電動執行器行程位置檢測技術分析

電動執行器是現代工業自動化控制中的執行單元，廣泛應用于電力、化工、石油、冶金、環境治理等行業，在過程控制中起著十分重要的作用。隨著微電子、計算機、通信技術和機電一體化技術的迅速發展，自90年代以后，國際上出現了第一代智能電動執行器，從此智能化便成了電動執行器產品發展的必然趨勢。

智能電動執行器，作為機電一體化的執行單元，在工業現場一般與閥門配套使用，控制和調節系統中的壓力、流量和溫度等參數，這些參數的變化直接與閥門的開度有關，因此精確的行程位置控制對執行器來說相當重要，也是考察執行器性能的一個重要參數，而這其中的關鍵就在于精確的位置檢測技術的研究與應用上。

執行器通過內部輸出軸的機械旋轉帶動閥門運行，轉圈數根據不同類型的閥門從幾圈到上千圈不等，跨度很大，執行機構的位置檢測，就是將輸出軸的機械旋轉運動轉換成電信號供控制系統使用，以便對輸出軸的旋轉行程有一個精確的定位控制。漢坤流體作為專業電動執行器研發和生產廠家，HITORK漢托克電動執行器研發初期針對當前用于電動執行器位置檢測技術做了以下詳細調研與分析：

1. 基于旋轉電位器的位置檢測：旋轉電位器（采用電阻絲、碳膜、導電塑料或金屬陶瓷等材料制成的可變電阻元件）內部安裝有滑動觸頭與電阻元件接觸并可在上面滑動，傳統執行器位置檢測普遍采用旋轉電位器，它可以將輸出軸的旋轉行程轉換成電阻值的變化傳送給控制系統。為適應不同的轉圈數，需為其配套一組外掛齒輪傳動裝置，通過改變齒輪的傳動比來適應不用的轉圈數。這種方案多用于早期的電動執行器位置檢測，此類傳感器結構簡單，但由于滑動觸頭與電阻元件有電氣接觸，故存在接觸電阻，精度和可靠性不高，長期使用會造成觸點磨損，壽命相對較短，而且還需要復雜的齒輪變換裝置輔助，使整個位置傳感器單元顯得非常臃腫和龐大，不利于小型化。目前基本都在一些低端的老一代的產品上應用。

2. 基于增量式光電編碼器的位置檢測：隨著傳感器技術的不斷更新換代，基于光電傳感元件與微處理器技術的光電編碼器的出現，使電動執行器的位置檢測技術前進了一大步。增量式光電編碼器采用光電式脈沖編碼技術將旋轉位移轉變成電脈沖信號。編碼器內部由高功率光電二極管、高靈敏度光電晶體管和碼盤組成，執行器輸出軸帶動傳動齒輪旋轉，傳動齒輪帶動傳感器碼盤旋轉，碼盤周邊有很多均勻間隔的小孔，光電二極管發出的光因為碼盤旋轉被不斷的通過與阻擋，傳感器將其轉變為高低電平的變化，從而將執行機構輸出軸的旋轉位移精確地轉換成電脈沖信號供控制系統使用。但是電動執行器運用這種基于增量式光電編碼器的位置檢測技術，通電運行時需要定義相對零位作為參考點，系統斷電會造成位置丟失，所以需要依靠電池來記憶并保持位置數據，應用上顯得有些不便。該方案也多見于一些老一代的產品上，不過在光電編碼器剛出現時，這樣的應用顯然是執行器位置檢測技術上的一大突破了。

3. 基于絕對式光電編碼器的位置檢測：光電編碼器技術在進一步得到發展升級之后，出現了絕對式光電編碼器，絕對是相對于增量而言的，顧名思義，所謂絕對就是編碼器的輸出信號在一圈或多圈運轉的過程中，其每一位置和角度所對應的輸出編碼值都是唯一對應的，如此，便具備了掉電記憶的功能。絕對式編碼器是依據計算機原理中的位碼來設計的，比如：8位碼（0000?0011），16位碼，32位碼等。把這些位碼信息反映在編碼器的碼盤上，就是多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排。如此編排的結果，比如對一個單圈絕對式而言，便是把一周360°分為2的4次方，2的8次方，2的16次方……位數越高，則精度越高。這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。多圈絕對式光電編碼器是運用鐘表齒輪機械原理，對單圈絕對編碼器的擴展。該方案，因其位置檢測準確，精度高，穩定性好，具備掉電記憶的功能，目前大部分主流的電動執行器產品都應用了這一技術。

4. 基于磁電絕對編碼器的位置檢測：磁電編碼器是一種新型的數字化位置檢測傳感器技術，其原理是采用磁阻或者霍爾元件對變化的磁性材料的角度或者位移進行精確測量，磁性材料角度或者位移的變化會引起電阻或電壓的變化，通過放大電路對變化量進行放大后由微處理器處理后輸出數字信號供控制系統處理，整個磁電感應系統為一個封裝的很小的IC，非常有利于實現傳感器的小型化。

圖1 磁感元件基本配置

該類型傳感器測量精度可達到12bit，即每圈4096個位置，理論分辨率可以達到0.1度，完全滿足電動執行器的定位要求。它與絕對式光電編碼器一樣，位置信號唯一，無需依靠電池記憶，需要時直接讀取即可，傳感器內部也同樣是無接觸式測量，無磨損，壽命長。相較于絕對式光電編碼器，磁電絕對編碼器系統更為突出的一點是，它無需光源和光感元件，具備更強的環境適應能力，對諸如灰塵、油污和水汽等因素有較強的“免疫”能力，抗干擾，耐高低溫，可以在惡劣的環境穩定工作。目前有一部分高端電動執行器產品的位置檢測已經率先采用該方案。

綜合比較分析了當前智能執行器所用到位置檢測技術，磁電編碼器由于其原理性優勢，在滿足執行器行程定位控制要求的基礎上，其整體性能、穩定性、抗干擾、耐用性都要優于光電絕對編碼器。漢坤品牌創建于2007年，公司專注于過程工業流體控制領域，致力于執行器與自控閥門的研發和生產，始終貫徹專業執行器生產廠家產品理念，打造高端HITORK系列電動執行器，走精品路線，本公司自主研發了執行器專用的磁電式多圈絕對編碼器。

圖2 HITORK二代電動執行器專用磁電式多圈絕對編碼器

HITORK漢托克二代電動執行器均采用該編碼器，實現位置的準確檢測和行程的精準定位，切實提高產品穩定性和耐用性，為用戶提供更好的產品。