過力矩保護是電動執行器的一個重要控制環節，它的控制精度直接決定著執行器能否對自身和連接的閥門起到保護作用。本文從三種主流過力矩保護方式的優缺點及控制精度等方面進行對比和分析，以判斷過力矩保護的發展方向。

　　電動執行器作為工業過程控制系統中一個十分重要的現場驅動裝置，廣泛應用于電力、冶金、石油、化工等行業。在流體控制中如閥門在運轉中出現問題，就會在電動執行器中體現出來。所以它還擁有一個身份——“閥門的保護者”，其作用就體現在對閥門的正常使用的監測，其中很重要的一點就是過力矩保護。

　　顧名思義，過力矩保護就是指電動執行器在運行過程中一旦出現負載轉矩超過允許的數值，應立即切斷電源或者發出報警信號，進而停止電機的轉動，以達到保護閥門同時保護執行器自身的目的。

　　作為現場儀表的一種，電動執行器的價值更多地體現在穩定性、可靠性和控制精度上。隨著技術的發展，對執行器的要求早已超越了運轉的穩定和可靠，對控制精度的要求越來越高，而過力矩保護在控制精度中占有極為重要的位置。在我國，電動執行器發展相對較晚，在過力矩保護方面就體現得更為明顯。我們姑且把發展階段按過力矩的發展狀況分為三個階段：機械控制過力矩階段、傳感器控制過力矩前期、傳感器控制過力矩后期。在各項技術發展飛速的今天，我們的過力矩保護將走向何方呢?

1、機械控制過力矩階段

　　我國從六十年代末七十年代初開始仿制前蘇聯的電動執行器，經過二十年緩慢發展，到八十年代生產出DKJ型角行程、DKZ型直行程電動執行器(我國唯一生產的電動執行器)。那個時候電動執行器在我國尚在推廣之中，僅僅用來在特殊環境下代替人工作業，更談不上過力矩保護功能，只能依靠設計時電機的功率來保證對力矩的控制。后來引進伯納德電動執行器的技術，出現了最早的過力矩保護，其控制方式就是機械控制過力矩方式(后文介紹和分析的是在此基礎上加以改進的控制過力矩方式)。這種方式的主要部件是力矩簧、傳動件、行星內齒圈、力矩微動開關。見圖1。

圖1 電動執行器減速器部分結構簡圖

1.1、控制原理

　　電動執行器帶負載運行，與電機連接的行星內齒圈隨著轉矩的傳遞，根據傳遞轉矩的大小，軸側力出現微小的偏轉，偏轉的幅度幾乎與負載所產生的轉矩大小成正比(具體計算在這里省略)。

　　所以一旦負載超過允許的最大值，撥動裝在內齒輪外沿上的裝有平衡正向和反向兩個轉矩的兩個螺旋圓柱彈簧(簡稱力矩簧組件)的傳動件，使力矩簧組件整體左右移動。當過力矩時，傳動件帶動連桿觸動該方向上的力矩微動開關動作，產生瞬時電信號。在這里就有一個問題，如果電動執行器過力矩只報警一下，那就根本無法符合實際運轉要求，故要借助控制電路板中專用的繼電器來協助完成，從而使電動執行器停止運轉。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，而且隨著負載的轉矩的變小，變得越來越差。

　　這種過力矩保護方式是電動執行器發展到目前為止唯一的機械控制過力矩方式，與電氣控制部分、電機、減速器部分有機結合和連接。

1.3、缺點

　　這種機械控制方式主要存在三方面的問題：

　　1)力矩簧的材質——彈簧的彈性系數在整個控制過力矩過程起著重要的作用;傳動件的加工精度——傳動件是保證連桿、力矩簧、傳動件三部分保持相對受力平衡的關鍵部件。以上兩點，任何一方面都足以影響整個過力矩控制過程。

　　2)機械部件在長期頻繁使用狀況下顯得壽命相對較短，隨著使用時間的加長，故障的出現率也會越來越高，同時大大影響過力矩保護控制的精度。

　　3)在現場安裝執行器需要根據不同的要求的保護轉矩值來對傳動件的位置和力矩簧的松緊程度進行有效調節，而這樣的機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人員進行調節，非專業人員不易掌握，而且不易調節準確，造成較大誤差。

　　之后也有一些制造商主動求變，將這樣的過力矩保護方式結構做了一些改變，又將行星盤組件的位置做了一些改動，但實際效果大同小異，并沒有實質的改變。目前的機械控制方式顯然已經不滿足現在的技術發展要求了，但作為唯一機械控制方式，仍可以控制過力矩的范圍，而不作為精確控制�？紤]到這種技術的成熟度和認知度，現在國內仍有廣大執行器制造商使用此種控制方式。

