對工業(yè)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門電動裝置而言(為簡便起見，以下將二者統(tǒng)稱為執(zhí)行器)，過轉(zhuǎn)矩保護(hù)是其十分重要的功能。當(dāng)執(zhí)行器在轉(zhuǎn)動過程中一旦出現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過容許的數(shù)值時，應(yīng)立即切斷電源，停止電機(jī)的轉(zhuǎn)動，以達(dá)到保護(hù)閥門也保護(hù)執(zhí)行器自身的目的。
早期的執(zhí)行器通常采用推力彈片來實(shí)現(xiàn)這一功能。執(zhí)行器轉(zhuǎn)動過程中作用在彈片上的推力直接反應(yīng)了負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到一定數(shù)值時，其產(chǎn)生的推力頂開控制電源線的觸點(diǎn)開關(guān)，從而切斷電源，停止電機(jī)轉(zhuǎn)動。這種全機(jī)械式的方法主要存在兩個問題：一是機(jī)械部件的壽命通常較短，使用一段時間后容易出現(xiàn)故障；二是現(xiàn)場安裝執(zhí)行器需要根據(jù)要求的轉(zhuǎn)矩保護(hù)值來對彈片的松緊程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，不易準(zhǔn)確掌握，有時容易產(chǎn)生較大的誤差。
為了提高可靠性和簡化操作，近年來國際上出現(xiàn)了全電子式的轉(zhuǎn)矩保護(hù)設(shè)定辦法。其基本思想是將執(zhí)行器所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成電信號，并將此信號與一參考信號進(jìn)行比較，該參考信號即為預(yù)先根據(jù)需要設(shè)定的電信號，其數(shù)值與轉(zhuǎn)矩保護(hù)值完全對應(yīng)。當(dāng)此電信號大于參考信號時，比較產(chǎn)生的信號立即斷開電機(jī)的電源，停止執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動。這種方式屬于電子控制，不存在磨損和機(jī)械故障，可靠性大為提高。此外在對轉(zhuǎn)矩保護(hù)值進(jìn)行設(shè)定時，通常由執(zhí)行器上的顯示屏指示數(shù)值，使參考信號的設(shè)定準(zhǔn)確無誤。
電子式執(zhí)行器負(fù)載轉(zhuǎn)矩測量目前有兩種常用的方法。一種是直接測量法，即將應(yīng)變片貼在與執(zhí)行器輸出軸有關(guān)的部件上，使輸出軸轉(zhuǎn)動時所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電信號。該方法測量精度較高，但抗過載能力差，易損壞。另一種是間接測量法，它以電機(jī)固有的電磁轉(zhuǎn)矩公式為依據(jù)，通過電子的方法測量出其中的各個參數(shù)，然后經(jīng)過計算得出執(zhí)行器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。該方法抗過載能力強(qiáng)，不易損壞，其結(jié)果經(jīng)過標(biāo)定后也有較高的測量精度，但成本較高。本文提出的方法是在**種方法的基礎(chǔ)上經(jīng)過簡化處理后得到執(zhí)行器負(fù)載轉(zhuǎn)矩的一種實(shí)用化方法。
1 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的簡化求解思想
執(zhí)行器中電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)矩是正比關(guān)系。執(zhí)行器在轉(zhuǎn)動過程中一直在不斷地克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩而做功，因此其輸出轉(zhuǎn)矩與所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩完全是映象關(guān)系，二者可認(rèn)為是等同的。由電機(jī)學(xué)可知，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T可表示為
T=KIΦCOSθ (1)
式中：K為比例常數(shù)；Φ為電機(jī)氣隙旋轉(zhuǎn)磁通的幅值；I為電機(jī)中轉(zhuǎn)子電流的幅值；θ為轉(zhuǎn)子電流和旋轉(zhuǎn)磁通之間的相位差。
轉(zhuǎn)子電流可用定子電流來代替，相差很小。磁通可在定子繞組中附一簡單繞組來測量，二者之間的相位差仍然是θ。英國Rotoak公司生產(chǎn)的執(zhí)行器采用此方法實(shí)現(xiàn)了輸出轉(zhuǎn)矩的連續(xù)測量。
嚴(yán)格按照電磁轉(zhuǎn)矩公式求取執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)矩需要用繁瑣的電路提取各交流信號的幅值和相位差值，即公式中的I、Φ、θ值，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并送入微處理器，在微處理器中進(jìn)行余弦函數(shù)和乘法運(yùn)算來獲得輸出轉(zhuǎn)矩T。如果能夠通過I、Φ、θ中的一、兩個變量來獲得轉(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(按本文所述的方法求取的T，其誤差在5%左右)。依據(jù)這一思想，我們對Rotoak公司的執(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，經(jīng)過對比發(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：20o<θ<90o，可以作為測量T的依據(jù)。
圖1 T與θ的關(guān)系曲線
圖1T0與θ的關(guān)系曲線。從圖1a中可看出，正常供電電壓下轉(zhuǎn)矩T0與相位差θ之間實(shí)際上是二次曲線關(guān)系。同時，測試數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)矩還與電機(jī)的供電電壓有關(guān)，如圖1b所示。如果以380VAC的供電電壓為標(biāo)稱電壓，并將由此得到的T0與θ的關(guān)系曲線稱為標(biāo)稱曲線，用下式表示：
T0 = α0+α1θ+α2θ2 (2)
