智能变频控制技术的研究与设计

智能变频控制技术的研究与设计
摘要
随着现在电力电子技术、交流变频调速技术的飞速发展和现代控制理论，告诉微处理器的普及应用，变频调速技术以其良好的调速能力及节能特性越来越多的应用于工程实际。

对于电动执行机构，采用变频调速可以省去复杂的机械齿轮组设计，实现电机的软启动和软停机。

本文首先对电动执行机构在国内外的研究现状和发展趋势进行了大量的分析，对于目前电动执行器只有以低速运行，通过极强的微调作用才能修正微小偏差的缺点，提出了智能型电动执行器与各种阀体配合，利用数字化变频技术、单片机技术、微电子技术，开发了集执行机构、驱动单元、调节控制单元等为一体的智能电动执行机构。

智能控制电路从结构上主要分为控制部分、执行驱动部分及信号检测部分。

控制部分主要单片机、变频调速模块、智能功率模块、整流模块、开关量输入输出通道、故障检测电路等组成；执行驱动部分主要包括执行电机和机械传动部分；检测部分包括电压、电流、温度检测。

采用直接转矩控制算法控制变频器，并在线组态，实现对执行器电机的调速控制，实现了电机柔性启动和平稳运行，避免系统对阀门的冲击。

关键词：智能电动执行器；变频控制；单片机。

Research and Design of intelligent frequency conversion
control technology
Abstract
With power electronics technology, the rapid development of AC variable speed technology and modern control theory to tell more and more used in engineering with its good speed capacity and energy-saving features of the universal application of the microprocessor, frequency conversion technologypractical. Frequency control eliminates the need for complex mechanical gear set design for the electric actuator motor soft start and soft stop.
The first electric actuator in the status quo and development trend of domestic and foreign research a lot of analysis performed for the electric actuator only drawback to running at low speed, strong fine-tune the role to correct minor deviations proposed intelligent electricwith the valve body with using digital inverter technology, single-chip technology, micro-electronics technology, developed a set of implementing agencies, the drive unit, adjust the control unit and other for the integration of intelligent electric actuators.
Intelligent control circuit structure is divided into the control part of the implementation of drive parts and signal detection part. Control part of the main microcontroller, frequency control modules, intelligent power module, rectifier module, switch input and output channels, fault detection circuit; execution driven mainly include the implementation of the motor and mechanical drive components; detection part including voltage, current, temperature detection . S the use of direct torque control algorithm to control the frequency converter and online configuration, speed control actuator motor, motor soft start and smooth running, to avoid the system on the impact of the valve.
Keywords: intelligent electric actuators; inverter control; microcontroller.
第一章绪论
随着工业的发展，在工业现场控制方面，电动执行器的重要地位逐步显现出来，由于电机转速恒定，只能依靠齿轮组变速，但传统的电动执行器采用交流电动机与齿轮组及蜗轮蜗杆的组合，而执行机构一旦出厂齿轮组便无法改变，所以不管在正常运行状态或是在紧急状态下，阀门的开/关速度都不可改变。

此外，电机起动若采用直接启动方式会产生较高的起动电流，对电机造成很大的冲击，降低了电机使用寿命；电机停机时若无法预先减速，也会导致关断动作对机械部分的冲击比较大。

1.1智能电动执行器的介绍
如今世界工业发展迅速，向自动化稳步迈进。

当今工业发展的重点是能源、化工、钢铁、运输和建筑等行业，与工业发展有密切联系的是水、气(汽)、油等流体的应用，而流体在工业上的应用离不开管网系统，有管网必然会有阀门，要实现管网系统的工业自动化管理，就离不开管网系统中电动阀门的执行机构。

阀门控制装置也称阀门电动执行机构，是驱动和控制阀门的重要装置。

电动执行器，在现代工业过程生产自动化中至关重要，俗称实现生产过程自动化的“手足”，它由执行机构和调节机构两部分组成，其中将调节仪表的指令信号转换成为力或力矩的部分叫电动执行机构；而将直接改变被调量的各种阀门和类似作用的机构称为之为调节机构。

电动执行器以电源为动力，接收标准信号（4～20mA 电流信号）或者上位机的数字信号，通过将信号变成电动执行器相对应的机械角位移或直线位移，从而实现自动改变操作变量(调节阀、风门、挡板等的开度等) ，以达到对被调参数（温度、压力、流量、液位）自动调节的目的，使生产过程按预定要求进行。