2、傳感器控制過力矩前期

　　隨著電動執行器行業和現代工業控制計算機的發展，儀器儀表行業整體綜合各項技術在不斷上升，微電子技術和計算機等信息技術在儀器儀表行業逐步開始應用，出現了新式的智能型執行器，適應能力、自身應變能力相對原有的老品DKJ、DKZ更強，控制精度自然相應提高。單單依靠機械和電路板的組合才能完成的過力矩保護已經不能適應了，控制精度也不能完全達到要求，而一些制造商所做的一些改進也沒有特別明顯的提高，就迫切需要一種新的實現過力矩保護的方法，既可以獨立完成過力矩保護功能，也可以配合控制板做到更好的控制精度。當時有一些廠家嘗試將監測用傳感器應用于電動執行器內部以提高測量精度，而過力矩保護是其中一個重要測試點，是一種新的嘗試。此后不久，就出現了一種新的方式。

2.1、應變式模擬扭矩傳感器測量原理

　　應變式扭矩傳感器的測量原理是采用應變片電測技術，在彈性軸上組成應變橋，向其提供電源即可測量該時刻彈性軸受扭矩的電信號，進而得到扭矩值。見圖3。

圖3 應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行器上承載的負載轉矩轉變為電信號。它依靠接觸式測量，也就是直接測量，主要有兩種：第一種是將電動執行器的輸出軸設定為彈性軸，將應變片組貼在輸出軸上(見圖4);而第二種是在遇到大的轉矩才會使用帶有轉接軸套的扭矩傳感器，通過傳感器內部自帶的彈性軸來完成轉矩的測量。當執行器帶負載運行時，應變片組將輸出軸受到的轉矩而造成的細微的形變轉變為電信號，通過信號處理電路得到此刻的扭矩值。信號繼續通過判斷電路，一旦超過負載的最大值，獨立的控制電路就自行切斷電機電源，也可以通過輸入保護信號到控制中樞電路，間接停止執行器的運轉。

圖4 應變片貼附位置示意圖

2.3、控制精度

　　該過力矩保護方式相比以往的機械控制方式，控制精度有了明顯的提高，可以達到10%左右，控制精度最高的可以達到7%。該過力矩保護方式不同于以往的傳感器應用，將檢測電子技術與過力矩控制嘗試結合，既可以獨立起到控制保護作用，也可以配合控制中樞電路板。這樣的保護控制方式可靠性高，目的性更強，更有針對性。

2.4、缺點

　　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，傳感器中的應變片組要隨著輸出軸旋轉，對于整體傳感器的結構要求更高，對于安裝環節也同樣有著較高的要求。但是在旋轉動力傳遞系統中，最棘手的問題是旋轉的輸出軸上的應變橋的橋壓輸入及檢測到的應變信號輸出如何可靠地在旋轉部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導電滑環來完成。由于導電滑環屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發熱，因而限制了旋轉軸的轉速及導電滑環的使用壽命。及由于接觸不可靠引起信號波動。

　　2)而對于過載方面的調節，如果出現瞬間的高負載轉矩，那么很有可能瞬間過載而損壞傳感器，導致過力矩保護失效。在導致高負載轉矩的各種原因中有一種是來源于自身的，就是死點。而在機械系統中死點廣泛存在，且無法徹底消除，那么執行器配套的減速器部分的死點同樣存在，所以對于死點位置的把握就成為這樣的控制方式附加的一個問題。

　　3)應用電子控制，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行器內部。執行器可能存在于各種條件殘酷的環境，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，也是一個亟需解決的問題。

　　4)較高的制造成本也成為制約其發展與廣泛應用的因素之一。

　　為了緩解干擾、提高控制過力矩控制精度，數字式扭矩傳感器開始代替模擬式。對于傳感器中的導電滑環，我們曾經專門做過實驗，使用無線電遙測的方法，將扭矩應變信號在旋轉軸上放大并進行V/F轉換成頻率信號，通過載波調制用無線電發射的方法從旋轉軸上發射至軸外，再用無線電接收的方法，就可以得到旋轉軸受扭的信號。盡管原理上可行，但遺憾的是這樣的實驗失敗了，在執行器減速器箱體內狹小有限的空間內增加測量裝置，而又不能影響其運轉，顯然難度太大了。

3、傳感器控制過力矩后期

　　隨著儀器儀表行業進入高速發展階段，電子技術、信息處理技術、工業控制計算機技術趨于成熟，各方面技術的配合應用更加靈活，模塊的出現就是一個標志，隔爆型、智能型等都陸續推出了改進型，綜合能力更強。來自國外的先進技術使執行器行業進入了一個嶄新的階段，行業競爭壓力陡然加大。智能通信、智能控制、總線、防護等級迅速提高，要求控制精度進一步提高。在過力矩保護方面，無法應對高過載和有效抵抗干擾已然成為制約控制過力矩精度進步的一道坎。國外的同行業廠家依靠先進的基礎技術領先國內很多，這方面的技術更加成熟，所生產的產品更加穩定可靠，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，在起重機技術所應用的力矩限制器(TSFTST)的一些設計思路和技術應用到了電動執行器的過力矩保護中。