式中，α0、α1、α2是系數(shù)，若這些系數(shù)已知，只要測得θ值，通過公式(2)即可獲得轉(zhuǎn)矩值T0，則其它供電電壓下T與θ的關(guān)系曲線均可以看成是標(biāo)稱曲線沿θ軸的左右平移，即
T = T0+α3(U-380)
= α0+α1θ+α2θ2+α3(U-380)
= α4+α1θ+α2θ2+α3U (3)
式中：U為供電電壓；α1、α2、α3為系數(shù)；
α4 = α0-380α3
根據(jù)以上所述，獲取執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)矩T的步驟可歸納如下：
① 在標(biāo)稱電壓380VAC下測量m個點(diǎn)的T0i和θi(i=1～m)；
② 用曲線擬合方法(如*小二乘法)求出系數(shù)α0、α1、α2；
③ 在任意供電電壓下測量n個點(diǎn)的Tj、Uj和θj(j=1～n)；
④ 用曲線擬合方法(如*小二乘法)求出系數(shù)α3和α4；
⑤ 將求出的系數(shù)α1、α2、α3和α4固化在執(zhí)行器的控制部件(如單片機(jī))中；
⑥ 在執(zhí)行器轉(zhuǎn)動過程中連續(xù)測量θ和U值，由公式(3)連續(xù)計算出執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)矩T。
2 轉(zhuǎn)矩系數(shù)α0～α4的求解
在各種曲線擬合方法中，*小二乘法是一種較為有效、并經(jīng)常被采用的方法。據(jù)*小二乘法原理，設(shè)T0i為標(biāo)稱電壓下各θi(i=1～m)值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，則應(yīng)確定各系數(shù)α0～α2，使α0+α1θi+α2θ2i與T0i各對應(yīng)的均方差值為*小。設(shè)均方差值為S，則有
要求S為*小，故有
即
令
則式(5)可化為
由此可解出
可見，系數(shù)α0～α2只與Sk(k=0～4)和tj(j=0～2)有關(guān)，而Sk和tj完全由T0i和θi(i=1～m)決定。因此，已知m個測量點(diǎn)(θi
、T0i)，就可通過式(6)求得系數(shù)α0～α2。
在獲得系數(shù)α0～α2的基礎(chǔ)上，對系數(shù)α3的求解就很容易了。仍然采用*小二乘法，并令
式(7)即為任意供電電壓下執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)矩Ti(i=1～n)的均方差值。為了使其*小，應(yīng)有
可推得
在實(shí)際測量時，每給出一個Ui值，除了會有一個Ti值與之對應(yīng)外，也會得到一個相應(yīng)的θi值，因而可求得對應(yīng)的T0i。這樣，由n個測量點(diǎn)值Ui、Ti和θi即可通過式(9)求解系數(shù)α3。
3 實(shí)現(xiàn)步驟
完成轉(zhuǎn)矩系數(shù)的求解需要一個轉(zhuǎn)矩測試臺。該測試臺可任意改變執(zhí)行器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，還可測量出此負(fù)載轉(zhuǎn)矩的數(shù)值大小。另外，還需要一臺可任意改變執(zhí)行器供電電壓的三相調(diào)壓器。將被測執(zhí)行器安裝在轉(zhuǎn)矩測試臺上，其供電電壓由三相調(diào)壓器供給。
3.1 調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器使其供電電壓為380V
① 將執(zhí)行器沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，逐漸改變其負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，得到m個測量點(diǎn)值θi和T0i(i=1～m)。其中T0i由測試臺的轉(zhuǎn)矩測量儀給出，θi由執(zhí)行器自身的相位差測量電路給出。
② 將此m個測量點(diǎn)值θi和T0i輸入計算機(jī)，由計算機(jī)按公式(6)計算出系數(shù)α'0、α'1、α'2。
③ 將執(zhí)行器沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，同上述①、②計算出系數(shù)α"0、α"1、α"2。
④ *后得到系數(shù)
3.2 調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器使其供電電壓為可變值
① 將執(zhí)行器沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，逐漸改變其供電電壓(如340V、360V、380V、400V、420V等)，得到n個測量點(diǎn)值Ui、θi和Ti(i=1～n)。Ui為供給執(zhí)行器的供電電壓值，Ti由測試臺的轉(zhuǎn)矩測量儀給出，θi由執(zhí)行器自身的相差測量電路給出。
② 將此n個測量點(diǎn)值Ui、θi和Ti輸入計算機(jī)，由計算機(jī)按公式(9)計算出系數(shù)α'3。
③ 將執(zhí)行器沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，同上述①、②可計算系數(shù)α"3。
④ 得到系數(shù)
4 結(jié)束語
將通過上述方法獲得的測量執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)矩所需的系數(shù)α1、α2、α3、α4固化到執(zhí)行器的控制電路(如單片機(jī))中，由A/D采集器連續(xù)采集執(zhí)行器轉(zhuǎn)動過程中的U和θ值并送入控制電路中，控制電路按公式(3)連續(xù)地測量出執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)矩值，并將該值與預(yù)先設(shè)定好的轉(zhuǎn)矩保護(hù)值進(jìn)行比較，判斷執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)矩是否超出設(shè)定保護(hù)值，以決定是否停止電機(jī)轉(zhuǎn)動。
我們采用這種方法進(jìn)行了反復(fù)實(shí)測試驗(yàn)，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)表明，該方法測得的執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)矩其*大誤差小于6%，就保護(hù)用途而言，已是較為理想的結(jié)果了。
公安機(jī)關(guān)備案號：