所以电动执行器会对自动调节系统的安全运行、调节品质及可靠性的优劣有很大的影响。

相对于气动、液动执行器而言，电动执行器具有的主要优势：
（1）即使在电源失电的情况下，无需特殊的气源和空气净化等装置，也能保持原执行位置；
（2）电缆敷设比气管和液体管道敷设方便许多，可远距离传输信号，并且便于线路检查；（3）与计算机之间方便简洁的连接，更适应采用新的电子信息技术。

因此在目前的阀门控制领域中，电动执行机构应用广泛。

电动执行机构是以电源为动力，通过电机带动阀门相应动作。

因此电动执行机构在控制阀门运行过程中，电机的运行状态直接决定了阀门的控制状态。

为了实现对阀门的精确稳定控制，电机控制技术非常重要。

当智能执行器与现场总线连接时，智能执行器就成为了现场总线控制系统中的一块现场仪表，这时它不仅具有执行器的功能，而且还具有控制、运算和通讯等功能，同时可以实现网络化管理。

智能执行器具有可靠性高、使用方便、通信功能强、诊断保护功能完善、适应性广泛等优点。

1.2智能电动执行器的研究现状
1.2.1国内电动执行器的研究现状
我国电动执行器的研究工作起步较晚，从最初仿制苏联的有触点式电动执行器到自行研制生产无触点式DKJ型角行程和DKZ直行程两大系列电动执行器产品。

随着电子技术、计算机和机电一体化等相关技术的迅速发展，我国仪器仪表技术得到大幅度提升。

目前，我国已经能够研制生产出直接受计算机控制的电子型、户外型及防爆型等改进型电动执行器，同时还将控制电路封装在小型塑料盒中，形成了便于维护的即插即用型。

可见，普通的DKJ型和DKZ型两种类型的电动执行器的精度、可靠性及负载能力等性能都得到很大的提升。

目前，我国做的比较好的电动执行器有上海光辉自动化阀门有限公司生产的RQM系列的电动执行器，其位置控制误差达到±1%，重复性误差小于等于1%；上海工业自动化仪器仪表研究所研制的RK-Z系列智能电动执行器采用全封闭，一体化结构和螺杆螺母式传动系统，具有承载能力强、传动平稳且传动精度高等优点。

但是目前国内较为先进的智能电动执行器大多引进国外的关键技术生产制造的。

比如天津龙城自动化仪表有限公司生产的SH系列智能型电动执行器采用法国的新一2代先进技术；鞍山阀门厂采用日本的是关键技术，生产的电动执行器具有：基本误差±1%，回差1%，死区0.8%-1.0%可接收调节器的标准控制信号（4-20mA电流信号）等特点。

根据以上分析我国电动执行器研究的现状可见，我国自主研发的电动执行器仍然存在控制方式落后，可靠性低，无法根据工业生产的实际要求进行参数调整，没有力矩和行程保护，使得阀门或生产设备容易受损，从而降低了其使用寿命。

较为先进的执行器依然采用国外的关键技术，或在引进技术的基础上进行一定程度的变动，从而形成自己的产品，但是改进和创
新力度依然不够，以至于没有较大突破。

随着工业自动化智能化的发展，市场对工业过程控制的终端提出更高的要求。

因而，研制出适合我国现代化工业发展需要的新型智能电动执行器已经迫在眉睫。

1.2.2国外电动执行器的研究现状与发展趋势
与国内相比，国外的微电子、计算机、机电一体化以及总线等技术水平远远领先于国内，电动执行器的技术术水平也一直领先于国内。

自20世纪80年代以来，国外相继推出了符合各种工业现场总线的智能电动执行器，在实际应用中也取得了很好的使用效果。

随着近年来，电子计算机，微控制器技术在电动执行器研究中的应用，国外的一些著名公司已经研制出了新型的智能化电动执行器。

这些电动执行器结构简单，性能稳定可靠且功能强大。

如英国的ROTORK公司，德国Hartmann&Braum公司和SIMENS公司，美国的JORDAN公司和LIMITORQUE公司。

ROTORK公司生产的IQ系列智能电动执行器支持多种工业现场总线；具有便利的参数遥控设定功能；丰富的在线显示功能；完善的故障自诊断及保护功能；应用计算机技术把先进的自动跟随控制技术设定为一项标准功能，大大提高了电动执行器响应品质；防水防爆；调试及故障排除简单。

