過力矩保護(hù)是電動(dòng)執(zhí)行器的一個(gè)重要控制環(huán)節(jié)，它的控制精度直接決定著執(zhí)行器能否對(duì)自身和連接的閥門起到保護(hù)作用。本文從三種主流過力矩保護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)及控制精度等方面進(jìn)行對(duì)比和分析，以判斷過力矩保護(hù)的發(fā)展方向。

　　電動(dòng)執(zhí)行器作為工業(yè)過程控制系統(tǒng)中一個(gè)十分重要的現(xiàn)場驅(qū)動(dòng)裝置，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工等行業(yè)。在流體控制中如閥門在運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)問題，就會(huì)在電動(dòng)執(zhí)行器中體現(xiàn)出來。所以它還擁有一個(gè)身份——“閥門的保護(hù)者”，其作用就體現(xiàn)在對(duì)閥門的正常使用的監(jiān)測，其中很重要的一點(diǎn)就是過力矩保護(hù)。

　　顧名思義，過力矩保護(hù)就是指電動(dòng)執(zhí)行器在運(yùn)行過程中一旦出現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過允許的數(shù)值，應(yīng)立即切斷電源或者發(fā)出報(bào)警信號(hào)，進(jìn)而停止電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到保護(hù)閥門同時(shí)保護(hù)執(zhí)行器自身的目的。

　　作為現(xiàn)場儀表的一種，電動(dòng)執(zhí)行器的價(jià)值更多地體現(xiàn)在穩(wěn)定性、可靠性和控制精度上。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)執(zhí)行器的要求早已超越了運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定和可靠，對(duì)控制精度的要求越來越高，而過力矩保護(hù)在控制精度中占有極為重要的位置。在我國，電動(dòng)執(zhí)行器發(fā)展相對(duì)較晚，在過力矩保護(hù)方面就體現(xiàn)得更為明顯。我們姑且把發(fā)展階段按過力矩的發(fā)展?fàn)顩r分為三個(gè)階段：機(jī)械控制過力矩階段、傳感器控制過力矩前期、傳感器控制過力矩后期。在各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展飛速的今天，我們的過力矩保護(hù)將走向何方呢?

1、機(jī)械控制過力矩階段

　　我國從六十年代末七十年代初開始仿制前蘇聯(lián)的電動(dòng)執(zhí)行器，經(jīng)過二十年緩慢發(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(zhí)行器(我國唯一生產(chǎn)的電動(dòng)執(zhí)行器)。那個(gè)時(shí)候電動(dòng)執(zhí)行器在我國尚在推廣之中，僅僅用來在特殊環(huán)境下代替人工作業(yè)，更談不上過力矩保護(hù)功能，只能依靠設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)的功率來保證對(duì)力矩的控制。后來引進(jìn)伯納德電動(dòng)執(zhí)行器的技術(shù)，出現(xiàn)了最早的過力矩保護(hù)，其控制方式就是機(jī)械控制過力矩方式(后文介紹和分析的是在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的控制過力矩方式)。這種方式的主要部件是力矩簧、傳動(dòng)件、行星內(nèi)齒圈、力矩微動(dòng)開關(guān)。見圖1。

圖1 電動(dòng)執(zhí)行器減速器部分結(jié)構(gòu)簡圖

1.1、控制原理

　　電動(dòng)執(zhí)行器帶負(fù)載運(yùn)行，與電機(jī)連接的行星內(nèi)齒圈隨著轉(zhuǎn)矩的傳遞，根據(jù)傳遞轉(zhuǎn)矩的大小，軸側(cè)力出現(xiàn)微小的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的幅度幾乎與負(fù)載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小成正比(具體計(jì)算在這里省略)。

