可变速致动器的制作方法

专利名称：可变速致动器的制作方法
可变速致动器
本申请为分案申请，原申请的申请号为200880130412.X (国际申请号为PCT/US2008/070545)，国际申请日为2008年7月18日，发明名称为“可变速致动器”。技术领域
本发明总体涉及一种包括电动马达的阀致动器，并更具体地涉及这种阀致动器的控制。
背景技术：
阀致动器广泛应用于许多工业，例如，所有类型的发电、石油和石油化学产品、纺织、造纸以及食物处理。运转速度和由阀致动器产生的转矩是很重要的参数。通常，将固定速度马达连结到齿轮组确实为阀提供适合的速度和转矩组合。准确的马达和齿轮组必须由制造商连结。如果制造商想要实现对客户定货的快速周转，则制造商必须储存各种马达和齿轮组。另外，必须雇佣熟知哪怕一种简单的普通阀致动器设计的有时数百种不同变化的组装的专业工作人员。
而且，即使多个客户想要具有完全相同的速度和转矩特性的阀致动器，这些客户通常也具有不同的可用电源。一个客户可能想要使用60Hz的480VAC的三相电源，另一使用者可能想要使用50Hz的110VAC的单相电源，而又一客户可能仅有24VDC的可用电源。以前公知的系统未提供一种以现成品供应从而满足具有不同可用电源的客户的需求的阀致动器。
目前，如果使用者想要改变阀致动器的转矩和速度特性，则必须使致动器停止工作、拆卸致动器、随后将致动器与不同的齿轮组和/或马达重新组装在一起。需要一种减少必须储存以满足客户需求的马达和齿轮组的数量的方法。还需要减少必须训练雇员以构建的模型的数量。另外，需要在不要求拆卸的情况下允许调节致动器所传送的速度和转矩。
另外，固定速度阀致动器作为过程控制器具有有限的用途，因为阀始终以恒速运转。需要允许阀致动器作为过程控制器运转的方法。
解决这些问题的一种方法是通过使用整流器和断路器控制发送到DC马达的电流。由此，允许使用单相或三相的高压或低压AC电流并允许控制马达的速度和转矩。这种方法的变型在于对AC整流、之后利用逆变器控制AC马达。然而，这些方法需要使用转矩限制开关。操作者可机械地调节由阀致动器传送的速度和转矩，但操作者最多仅可设定阀致动器不应超过的最大转矩或速度。在不使用限制开关的情况下，操作者不能设定在阀行程的整个长度上发生改变的速度或转矩轮廓。阀致动器包括齿轮组并且齿轮组设置在阀致动器的壳体内。
以前的方法需要使用者调节速度和转矩电位计，并且不允许操作者设定在阀行程的整个长度上发生改变的速度或转矩轮廓。这些方法未提供在不使用大型机械开关和转矩限制开关的情况下设定阀致动器的速度和转矩的方法，也未提供阀致动器可作为过程控制器运转的机构。
解决上述问题的其它方法使用开关磁阻马达和DC马达以提供可变速度。然而，在这些情况中，阀致动器需要单独的制动机构来防止马达在发生电力损失的情况中旋转。需要本身就具有制动能力的能够改变速度的阀致动器。发明内容
本发明的一个实施例是一种阀致动器，包括:可变速马达；可操作地连接到可变速马达并可设置为操纵可变速马达的固态马达控制器；以及可操作地连接到可变速马达的蜗杆/蜗轮组。
本发明的另一实施例是一种阀致动器，包括:通用的磁场连接块；可运转而接收电力供给的电源转换器；可变速马达；可操作地连接到电源转换器的固态马达控制器和该马达控制器可设置为操纵可变速马达；以及可操作地连接到可变速马达的制动设备；制动设备包括齿轮组。
本发明的另一实施例是一种阀致动器，包括:壳体；马达控制器；具有输出轴的可变速马达，其中，可变速马达设置为由马达控制器控制；以及集成到壳体内的马达控制器和可变速马达；以及在壳体外并可操作地连结到输出轴的齿轮系。
