隨著電力電子技術(shù)、微機(jī)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(dòng)執(zhí)行器及其控制技術(shù)成為了現(xiàn)代電動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(dòng)執(zhí)行器國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀;其次簡(jiǎn)單介紹了智能電動(dòng)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(duì)智能電動(dòng)執(zhí)行器及其控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

　　工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般由檢測(cè)器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)對(duì)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(guò)程控制系統(tǒng)中終端產(chǎn)品，其在自動(dòng)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(jì)的飛速發(fā)展，自動(dòng)化程度的提高，執(zhí)行器應(yīng)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(guó)家對(duì)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(lái)越高，這對(duì)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(jī)控制技術(shù)以及通信技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期對(duì)執(zhí)行機(jī)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(diǎn)的智能型電動(dòng)執(zhí)行器。

1、我國(guó)執(zhí)行器發(fā)展現(xiàn)狀

　　我國(guó)從20世紀(jì)50年代末開(kāi)始仿制前蘇聯(lián)、西德的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)始，經(jīng)過(guò)20世紀(jì)60年代中期的行業(yè)調(diào)整，逐漸形成了我國(guó)自己的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥系列產(chǎn)品;20世紀(jì)70年代初，逐漸開(kāi)發(fā)了DDZ-II、DDZ-III型電動(dòng)執(zhí)行器[3];20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著電力電子技術(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(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入市場(chǎng)，這也是我國(guó)最早的、唯一生產(chǎn)的電動(dòng)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(jī)構(gòu)的聯(lián)合開(kāi)發(fā)，初步實(shí)現(xiàn)了控制儀表和過(guò)程控制的數(shù)字化技術(shù)。由于我國(guó)工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，水平相對(duì)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(duì)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(gè)方向上投資，再加上國(guó)家在建國(guó)后一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有認(rèn)識(shí)到發(fā)展執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要意義。綜合這些原因，我國(guó)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他控制儀表。改革開(kāi)放以來(lái)，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(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(zhí)行器更快的發(fā)展，近些年來(lái)一些廠家為了片面追求效益，只引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品組裝，相對(duì)的技術(shù)消化和技術(shù)人才的梯隊(duì)培養(yǎng)沒(méi)有跟上，致使國(guó)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)相比國(guó)外先進(jìn)技術(shù)落后十幾年的時(shí)間。

　　目前，國(guó)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(duì)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(yáng)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(dòng)執(zhí)行器的專(zhuān)業(yè)廠商，能夠提供多個(gè)規(guī)格的電動(dòng)執(zhí)行器，但是相比國(guó)外，品種規(guī)格還是相對(duì)單一，沒(méi)有形成系列化，另外在防爆、核級(jí)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(guó)外進(jìn)口。

　　相對(duì)普通電動(dòng)執(zhí)行器，智能型具有變頻功能的執(zhí)行器相對(duì)國(guó)外差距更大。在國(guó)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(guó)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(dòng)執(zhí)行器，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向力矩、速度的獨(dú)立、寬范圍調(diào)節(jié)，特別是在S9工作制式下實(shí)現(xiàn)力平衡的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，可以顯著提高交流電機(jī)的定位精度和響應(yīng)速度。

2、國(guó)外執(zhí)行器發(fā)展現(xiàn)狀

　　相比國(guó)內(nèi)執(zhí)行器行業(yè)的技術(shù)落后，國(guó)外相關(guān)行業(yè)在數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)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(chǔ)備深度上，產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)等方面都是國(guó)內(nèi)所無(wú)法望其項(xiàng)背的。

　　目前，國(guó)外在智能型變頻執(zhí)行器方面，德國(guó)SIPOS、法國(guó)BERNARD、英國(guó)ROTORK、美國(guó)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(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(zhí)行器變頻技術(shù)的核心，國(guó)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(mén)電動(dòng)裝置能響應(yīng)外部4~20mA模擬信號(hào)，然后由RS-485通信口發(fā)來(lái)的數(shù)字信號(hào)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(dú)特的結(jié)合在一起，可以在電機(jī)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(jī)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(duì)閥門(mén)的沖撞。

2.3、豐富的在線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(jī)器，如SIPOS5FLASH系列，可以方便的選擇就地和遠(yuǎn)程操作，可以通過(guò)RS232C串口、現(xiàn)場(chǎng)總線等方式對(duì)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(guò)LCD現(xiàn)實(shí)或者通過(guò)LED發(fā)光報(bào)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(lèi)和數(shù)量等方面顯示了優(yōu)越的性能。

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

　　采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、操作、維護(hù)等方面大大簡(jiǎn)化。而采用了模塊化設(shè)計(jì)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(lái)的額外費(fèi)用開(kāi)支。

3、智能電動(dòng)執(zhí)行器的組成及基本工作原理

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

圖1 智能電動(dòng)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(dòng)模塊、伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊、檢測(cè)反饋模塊組成。智能電動(dòng)執(zhí)行器主控單元通過(guò)接受CAN總線傳送的上位機(jī)命令并結(jié)合所要調(diào)控的對(duì)象(如閥門(mén))的檢測(cè)傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，主控CPU據(jù)此計(jì)算所需的速度控制信號(hào)，然后將該信號(hào)傳送至伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使被控對(duì)象(閥門(mén))的開(kāi)度在理想的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)合理的位置。智能電動(dòng)執(zhí)行器利用了現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)將伺服放大器和功率驅(qū)動(dòng)模塊緊密聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了主控單元和執(zhí)行機(jī)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(yùn)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(dòng)機(jī)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(lái)的新技術(shù)，其調(diào)速性能比傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速更優(yōu)越，比調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等交流電機(jī)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(jiǎn)單、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)勢(shì)。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(lèi)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(shí)現(xiàn)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(yīng)用。智能電動(dòng)執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用交流電機(jī)，基于PWM控制技術(shù)在電機(jī)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(jiǎn)單、成本低，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，但是在低頻階段，動(dòng)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(lái)的實(shí)際使用過(guò)程中，人們又引入了頻率補(bǔ)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(méi)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(méi)有從根本上得到改善[12]。

　　針對(duì)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(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理對(duì)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)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(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。但是，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈不容易準(zhǔn)確觀測(cè)，電動(dòng)機(jī)的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性影響比較大，并且等效為直流電動(dòng)機(jī)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(shí)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(guó)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(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)種的復(fù)雜矢量旋轉(zhuǎn)變換計(jì)算，也不需要簡(jiǎn)化交流電機(jī)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(shì)

　　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(jī)構(gòu)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(jī)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(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)為：智能變頻技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、高效變頻電機(jī)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(hù)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、抗電磁干擾技術(shù)、機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)、數(shù)字控制技術(shù)等等[15，16]。

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