　　所以一旦負(fù)載超過允許的最大值，撥動(dòng)裝在內(nèi)齒輪外沿上的裝有平衡正向和反向兩個(gè)轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)螺旋圓柱彈簧(簡稱力矩簧組件)的傳動(dòng)件，使力矩簧組件整體左右移動(dòng)。當(dāng)過力矩時(shí)，傳動(dòng)件帶動(dòng)連桿觸動(dòng)該方向上的力矩微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，產(chǎn)生瞬時(shí)電信號(hào)。在這里就有一個(gè)問題，如果電動(dòng)執(zhí)行器過力矩只報(bào)警一下，那就根本無法符合實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)要求，故要借助控制電路板中專用的繼電器來協(xié)助完成，從而使電動(dòng)執(zhí)行器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。見圖2。

圖2 力矩簧組件和行星盤組件示意圖

1.2、控制精度

　　控制精度一般在10%到25%之間，而且隨著負(fù)載的轉(zhuǎn)矩的變小，變得越來越差。

　　這種過力矩保護(hù)方式是電動(dòng)執(zhí)行器發(fā)展到目前為止唯一的機(jī)械控制過力矩方式，與電氣控制部分、電機(jī)、減速器部分有機(jī)結(jié)合和連接。

1.3、缺點(diǎn)

　　這種機(jī)械控制方式主要存在三方面的問題：

　　1)力矩簧的材質(zhì)——彈簧的彈性系數(shù)在整個(gè)控制過力矩過程起著重要的作用;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(duì)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)過力矩控制過程。

　　2)機(jī)械部件在長期頻繁使用狀況下顯得壽命相對(duì)較短，隨著使用時(shí)間的加長，故障的出現(xiàn)率也會(huì)越來越高，同時(shí)大大影響過力矩保護(hù)控制的精度。

　　3)在現(xiàn)場安裝執(zhí)行器需要根據(jù)不同的要求的保護(hù)轉(zhuǎn)矩值來對(duì)傳動(dòng)件的位置和力矩簧的松緊程度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，而這樣的機(jī)械控制方式需要打開控制箱部分的箱蓋，最重要的是需要專業(yè)人員進(jìn)行調(diào)節(jié)，非專業(yè)人員不易掌握，而且不易調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，造成較大誤差。

　　之后也有一些制造商主動(dòng)求變，將這樣的過力矩保護(hù)方式結(jié)構(gòu)做了一些改變，又將行星盤組件的位置做了一些改動(dòng)，但實(shí)際效果大同小異，并沒有實(shí)質(zhì)的改變。目前的機(jī)械控制方式顯然已經(jīng)不滿足現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展要求了，但作為唯一機(jī)械控制方式，仍可以控制過力矩的范圍，而不作為精確控制。考慮到這種技術(shù)的成熟度和認(rèn)知度，現(xiàn)在國內(nèi)仍有廣大執(zhí)行器制造商使用此種控制方式。

2、傳感器控制過力矩前期

　　隨著電動(dòng)執(zhí)行器行業(yè)和現(xiàn)代工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的發(fā)展，儀器儀表行業(yè)整體綜合各項(xiàng)技術(shù)在不斷上升，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)在儀器儀表行業(yè)逐步開始應(yīng)用，出現(xiàn)了新式的智能型執(zhí)行器，適應(yīng)能力、自身應(yīng)變能力相對(duì)原有的老品DKJ、DKZ更強(qiáng)，控制精度自然相應(yīng)提高。單單依靠機(jī)械和電路板的組合才能完成的過力矩保護(hù)已經(jīng)不能適應(yīng)了，控制精度也不能完全達(dá)到要求，而一些制造商所做的一些改進(jìn)也沒有特別明顯的提高，就迫切需要一種新的實(shí)現(xiàn)過力矩保護(hù)的方法，既可以獨(dú)立完成過力矩保護(hù)功能，也可以配合控制板做到更好的控制精度。當(dāng)時(shí)有一些廠家嘗試將監(jiān)測用傳感器應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行器內(nèi)部以提高測量精度，而過力矩保護(hù)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(xiàn)了一種新的方式。