本发明的具体的实施例包括一种操纵阀致动器的方法，该方法包括:提供包括可操作地连接到可变速马达的固态马达控制器的阀致动器，其中，齿轮组可操作地连接到可变速马达；设定固态马达控制器上的速度，当阀致动器运转时固态马达控制器以该速度驱动可变速马达；以及当发生电源故障时，用该齿轮组抵抗向后驱动载荷而锁定可变速马达。
本发明的另一实施例包括致动电驱动阀致动器的方法，该方法包括:在可操作地连接到包括齿轮组的电驱动阀致动器的固态阀致动器处接收指令信号，其中，电驱动阀致动器能够改变速度，在固态阀致动器控制器处接收反馈信号，判断指令信号与反馈信号之间是否存在差异；以及通过致动电驱动阀致动器使指令信号与反馈信号之间的任何差异最小化。
本发明的另一实施例是用于致动阀的系统，该系统包括:阀致动器，其中，阀致动器包括:马达，其中马达包括输出轴；可操作地连接到马达并能够以可变化的速度和转矩操纵马达的固态马达控制器；以及连结到马达的输出轴的蜗杆/蜗轮组。


尽管说明书以具体指出且明确声明了哪些视作本发明的内容的权利要求进行总结，但本领域的普通技术人员通过下面结合附图阅读对本发明的描述可更容易地理解和领会本发明，在附图中: 图1是包括马达控制器和可变速马达的可变速的阀致动器的实施例的示意图； 图2示出了将电源转换器和齿轮组添加到图1所示的实施例中； 图3示出了根据本发明的实施例合并电源转换器和马达控制器； 图4示出了无电源转换器的本发明的实施例； 图5示出了包括作为根据本发明的实施例的阀致动器的一部分的磁场连接终端； 图6示出了无齿轮组的电源转换器的实施例； 图7示出了阀致动器的一个实施例，其中，马达控制器和可变速马达位于单独的壳体内而齿轮组位于壳体外。
图8示出了包括根据本发明阀致动器的实施例的阀制动控制器； 图9示出了本发明的一个实施例，其中，电源转换器集成为与阀致动器控制器通讯的马达控制器的一部分； 图10示出了本发明的一个实施例，其中，马达控制器集成为从电源转换器接收输入的阀致动器控制器的一部分； 图11示出了将电源转换器、马达控制器以及阀致动器控制器合并到根据本发明的实施例的单个设备内。
图12示出了可由马达控制器接收的不同的反馈信号的实例；以及 图13示出了阀致动器作为过程控制器运转的实施例。
具体实施方式
披露了一种包括电动马达的阀致动器，包括:能够以可变速度操控马达的固态马达控制器以及防止载荷力向回驱动输出轴的齿轮组。可以选择阀致动器的速度和转矩。本发明可消除在阀致动器中安装转矩限制开关或其它转矩专用的转矩检测装置以及单独的制动机构。
为了便于说明，在附图中相同的附图标记表示相同的元件。现参照图1，阀致动器100的具体实施例包括马达控制器20和可变速马达10。马达控制器20从来自电源90的输入接收电力输入。马达控制器20控制电能输出至可变速马达10。可变速马达10可连结到阀80。可替换地，马达10可连结到致动器齿轮箱(旋转输出或线性输出)，致动器齿轮箱可进而连结到阀80或其它的从动载荷。
可变速马达10可为本技术领域中公知的任何适合的马达。本发明可使用多种可变速马达。几乎任何AC马达通过适合的控制器和转换器都能以可变速度工作。可变速马达10包括单相和多相感应马达。多相感应马达中包括设计A和B、C、D以及F四个总组及附随的子组。变速马达10可为其它的AC马达，例如，转子绕组马达、多速马达、恒定转矩和可变转矩马达以及通用马达。可使用包括反应式同步马达(磁滞同步马达和磁阻同步马达)以及DC激励同步马达的同步马达。可变速马达10还可为伺服马达、无刷伺服马达以及线性马达。