JORDAN公司的智能电动执行器的突出优势在于其动作频率高（2000/h-4000/h）。

目前国际上先进的电动执行器正向着总线化、网络化，数字化、智能化和小型化、机电一体化方向发展。

图1-1、图1-2和图1-3分别是ROTORK公司研制的IQM频繁调节智能电动执行器、LIMITORQUE 公司研制的Accutronix MX直行程电动执行器和德国AUMA公司研制的先进的智能电动执行器。

ROTORK IQM 频繁调节智能电动执行器
注:IQM频繁调节智能电动执行器具有:结构简单，高度集成模块化，故障智能诊断自动回复功能，手机远程通信，双层密封防水、防尘、防爆等级IP68，终身维护。

Accutronix MX直行程电动执行器
注：Accutronix MX直行程电动执行器兼顾可靠性与高性能，提供阀门光学位置检测精度达15位数。

AUMA智能电动执行器
注：德国AUMA是世界第二大电动执行器生产商。

动作频率高，启动速度快，精度0.5%到2.5%可调，完善的故障显示和保护。

综合目前国外各种性能优越的智能电动执行器，可以得出以下共同特点：
⑴采用机电一体化结构。

新型智能电动执行器将伺服控制器与执行机构融合为一体，驱动电路采用功能强大的集成模块，其结构简单，控制性能优越且使用方便。

⑵应用智能控制技术。

价格较低和新型的高速微处理器替代纯模拟器件构成的电动执行器控制单元，实现数字化控制系统。

原有的硬件控制被软件控制所代替，从而可以在电动执行器研究中应用现代控制理论的先进控制算法，如：PID控制、最有控制、模糊控制等。

⑶能够故障自诊断。

电动执行器内部的微控制器连续监视执行器状态，一旦检测到故障实时的发出报警并显示相应的故障信息。

⑷具有较强的现场适应性。

能够根据工业生产的实际要求进行参数调整。

执行器内部信号与外部信号采用光电隔离技术，提高了系统的安全性和可靠性，且整机设计具备较高的防爆等级。

1.3 电动执行器控制技术的发展概况
电力电子技术、计算机技术及通讯技术的快速发展必将推动电动执行器更加快速的发展，机电一体化将取代分体式结构；智能通讯的取代模拟的；控制精度将越来越高，使用环境越来越广；功能更强大，可靠性更高，以适应不断发展的自动控制的要求。

1、总线化、网络化
国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化（Factory Automation）工程技术在最近十年来得到了长足的发展，作为自动控制中自动化仪表之一的电动执行器为适应这一发展趋势，也应具有标准的串行通信接口（如RS-232或RS-422接口等）和专用的局域网接口，以增强其与其它控制设备间的互联能力，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台、甚至数十台电动执行器与上位计算机连接成为整个数控系统。

现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。

现场总线企业网作为今后控制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化等优点，使它与Internet的结合成为可能，现场总线技术应用于电动执行器成为必然趋势。

现场总线技术的应用，取代了传统的4～20mA模拟信号，实现了电动执行器的远程监控，状态、故障、参数信息传送，完成远程参数化工作，提高了它的可靠性，降低了系统及工程成本。

目前有影响的现场总线主要有PROFIBUS，FF，HART，CAN等，其实，国外目前的智能电动执行器一般都带有现场总线接口，我国也开发了一些带现场总线接口的智能执行器。

2 、数字化、智能化
智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，价格低廉的单片机和新型高速微处理器将全面代替以模拟电子器件为主的电动执行器的控制单元，从而实现完全数字化的控制系统。

全数字化的实现，将原有的硬件控制变成了软件控制，从而可以在电动执行器中应用现代控制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）来提高控制性能。

传统的电动执行器一般被看作是线性系统，由放大环节和积分环节组成，但实际上，绝大多数执行器参数在运行期间会显著地发生改变，应用参数调度和模型辨识自适应控制将大大提高电动执行器的控制性能。

相对气动、液动执行器来说，接线简单、功能强大、使用可靠的智能电动执行器将不断扩大应用范围。

3、小型化、机电一体化
电力电子的高度集成化，单片机的使用以及一些功能强大模块的使用，使电动执行器的体积越来越小，向小型化，轻便化发展。

目前，智能电动执行器一般将整个控制回路装在一台现场仪表里，将伺服电机，现场仪表控制器安装为一体。

电动执行器一体化，使得执行器的安装与调试工作都得到了简化；将整个控制回路装在一台现场仪表里，又减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响，提高了系统的可靠性。

