[摘要]：本文介绍了一种采用变频调速技术的全新电动执行机构。它汲取了当今电力电子自动控制领域发展的最新变频调速控制技术，并完全融合到电动执行机构自身的研制开发应用中，从而全面提高了电动执行机构的机电一体化控制性能和智能化水平程度，是当今实现过程控制调节的首选现代化的执行机构。 [关键词]：变频执行机构西门子SIPOS5
1 引言
电动执行机构的存在已有近百余年的历史，从最早的单马达驱动到后期的双马达多极变速电动驱动，到了近期，电动执行机构中逐步加入了一些电子控制单元，如单片机控制器、PLC控制单元等，以此更好地做到自动化、智能化、简易化。总的趋势是机械结构更趋合理巧妙，防护等级能适应复杂
的现场环境，减速机构越做越小，智能
化单元的功能更趋增强。然面由于电动
执行机构的工作特性，决定了控制电机
正反转的配电装置及换向控制单元、庞
大的减速机构、复杂的行程触点开关的
静压测试
调整以及繁琐的机械保护力矩的整定无
法简化，极大地限制了电动执行机构的
快速发展。
八十年代末，随着自动控制技术、电
力电子技术以及计算机技术最新发展，
交流电动机的调速手段有了极大的发
展，变频调速技术应运而生，并在九十
年代日臻成熟。崭新的变频调速技术与电动执行机构的结合，使得电动执行机构在完全取代以往所有电动执行机构功能的基础上，增加了令人耳目一新并且极其宝贵的特性，如柔性起动关闭、运行速度随时可调、定位精度高、启动电流平稳、无电气换向单元、力矩行程速度参数软件编程设定可调、结构相当简单紧凑、有PROFIBUS现场总线接口、在阀门上使用对阀门无冲击等等，变频电动执行机构的出现将电动执行机构的发展水平推到了一个全新的层次，进而大幅度提高了整个自动控制系统的安全运行水平、可靠性、调节品质。并在此行业，率先建立起面向二十一世纪的生产技术标准。这种新型的变频电动执行机构就是德国西门子公司推出的SIPOS5系列电动执行机构。
2 工作原理
新型SIPOS5系列变频电动执行机构采用的是以电子设备代替机械设备的设计思想，通过其内部集成的一体化变频器对其电机的转向和转速进行直
接控制，在无需拆解和不改变执行机构内部机械结构的前提下，进行N 级变速调节输出。
其主要由三部分组成，即变频控制单元、变频电机和带位置检测反馈的蜗轮蜗杆机械传动装置，如下图所示。
变频器
2．1 变频器
变频控制单元是变频电动执行机构的大脑，其主要功能之一是接收变频电动执行机构的电源输入，并将输入的交流电整流、逆变成电压频率可调的交流电，进而控制变频电机的运行，最终输出执行动作。
另外提供了与外界控制单元如PLC、DCS 等模拟开关量信号接口和现场总线通迅接口。变频控制单元的接口如下图所示。
毛豆采摘机
变频单元内部分整流、逆变、控制保护等三部分。 整流部分功能就把输入交流电经三相或单相全桥整流成
直流电。 逆变部分功能就是把稳恒的直流电逆变为电压频率可调的交流电。 控制保护部分为变频器的大脑，它采用了SIEMENS 最先进的DSP 信号处理器与大规模可编程阵列技术，承担了控制、保护、一次传感元件等输入信号的采集与PWM 脉冲波
形的产生与保护控制输出。
电机 蜗杆轮 摇轮
信号指示器
中间的直流部分为电容滤波，当电机快速从高速下降时，电机通过逆变回路将电机的动能回馈给变频器，致使变频单元内部的中间直流电压变高，所以在此位置可增加电气制动单元，吸收电机回馈的能量实现紧急刹车制动功能。
在变频电动执行机构中除了采用一个位置传感器外，没有也无需增设速度传感器。当今的变频技术中有很多很成熟的控制技术如磁通控制技术、直接转矩控制技术、无传感器矢量控制技术等等，它们的应用使得变频器控制下的交流电机的控制精度、动静态性能指标甚至超过了对直流电机的控制效果。
电机的正反转控制，对变频单元来说，只需改变输出电压波形的相序即可实现。通过输出频率的动态变化即可实现电机的电机的开停。完全取代以往手动操作、伺服、减速等复杂装置。
2．2变频电机
变频电机的基本原理同普通异步电机一样，但它充分考虑到变频器在输出频率较低时，电机运行速度下降，电机的散热条件却大为恶化，于是在设计时对电机的机械结构包括线圈绕向布线等均进行了优化处理，保证在电机低频运行时，因运行电流产生的发热在电机限定范围内，不影响电机的正常工作。
2．3机械传动装置
莲子剥壳机变频单元的输出控制异步电机的旋转，再由蜗杆-蜗轮装置将电机的旋
转转变为输出轴的旋转输出，并去带动多回转式的阀门、线性单元或曲柄连杆装置控制被调节机构。
250NM力矩输出以上和以下的分别采用铜质蜗轮-钢质蜗杆黄金组合和球墨铸铁的蜗轮-钢质蜗杆的组合，具有无磨损、传动效率恒定的优良传动性能。其机械传动部分极为精密，噪音甚低，距离1米以内的噪音小于70dB。
在输出轴的旁路增设专用塑导电位器，用来采集输出轴的位置信号参数，并送给变频器作行程计算和保护处理。
3 硬件接线图
SIPOS5系列的外部电气电源接线和控制接线非常简单，以多回转式调节型电动执行机构为例：
X5
折流板除雾器X4
连接 PROFIBUS (选件)
通道 1
通道 2
R T S
M 5V
P 5V