　　在這種思路的基礎上，對于直接測量所出現的無法有效解決的各種問題，設計思路就轉變為間接測量，出發點就是電機。近兩年國內廠家出現了從電機入手的新式過力矩保護控制方式，也就是力矩檢測電路。它的有些功能和結構類似TSFTST。在結構方面，有單片機、傳感器等。在功能方面，當實際負載為額定負載的90%以下時，顯示器“正常”燈亮;當實際負載達到額定負載的90%時，顯示器“90%”燈亮，同時開始間斷鳴叫預警;當實際載荷達到額定載荷的100%時，顯示器“100%”燈亮，同時開始間斷加快鳴叫報警;當實際載荷達到額定載荷的105%時，顯示器“105%”燈亮，同時長鳴報警，繼電器動作，電動執行器停止工作。目前的OSTO檢測電路基本可以達到這樣的功能。它們的主要部件有電壓傳感器、電流傳感器。

3.1、控制原理

　　執行器運行中電機的電磁轉矩與執行器的輸出轉矩是成正比的，執行器在運行過程中一直在克服負載轉矩做功。

　　電機的電磁轉矩公式為：TKI=Φcosθ。其中，K為比例常數，I為電機轉子的電流，Φ為電機氣隙旋轉磁通的輻值，cosθ為電機的功率因數，θ為電機氣隙磁通與轉子電流的相位差。K比例常數可以通過在廠內實驗得到。考慮到I電機轉子電流不易測量，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電機功率因數需要利用單片機來計算，通過電機的三相電壓和電流公式可以得到功率因數等于電機中任意一相的線電流與其他兩相線電壓的夾角的正弦值。利用單片機的計算能力和過零比較電路可以輕松計算得到。得到電機的電磁轉矩，再經過計算電路得到輸出轉矩，從而判斷此刻傳遞的負載轉矩是否超過容許轉矩的最大值。見圖5。

圖5 電機相電壓、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%。運用單片機強大的運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，對于整體測量的精確度起著很重要的作用，并且對于高負載的轉矩的承受能力很大，不易損壞。

3.3、缺點

　　這種方式的缺點有：成本高，推廣仍需時間;整體電路的運算負擔很重，使用壽命受影響;同時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，又得經過D/A、A/D的轉換，最后的控制精度仍然受影響。

　　面對這樣的缺點，在今年初出現了簡化電路的做法，主要出發點在于減輕電路的運算負擔。如果能夠通過I、Φ、θ中的一、兩個變量來獲得轉矩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。作為過載保護來講，由此帶來的測量精度下降，是完全可以接受的。依據這一思想，對執行器進行逐點測量獲得了T與I、T與Φ和T與θ的若干條關系曲線(見圖6)，經過對比發現T與θ的關系具有較高的靈敏度，且在執行器輸出額定轉矩與空載轉矩之間，θ的變化范圍為：20°<θ<90°，可以作為測量T的依據。

圖6 T與θ的關系曲線示意圖

　　通過純數學——最小二乘法的方法解方程(具體計算這里省略)，有效地消除不易測量的轉子電流等未知量，可以降低成本，減輕電路的運算負擔，同時增加整體過力矩保護電路對電壓的適應能力。這種方案由于剛剛開發出來，尚在實驗中，具體的使用效果暫時還不好下結論。目前有回歸最早機械過力矩方式的辦法，還有在原有基礎上配合單片機的綜合計算能力來提高控制精度的方法。總之一個宗旨就是提高控制精度。

4、結束語

　　從過力矩保護的發展脈絡可以很清晰地發現，整體功能的強化、多樣化、簡單化、小型化貫穿始終，且還在持續。而近兩年發展的一個主題就是智能化。在我們看來，真正的智能化主要還是在于應變，電動執行器面對不同的條件和環境，自身要具備應變能力。不管過力矩保護還是電機熱保護、高溫和低溫保護，我們需要增加執行器的適應能力和自身保護能力。我們認為未來要以自身應變能力為主要開發點。單從過力矩保護來看，不管最早的機械式過力矩保護方式還是目前的利用傳感器、單片機運算電路來完成力矩保護，都是不完整的。我們的思考方式要更加多元化，充分開發單片機的邏輯判斷能力，利用執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速傳感器測量輸出軸的轉速，充分利用單片機的運算能力就可以完成過力矩保護的全部過程。至于效率、功率因數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，用發展的眼光看事物的發展，用全新的思維方式使繁瑣的系統機構簡易化，這是一種趨勢。