CN115327985A - 控制系统和电动执行机构系统 - Google Patents

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CN115327985A
CN115327985A CN202211018531.4A CN202211018531A CN115327985A CN 115327985 A CN115327985 A CN 115327985A CN 202211018531 A CN202211018531 A CN 202211018531A CN 115327985 A CN115327985 A CN 115327985A
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control system
electric
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phase sequence
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邵杰
曹超
彭仁坤
周源
杨俊�
陆明
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Changzhou Power Station Auxiliary Equipment Co ltd
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Changzhou Power Station Auxiliary Equipment Co ltd
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Abstract

本申请提供了一种控制系统和电动执行机构系统，其中，该控制系统包括：处理器、相序检测电路、行程编码器、电子力矩传感器、电机驱动模块；该相序检测电路、该行程编码器、该电子力矩传感器以及该电机驱动模块与该处理器连接；该处理器用于对连接的外部电动执行机构进行控制；该相序检测电路用于采集三相交流电的相序信号，并将该相序信号传递给该处理器进行计算；该行程编码器用于将该电动执行机构的执行机构的位置转换成电信号，并传输给该处理器；该电子力矩传感器用于检测该电动执行机构的力矩机构输出轴的转动角度，并将其转换成电信号传递给该处理器；该电机驱动模块用于驱动该电动执行机构的电机的运行。

Description

控制系统和电动执行机构系统
技术领域
本申请涉及电动执行机构控制技术领域，具体而言，涉及一种控制系统和电动执行机构系统。
背景技术
电动执行机构可以用在供暖、供气、供水、燃料的输送、冷却水供给等等。民用供暖、供气、供水上使用的电动执行机构最大的特点是扭矩小、体积小、成本低、用量大。但是目前的电动执行机构的控制精度低。
发明内容
本申请的目的在于提供一种控制系统和电动执行机构系统，以改善现有控制精度低的问题。
第一方面，本发明提供一种控制系统，包括：处理器、相序检测电路、行程编码器、电子力矩传感器、电机驱动模块；
所述相序检测电路、所述行程编码器、所述电子力矩传感器以及所述电机驱动模块与所述处理器连接；
所述处理器用于接收所述相序检测电路、所述行程编码器、所述电子力矩传感器以及所述电机驱动模块的数据，并根据所述相序检测电路、所述行程编码器、所述电子力矩传感器以及所述电机驱动模块的数据进行处理，以对连接的外部电动执行机构进行控制；
所述相序检测电路用于采集三相交流电的相序信号，并将所述相序信号传递给所述处理器；
所述行程编码器用于将所述电动执行机构的执行机构的位置转换成电信号，并传输给所述处理器；
所述电子力矩传感器用于检测所述电动执行机构的力矩机构输出轴的转动角度，并将其转换成电信号传递给所述处理器；
所述电机驱动模块用于驱动所述电动执行机构的电机的运行。
在可选的实施方式中，所述行程编码器包括：磁敏感元件，所述磁敏感元件用于使用三轴霍尔技术将所述电动执行机构的执行机构的机械转动转化为电信号。
在上述实施方式中，行程编码器使用的是磁敏感元件，相较于高精度电位器，该磁敏感元件具有分辨率高、温度稳定性好、使用寿命长且可靠性高等。
在可选的实施方式中，所述电子力矩传感器包括线性霍尔传感器。
在上述的实施方式中，通过线性霍尔传感器可以更准确地检测出电动执行机构的力矩机构输出轴的转动数据，从而也可以为后续电动执行机构的控制提供精确的数据基础。
在可选的实施方式中，还包括：模拟量输入单元和模拟量输出单元；
所述模拟量输入单元用于与所述处理器连接，用于向所述处理器输入模拟量；
所述模拟量输出单元用于与所述处理器连接，用于输出模拟量。
在可选的实施方式中，还包括：数字量输入单元和数字量输出单元；
所述数字量输入单元，用于检测外部的开关量输入信号；
所述数字量输出单元，用于开关量信号的输出。