R x D /T x D -N
R x D /T x D -P
95
6
1
R T S
M 5V
P 5V
R x D /T x D -N
R x D /T x D -P
95
61
1
26
25外部连接
执行器内部
主电源电气连接
X1
离合器盘P24F1
PE
X1
单相输入
L N 24V DC
1)
L1
N M F1
PE 三相输入
L3L2L124V DC
1)
-+
P24L3
L2L1M 1) 辅助 24V DC 电源，用于电子单元(选件)
230V AC
400-415V AC / 440-460V AC
(24V DC)
m a x . 80m A X3.2
2423222120191817
161514m a x . 24m A
m a x . 24m A
-
+-
+50
50
Position setpoint
Process value
1
0/4..20m A
F 2
m a x . 20m A
0..600
-
+U1
-
+
外部连接
执行器内部
A
内部 24V DC 电源，用于开关量输入、输出
X3.1
A
外部 24V DC 电源，用于开关量输入、输出
11109876543211213
U2
(24V DC)
+
-
U1
-
+
位置反馈
位置反馈
Position setpoint
Process value
C l o s e
水稻田
O p e n
P 24 i n t .G n d i n t .
G n d 24 e x t .
P 24 e x t .
P 24 i n t .G n d i n t .
G n d e x t .
E m e r g . +
O u t p u t 2
O u t p u t 1
S t o p
O u t p u t 7
O u t p u t 8
E m e r g . -
P 24
M 24
N
L 1
P 24
M 24
L 1
L 2
L 3
O u t p u t 4
O u t p u t 3
O u t p u t 5
O u t p u t 6
+
-控制信号的电气连接
说明：
1） 依据电动执行机构电机的功率，小功率的用220AC 即可，稍大功率的选三相输入。
2） 依据现场实际输入信号类型，可选数字干接点DC24V 输入，也可选4-20MA 标准模拟信号输入。
3） 提供以现场过程控制为目的的过程设定值和现场值输入接口，通过软件设定，利用内置PID 功能，直接实现过程量控制。 4） 提供PROFIBUS-DP 接口，可运行于现场总线系统中。
4 软件操作设定
通过内置的LCD 液晶显示器和面板上的按键可以对电动执行机构进行灵活的参数设定，同样还可通过专用调试软件COM-SIPOS 在手提电脑和个人PC 上对电动执行机构进行快速调试，并生成执行机构的参数资料。主要设定步骤如下：
1） 阀门或被控制档板特性参数设定如方向、开速度、关速度、开力
矩、关力矩等等 2） 终点行程限位
3） 过程控制参数设定如：输入输出信号类型设定，功能设定等 4） 维护参数设定
在电动执行机构运行过程中，会自动地出现关于状态、故障、维护诊断型等信息。
5 与传统执行机构比较突出优点
(1) 起动电流小
系统的线路设计更加简化，不用配置专用动力柜，线路简单，安全可靠，起动电流最多也就是变频电机的额定电流，而传统的执行机构能达到5-7倍左右。 (2) 接线简单
电源输入有单相和三相两种，无须考虑电源的相序，接线非常简单。传统电动执行机构需考虑相序，配用换向装置。
(3) 开或关速度、力矩参数编程可调，在紧急状态时，以设定的紧急速度到达设定的紧急位置。
(4) 对被调节机构无冲击
变频电动执行机构采用电子定位技术，准确可靠，就好象用了变频的电梯到达指定楼层时就会自动稳定停止一样。如在关闭阀门接近限位时的减速范围可编程设置，既可实现“行程到达”自动减速停止，也可实现在“力矩到达”后电机方停止，这样可将阀门真正关“死”，防止泄漏。传统的电动执行机构使用限位开关，易超限或出故障，关闭阀门时不减速，对阀门造成冲击，降低了阀门的使用寿命。 (5) 电气制动
采用电气制动技术，吸收电机制动时的回馈能量，无磨损，无需维护。传统的执行机构采用机械式抱
闸制动，机械磨损大，故障率高，维护量大。 (6) 智能化程度高
开 关
变频电动执行机构力矩、行程、速度编程可调，大大简化型号类
别，节约备品件仓贮投资及方便管理。接口功能全部可编程设定，
内置PID功能，可直接进行过程量控制，并配有PROFIBUS现场总线
接口。
(7) 安装灵活
控制体变频单元和机械传动部分可分体安装，能适应各种复杂恶劣
的现场环境。
6 结论
以上介绍的是德国SIEMENS公司推出的一种新型变频电动执行机构，它正是当代电力电子技术和自动
控制技术发展以及执行器技术发展的结晶，其高度智能化、现代化、操作使用简易化等的突出特点，正是当今生产过程控制技术发展中所一直追求和倡导的。
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