具有预测自校准扭矩控制器的电子阀致动器制造技术

阀致动器的电子控制器预测性地计算电机输入，该电机输入将使致动器向阀施加期望的力或扭矩。致动器的力/扭矩传感器测量在电机输出和/或阀处施加的力或扭矩，以验证施加的力或扭矩，并且使得能够根据需要更新校准设定。在力/扭矩传感器故障时，实施例继续预测性操作而无需传感器验证或校准更新。在预测控制失效时，实施例在经由力/扭矩传感器的反应控制下继续阀致动。与校准阀模拟器的连接使得实施例能够使用致动器的力/扭矩传感器执行初始自校准。该电机可以是变频驱动的交流电机，或直流电机。校准可以包括致动器齿轮系的机械特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有预测自校准扭矩控制器的电子阀致动器专利技术人：MarkD.OllanderDanielE.CarlsonMichaelAdamRumore相关申请本申请要求保护于2018年10月19日提交的第16/165,043号美国专利申请的权益，该专利申请的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。
本专利技术涉及控制致动器，例如阀致动器，更具体地，涉及电子控制的、电机驱动的、可变扭矩阀致动器。
技术介绍
控制阀和阀致动器在许多行业中得到广泛应用，例如所有类型的发电、石油和石化、纺织、造纸和食品加工。控制阀通常用于直接和/或间接控制开环或闭环系统内的温度、压力和流量。控制阀的操作通常涉及相对于阀内的固定座定位阀塞，由此致动器经由用于将阀塞移动到期望的控制位置的杆直接联接到阀塞。阀的动作可以是线性的或旋转的，这取决于阀是线性阀还是旋转阀。应当注意，这里经常提到由致动器施加到阀的“扭矩”。然而，应当理解，除非上下文另有要求，否则根据阀致动器的实施方式无论是旋转的还是线性的，本文所用的术语“扭矩”也指线性位移力。类似地，根据阀和致动器的构造，阀致动“速度”可以指线性速度或旋转速度。此外，应当理解，本文所用的术语“阀杆”并不限于旋转操作的阀杆，而是一般地是指由阀致动器操纵以调节阀打开或关闭的程度的阀的任何机械元件。在最简单的情况下，阀致动器可以是纯机械的。然而，由于若干原因中的任何一个，例如为了提供远程控制和/或监测，通常方便的是对阀致动器进行电控制。这可以允许阀位于遥远的、危险的、易燃的和/或有毒的环境中，和/或位于不方便或难以到达的位置。电动阀致动器的远程控制可以是“手动的”，例如通过调节电位计。在其它情况下，阀致动器的功能包括车载控制电子器件，其使得致动器能够执行更复杂的任务，而不需要立即的、本地的、人为的干预，例如过程控制、调节、速度/扭矩配置的实施和/或紧急切断。对于许多这些应用，由阀致动器提供的操作速度和力或扭矩是重要的参数。可以以多种方式控制由阀致动器施加到阀的速度和扭矩/力。在最简单的情况下，如果需要恒定的致动扭矩和速度，则定速电机可以联接到齿轮组以向阀提供正好正确的速度和扭矩的组合。然而，这种方法要求制造商必须仔细选择和组合适当的电机和齿轮组，以便为致动器提供最佳的扭矩和速度。如果制造商想要对于客户订单的快速周转时间，这又要求制造商库存各种各样的电机和齿轮组。另外，必须采用专业化的劳动力，该劳动力在单个通用阀致动器设计上的有时达数百种不同变型的组装方面是知识渊博的。这种方法的另一个缺点是，如果由于阀需求的改变或重新评估而需要改变阀致动器的扭矩和速度特性，则必须将致动器从服务中拉出、拆卸，然后与不同的齿轮组和/或电机重新组装。存在许多应用，其中希望在致动范围内和/或由于反馈、过程控制要求或其它控制条件而改变致动器的速度和扭矩。例如，热交换器是常见类型的闭环控制应用，其会需要水、蒸汽和冷凝物的可变控制和调节。即使希望恒定的致动速度，也可能需要根据特定的扭矩配置在致动范围内改变施加的扭矩，以便获得希望的恒定致动速度。因此，通常希望提供一种具有控制器和电机的阀致动器，其能够提供可变的输出速度/扭矩。对于许多具有可变速度/扭矩的电子控制的、电机驱动的致动器的关键要求之一是限制将流量控制阀的阀杆移动到命令位置时施加的最大力或扭矩。此外，在许多应用中，期望在阀被致动时根据指定的速度/扭矩配置施加扭矩。甚至可能需要根据过程控制反馈或其它控制信号来控制所施加的速度/扭矩。存在许多不同的阀设计和尺寸，每种阀都具有其自身独特的力或扭矩特性和限制。因此，对于致动器制造商的一个挑战是设计一种能够根据特定操作要求精确地控制阀的扭矩和位置的致动器。一种方法是在电机和相关的齿轮系之间和/或在齿轮系和阀之间包括扭矩或力传感装置，并且控制器根据测量值调节施加的扭矩。例如，感测装置可以是：·弹簧组，当达到指定的最大力或扭矩时，所述弹簧组被机械地调节以闭合一组触点，从而向所述电子控制器发送指示已经达到所述最大力或扭矩水平的信号；或·电子设备，例如动态测量扭矩或力并将模拟信号传输到电子控制器的应变计，该模拟信号表示力或扭矩的测量值，从而控制系统可以采取适当的控制动作。值得注意的是，这种传感器调节方法基本上是反应性的，因为控制器根据已经施加到阀上的扭矩的测量值来操作。这样，存在测量和机械延迟的可能性，使得危险水平的力或扭矩可能在电子控制器能够作出反应之前被施加到阀上。