在可选的实施方式中，还包括：开关模块，用于控制所述电动执行机构的开启与关停。
在可选的实施方式中，所述开关模块包括：红外遥控器检测电路或/和磁控按键；
所述红外遥控器检测电路，用于检测电动执行机构的红外遥控器信号；
所述磁控按键用于执行所述电动执行机构的开启或关停操作。
在上述实施方式中，可以通过远程遥控的方式开启或关闭电动执行机构，也可以通过磁控按键的方式实现现场控制，使电动执行机构的控制可以更加的灵活。
在可选的实施方式中，还包括：显示屏，用于显示所述电动执行机构的运行状态、控制方式或设定菜单中的一种或多种信息。
在上述实施方式中，通过显示屏可以显示电动执行机构的各种数据，可以更直观地了解到电动执行机构的相关数据。
在可选的实施方式中，还包括：电源模块，用于将交流电转换为直流电，以为所述控制系统中的各个组件供电。
在上述实施方式中，可以将主动力电源转换成控制系统所需的直流电，满足该控制系统的用电需求。
第二方面，本发明提供一种电动执行机构系统，包括：
电动执行机构；
用于控制所述电动执行机构的控制系统，所述控制系统为前述实施方式任意一项所述的控制系统。
本申请实施例的有益效果包括：通过行程编码器与电子力矩传感器的配合，可以获得更精准的电动执行机构的旋转的角度和位置数据，也就能够使电动执行机构的调节精度更高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请实施例提供的控制系统的方框示意图；
图2为一个实例中的转矩与传感器采集值的关系示意图；
图3为本申请实施例提供的控制系统的另一方框示意图；
图4为本申请实施例的控制系统的处理器的基本外围电路示意图；
图5为处理器与行程编码器之间的SPI通信的时序示意图；
图6为本实施例提供的显示屏的接口电路示意图；
图7为本申请实施例提供的控制系统的显示效果示意图；
图8为本申请实施例提供的控制系统的工作流程示意图；
图9为本申请实施例提供的控制系统的不同设置模式下的示意图。
图标：110-处理器；120-相序检测电路；130-行程编码器；140-电子力矩传感器；150-电机驱动模块；161-模拟量输入单元；162-模拟量输出单元；171-数字量输入单元；172-数字量输出单元；181-红外遥控器检测电路；182-磁控按键；190-显示屏；200-电源模块；210-指示灯；220-过热保护电路。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
随着电动执行机构的发展，该电动执行机构应用从最早的石油、化工、水利等行业发展到了各行各业，如供暖、供气、供水，再例如，燃料的输送、冷却水供给等。其中，用于在供暖、供气、供水上使用的电动执行机构最大的特点是扭矩小、体积小、成本低、用量大。
随着电动执行机构的应用越来越广泛，因此，该电动执行机构的性能也受到了关注。目前的电动执行机构的产品功能单一、位置控制精度低、转矩控制精度差的问题。
基于上述的研究，本申请实施例提供了一种控制系统和电动执行机构。通设置检测机构行程编码器130与电子力矩传感器140，可以实现电动执行机构的检测与控制。
图1为本申请实施例提供了一种控制系统，该控制系统可以用于控制电动执行机构的运行，也可以用于监控该电动执行机构的运行数据。
如图1所示，本申请实施例提供的控制系统包括：处理器110、相序检测电路120、行程编码器130、电子力矩传感器140、电机驱动模块150。
其中，相序检测电路120、行程编码器130、电子力矩传感器140以及电机驱动模块150均与所述处理器110连接；
本实施例中，所述处理器110可以用于接收所述相序检测电路120、所述行程编码器130、所述电子力矩传感器140以及所述电机驱动模块150的数据，并根据所述相序检测电路120、所述行程编码器130、所述电子力矩传感器140以及所述电机驱动模块150的数据进行处理，以对连接的外部电动执行机构进行控制。
该处理器110还可以获得序检测电路的检测结果，还可以对电机驱动模块150进行控制。例如，该处理器110可以用于向电机驱动模块150发送控制指令，该电机驱动模块150接收到该控制指令后启动或关停电动执行机构的电机。
示例性地，该控制系统可以连接一个或多个需要被控制的电动执行机构。
相序检测电路120可以用于采集三相交流电的相序信号，并将所述相序信号传递给所述处理器110；行程编码器130用于将所述电动执行机构的执行机构的位置转换成电信号，并传输给所述处理器110；电子力矩传感器140用于检测所述电动执行机构的力矩机构输出轴的转动角度，并将其转换成电信号传递给所述处理器110。
所述电机驱动模块150用于驱动所述电动执行机构的电机的运行。
本实施例中，该电机驱动模块150用于根据处理器110的计算结果控制电动执行机构的电机的运行。
