀器儀表行業(yè)整體綜合各項技術(shù)在不斷上升，微電子技術(shù)和計算機等信息技術(shù)在儀器儀表行業(yè)逐步開(kāi)始應用，出現了新式的智能型執行器，適應能力、自身應變能力相對原有的老品DKJ、DKZ更強，控制精度自然相應提高。單單依靠機械和電路板的組合才能完成的過(guò)力矩保護已經(jīng)不能適應了，控制精度也不能完全達到要求，而一些制造商所做的一些改進(jìn)也沒(méi)有特別明顯的提高，就迫切需要一種新的實(shí)現過(guò)力矩保護的方法，既可以獨立完成過(guò)力矩保護功能，也可以配合控制板做到更好的控制精度。當時(shí)有一些廠(chǎng)家嘗試將監測用傳感器應用于電動(dòng)執行器內部以提高測量精度，而過(guò)力矩保護是其中一個(gè)重要測試點(diǎn)，是一種新的嘗試。此后不久，就出現了一種新的方式。

2.1、應變式模擬扭矩傳感器測量原理

　　應變式扭矩傳感器的測量原理是采用應變片電測技術(shù)，在彈性軸上組成應變橋，向其提供電源即可測量該時(shí)刻彈性軸受扭矩的電信號，進(jìn)而得到扭矩值。見(jiàn)圖3。

圖3 應變式模擬傳感器測量原理圖

2.2、控制原理

　　由之前的傳感器測量原理可以得知，該控制方式主要思想是將執行器上承載的負載轉矩轉變?yōu)殡娦盘�。它依靠接觸式測量，也就是直接測量，主要有兩種：第一種是將電動(dòng)執行器的輸出軸設定為彈性軸，將應變片組貼在輸出軸上(見(jiàn)圖4);而第二種是在遇到大的轉矩才會(huì )使用帶有轉接軸套的扭矩傳感器，通過(guò)傳感器內部自帶的彈性軸來(lái)完成轉矩的測量。當執行器帶負載運行時(shí)，應變片組將輸出軸受到的轉矩而造成的細微的形變轉變?yōu)殡娦盘�，通過(guò)信號處理電路得到此刻的扭矩值。信號繼續通過(guò)判斷電路，一旦超過(guò)負載的最大值，獨立的控制電路就自行切斷電機電源，也可以通過(guò)輸入保護信號到控制中樞電路，間接停止執行器的運轉。

圖4 應變片貼附位置示意圖

2.3、控制精度

　　該過(guò)力矩保護方式相比以往的機械控制方式，控制精度有了明顯的提高，可以達到10%左右，控制精度最高的可以達到7%。該過(guò)力矩保護方式不同于以往的傳感器應用，將檢測電子技術(shù)與過(guò)力矩控制嘗試結合，既可以獨立起到控制保護作用，也可以配合控制中樞電路板。這樣的保護控制方式可靠性高，目的性更強，更有針對性。

2.4、缺點(diǎn)

　　這種電子式控制過(guò)力矩方式同樣存在四方面的問(wèn)題：

　　1)直接測量控制中，傳感器中的應變片組要隨著(zhù)輸出軸旋轉，對于整體傳感器的結構要求更高，對于安裝環(huán)節也同樣有著(zhù)較高的要求。但是在旋轉動(dòng)力傳遞系統中，最棘手的問(wèn)題是旋轉的輸出軸上的應變橋的橋壓輸入及檢測到的應變信號輸出如何可靠地在旋轉部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導電滑環(huán)來(lái)完成。由于導電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著(zhù)磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉軸的轉速及導電滑環(huán)的使用壽命。及由于接觸不可靠引起信號波動(dòng)。

　　2)而對于過(guò)載方面的調節，如果出現瞬間的高負載轉矩，那么很有可能瞬間過(guò)載而損壞傳感器，導致過(guò)力矩保護失效。在導致高負載轉矩的各種原因中有一種是來(lái)源于自身的，就是死點(diǎn)。而在機械系統中死點(diǎn)廣泛存在，且無(wú)法徹底消除，那么執行器配套的減速器部分的死點(diǎn)同樣存在，所以對于死點(diǎn)位置的把握就成為這樣的控制方式附加的一個(gè)問(wèn)題。