可变速马达10还可为DC马达。适合的DC马达包括例如并励DC马达、串励DC马达、复式励磁DC马达以及无刷DC马达。可变速马达10还可为有刷或无刷DC线性马达或无芯马达。可变速马达10可具有任意数目的极，例如当使用环形马达或短轴型马达时。可变速马达10可为有限角度转矩马达或接线为有限角度转矩马达的无刷DC马达。变速发动机10可包括永磁步进马达(例如，圆盘式马达)、无磁无刷步进马达(例如，可变磁阻马达)以及开关磁阻无刷DC马达(也称作混合式永磁马达)。可变速马达10可包括步进马达，例如，两相马达、三相马达、四相马达或五相马达以及DC伺服马达。
前面的马达列表不旨在进行限制，而旨在给出可作为可变速马达10使用的各种马达的实例。可通过任何控制方法变速驱动的任何马达均可作为变速发动机10使用。另夕卜，尽管伺服马达被描述为特定类型的马达，但应该理解的是，马达位置反馈可与上述马达中的任一者集成。
马达控制器20可为能够控制可变速马达10的速度和转矩的任何的控制器。在一个实施例中，马达控制器20可为固态控制器。在此使用的术语“控制器”表示控制器和驱动器两者。可依据所使用的马达的类型改变马达控制器20。有刷DC马达主要由称作“磁场”的绕线定子和称作“电枢”的绕线转子组成。在此使用的术语“绕组”或“绕线”不仅表示绕接，还表示金属层和绕组架(通常包括黑色金属叠片)。例如，对于串励DC马达，电枢和磁场串联连接。马达速度近似直接正比于供给到马达的电流。因此，通过控制供给到马达的电压来控制马达的速度。通过控制电流来控制马达转矩。马达控制器20可包括可变电阻器，例如电位计或变阻器。例如，还可使用三端双向可控硅元件和硅控整流器(SCRs)。可使用与可变速马达10匹配的任何适合的技术。
并励DC马达具有单独的磁场和电枢电源。因此，需要不同类型的控制。当磁场具有固定电源而电枢电源变化时，称作电枢电压控制。电枢电压控制使得在整个速度范围转矩恒定。当磁场电源变化而电枢电源固定时，称作并励磁场控制。并励磁场控制在整个速度范围上提供恒定马力。复式励磁DC马达使用串励磁场绕组和并励磁场绕组。马达控制器20可提供电枢电压控制、并励磁场控制或复式励磁马达控制。
无刷DC马达没有绕线电枢，而使用永久磁体作为转子。取代电刷，磁场绕组(叠置的金属层)中的电流在需要时反复地切换，以产生所需的交替的磁场而使永磁转子旋转。PWM被普遍地用于控制切换速度；然而，马达控制器20可利用任何适合的方法来控制速度和/或转矩。
AC感应马达具有绕线定子，并可具有带缠绕的绕组或导电“条”(鼠笼)的转子，但电力仅供给到定子。最普遍地通过改变电源频率和电压控制AC马达的速度。在本发明的具体的实施例中，马达控制器20可为变频驱动(VFD)。VFD主要是将AC转换为DC，随后将DC电流转换回AC。逆变器控制AC输出波的电压和频率。输出频率决定AC马达的速度。输出电压决定马达转矩。可用于完成AC至DC转换的适合的装置包括例如二极管、整流器、半导体闸流管以及SCRs。诸如绝缘栅双极晶体管(也称隔离栅双极晶体管)(IGBTs)的半导体可用于将DC电流转换为AC电流。可替换地，还可使用双极性晶体管、FET、MOSFET以及晶体管变压器。以与感应马达类似的方式控制同步马达。马达控制器20可为能够控制本技术领域中公知的AC马达的速度和/或转矩的任何适合的控制器。
图2示出了阀致动器100还包括电源转换器30和齿轮组40的本发明的实施例。电源转换器30从电源90接收电力输入并将适合的电源输出到马达控制器20。齿轮组40连结到可变速马达10的输出轴。齿轮组40进而连结到阀80。