本实施例中，对电动执行机构的控制流程如下所示：在该处理器110获得了处理信号后，处理器110获得行程编码器130与电子力矩传感器140的检测得到电动执行机构的当前数据，该处理器110可以对当前数据进行处理识别，确定电动执行机构的当前状态，如果处于连接状态，则可以进入后续的处理流程；如果该控制系统处于对该电动执行机构的调整状态或者对控制系统的设置状态，则可以在一显示界面中呈现可以设置的数据；如果进入了对电动执行机构的现场控制状态，则可以基于处理器110确定出的数据对电动执行机构进行控制；如果进入了对电动执行机构的远程控制状态，则可以基于处理器110确定出的数据对电动执行机构进行控制。
本实施例中，上述的处理器110可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器110可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignal processor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器110也可以是任何常规的处理器等。
上述的处理器110也可以是微控制单元(Microcontroller Unit，简称MCU)。
在一个实例中，控制系统的处理器110可以是ATmega64A芯片，该芯片是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
该ATmega64A芯片丰富的指令集以及单时钟周期指令执行时间，该ATmega64A芯片数据吞吐率可以达到1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
如图4所示，为本申请实施例的控制系统的处理器110的基本外围电路示意图。在图4所示的实例中，该处理器110供电VCC和GND外，还可以包括ADC采样的高精度参考电压、ADC供电AVCC滤波电路以及外部晶振电路。该处理器110可以实现输入信号的采集、控制逻辑的运算、控制命令的输出和状态报警信号的反馈。
如图4所示，AI_SD为一路模拟量输入引脚；AI_LJQ为电子力矩输入引脚；Pwm_mA为模拟量输出控制引脚；Overheat、Rem_O、Rem_C、Rem_S、Rem_Esd远控信号数字量输入引脚；SW_O、SW_C、SW_L、SW_R、SW_S为按键信号数字量输入引脚；IAB、IBC为相序信号输入引脚；Infrared为红外遥控信号输入引脚；CS、SCLK、DO行程编码器SPI通讯引脚；LO_OUT、LC_OUT、REM_OUT、Mulfuntion为状态信号数字量输出引脚；Out_g、Out_k为电机驱动信号输出引脚；C_Led、O_Led为指示灯信号输出引脚；/CS、AO、RESET1、Backlight-为液晶显示屏的驱动信号引脚。
可选地，行程编码器130包括：磁敏感元件，所述磁敏感元件用于使用三轴霍尔技术将所述电动执行机构的执行机构的机械转动转化为电信号。
本实施例中，该行程编码器130可以是12位单圈绝对值编码器。该12位单圈绝对值编码器可以将电动执行机构的机械转动或角位移转化为电信号。该12位单圈绝对值编码器可以采用非接触的方式测量电动执行机构的机械转动或角位移。
该12位单圈绝对值编码器具有较高的分辨率、温度稳定性好、使用寿命长，可靠性高等优点。
控制系统的处理器110可以采用三线制SPI总线与12位单圈绝对值编码器进行数据通信。该处理器110获得的角度的电信号通过通信校验其正确与否，具有高度的安全可靠性。图5为处理器110与行程编码器130之间的SPI通信的时序示意图。
其中，CS表示片选信号，低电平有效。CLK表示时钟信号。MISO表示复用数据口，用来输入或输出数据。
其中，图5中tL表示CS下降沿和时钟SCLK上升沿之间的时间，tCLK表示SCLK的周期，tH表示最后一个时钟SCLK的下降沿与CS上升沿之间的时间，tCS表示两帧数据之间CS保持高电平的时间，tDO表示SCLK的上升沿到MISO数据有效之间的时间，tDI表示MOSI输入数据到SCLK下降沿采样的建立时间，tOZ表示从CS上升沿到MISO数据位变为3态输出之间的时间。
可选地，电子力矩传感器140包括线性霍尔传感器。
本实施例中，电动执行机构的力矩装置摒弃了传统的机械式力矩开关触点，将限位开关触点开关量转变成连续的电压信号，随着力矩的改变，电压信号增大或减小。
示例性地，在设计前期，利用电动执行机构力矩测试台，可以确定出电动执行机构的力矩和力矩检测装置输出的电压信号之间的关系，处理器110采集电子力矩传感器140输出的实时电压信号，可以计算出对应的力矩。如图2示出了一个实例中的转矩与传感器采集值的关系示意图。
在图2所示的实例中，横坐标为电动执行机构的转矩，纵坐标为电子力矩传感器140的采集值。
如图3所示，本实施例中的控制系统还可以包括：模拟量输入(Analog Input，简称AI)单元和模拟量输出(Analog Output，简称AO)单元。