2.1、應(yīng)變式模擬扭矩傳感器測量原理

　　應(yīng)變式扭矩傳感器的測量原理是采用應(yīng)變片電測技術(shù)，在彈性軸上組成應(yīng)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(hào)，進(jìn)而得到扭矩值。見圖3。

圖3 應(yīng)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(zhí)行器上承載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。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(zhí)行器的輸出軸設(shè)定為彈性軸，將應(yīng)變片組貼在輸出軸上(見圖4);而第二種是在遇到大的轉(zhuǎn)矩才會(huì)使用帶有轉(zhuǎn)接軸套的扭矩傳感器，通過傳感器內(nèi)部自帶的彈性軸來完成轉(zhuǎn)矩的測量。當(dāng)執(zhí)行器帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，應(yīng)變片組將輸出軸受到的轉(zhuǎn)矩而造成的細(xì)微的形變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過信號(hào)處理電路得到此刻的扭矩值。信號(hào)繼續(xù)通過判斷電路，一旦超過負(fù)載的最大值，獨(dú)立的控制電路就自行切斷電機(jī)電源，也可以通過輸入保護(hù)信號(hào)到控制中樞電路，間接停止執(zhí)行器的運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 應(yīng)變片貼附位置示意圖

2.3、控制精度

　　該過力矩保護(hù)方式相比以往的機(jī)械控制方式，控制精度有了明顯的提高，可以達(dá)到10%左右，控制精度最高的可以達(dá)到7%。該過力矩保護(hù)方式不同于以往的傳感器應(yīng)用，將檢測電子技術(shù)與過力矩控制嘗試結(jié)合，既可以獨(dú)立起到控制保護(hù)作用，也可以配合控制中樞電路板。這樣的保護(hù)控制方式可靠性高，目的性更強(qiáng)，更有針對(duì)性。

2.4、缺點(diǎn)

　　這種電子式控制過力矩方式同樣存在四方面的問題：

　　1)直接測量控制中，傳感器中的應(yīng)變片組要隨著輸出軸旋轉(zhuǎn)，對(duì)于整體傳感器的結(jié)構(gòu)要求更高，對(duì)于安裝環(huán)節(jié)也同樣有著較高的要求。但是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉(zhuǎn)的輸出軸上的應(yīng)變橋的橋壓輸入及檢測到的應(yīng)變信號(hào)輸出如何可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導(dǎo)電滑環(huán)來完成。由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。及由于接觸不可靠引起信號(hào)波動(dòng)。

　　2)而對(duì)于過載方面的調(diào)節(jié)，如果出現(xiàn)瞬間的高負(fù)載轉(zhuǎn)矩，那么很有可能瞬間過載而損壞傳感器，導(dǎo)致過力矩保護(hù)失效。在導(dǎo)致高負(fù)載轉(zhuǎn)矩的各種原因中有一種是來源于自身的，就是死點(diǎn)。而在機(jī)械系統(tǒng)中死點(diǎn)廣泛存在，且無法徹底消除，那么執(zhí)行器配套的減速器部分的死點(diǎn)同樣存在，所以對(duì)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)問題。

　　3)應(yīng)用電子控制，就不能回避干擾的影響。通過模擬測量原理圖很容易看出，這些影響有可能來自外界，也有可能來自電路或者執(zhí)行器內(nèi)部。執(zhí)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)亟需解決的問題。

