智能電動(dòng)執行器及其變頻控制技術(shù)綜述

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

　　工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)調節系統一般由檢測器、調節器、執行器和調節對象組成，其中執行器是不可缺少的重要組成部分，作為工業(yè)過(guò)程控制系統中終端產(chǎn)品，其在自動(dòng)控制系統中發(fā)揮著(zhù)其他產(chǎn)品不可替代的作用。隨著(zhù)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，自動(dòng)化程度的提高，執行器應用范圍的越來(lái)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(dòng)控制領(lǐng)域。國家對執行器的需求不僅數量上巨大，而且品種、規格要求也越來(lái)越高，這對執行器的性能、適用范圍提出了更高的要求[1，2]，伴隨著(zhù)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)等現代科學(xué)的發(fā)展，國內外相關(guān)企業(yè)和研究機構長(cháng)期對執行機構的跟進(jìn)研究，逐漸形成了以多功能、智能化、遠程控制、故障自診斷等技術(shù)為主要特點(diǎn)的智能型電動(dòng)執行器。

1、我國執行器發(fā)展現狀

　　我國從20世紀50年代末開(kāi)始仿制前蘇聯(lián)、西德的氣動(dòng)調節閥開(kāi)始，經(jīng)過(guò)20世紀60年代中期的行業(yè)調整，逐漸形成了我國自己的氣動(dòng)調節閥系列產(chǎn)品;20世紀70年代初，逐漸開(kāi)發(fā)了DDZ-II、DDZ-III型電動(dòng)執行器[3];20世紀80年代以來(lái)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)觸點(diǎn)DKJ型角行程和DKZ型直行程電動(dòng)執行機構進(jìn)入市場(chǎng)，這也是我國最早的、唯一生產(chǎn)的電動(dòng)執行器[4];20世紀90年代初，儀器儀表行業(yè)組織了DDZ-S儀表與執行機構的聯(lián)合開(kāi)發(fā)，初步實(shí)現了控制儀表和過(guò)程控制的數字化技術(shù)。由于我國工業(yè)技術(shù)基礎薄弱，水平相對偏低，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)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(guān)上致使一些廠(chǎng)家不在這個(gè)方向上投資，再加上國家在建國后一段時(shí)間內沒(méi)有認識到發(fā)展執行機構的重要意義。綜合這些原因，我國執行機構的發(fā)展速度遠遠落后于其他控制儀表。改革開(kāi)放以來(lái)，執行器發(fā)展速度加快了很多，但是技術(shù)的進(jìn)步在客觀(guān)上是有個(gè)過(guò)程的，只有相關(guān)的技術(shù)都取得進(jìn)步才能促使執行器更快的發(fā)展，近些年來(lái)一些廠(chǎng)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)人才的梯隊培養沒(méi)有跟上，致使國內的相關(guān)技術(shù)相比國外先進(jìn)技術(shù)落后十幾年的時(shí)間。

　　目前，國內有幾十家執行器廠(chǎng)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，其中相對規模較大的廠(chǎng)家有天津儀表七廠(chǎng)、上海儀表十一廠(chǎng)、重慶川儀十廠(chǎng)和四廠(chǎng)、大連第三儀表廠(chǎng)、揚州電力修造廠(chǎng)、鞍山熱工儀表廠(chǎng)等，其中天津儀表七廠(chǎng)和重慶川儀十廠(chǎng)是電動(dòng)執行器的專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)商，能夠提供多個(gè)規格的電動(dòng)執行器，但是相比國外，品種規格還是相對單一，沒(méi)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(dòng)執行器，智能型具有變頻功能的執行器相對國外差距更大。在國內，將變頻技術(shù)應用在執行器上的廠(chǎng)商中，重慶川儀十廠(chǎng)的技術(shù)代表了國內在此行業(yè)的先進(jìn)水平。該廠(chǎng)正在研發(fā)的智能型具有變頻控制技術(shù)的電動(dòng)執行器，能夠實(shí)現雙向力矩、速度的獨立、寬范圍調節，特別是在S9工作制式下實(shí)現力平衡的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，可以顯著(zhù)提高交流電機的定位精度和響應速度。

2、國外執行器發(fā)展現狀

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

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

2.1、智能控制。

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

2.2、自我保護功能。

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

2.3、豐富的在線(xiàn)顯示功能及通訊功能。

　　幾乎每個(gè)先進(jìn)的智能產(chǎn)品都采用了LCD顯示，有些產(chǎn)品同時(shí)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程操作，可以通過(guò)RS232C串口、現場(chǎng)總線(xiàn)等方式對參數設置和調試。

2.4、完善的智能自我診斷功能。

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

2.5、變頻調速技術(shù)。

　　采用了變頻調速技術(shù)，在定位精度及穩定性、柔性調節控制、寬范圍調節、輸出轉矩和轉速、減少備件的種類(lèi)和數量等方面顯示了優(yōu)越的性能。

2.6、模塊化設計加一體化結構設計。

　　采用一體化結構設計使得整個(gè)系統的設計、安裝、操作、維護等方面大大簡(jiǎn)化。而采用了模塊化設計可以更方便設備的調試和拆換，為用戶(hù)提供了最大的方便，節省了因部分壞掉而全部設備的更換帶來(lái)的額外費用開(kāi)支。