所述模拟量输入单元161用于与所述处理器110连接，用于向所述处理器110输入模拟量；所述模拟量输出单元162用于与所述处理器110连接，用于向所述处理器110输入模拟量。
可选地，该控制系统可以包括一路模拟量输出单元162，一路模拟量输入单元161。
可再次参阅图3所示，本实施例中的控制系统还可以包括：数字量输入(DigitalInput，简称DI)单元和数字量输出(Digital Output，简称DO)单元。
所述数字量输入单元171，用于检测外部的开关量输入信号；所述数字量输出单元172，用于检测控制系统的开关量输出信号。
可选地，控制系统中可以包括：四路数字量输入单元171，六路数字量输出单元172。当然，可以根据控制系统的结构的大小的不同，该控制系统可以包括更多或更少数字量输入单元171和数字量输出单元172。
本实施例中的控制系统还可以包括：开关模块，用于控制所述电动执行机构的开启与关停。
在一种实施方式中，该开关模块可以实现远程控制所述电动执行机构的开启与关停。该开关模块可以包括红外遥控器检测电路181，该用于检测电动执行机构的红外遥控器信号，并将该红外遥控器信号传输给处理器110。
在另一种实施方式中，该开关模块可以实现现场控制所述电动执行机构的开启与关停。该开关模块可以包括磁控按键182，该磁控按键182用于执行所述电动执行机构的开启或关停操作。该磁控按键182可以是霍尔磁控按键182。
可再次参阅图3所示，本实施例中的控制系统还包括：显示屏190，用于显示所述电动执行机构的运行状态、控制方式或设定菜单中的一种或多种信息。
示例性地，该显示屏190可以是LCD点阵液晶显示屏190。在一个实例中，LCD点阵液晶显示屏190可以是128*64。
在一个实例中，本实施例的控制系统的显示屏190可以为COG(Chip On Glass，简称COG)点阵液晶显示屏190。该COG点阵液晶显示屏190的型号可以为WYM12864K13，视窗大小为44×28.6mm，该显示屏190的内部显示集成芯片可以为ST7565R，支持串口和并口两种通讯方式。该实例中的显示屏190可以显示128个8×8的字符或者32个16×16的字符。
在一个实例中，图6为本实施例提供的显示屏190的接口电路示意图，图7为本申请实施例提供的控制系统的显示效果示意图。
在图7所示的实例中，示出了三个状态下的显示界面。其中，图7的左一图示出了电动执行机构处于断开状态，无法进行操作，且图示出了Modbus地址为0；版本为：A1-000H01。左二图示出了现场操作状态，该状态下当前电量为68％。左二图示出了设置状态，该显示界面中示出了多个可选项：形成设定、远控方式、双速设置、中间行程、语言选择、秘密设置等。
可再次参阅图3所示，本实施例中的控制系统还包括：电源模块200，用于将交流电转换为直流电，以为所述控制系统中的各个组件供电。
电源模块200可以将主动力电源交流电转换为控制系统使用的24V直流电。
为了提高控制系统的安全，可再次参阅图3所示，本实施例中的控制系统还包括：过热保护电路220。
如图3所示，该处理器110可以包括I/O输入端口和I/O输出端口、A/D转换端口、D/A转换端口以及SPI通信端口。
其中，数字量输入单元171、磁控按键182、相序检测电路120、过热保护电路220、红外遥控器检测电路181可以与处理器110的I/O输入端口连接。电子力矩传感器140和模拟量输入单元161可以与该处理器110的A/D转换端口连接。行程编码器130可以与处理器110的SPI通信端口连接。数字量输出单元172、电机驱动模块150以及指示灯210可以与处理器110的I/O输出端口连接。模拟量输出单元162可以与该处理器110的D/A转换端口连接。
为了提高控制系统的安全，可再次参阅图3所示，本实施例中的控制系统还包括：指示灯210。该指示灯210可以用于呈现电动执行机构的不同工作状态。例如，工作中显示绿色指示灯210，异常状态下显示红色指示灯210等。
下面结合图8所示的本申请实施例提供的控制系统的工作流程示意图，介绍本申请实施例提供的控制系统的工作流程：
可以先对控制系统进行初始化处理，由处理器110读取红外遥控器检测电路181或者磁控按键182的信号；处理器110读取行程编码器130和电子力矩传感器140的数据；然后处理器110读取数字量输入单元171的信号；该处理器110可以根据获得的信号进行处理，以确定出电动执行机构的控制系统的当前状态。
然后根据当前状态判断该控制系统控制电动执行机构是否进入不同的状态，在图8所示的实例中示出了四个模式：断开模式、设置模式、现场模式和远程模式。
进入不同的模式后，显示屏可以进行不同显示状态。其中，在断开模式下，显示屏也可以呈现断开模式液晶显示；在设置模式下，显示屏也可以呈现设置模式液晶显示；在现场模式下，显示屏也可以呈现现场模式液晶显示。
该显示屏还可以输出不同模式下的状态信号。
