CN103672104B - 一种电动执行器扭矩控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动执行器扭矩控制系统及其控制方法，包括：一主控系统，一与主控系统相连接的信号处理电路，一与信号处理电路连接的位移检测系统，所述位移检测系统包括一信号采集电路，所述信号采集电路将可测量物理位移变化量转换为电信号变化参量后，将电信号变化参量传输给信号处理电路，信号经过信号处理电路放大整形后传输给主控系统；还包括一电机驱动电路，所述电机驱动电路接受主控系统的控制指令，调节电机的转动。利用对位移量的非接触性检测，以实现电动执行器扭矩的实时检测和控制。本发明为电动执行器和阀门电动装置控制系统的研发和生产提供了简便、高效的方式，推进了电动执行器行业技术水平的提高和发展。

Description

一种电动执行器扭矩控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动执行器扭矩控制系统及其控制方法，能够实现对电动执行器扭矩的实时检测和保护。

背景技术

目前电动执行器和阀门电动装置在应用现场运行过程中，控制阀门等现场设备做旋转式或直线运动，系统根据外部负载的需求动态调节系统的扭矩输出。

按行业要求，电动执行器和阀门电动装置在实际工作过程中，系统必须能够实时检测扭矩的输出，一旦出现阀门电动装置咬死、负载过大等异常状况，系统输出的扭矩将发生变化；当主控系统检测到当前扭矩值大于系统预设的扭矩保护阀值时，处理器使控制系统立刻采取预设保护动作。

随着电动执行器行业的不断深入发展，对控制系统的要求也不断提高，控制系统的设计强调了对扭矩检测和保护装置的准确性、维护便捷性、稳定性的综合要求。传统的电动执行器通过机械式或通过压力传感器感应扭矩，此方法在实际应用中会碰到设置扭矩参数繁琐、系统稳定性不高、作业效率低、响应速度慢等问题。因此，无法满足行业对控制系统扭矩保护装置准确性、维护便捷性、稳定性的综合性要求。

发明内容

为了消除现有电动执行器领域在扭矩检测和保护功能上存在的诸多缺陷，本发明的目的是提供一种通过对电动执行器扭矩位移传递装置的实时检测，来实现电动执行器阀门控制扭矩的智能检测和保护；利用对位移量的非接触性检测，以实现电动执行器扭矩实时检测。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电动执行器扭矩控制系统，包括：

一主控系统，

一与主控系统相连接的信号处理电路，

一与信号处理电路连接的位移检测系统，所述位移检测系统包括一信号采集电路，所述信号采集电路将可测量物理位移变化量转换为电信号变化参量后，将电信号变化参量传输给信号处理电路，电信号经过信号处理电路放大整形后传输给主控系统；

还包括一电机驱动电路，所述电机驱动电路接受主控系统的控制指令，调节电机的转动。

在本发明的一个优选实施例中，所述位移检测系统还包括：

一与蜗轮啮合的蜗杆，

一与蜗杆连接的蜗杆位移转换机构，所述蜗杆位移转换机构将所述蜗杆的机械位移变化量转换成可测量物理位移变化量。

在本发明的一个优选实施例中，所述蜗杆位移转换机构包括一设置蜗杆端部的铁氧体磁芯，以及一对平行极板构成的电容器，所述铁氧体磁芯置于一对平行极板之间，该蜗杆位移转换机构将蜗杆的机械位移变化量转换为直线位移变化量。

在本发明的一个优选实施例中，所述蜗杆位移转换机构包括一设置蜗杆端部的铁氧体磁芯，以及一电感绕组，所述铁氧体磁芯置于电感绕组形成的圆柱体中空部位，该蜗杆位移转换机构将蜗杆的机械位移变化量转换为直线位移变化量。

在本发明的一个优选实施例中，所述蜗杆位移转换机构包括一设置蜗杆端部的丝杆，一与丝杆联动的齿轮传动机构，以及一设置丝杆上的螺纹机构，所述丝杆和螺纹机构配合，该蜗杆位移转换机构将蜗杆的机械位移变化量转换为角位移变化量。

在本发明的一个优选实施例中，可测量物理位移为直线位移或角位移。

电动执行器扭矩控制方法，包括如下步骤：

1）电动执行器产生扭矩后，蜗轮转动，带动与蜗轮连接的蜗杆轴向窜动，使蜗杆产生轴向位移；

2）蜗杆位移转换机构将蜗杆的轴向位移转换为可测量物理位移，其中 信号采集电路将可测量物理位移变化量转换为电信号变化参量；

3）信号采集电路将电信号变化参量进行采集并输出给到信号处理电路；

4）信号处理电路接收信号采集电路输出的电信号变化参量，通过处理变为电动执行机构主控系统可识别的数字信号，并传输给主控系统；

5）主控系统对步骤4）中的电信号处理后，计算出此时的扭矩数值，并根据相应的扭矩参数对电机驱动电路发出控制指令，如保持状态和停止运行，来保护电动执行器。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明可在现有电动执行器和阀门电动装置控制系统的基础上增加一套位移检测系统，通过与位移检测系统和信号处理系统和电动执行器的主控系统组成一套完整的扭矩控制系统，在不用更换整机电控系统的前提下，只需更改蜗杆的机械结构，以及增加位移检测系统和信号处理电路，就可以实现对电动执行器扭矩的实时检测和监控。