在图3所示的另一实施例中，电源转换器30可集成在马达控制器20的同一壳体中。电源转换器30的一部分功能或所有的功能还可由马达控制器20实现。例如，当VFD作为马达控制器20使用时，VFD还可执行将单相AC转换为三相AC的功能。因此，不需要单独的相位转换器。然而，可能期望使用设立于通用电源转换器30中的单独的相位转换器而不是VFD来实现该目的。VFDs还可执行AC至DC的转换以及到AC的向回转换。因此，当马达控制器20包括VFD时，电源转换的这些方面可由马达控制器20执行。
另外，如图4的实施例所示，可能具有不需要电源转换器30的情况。电源转换器30可为能够使电源90从一个电压变到另一电压的变压器(例如，可变比变压器)。电源转换器30还可为AC至DC转换器、DC至AC转换器、DC至AC逆变器或者相位转换器。电源转换器30还可设计为通用的电源转换器。因此，电源转换器可采取任何普遍使用的电压类型和电流类型并将其转换为马达控制器20可使用的形式。在可替换的实施例中，电源转换器可产生低压ac和/或dc电力，低压ac和/或dc电力能够供电给板上位置或过程控制器并还可作为电源供电以驱动外部装置(例如，开关、指示器以及状态信号)。电源90可为任何可用的电源。电源90的一些实例包括:208至609VAC三相电源，50或60Hz ;120或230VAC单相电源；12VDC电源；24VDC电源；以及48VDC电源。本发明的实施例可能能够接受从24VDC至690VAC范围内的任何电压。
电源转换器30可为单个设备或多个设备。例如，电源转换器30可包括前述的DC转换器、AC降压变压器或升压变压器或相位转换器。
参照图5的实施例,磁场连接块(field connection block)60还可并入阀致动器100中。可采用将电源90连接到电源转换器30或马达控制器20所必需的任何方式设计磁场连接块60。磁场连接块60还可与电源转换器30和/或马达控制器20集成到单个设备中。磁场连接块60可设计为与通用电源转换器30—起使用的通用连接块。在该具体的实施例中，磁场连接块60可设计为具有适合的杆件、凸耳、凸轮锁、销以及套筒连接件或其它的连接设备来处理由电源90供给的任何电压或电流强度。磁场连接块60还可具有单个连接机构或多个连接机构。例如，磁场连接块60可具有单一一组上面固定有用于AC电线和DC电线的凸耳的杆件，可替换地，磁场连接块60可具有一组用于DC电线的杆件和/或凸耳及一组用于AC电线的杆件和/或凸耳。磁场连接块60还可具有多组AC和DC连接机构。
磁场连接块60可设计为:防止操作者错误地对磁场连接块60进行接线以用于一种类型电力，但实际上供应不同类型的电力。例如，如果操作者期望使用480VAC三相电源，但意外地将两个480VAC导体连接到一组DC凸耳，则可能引发问题。磁场连接块60可设计为自动地检测所供应的电流和电压的类型并采取适当的措施，或者可设置允许使用者辨认将供给哪种电流和电压的机构。可通过本技术领域中公知的传感器实现自动感测。因此，磁场连接块60中的控制器可使适合的开关装置接合，从而将操作者的电源电连接到电源转换器30的适合的部位。电力调节模块可接收广泛范围的任何可能的输入电压，并允许马达运转(如果在安全范围内)或阻止马达运转。可增加电路保护以避免当电流流经触点时尝试改变开关装置。
而且，当可变速马达10是AC马达并且电源90是DC电源时，则可能期望将DC电源直接供给马达控制器20，作为控制可变速马达10的一部分，马达控制器20进而将DC电源转换为AC电源。
阀致动器100的磁场连接块60或任何其它的部分可包括任何必须的电流和电压保护，例如，采用断路器和浪涌电压保护器的形式。
所描述的关于磁场连接块60的所有的结构和功能还可以与电源转换器30、马达控制器20和/或阀致动器控制器50集成到一个壳体中。该壳体随后可作为阀致动器100的一部分并入阀致动器中。另外，磁场连接块60和电源转换器30可完全地集成在一起。