国际上，电动执行器正朝着小型化、一体化、数字化、智能化、总线化和网络化方向快速发展，国产电动执行器在产品的品种、控制精度、工艺水平、可靠性、智能化和网络化方面还有较大差距，具有自主知识产权的高性能电动执行器十分匮乏。

找到我们与世界在电动执行器方面的差距，明确目标，通过我们的努力尽快减小国产电动执行器与世界先进水平的差距。

近年来，随着微电子技术和控制技术的迅速发展，电动执行机构也获得了快速发展，特别是国外一些生产厂商在这几年中相继推出了常规的、变频的、带现场总线通信协议的智能电动执行机构。

从这些产品中，可以看到智能电动执行机构的发展趋势：机电一体化结构逐步取代组合式结构，智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术，运用红外遥控的非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术，带通信的逐步取代不带通信的，数字控制逐步取代模拟控制。

目前市场上大多数阀门控制器产品采用交流电动机与齿轮组及蜗轮蜗杆的组合，采用两组可控硅加继电器实现正反转控制。

由于电机转速恒定，只能依靠齿轮组变速，而执行机构一旦出厂齿轮组便无法改变，所以无论在正常运行状态还是紧急状态下，阀门开/关速度都不可改变。

此外，电机直接起动会产生很大的起动电流，对电机造成冲击，
减少电机使用寿命；电机停机时无法预先减速，导致关断动作对机械部分的冲击也比较大。

所以一般执行机构对阀门的控制特性较硬，机械磨损较严重。

变频调速技术由于其良好的调速能力及节能特性越来越多地应用于工程实际。

对于电动执行机构，采用变频调速可以省去复杂的机械齿轮组设计，实现电机的软起动和软停机，伺服电机每次起动过程不会再出现冲击电流。

伺服电机也单相电机改为三相电机，自由设定阀门开关速度和控制规则，完成快速、高精确度的控制。

智能型电子式变频电动执行器是采用单片机技术和变频调速技术，对传统电动执行器存在的缺陷进行改造。

它按输入信号和执行器位置偏差值去控制执行器工作速度，偏差大速度快，偏差小速度慢，动态响应极好，调节精度大幅度提高。

此外，它瞬时起动无过载电流，机械故障少。

智能变频电动执行器在调节过程中，伺服电机运行速度是变化的。

在输入信号和位置反馈信号偏差较大时，电机运行速度比普通电动执行器快，加速调节作用。

但随着输入信号和位置反馈偏差信号减小时，伺服电机运行速度会变慢，执行器的运行速度也会随之下降。

越接近平衡点伺服电机运行速度会越慢。

在平衡点附近执行器会一点点打开和关闭，其结果是大大提高了执行器的微调作用和定位精度。

由于智能型变频电动执行器在调节过程中的变速调节，调节过程中的过调量减小，动态震荡频率明显下降。

圆满解决了电动执行机构灵敏度和稳定度的一对矛盾。

第二章电动执行器控制系统总体设计
2.1引言
控制系统是智能电动执行器系统的核心，对产品的性能起到决定性作用。

本章首先介绍了智能电动执行器控制系统的技术指标和功能分析，在此基础上重点介绍电动执行器控制系统总体设计方案，电机的选型、工作原理及其数学模型。

2.2 智能电动执行器的基本结构
在工业过程自动化控制系统方面，智能电动执行器占据了重要的地位，广泛应用于能源、冶金、石油、化工、建材等行业，集常规仪表的检测、控制、执行、调节等作用于一身，具有智能化控制、显示、诊断、保护和通讯等功能的系统。

它以控制器为核心，并把许多部件组装在一起的一体化结构，其外观如图 2.1 所示，基本结构如图 2.2 所示。

图2.1 智能电动执行器的外观图
Fig.2.1 Appearance Of Intelligent Electric Actuator
图2.2 智能电动执行机构的结构图
Fig.2.2 Structure Of Intelligent Electric Actuator
由图 2.2 可知，智能电动执行机构主要包括如下几个部分：
（1）带有智能控制软件的控制器
（2）用于提供各种参数变化信号的传感器
（3）I/O 及通讯口
（4）三相伺服电机
（5）阀门
本文的主要工作是完成智能电动执行机构的变频控制的设计。