另一种方法是在电子控制器中实现软件算法和逻辑，该软件算法和逻辑将基于阀和致动器的预校准的速度/扭矩配置来计算电机设置，并且将使控制器将计算的设置应用于电机，从而使电机应用期望的/需要的电机扭矩。这种方法实质上对电机能量进行节流以便控制和限制电机的扭矩输出，而不是允许电机以其全性能运行。当然，这种方法的基本先决条件是精确地测量系统的电机电气特性和机械传动装置特性，以便创建可以输入到控制算法中的可靠的配置。这种方法的例子包括：·一种无传感器电机，其中需要电子控制器基于致动历史来预测电机转子在每个时刻相对于电机定子的方位，并且相应地激励电机以产生期望的扭矩。·一种电机，包括转子位置传感器，该转子位置传感器测量电机转子相对于电机的定子的位置，并相应地激励电机以产生期望的扭矩。值得注意的是，这种电机驱动控制方法实质上是预测性的，因为电机设置是在实际施加力或扭矩之前基于预定的阀和致动器配置来计算和实现的，而不是响应于已经施加和测量的力或扭矩。虽然这种方法避免了由于测量和反应延迟时间而导致的控制“过冲”，但是存在电机和/或齿轮系特性可能随时间变化和/或系统可能失去其校准的可能性，使得预测的阀位置和/或施加的扭矩不再准确。所有这些方法的另一个缺点是它们不是容错的，因为力/扭矩控制系统的故障可能导致阀的损坏。因此，需要一种控制和限制由电子控制的、电机驱动的阀致动器施加到阀上的力或扭矩的设备和方法，其在延长的工作寿命期间是预测性的、准确的，并且是容错的。
技术实现思路
本专利技术是一种控制和限制由电子控制的、电机驱动的阀致动器施加到阀上的力或扭矩的装置和方法，该装置和方法是预测性的，即非反应性的，在延长的工作寿命期间是精确的，并且是容错的。根据本专利技术，电子控制的、电机驱动的致动器包括电机驱动技术，该技术包括输出电流和/或电压传感器，其能够实现电机输出扭矩的校准的电子控制。在实施例中，致动器包括由具有场定向控制的变频电机驱动器驱动的交流电机。在其它实施例中，阀致动器包括由可变直流电机驱动装置控制的直流电机。致动器根据控制算法控制和限制施加到阀的力或扭矩，该控制算法基于指定的电机电气特性，并且在实施例中还基于致动器系统的机械齿轮系属性。本专利技术的阀致动器还包括至少一个扭矩测量传感器，其构造成直接或间接地监测施加到阀上的力或扭矩，并且将其测量结果中继到电子控制器。本专利技术的方法包括在阀致动器投入使用之前根据电机控制参数执行所施加的力或扭矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子控制的电机驱动的阀致动器，包括：/n电子控制器；/n电机，其被配置为根据从所述电子控制器接收的电机输入引起阀的线性或旋转致动，由此所述电机输入对所述电机的施加确定电机输出力或扭矩，所述电机输出力或扭矩引起阀力或扭矩被施加到所述致动器外部的并且与所述阀机械连通的设备；以及/n扭矩传感器，其被配置为测量与所述阀力或扭矩相关的感测力或扭矩；/n所述电子控制器被配置为：/nA)存储电机配置参数集和阀控制需求，其中所述阀控制需求包括要施加到所述阀的所需力或扭矩；/nB)根据所存储的电机配置参数集，确定预测的电机输入，当所述预测的电机输入被施加到所述电机时，被预测为使得所述所需力或扭矩被施加到所述阀；/nC)当所述所需力或扭矩被施加到所述阀时，确定预测的感测力或扭矩，所述预测的感测力或扭矩将由所述扭矩传感器测量；/nD)将预测的电机输入施加于电机；/nE)从所述扭矩传感器接收测量的感测力或扭矩；/nF)将测量的感测力或扭矩与预测的感测力或扭矩进行比较；以及/nG)如果测量的感测力或扭矩和预测的感测力或扭矩之间的差值超过指定的极限，则根据测量的感测力或扭矩和预测的感测力或扭矩之间的差值修改存储的电机配置参数组。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181019 US 16/165,0431.一种电子控制的电机驱动的阀致动器，包括：
电子控制器；
电机，其被配置为根据从所述电子控制器接收的电机输入引起阀的线性或旋转致动，由此所述电机输入对所述电机的施加确定电机输出力或扭矩，所述电机输出力或扭矩引起阀力或扭矩被施加到所述致动器外部的并且与所述阀机械连通的设备；以及
扭矩传感器，其被配置为测量与所述阀力或扭矩相关的感测力或扭矩；
所述电子控制器被配置为：
A)存储电机配置参数集和阀控制需求，其中所述阀控制需求包括要施加到所述阀的所需力或扭矩；
B)根据所存储的电机配置参数集，确定预测的电机输入，当所述预测的电机输入被施加到所述电机时，被预测为使得所述所需力或扭矩被施加到所述阀；
C)当所述所需力或扭矩被施加到所述阀时，确定预测的感测力或扭矩，所述预测的感测力或扭矩将由所述扭矩传感器测量；
D)将预测的电机输入施加于电机；
E)从所述扭矩传感器接收测量的感测力或扭矩；
F)将测量的感测力或扭矩与预测的感测力或扭矩进行比较；以及
G)如果测量的感测力或扭矩和预测的感测力或扭矩之间的差值超过指定的极限，则根据测量的感测力或扭矩和预测的感测力或扭矩之间的差值修改存储的电机配置参数组。