通过使用通用电源转换器30，阀致动器制造商可在指定尺寸范围内制造单个阀致动器100，该阀致动器100将与客户可能具有的任何的电源90相匹配并作为现成成品。另夕卜，通过利用可变速马达10，阀致动器100可与广泛范围的阀80相匹配。固态马达控制器20允许给定阀80的最佳速度和转矩配置。速度和扭矩可由操作者、制造商、代理商或批发商设定。因此，小范围的阀致动器100能够满足大范围阀应用的需要。小范围的阀致动器100可被大量生产，从而实现以前通过其它的阀致动器不可能实现的规模成本。
阀致动器100任选地可包括齿轮组40。齿轮组40可作为阀致动器100的一部分或者可连结到阀致动器100的单独构件包含在阀致动器中。在一个实施例中，齿轮组40可为蜗杆/蜗轮组，其中蜗杆轴直接连结到可变速马达10的输出轴并集成为阀致动器100的一部分。蜗轮/蜗轮组本身用于制动或锁定阀致动器100来防止阀在马达未通电时改变位置。然而，齿轮组40可为诸如行星齿轮组的其它的齿轮。图6示出了没有齿轮组40的实施例。在该实施例中，可变速马达10的输出轴可直接连结到阀80。
应该理解的是，在具体的实施例中，中空轴、多个极、大转矩、低速的“盘式”马达可用于容纳阀杆并直接驱动阀而不需要齿轮箱。对于直接驱动的中空轴致动器，当致动器停止时，仍需要将致动器“锁定”于适当的位置。可通过对马达控制器发送零速指令用控制器将致动器主动地保持在该位置。可替换地，中空轴设计可利用三位马达/手轮离合系统以及由螺线管驱动的制动器。第一位置包括在螺线管制动器被释放的情况下马达运行或者在由螺线管驱动的制动器接合的情况下停止运行。第二位置包括马达脱离并且制动器接合(即，使螺线管无效)。第三位置包括马达脱离、制动器脱离(使螺线管无效)以及手轮接合。为了操纵手轮，操纵杆移动到第三位置，手轮转动到期望的阀位置，之后操纵杆移动到第一位置或第二位置以保持阀位置。
图7示出了阀致动器100中具有齿轮组40但可变速马达10和马达控制器20容置于单独的壳体70中的实施例。电源转换器30也可容置于壳体70中。在一个实施例中，壳体70为马达壳体。例如，马达控制器20和电源转换器30可置于马达壳体中。可替换地，马达控制器20和电源转换器30可置于马达壳体70上。在这种实施例中，马达控制器20和电源转换器30可经由壳体70中的孔用电线连接到可变速马达10。马达控制器20和电源转换器30可被适当地遮盖，以便壳体70具有任何期望的NEMA等级，例如NEMA4。另外，在图7的实施例中，可不包括电源转换器30，或者电源转换器30可与马达控制器20集成为单个设备。阀致动器控制器50也可置于壳体70中。马达控制器20也可集成于阀致动器控制器50中。
阀80可为多回转阀或90度回转阀。阀80可为球阀、闸式阀、闸门阀、蝶形阀、旋塞阀、球闸阀或多位阀。阀80包括任何由阀或其它致动器驱动的负载，可由带有或不带有齿轮组40的可变速马达10操纵该负载。
参照图8，阀致动器100还可包括阀致动器控制器50。在具体的实施例中，阀致动器控制器50置于阀致动器100的致动器壳体70中。然而，可替换地，阀致动器控制器50可置于致动器壳体70的外部。例如，阀致动器控制器50可被安装在阀致动器100附近的支撑结构上，其中电引线将阀致动器控制器50连接到阀致动器100。