2.3电动执行器控制系统功能分析
系统要求设计的控制系统具有以下特点：
①具有参数设置、就地模式、远程模式三种工作模式。

②接收开关量（面板或者外部调节器）完成电机的正转、反转、停止控制。

③接收来自调节器的模拟量信号（一般是4-20mA电流信号或1-5V电压信号），控制阀门准确定位。

④对阀门位置实时监测，通过4-20mA电流信号或1-5V的电压信号实时反馈给调节器。

⑤在电机调速范围内，实现对电机快速启动，无级平滑速度调速。

⑥丰富的在线显示和报警功能。

显示系统当前状态和相关参数。

当系统出现故障时，能及时发出报警同时显示故障信息，给系统的维护提供了极大的方便。

⑦红外遥控进行参数设置和现场非接触式操作，使得系统能够在较恶劣的环境下工作。

⑧内部提供3.6V电池，使其在没有外部电源的情况下，实时监测在线显示手动模式下阀门位置。

⑨具有较强的抗干扰能力，能够克服电磁干扰，温度影响和噪声干扰。

根据以上系统设计的技术指标和性能要求，我们研制的电动执行器控制系统允许用户通过操作面板上的三位选择开关使电动执行器工作在参数设置模式、就地模式、远程模式三种工作模式。

其中，就地模式和远程模式是操作模式，参数设置模式用于用户设定相关参数。

在参数设置模式下，用户通过操作面板或者遥控器对控制系统的相关参数进行设定。

用户设定的参数主要包括：基本参数，I/O参数，控制方式参数，终端参数。

基本参数是阀门在任何操作模式下都需要读取的参数，包括：阀门限位方式，紧急情况的处理方式，阀门运行速度，紧急情况下运行速度，过热情况下运行速度，开关行程点等。

I/O 参数设定了设定值零点、设定值斜率、反馈值零点、反馈值斜率等参数。

控制方式参数
主要设置在就地模式或者远程模式下用户对阀门的控制方式。

就地模式可设置的控制方式：脉冲式，维持式。

远程模式可设置的控制方式：脉冲式，维持式，模拟量调节等。

终端参数设置是为了校准阀门最大最小位置并存储最大阀位和最小阀位对应的脉冲数值。

在就地模式下，用户从面板上进行操作。

就地模式包括脉冲式和维持式两种控制方式。

脉冲式控制方式下，系统接收面板的操作指令OPEN或CLOSE触发信号后，启动电机正转（反转），并根据用户设置的速度参数调节电机转速，当接收到STOP指令或阀门运动到开（关）行程点时，立即对电机制动将阀门停在当前位置。

维持式控制方式下，CPU接收面板的操作指令OPEN或CLOSE持续
电平信号即按下后不松开，启动电机正转（反转），当按键指令取消或阀门运动到开（关）行程点时，立即对电机制动将阀门停在当前位置。

在远程模式下，面板的按键操作和遥控器操作无效，只能通过外部调节器对阀门进行操作。

远程模式的脉冲式和维持式控制方式和就地模式情况相似。

，系统接收调节器的数字信号控制电机正转、反转、停转使阀门停在用户需要的位置。

模拟量调节控制方式下，控制系统接收来自调节器的模拟量信号（4-20mA电流信号或1-5V电压信号），根据用户设定的速度、零点值、斜率、开死区等参数控
制阀门以用户设定的速度按照设计的控制策略运动到设定的位置。

为了适应比较恶劣的现场环境或者避免对面板直接操作，设计了红外遥控装置。

在参数设置或就地模式下，遥控器可以取代面板对执行器进行操作。

为了避免多台执行器相互干扰，我们在遥控装置中设计了独特的取址操作。

使用遥控器操作执行器时，首先要获取每台执行器编号，然后才能对与获取的编号相对应的执行器进行操作。

2.4 系统总体方案的设计
智能电动执行器控制系统主要包括以下几部分：四种信号的检测模块，系统供电电源，核心控制模块，电机开关控制模块（即接触器、灭弧器），人机对话接口模块，远程监控通讯接口模块。

其具体的工作原理和系统结构图如图 2.3 所示。

本文将用大量篇幅介绍系统的详细构成、硬件设计和软件设计。