　　4)較高的制造成本也成為制約其發(fā)展與廣泛應(yīng)用的因素之一。

　　為了緩解干擾、提高控制過力矩控制精度，數(shù)字式扭矩傳感器開始代替模擬式。對(duì)于傳感器中的導(dǎo)電滑環(huán)，我們?cè)��?jīng)專門做過實(shí)驗(yàn)，使用無線電遙測的方法，將扭矩應(yīng)變信號(hào)在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，通過載波調(diào)制用無線電發(fā)射的方法從旋轉(zhuǎn)軸上發(fā)射至軸外，再用無線電接收的方法，就可以得到旋轉(zhuǎn)軸受扭的信號(hào)。盡管原理上可行，但遺憾的是這樣的實(shí)驗(yàn)失敗了，在執(zhí)行器減速器箱體內(nèi)狹小有限的空間內(nèi)增加測量裝置，而又不能影響其運(yùn)轉(zhuǎn)，顯然難度太大了。

3、傳感器控制過力矩后期

　　隨著儀器儀表行業(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(jì)算機(jī)技術(shù)趨于成熟，各方面技術(shù)的配合應(yīng)用更加靈活，模塊的出現(xiàn)就是一個(gè)標(biāo)志，隔爆型、智能型等都陸續(xù)推出了改進(jìn)型，綜合能力更強(qiáng)。來自國外的先進(jìn)技術(shù)使執(zhí)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、防護(hù)等級(jí)迅速提高，要求控制精度進(jìn)一步提高。在過力矩保護(hù)方面，無法應(yīng)對(duì)高過載和有效抵抗干擾已然成為制約控制過力矩精度進(jìn)步的一道坎。國外的同行業(yè)廠家依靠先進(jìn)的基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)先國內(nèi)很多，這方面的技術(shù)更加成熟，所生產(chǎn)的產(chǎn)品更加穩(wěn)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(jī)技術(shù)所應(yīng)用的力矩限制器(TSFTST)的一些設(shè)計(jì)思路和技術(shù)應(yīng)用到了電動(dòng)執(zhí)行器的過力矩保護(hù)中。

　　在這種思路的基礎(chǔ)上，對(duì)于直接測量所出現(xiàn)的無法有效解決的各種問題，設(shè)計(jì)思路就轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接測量，出發(fā)點(diǎn)就是電機(jī)。近兩年國內(nèi)廠家出現(xiàn)了從電機(jī)入手的新式過力矩保護(hù)控制方式，也就是力矩檢測電路。它的有些功能和結(jié)構(gòu)類似TSFTST。在結(jié)構(gòu)方面，有單片機(jī)、傳感器等。在功能方面，當(dāng)實(shí)際負(fù)載為額定負(fù)載的90%以下時(shí)，顯示器“正常”燈亮;當(dāng)實(shí)際負(fù)載達(dá)到額定負(fù)載的90%時(shí)，顯示器“90%”燈亮，同時(shí)開始間斷鳴叫預(yù)警;當(dāng)實(shí)際載荷達(dá)到額定載荷的100%時(shí)，顯示器“100%”燈亮，同時(shí)開始間斷加快鳴叫報(bào)警;當(dāng)實(shí)際載荷達(dá)到額定載荷的105%時(shí)，顯示器“105%”燈亮，同時(shí)長鳴報(bào)警，繼電器動(dòng)作，電動(dòng)執(zhí)行器停止工作。目前的OSTO檢測電路基本可以達(dá)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(zhí)行器運(yùn)行中電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)矩是成正比的，執(zhí)行器在運(yùn)行過程中一直在克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩做功。

　　電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為：TKI=Φcosθ。其中，K為比例常數(shù)，I為電機(jī)轉(zhuǎn)子的電流，Φ為電機(jī)氣隙旋轉(zhuǎn)磁通的輻值，cosθ為電機(jī)的功率因數(shù)，θ為電機(jī)氣隙磁通與轉(zhuǎn)子電流的相位差。K比例常數(shù)可以通過在廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到。考慮到I電機(jī)轉(zhuǎn)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代替Φ磁通可以通過在定子繞組中增加簡單繞組來得到。

　　cosθ電機(jī)功率因數(shù)需要利用單片機(jī)來計(jì)算，通過電機(jī)的三相電壓和電流公式可以得到功率因數(shù)等于電機(jī)中任意一相的線電流與其他兩相線電壓的夾角的正弦值。利用單片機(jī)的計(jì)算能力和過零比較電路可以輕松計(jì)算得到。得到電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，再經(jīng)過計(jì)算電路得到輸出轉(zhuǎn)矩，從而判斷此刻傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是否超過容許轉(zhuǎn)矩的最大值。見圖5。