3、智能電動(dòng)執行器的組成及基本工作原理

　　傳統的電動(dòng)執行器功能相對簡(jiǎn)單，采用伺服放大器和執行機構就可以完成基本的功能設計，但是智能型電動(dòng)執行器要完成人機交互、智能控制、通訊等一些相對比較復雜的功能，這就要求在傳統電動(dòng)執行器的基礎上增加一些新的模塊來(lái)支撐這些功能。智能電動(dòng)執行器的結構示意圖如圖1所示。

圖1 智能電動(dòng)執行器結構示意圖

　　由圖1可知，智能執行器的基本功能模塊主要由主控單元、接口模塊、電源模塊、功率驅動(dòng)模塊、伺服驅動(dòng)控制模塊、檢測反饋模塊組成。智能電動(dòng)執行器主控單元通過(guò)接受CAN總線(xiàn)傳送的上位機命令并結合所要調控的對象(如閥門(mén))的檢測傳感器反饋回來(lái)的信號，主控CPU據此計算所需的速度控制信號，然后將該信號傳送至伺服驅動(dòng)控制模塊，功率驅動(dòng)模塊驅動(dòng)電機轉動(dòng)，使被控對象(閥門(mén))的開(kāi)度在理想的時(shí)間內達到一個(gè)合理的位置。智能電動(dòng)執行器利用了現場(chǎng)總線(xiàn)通信技術(shù)將伺服放大器和功率驅動(dòng)模塊緊密聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現了主控單元和執行機構的雙向通訊、在線(xiàn)標定、自我診斷、保護等多種功能，很大程度上提高了控制精度和設備運行的安全性[8，9]。

4、智能執行器的變頻控制策略

　　交流電動(dòng)機變頻調速是在現代微電子技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，其調速性能比傳統的直流電機調速更優(yōu)越，比調壓調速、變極調速、串級調速等交流電機調速方式具有調速平滑、調速范圍更寬、效率高、結構簡(jiǎn)單、運行安全可靠等優(yōu)勢。變頻技術(shù)在智能執行器中的應用，在定位精度及穩定性、柔性調節控制、寬范圍調節、輸出轉矩和轉速、減少備件的種類(lèi)和數量等方面進(jìn)一步提高了執行器的性能和適用性[10，11]。

　　由于PWM技術(shù)可以在實(shí)現變頻變壓的同時(shí)可以抑制諧波的特點(diǎn)，其在交流傳動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應用。智能電動(dòng)執行器的執行機構一般采用交流電機，基于PWM控制技術(shù)在電機變頻調速中的優(yōu)異表現，故采用PWM控制技術(shù)也就成為了智能執行器變頻控制技術(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)要求的電路結構簡(jiǎn)單、成本低，能夠滿(mǎn)足一般傳動(dòng)的平滑調速要求，但是在低頻階段，動(dòng)態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調速性能都不好，系統性能不高、穩定性差。

　　電壓空間矢量(SVPWM)控制方式是一次生成三相調制波形，以?xún)惹卸噙呅伪平鼒A的方式進(jìn)行控制的。在后來(lái)的實(shí)際使用過(guò)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)節較多并且沒(méi)有引入轉矩調節，所以采用這種控制方式的系統并沒(méi)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速方法。這種控制方法的主要思想是通過(guò)測量和控制異步電動(dòng)機定子電流矢量，根據磁場(chǎng)定向原理對勵磁電流和轉矩電流分別進(jìn)行控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，從而達到控制轉矩的目的。但是，在實(shí)際的應用過(guò)程中，由于轉子磁鏈不容易準確觀(guān)測，電動(dòng)機的參數對系統特性影響比較大，并且等效為直流電動(dòng)機后在矢量旋轉變換較為復雜，這使得采用該控制方式的實(shí)際應用效果很難達到理論分析的理想結果[13]。

　　1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授提出了直接轉矩控制變頻技術(shù)。該方法的基本思想是在定子坐標系下分析交流電動(dòng)機的數學(xué)模型，控制電動(dòng)機的磁鏈和轉矩，省去了在矢量變頻控制技術(shù)方式里交流電動(dòng)機等效為直流電動(dòng)機種的復雜矢量旋轉變換計算，也不需要簡(jiǎn)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(zhù)非常緊密的關(guān)系，執行機構的發(fā)展也離不開(kāi)微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)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，智能執行機構的發(fā)展趨勢為：智能變頻技術(shù)、模塊化設計技術(shù)、高效變頻電機及傳動(dòng)技術(shù)、S9工作制、動(dòng)態(tài)力平衡定位技術(shù)、故障診斷及保護技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、抗電磁干擾技術(shù)、機電一體化結構、數字控制技術(shù)等等[15，16]。

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