　　3)應用電子控制，就不能回避干擾的影響。通過(guò)模擬測量原理圖很容易看出，這些影響有可能來(lái)自外界，也有可能來(lái)自電路或者執行器內部。執行器可能存在于各種條件殘酷的環(huán)境，比如高低溫、高壓、高空、密封等，如何處理干擾，把影響降低到最低，也是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

　　4)較高的制造成本也成為制約其發(fā)展與廣泛應用的因素之一。

　　為了緩解干擾、提高控制過(guò)力矩控制精度，數字式扭矩傳感器開(kāi)始代替模擬式。對于傳感器中的導電滑環(huán)，我們曾經(jīng)專(zhuān)門(mén)做過(guò)實(shí)驗，使用無(wú)線(xiàn)電遙測的方法，將扭矩應變信號在旋轉軸上放大并進(jìn)行V/F轉換成頻率信號，通過(guò)載波調制用無(wú)線(xiàn)電發(fā)射的方法從旋轉軸上發(fā)射至軸外，再用無(wú)線(xiàn)電接收的方法，就可以得到旋轉軸受扭的信號。盡管原理上可行，但遺憾的是這樣的實(shí)驗失敗了，在執行器減速器箱體內狹小有限的空間內增加測量裝置，而又不能影響其運轉，顯然難度太大了。

3、傳感器控制過(guò)力矩后期

　　隨著(zhù)儀器儀表行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、工業(yè)控制計算機技術(shù)趨于成熟，各方面技術(shù)的配合應用更加靈活，模塊的出現就是一個(gè)標志，隔爆型、智能型等都陸續推出了改進(jìn)型，綜合能力更強。來(lái)自國外的先進(jìn)技術(shù)使執行器行業(yè)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，行業(yè)競爭壓力陡然加大。智能通信、智能控制、總線(xiàn)、防護等級迅速提高，要求控制精度進(jìn)一步提高。在過(guò)力矩保護方面，無(wú)法應對高過(guò)載和有效抵抗干擾已然成為制約控制過(guò)力矩精度進(jìn)步的一道坎。國外的同行業(yè)廠(chǎng)家依靠先進(jìn)的基礎技術(shù)領(lǐng)先國內很多，這方面的技術(shù)更加成熟，所生產(chǎn)的產(chǎn)品更加穩定可靠，具有更好的性能與控制精度，更具有競爭力。

　　在這樣的背景下，在起重機技術(shù)所應用的力矩限制器(TSFTST)的一些設計思路和技術(shù)應用到了電動(dòng)執行器的過(guò)力矩保護中。

　　在這種思路的基礎上，對于直接測量所出現的無(wú)法有效解決的各種問(wèn)題，設計思路就轉變?yōu)殚g接測量，出發(fā)點(diǎn)就是電機。近兩年國內廠(chǎng)家出現了從電機入手的新式過(guò)力矩保護控制方式，也就是力矩檢測電路。它的有些功能和結構類(lèi)似TSFTST。在結構方面，有單片機、傳感器等。在功能方面，當實(shí)際負載為額定負載的90%以下時(shí)，顯示器“正常”燈亮;當實(shí)際負載達到額定負載的90%時(shí)，顯示器“90%”燈亮，同時(shí)開(kāi)始間斷鳴叫預警;當實(shí)際載荷達到額定載荷的100%時(shí)，顯示器“100%”燈亮，同時(shí)開(kāi)始間斷加快鳴叫報警;當實(shí)際載荷達到額定載荷的105%時(shí)，顯示器“105%”燈亮，同時(shí)長(cháng)鳴報警，繼電器動(dòng)作，電動(dòng)執行器停止工作。目前的OSTO檢測電路基本可以達到這樣的功能。它們的主要部件有電壓傳感器、電流傳感器。

3.1、控制原理

　　執行器運行中電機的電磁轉矩與執行器的輸出轉矩是成正比的，執行器在運行過(guò)程中一直在克服負載轉矩做功。

　　電機的電磁轉矩公式為：TKI=Φcosθ。其中，K為比例常數，I為電機轉子的電流，Φ為電機氣隙旋轉磁通的輻值，cosθ為電機的功率因數，θ為電機氣隙磁通與轉子電流的相位差。K比例常數可以通過(guò)在廠(chǎng)內實(shí)驗得到�？紤]到I電機轉子電流不易測量，定子電流與其相差很小，故用測量定子電流來(lái)代替Φ磁通可以通過(guò)在定子繞組中增加簡(jiǎn)單繞組來(lái)得到。

　　cosθ電機功率因數需要利用單片機來(lái)計算，通過(guò)電機的三相電壓和電流公式可以得到功率因數等于電機中任意一相的線(xiàn)電流與其他兩相線(xiàn)電壓的夾角的正弦值。利用單片機的計算能力和過(guò)零比較電路可以輕松計算得到。得到電機的電磁轉矩，再經(jīng)過(guò)計算電路得到輸出轉矩，從而判斷此刻傳遞的負載轉矩是否超過(guò)容許轉矩的最大值。見(jiàn)圖5。