圖5 電機(jī)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(yùn)用單片機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)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(duì)于整體測量的精確度起著很重要的作用，并且對(duì)于高負(fù)載的轉(zhuǎn)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(yùn)算負(fù)擔(dān)很重，使用壽命受影響;同時(shí)使用兩種傳感器的話，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D/A、A/D的轉(zhuǎn)換，最后的控制精度仍然受影響。

　　面對(duì)這樣的缺點(diǎn)，在今年初出現(xiàn)了簡化電路的做法，主要出發(fā)點(diǎn)在于減輕電路的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。如果能夠通過I、Φ、θ中的一、兩個(gè)變量來獲得轉(zhuǎn)矩T，則既可降低電路的硬件成本，又可減少微處理器的計(jì)算工作量。作為過載保護(hù)來講，由此帶來的測量精度下降，是完全可以接受的。依據(jù)這一思想，對(duì)執(zhí)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(見圖6)，經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)T與θ的關(guān)系具有較高的靈敏度，且在執(zhí)行器輸出額定轉(zhuǎn)矩與空載轉(zhuǎn)矩之間，θ的變化范圍為：20°<θ<90°，可以作為測量T的依據(jù)。

圖6 T與θ的關(guān)系曲線示意圖

　　通過純數(shù)學(xué)——最小二乘法的方法解方程(具體計(jì)算這里省略)，有效地消除不易測量的轉(zhuǎn)子電流等未知量，可以降低成本，減輕電路的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，同時(shí)增加整體過力矩保護(hù)電路對(duì)電壓的適應(yīng)能力。這種方案由于剛剛開發(fā)出來，尚在實(shí)驗(yàn)中，具體的使用效果暫時(shí)還不好下結(jié)論。目前有回歸最早機(jī)械過力矩方式的辦法，還有在原有基礎(chǔ)上配合單片機(jī)的綜合計(jì)算能力來提高控制精度的方法。總之一個(gè)宗旨就是提高控制精度。

4、結(jié)束語

　　從過力矩保護(hù)的發(fā)展脈絡(luò)可以很清晰地發(fā)現(xiàn)，整體功能的強(qiáng)化、多樣化、簡單化、小型化貫穿始終，且還在持續(xù)。而近兩年發(fā)展的一個(gè)主題就是智能化。在我們看來，真正的智能化主要還是在于應(yīng)變，電動(dòng)執(zhí)行器面對(duì)不同的條件和環(huán)境，自身要具備應(yīng)變能力。不管過力矩保護(hù)還是電機(jī)熱保護(hù)、高溫和低溫保護(hù)，我們需要增加執(zhí)行器的適應(yīng)能力和自身保護(hù)能力。我們認(rèn)為未來要以自身應(yīng)變能力為主要開發(fā)點(diǎn)。單從過力矩保護(hù)來看，不管最早的機(jī)械式過力矩保護(hù)方式還是目前的利用傳感器、單片機(jī)運(yùn)算電路來完成力矩保護(hù)，都是不完整的。我們的思考方式要更加多元化，充分開發(fā)單片機(jī)的邏輯判斷能力，利用執(zhí)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(zhuǎn)速傳感器測量輸出軸的轉(zhuǎn)速，充分利用單片機(jī)的運(yùn)算能力就可以完成過力矩保護(hù)的全部過程。至于效率、功率因數(shù)那些不可回避的問題，我們完全有能力繞開它們。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(tǒng)機(jī)構(gòu)簡易化，這是一種趨勢。