本发明为电动执行器和阀门电动装置控制系统的研发和生产提供了简便、高效的方式，推进了电动执行器行业技术水平的提高和发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的扭矩控制系统的工作原理图。

图2为本发明的位移检测系统的结构图。

图3为实施例1的电容值检测扭矩的机械结构示意图。

图4为实施例1的信号采集电路。

图5为实施例2的电感值检测扭矩的机械结构示意图。

图6为实施例2的信号采集电路。

图7为实施例3的角度传感器检测扭矩的机械结构示意图。

图8为实施例3的信号采集电路。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参照图1，电动执行器扭矩控制系统，包括：

一主控系统200，其中主控系统200包括高性能处理器201和外围扩展电路202；

一与主控系统200连接的显示系统300，其中显示系统300包括显示器301以及与显示器301连接的显示驱动电路302，显示系统300用于实时显示对扭矩的测量数值以及电动执行器的其他测量参数及系统参数；

以及一位移检测系统100，其中位移检测系统100包括一与蜗轮啮合的蜗杆101，与蜗杆101连接的蜗杆位移转换机构102，和信号采集电路103；

一与主控系统200相连接的信号处理电路104，其中信号处理电路104与信号采集电路103相连接；

信号采集电路103将物理位移变化量转换为相应的电信号变化参量传输给信号处理电路104，信号经过信号处理电路104放大整形后给到主控系统200。

还包括一电机驱动电路400，以及一与电机驱动电路400连接的电机500，电机驱动电路400接受主控系统200的控制指令，调节电机500的转动，从而带动蜗轮700的转动；其中蜗轮700一端连接负载装置600。

参照图2，位移检测系统100，包括：

一与蜗轮啮合的蜗杆101；

一与蜗杆101连接的蜗杆位移转换机构102，蜗杆位移转换机构102将蜗杆101的机械位移变化量转换成可测量物理位移变化量，其中可测量物理位移为直线位移或角位移。

一信号采集电路103，信号采集电路103通过RC震荡、LC震荡或角度传感器将可测量物理位移变化量转换为电信号变化参量。

RC震荡方式的实现，是利用平行极板构成的电容器作为通过文氏电桥构成的RC震荡电路中的电容，两平行极板作为电容器的两极，通过导线与文 氏电桥电路连接。

LC震荡方式的实现，是将导线缠绕成空心圆柱体的形状，导线的两端作为电感的两端与电路连接。

采用角度传感器的的实现，直接将蜗杆通过机械连接的方式与角度传感器连接，蜗杆的直线位移通过机械方式转换为角位移，使与之连接的角度传感器转动，从而产生相应的电信号。

实施例1：通过电容容值和频率的变化检测扭矩。

本实例是基于蜗杆的机械传动方式，采用非侵入式设计以实现扭矩动态实时检测的智能装置。当机械传动装置蜗杆在受力情况下发生轴向位移，通过电容式信号采集电路实时采集机械位移的变化而实现扭矩的计算、标定和保护。

机械原理实现过程描述如下：

参照图3，为电容值检测扭矩的机械结构示意图，该蜗杆位移转换机构包括一设置蜗杆101端部的铁氧体磁芯800以及一对平行极板900,901构成的电容器，铁氧体磁芯置于一对平行极板900,901之间，检测系统将蜗杆的机械位移变化量转换为直线位移变化量；

一对平行极板需正对放置，铁氧体磁芯置于两平行极板的中间，平行极板间距可固定设置，也可人工调整间距。依据不同大小的扭矩值，设置平行极板的间距。

当铁氧体磁芯在两平行极板之间轴向窜动时，会引起利用平行极板构成的电容器容值的变化，平行极板构成的电容器作为RC震荡电路中的一部分，在电容值发生变化时，在后续的文氏电桥构成的RC震荡电路输出不同频率的震荡信号。

当蜗轮700在电机带动情况下，与蜗杆101之间产生相互作用力上，此时蜗杆101在反作用力下会沿蜗轮700转动的方向做轴向移动，由于铁氧体磁芯800和蜗杆101是在同一机构上，此时铁氧体磁芯800会在平行板电容900，901的之间移动，铁氧体磁芯800的相对移动改变了平行板电容900，901的固有电容量，信号采集电路用于采集电容量的改变，