如图9所示，该设置模式下还可以进入具体的设定，在设置模式下可以提供设置菜单索引选择，基于选择操作，菜单索引判断；基于判断结果可以进入具体的设定流程。在图9所示的实例中，可以包括：行程设定、力矩设定、远控方式、双速设定、语言设定、秘密设定、死区设定、机型设定、输出整定、液晶设定、其它设定、参数查询等。
示例性地，基于不同的菜单索引进入不同的设定项下，显示屏190可以显示具体的设定操作界面。
本申请实施例的控制系统中，通过行程编码器130与电子力矩传感器140的配合，可以获得更精准的电动执行机构的旋转的角度和位置数据，也就能够使电动执行机构的调节精度更高。
本申请实施例中，可以通过显示屏190可以显示电动执行机构的输出转矩，转矩控制精度更高；可以实现免开箱调整整定额定转矩和开关限位。通过行程编码器130的检测可以使电动执行机构的旋转的角度和位置反馈更精准，调节型调节精度更高。进一步地，通过显示屏190提供了人机交互界面，使模式的设置与显示更加简单明了，调试操作更容易，显示内容更丰富。进一步地，在电子力矩传感器140和行程编码器130的使用基础上，可以减少了一定的物料成本和人工成本。基于上述结构可以降低产品的故障率，系统故障自诊断能力有很大提高，降低了售后服务的难度和成本。
本申请实施例还提供一种电动执行机构系统。该电动执行机构包括：电动执行机构和控制系统。
该控制系统可以用于控制所述电动执行机构的控制系统。
该电动执行机构可以是多回转电动执行机构，也可以是角行程电动执行机构等。
本实施例中的控制系统与前面控制系统实施例提供的控制系统类型，关于本申请实施例中的控制系统其它细节可以参阅前面控制系统实施例中的描述，在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种控制系统，其特征在于，包括：处理器、相序检测电路、行程编码器、电子力矩传感器、电机驱动模块；
所述相序检测电路、所述行程编码器、所述电子力矩传感器以及所述电机驱动模块与所述处理器连接；
所述处理器用于接收所述相序检测电路、所述行程编码器、所述电子力矩传感器以及所述电机驱动模块的数据，并根据所述相序检测电路、所述行程编码器、所述电子力矩传感器以及所述电机驱动模块的数据进行处理，以对连接的外部电动执行机构进行控制；
所述相序检测电路用于采集三相交流电的相序信号，并将所述相序信号传递给所述处理器；
所述行程编码器用于将所述电动执行机构的执行机构的位置转换成电信号，并传输给所述处理器；
所述电子力矩传感器用于检测所述电动执行机构的力矩机构输出轴的转动角度，并将其转换成电信号传递给所述处理器；
所述电机驱动模块用于驱动所述电动执行机构的电机的运行。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述行程编码器包括：磁敏感元件，所述磁敏感元件用于使用三轴霍尔技术将所述电动执行机构的执行机构的机械转动转化为电信号。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电子力矩传感器包括线性霍尔传感器。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括：模拟量输入单元和模拟量输出单元；
所述模拟量输入单元用于与所述处理器连接，用于向所述处理器输入模拟量；
所述模拟量输出单元用于与所述处理器连接，用于输出模拟量。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括：数字量输入单元和数字量输出单元；
所述数字量输入单元，用于检测外部的开关量输入信号；
所述数字量输出单元，用于开关量信号的输出。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括：开关模块，用于控制所述电动执行机构的开启与关停。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述开关模块包括：红外遥控器检测电路或/和磁控按键；
所述红外遥控器检测电路，用于检测电动执行机构的红外遥控器信号；
所述磁控按键用于执行所述电动执行机构的开启或关停操作。
8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括：显示屏，用于显示所述电动执行机构的运行状态、控制方式或设定菜单中的一种或多种信息。
9.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括：电源模块，用于将交流电转换为直流电，以为所述控制系统中的各个组件供电。
10.一种电动执行机构系统，其特征在于，包括：
电动执行机构；
用于控制所述电动执行机构的控制系统，所述控制系统为权利要求1-9任意一项所述的控制系统。
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