圖5 電機相電壓、相電流矢量示意圖

3.2、控制精度

　　最大控制精度誤差可以小于8%。運用單片機強大的運算能力配合電壓傳感器和電流傳感器自身具有的抗干擾能力，對于整體測量的精確度起著(zhù)很重要的作用，并且對于高負載的轉矩的承受能力很大，不易損壞。

3.3、缺點(diǎn)

　　這種方式的缺點(diǎn)有：成本高，推廣仍需時(shí)間;整體電路的運算負擔很重，使用壽命受影響;同時(shí)使用兩種傳感器的話(huà)，盡管每種傳感器的測量精度都很高，兩種傳感器的配合仍不可避免，又得經(jīng)過(guò)D/A、A/D的轉換，最后的控制精度仍然受影響。

　　面對這樣的缺點(diǎn)，在今年初出現了簡(jiǎn)化電路的做法，主要出發(fā)點(diǎn)在于減輕電路的運算負擔。如果能夠通過(guò)I、Φ、θ中的一、兩個(gè)變量來(lái)獲得轉矩T，則既可降低電路的硬件成本，又可減少微處理器的計算工作量。作為過(guò)載保護來(lái)講，由此帶來(lái)的測量精度下降，是完全可以接受的。依據這一思想，對執行器進(jìn)行逐點(diǎn)測量獲得了T與I、T與Φ和T與θ的若干條關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖6)，經(jīng)過(guò)對比發(fā)現T與θ的關(guān)系具有較高的靈敏度，且在執行器輸出額定轉矩與空載轉矩之間，θ的變化范圍為：20°<θ<90°，可以作為測量T的依據。

圖6 T與θ的關(guān)系曲線(xiàn)示意圖

　　通過(guò)純數學(xué)——最小二乘法的方法解方程(具體計算這里省略)，有效地消除不易測量的轉子電流等未知量，可以降低成本，減輕電路的運算負擔，同時(shí)增加整體過(guò)力矩保護電路對電壓的適應能力。這種方案由于剛剛開(kāi)發(fā)出來(lái)，尚在實(shí)驗中，具體的使用效果暫時(shí)還不好下結論。目前有回歸最早機械過(guò)力矩方式的辦法，還有在原有基礎上配合單片機的綜合計算能力來(lái)提高控制精度的方法�？傊�一個(gè)宗旨就是提高控制精度。

4、結束語(yǔ)

　　從過(guò)力矩保護的發(fā)展脈絡(luò )可以很清晰地發(fā)現，整體功能的強化、多樣化、簡(jiǎn)單化、小型化貫穿始終，且還在持續。而近兩年發(fā)展的一個(gè)主題就是智能化。在我們看來(lái)，真正的智能化主要還是在于應變，電動(dòng)執行器面對不同的條件和環(huán)境，自身要具備應變能力。不管過(guò)力矩保護還是電機熱保護、高溫和低溫保護，我們需要增加執行器的適應能力和自身保護能力。我們認為未來(lái)要以自身應變能力為主要開(kāi)發(fā)點(diǎn)。單從過(guò)力矩保護來(lái)看，不管最早的機械式過(guò)力矩保護方式還是目前的利用傳感器、單片機運算電路來(lái)完成力矩保護，都是不完整的。我們的思考方式要更加多元化，充分開(kāi)發(fā)單片機的邏輯判斷能力，利用執行器自身的判斷能力。我們所需要做的或許是僅僅利用高精度轉速傳感器測量輸出軸的轉速，充分利用單片機的運算能力就可以完成過(guò)力矩保護的全部過(guò)程。至于效率、功率因數那些不可回避的問(wèn)題，我們完全有能力繞開(kāi)它們。不拘泥于一點(diǎn)，用發(fā)展的眼光看事物的發(fā)展，用全新的思維方式使繁瑣的系統機構簡(jiǎn)易化，這是一種趨勢。