信号采集电路根据电容容量的变化来输出电容信号，实现对机械位移参 量的采集以及机械位移参量到电容信号参量的转换。

此过程的机械动作和电子部分在连接上没有接触，因此达到了非接触的设计要求，提高了系统的可靠性和使用寿命。

信号采集电路和信号处理的说明：

信号采集电路通过RC震荡方式的实现，是利用平行板构成的电容器作为通过文氏电桥构成的RC震荡电路中的电容C2，两平行极板作为电容器的两极，通过导线与附图4所示文氏电桥震荡电路连接。

文氏电桥由第一电容C1、第一电阻R1串联，第二电容C2、第二电阻R2并联构成。文氏电桥将电容信号转换为正弦波震荡信号，正弦信号再经信号处理电路中的施密特整形电路整形为TTL电平信号，提供给后续的主控系统处理。主控制系统根据频率的变化来进行扭矩的计算和相关的标定工作。

电容和频率的转换通过RC震荡电路来实现，公式如下：T=2πRC。

根据后续电路的对频率范围的识别要求，加入分频电路把整形后的高频信号分配到后级电路所能接受的范围，后级电路依据频率的变化值来处理，以确定当前机械传动系统的扭矩值。

实施例2：通过电感值和频率的变化来检测位移量

本实例是基于蜗杆的机械传动方式，采用非侵入式设计以实现扭矩动态实时检测的智能装置。当机械传动装置蜗轮蜗杆在受力情况下发生轴向位移，通过电感式信号采集电路实时采集机械位移的变化而实现扭矩的计算、标定和保护。

机械原理实现过程描述如下：

参照图5，改变电感值检测扭矩的机械结构示意图，蜗杆位移转换机构包括一设置蜗杆端部的铁氧体磁芯800以及一电感绕组1000，铁氧体磁芯800置于电感绕组1000形成的圆柱体中空部位，该机构将蜗杆的机械位移变化量转换为直线位移变化量。

当蜗轮700在电机带动下受力转动，与蜗杆101之间产生相互作用力上，此时蜗杆在反作用力下会沿蜗轮转动的方向做轴向移动，由于铁氧体磁芯800和蜗杆101是在同一机构上，此时铁氧体磁芯800会在内部中空的圆柱形的电感绕组1000中间移动，铁氧体磁芯的相对移动改变了电感绕组1000 的固有电感量。

信号采集电路根据电感量的变化来输出电感信号，实现对机械位移参量的采集以及机械位移参量到电感信号参量的转换。

将铁氧体磁芯置于用导线绕成的空心圆柱体的中空部分，圆柱体通常直径设置为25mm，铁氧体磁芯直径为18mm，电感绕组1000的导线的两端作为电感的两个接线端与电路连接。

当铁氧体磁芯在空心圆柱体电感中空部分轴向窜动时，会引起利用导线绕制而成的电感的电感数值变化，此电感作为LC震荡电路中的一部分，在电感值发生变化时，在后续的LC震荡电路中会输出不用频率的震荡信号。

此过程的机械动作和电子部分在连接上没有接触，因此达到了非接触的设计要求，提高了系统的可靠性和使用寿命。

信号采集电路和信号处理的说明：

第三电容器C3、第四电容器C4串联组成串联电路，此串联电路再与第五电容C5和电感L并联，形成LC震荡电路，如附图6。当铁氧体磁芯在空心圆柱体电感中空部分轴向窜动时，会引起利用导线绕制而成的电感L的电感数值变化。

信号采集电路采集到电感信号，通过附图6所示LC震荡电路，将电感信号转换为正弦波震荡信号，正弦信号再经由施密特触发器组成的信号处理电路整形，将正弦波信号转换成TTL电平信号，提供给后续的主控系统处理。主控制系统根据频率的变化来进行扭矩的计算和相关的标定工作。电感和频率的转换通过LC震荡电路来实现，公式如下：

在此之前根据后续电路的对频率范围的识别要求，加入了分频电路，把整形后的高频信号分配到后级电路所能接受的范围，后级电路依据频率的变化值来处理，以确定当前机械传动系统的扭矩值。

实施例3：通过角度传感器来检测位移量

本实例是基于角度传感器，采用对角位移采集和计算来实现扭矩动态实时检测的智能装置。当机械传动装置蜗轮蜗杆在受力情况下发生轴向位移，首先通过相应的机械结构将轴向的直线位移转换为角位移，再通过传感器检测角位移，从而实现扭矩的计算、标定和保护。

机械原理实现过程描述如下：

参照图7，本实例是基于蜗轮蜗杆的机械传动方式，以实现扭矩动态实时检测的智能装置；

所述蜗杆位移转换机构包括一设置蜗杆101端部的丝杆1001，一与丝杆1001联动的齿轮传动机构，以及一设置丝杆上的螺纹机构1002，丝杆1001和螺纹机构1002配合，将蜗杆的机械位移变化量转换为角度位移变化量。