2.根据权利要求1所述的阀致动器，其进一步包括齿轮系，所述齿轮系被配置成将所述电机输出力或扭矩转换成所述阀力或扭矩，并且其中所述电机配置参数集包括与所述齿轮系的机械特性相关的参数。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的阀致动器，其中所述感测力或扭矩基本上等于所述电机输出力或扭矩。


4.根据权利要求1或权利要求2所述的阀致动器，其中所述感测力或扭矩基本上等于所述阀力或扭矩。


5.根据前述权利要求中任一项所述的阀致动器，其中所述阀致动器包括多个扭矩传感器，其中所述扭矩传感器中的第一扭矩传感器被配置为测量基本上等于所述电机输出力或扭矩的第一感测力或扭矩，而所述扭矩传感器中的第二扭矩传感器被配置为测量基本上等于所述阀力或扭矩的第二力或扭矩。


6.根据前述权利要求中任一项所述的阀致动器，其中所述电动电机由交流电驱动，并且由具有场定向控制的变频电机驱动器控制。


7.根据权利要求1-5中任一项所述的阀致动器，其中所述电机由直流驱动，并且由可变直流电源控制。


8.根据前述权利要求中任一项所述的阀致动器，其中所述电子控制器还被配置为确定初始电机控制参数集，所述确定包括顺序地将多个电机输入施加到所述电机，并且对于每个施加的电机输入，记录由所述传感器测量的对应的感测力或扭矩。


9.根据前述权利要求中任一项所述的阀致动器，其中所述电子控制器被配置成周期性地或连续地重复权利要求1的步骤B)至G)。


10.根据权利要求9所述的阀致动器，其中所述电子控制器还被配置为检测所述扭矩传感器的故障，并且在检测到所述故障时继续重复权利要求1的步骤B)至D)。


11.根据权利要求10所述的阀致动器，其中所述电子控制器被配置为当所述电子控制器没有...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·D·奥兰德，D·E·卡尔森，M·A·鲁莫尔，
申请(专利权)人：福斯管理公司，
类型：发明
国别省市：美国;US