在一个实施例中，如图8所示，阀致动器控制器50控制马达控制器20。马达控制器20可如图8所示与电源转换器30分离，或者电源转换器30可如图9所示集成到马达控制器20中。图8示出了与马达控制器20分离的阀致动器控制器50。可替换地，阀致动器控制器50可从电源90直接接收电力，并且阀致动器控制器50可将输出信号和状态指示发送至电源90。然而，如图10所示，马达控制器20可与阀致动器控制器50集成为单个设备。图11示出了电源转换器30还可以与阀致动器控制器50和马达控制器20集成为单个设备。
应该理解的是，尽管图中示出了将马达控制器20集成到阀致动器控制器50中，但也可视作将阀致动器控制器50集成到马达控制器20中。类似地，马达控制器20和/或阀致动器控制器50执行的功能也可由电源转换器30执行。
阀致动器控制器50能够接收和输出信号。阀致动器控制器50可接收过程指令信号、过程反馈信号、阀位置指令信号、阀位置反馈信号以及马达位置信号。阀致动器控制器50或马达控制器20可接收任意数目的反馈信号。例如，如图12所示，可变速马达10可产生诸如一个或多个转子(或电枢)位置信号、转子速度信号、马达电流信号或马达转矩信号的反馈信号15。反馈信号15可用于导出阀致动器100输出转矩、输出速度以及位置。类似地，反馈信号15可用于计算阀80的转矩、速度以及位置。齿轮组40可设置为产生反馈信号16。反馈信号16可显示阀致动器100的输出转矩、速度和/或位置。反馈信号16还可包括关于齿轮系的任何部分的数据，例如，蜗杆轴或蜗轮的速度和/或转矩。另外，阀80可设置为产生反馈信号17。反馈信号17可用于直接显示阀80的转矩、速度以及位置。图12示出了马达控制器12接收反馈信号15、16和17。然而，阀致动器控制器50也可接收这些信号。
可由阀致动器控制器50发送的信号的实例包括对传感器、操操纵器、马达控制器20、可变速马达10以及阀致动器100外部的其它系统的询问信号。
阀致动器控制器50可用作位置控制器或过程控制器。在阀致动器控制器用作位置控制器的实施例中，阀致动器控制器50可设置为接收位置指令信号。位置指令信号可显示阀的期望的位置。指令信号可由任何标准装置产生，例如，过程控制器、操纵器、开关、电位计、过程功能模块、信号发生器或位置控制器。因此，阀致动器控制器50可利用马达控制器20通过反馈信号获知的可变速马达10的转子位置，从而决定阀80的位置。反馈信号15可主要用作位置反馈信号的信号源。则阀致动器控制器50可判断位置指令信号与位置反馈信号之间是否有误差(差异)。如果检测到误差，则阀致动器控制器50可调节阀致动器100使误差最小化。性能调整(例如，响应时间、许可的过调、建立时间和/或许可误差)可由使用者设置或由制造商预先设定到默认值。
在阀致动器控制器用作过程控制器的实施例中，阀致动器控制器50设置为接收过程指令信号和过程反馈信号。过程指令信号显示期望的过程变化设定点。过程反馈信号显示过程变量的实际状态。因此，阀致动器控制器50判断两个信号之间是否有误差，并调节阀而将误差减小到设置的可接收的范围内。阀致动器控制器50可包含任何类型的控制响应，例如，比例控制、比例加积分控制、比例加积分加微分控制、或比例加微分控制。
阀致动器100可设置为以恒定速度或可变速度操纵阀80。在恒定速度的实施例中，本发明的阀致动器100可改进规模制造成本。可替换地，阀致动器100可设置为以可变速度驱动阀。