当蜗轮700在电机带动下受力转动，与蜗杆101之间产生相互作用力，此时蜗杆101在反作用力下会沿蜗轮转动的方向做轴向移动。由于丝杆1001与蜗杆101相连，丝杆1001与蜗杆101形成同步的轴向运动，且丝杆1001的轴向运动位移与蜗杆的轴向运动位移相等。

通过丝杆1001与螺纹机构1002，将轴向的位移转换为角位移，通过齿轮传动机构1003和轴连器1004将角位移传递给角度传感器1005，再通过角度传感器1005将角位移变化量转换为相应的电信号参量给到后续电路。

信号采集电路和信号处理的说明：

角度传感器采集到角位移变化量，会输出相应的电信号。通过合适的采样电阻，将电信号变化参量转换为后级可识别的电压信号，通过如附图8所示的AD654形成的V/F转换电路，从而将电压信号转换为主控系统可识别的频率信号。频率信号提供给后续的主控系统处理，主控制系统根据频率的变化来确定角度传感器转过的角度，从而进行扭矩的计算和相关的标定工作。

上述实施例1，实施例2以及实施例3中，电动执行器扭矩控制方法，包括如下步骤：

1）电动执行机构产生扭矩后，蜗轮转动，带动与蜗轮连接的蜗杆轴向窜动，使蜗杆产生轴向位移；

2）蜗杆位移转换机构将蜗杆的轴向位移转换为可测量物理位移，其中信号采集电路将可测量物理位移变化量转换为电信号变化参量；

3）信号采集电路将电信号变化参量进行采集并输出给到信号处理电路；

4）信号处理电路接收信号采集电路输出的电信号变化参量，通过处理变为电动执行机构主控系统可识别的数字信号，并传输给主控系统；

5）主控系统对步骤4）中的电信号处理后，计算出此时的扭矩数值，并 根据相应的扭矩参数对电机驱动电路发出控制指令，如保持状态和停止运行，来保护电动执行器。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种电动执行器扭矩控制系统，其特征在于，包括：

一主控系统，

一与主控系统相连接的信号处理电路，

一与信号处理电路连接的位移检测系统，所述位移检测系统包括一信号采集电路，所述信号采集电路将可测量物理位移变化量转换为电信号变化参量后，将电信号变化参量传输给信号处理电路，电信号经过信号处理电路放大整形后传输给主控系统；

还包括一电机驱动电路，所述电机驱动电路接受主控系统的控制指令，调节电机的转动；所述位移检测系统还包括：

一与蜗轮啮合的蜗杆，

一与蜗杆连接的蜗杆位移转换机构，所述蜗杆位移转换机构将所述蜗杆的机械位移变化量转换成可测量物理位移变化量；所述蜗杆位移转换机构包括一设置蜗杆端部的铁氧体磁芯，以及一对平行极板构成的电容器，所述铁氧体磁芯置于一对平行极板之间，该蜗杆位移转换机构将蜗杆的机械位移变化量转换为直线位移变化量。

2.根据权利要求1所述的一种电动执行器扭矩控制系统，其特征在于：所述蜗杆位移转换机构包括一设置蜗杆端部的铁氧体磁芯，以及一电感绕组，所述铁氧体磁芯置于电感绕组形成的圆柱体中空部位，该蜗杆位移转换机构将蜗杆的机械位移变化量转换为直线位移变化量。

3.根据权利要求1所述的一种电动执行器扭矩控制系统，其特征在于：所述蜗杆位移转换机构包括一设置蜗杆端部的丝杆，一与丝杆联动的齿轮传动机构，以及一设置丝杆上的螺纹机构，所述丝杆和螺纹机构配合，该蜗杆位移转换机构将蜗杆的机械位移变化量转换为角位移变化量。

4.根据权利要求1所述的一种电动执行器扭矩控制系统，其特征在于：可测量物理位移为直线位移或角位移。

5.电动执行器扭矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)电动执行器产生扭矩后，蜗轮转动，带动与蜗轮连接的蜗杆轴向窜动，使蜗杆产生轴向位移；

2)蜗杆位移转换机构将蜗杆的轴向位移转换为可测量物理位移，其中信号采集电路将可测量物理位移变化量转换为电信号变化参量；

3)信号采集电路将电信号变化参量进行采集并输出给到信号处理电路；

4)信号处理电路接收信号采集电路输出的电信号变化参量，通过处理变为电动执行机构主控系统可识别的数字信号，并传输给主控系统；

5)主控系统对步骤4)中的电信号处理后，计算出此时的扭矩数值，并根据相应的扭矩参数对电机驱动电路发出控制指令，如保持状态和停止运行，来保护电动执行器。