阀致动器100可由操作者设置而以可变速度驱动阀。操作者可近乎无限地控制阀80运转的速度。操作者可为阀致动器100选择设定速度使其在设定速度下运转或者可输入速度曲线。速度曲线允许操作者对阀80行程的不同部分指定不同的阀速度。操作者还可设定在不同速度下以及在阀80行程的不同位置可传递的允许的转矩。因此，可在阀80打开之前、首次打开阀80时、阀80关闭前或首次关闭阀80时限制阀80的转矩和速度。在具体的实施例中，阀致动器控制器50和/或马达控制器20是固态控制器，消除了需要转矩限制开关来识别何时应改变速度或转矩。取而代之，可使用马达控制器20的通过反馈信号15获得的马达位置和转矩确定何时限制或改变阀80的转矩和/或速度。例如，可由马达电流、电压、温度、反电动势(EMF)、漏磁通或者上述各项的任意组合的信息推断转矩。因此，当阀致动器控制器50是固态控制器时，操作者可改变沿着阀行程的速度减小或增大的位置，而不必调节机械开关。
由于操作者可以改变阀80的恒定速度或速度曲线，所以可通过确定总系统增益实现更大的灵活性。例如，较高的阀速度与较高的系统增益等同，相反地，较低的阀速度与较低的系统增益等同。而且，由于阀速度与系统增益之间的关系，阀致动器100的可变速的能力为操作者提供了精调控制系统的工具。这在难以找到允许系统平稳下来的细调常数的敏感的控制系统中可能特别有利。
另外，一旦选定细调常数，操作者可改变阀80的速度，而不改变细调常数。这在操作者具有有限组的细调常数的过程中是尤其有利的，由此避免出现问题的PID控制器，例如，本技术领域中公知的积分饱和问题和其它问题。在这种方案中，调节阀速度可能比改变控制器细调常数更有利。
例如，许多操作者尝试不关闭过程而执行对阀的维护。取而代之，操作者将尝试使阀充分运转直到每年的指定时间，此时整个过程将被完全关闭并一次完成任何所需的修护。因此，当阀开始粘滞时，一些操作者将调节控制器的细调常数来尝试补偿粘滞的阀。本质上，为了接近与粘滞前的阀过程状态类似的实际结果，操作者可改变控制器细调常数以尝试命令阀尽快或更大程度地改变位置。可替换地，本发明的闭环位置控制器可如所需要地一直将马达电压调节为满电压(最大tq)以尝试达到指令速度。操作者可在阀变得越来越粘滞时通过调节定时器或控制器的定时参数中的Ki常数来调节致动器的动作。
然而，对于复杂的或敏感的系统，可能具有有限组的实际上实现稳定过程的细调常数。通过调节阀致动器控制器50来改变阀80处的速度而不是只改变固定的速度，无论阀具有任何问题都可调节或产生阀速度曲线以适应。如果阀仅在打开时粘滞，则当阀首次打开时可供给更大的转矩。如果阀在阀行程的中间粘滞，则可在阀粘滞的范围上增加速度或转矩。
阀致动器100可设计为在阀致动器控制器50中设有适合的逻辑以确定驱动阀80的速度。当阀致动器控制器50用作过程控制器时，这种逻辑可集成到阀致动器控制器50中。在该实施例中，阀致动器控制器50可确定可变速马达10以多大速度运转才能使齿轮组40转动并进而致动阀80。例如，阀致动器控制器50可设计为当过程变量设定点与过程变量反馈之间的差异较大时以高速度致动阀80。类似地，当过程信号之间的误差(差异)较小时，则以低速度致动阀80。阀致动器控制器50可设有有限组的相应于给定误差量级的预先选定的速度。可替换地，阀致动器控制器50本质上可具有无限多的速度，可依据相应的误差以这些速度致动阀80。
阀致动器控制器50还可设置为使得对过程变量设定点改变的第一响应促使阀80以高速被致动，之后阀80位置的变化以越来越低的速度发生。这种方法可能有利于避免积分饱和(integral wind-up)。阀致动器控制器50可设计为以对本领域技术人员显而易见的多种方式发生响应。编程控制器和控制器硬件在本领域中是公知的。因此，本文不对阀致动器控制器50中使用的具体的软件、硬件和/或固件进行阐述。
参照图13描述阀致动器控制器50用作温度过程控制器的一个实例。反应容器200在它的侧面周围具有加热套210。图中未示出反应容器200的输入和输出。管道220将热水供给到加热套210。来自加热套210中的热水的热量传递到反应容器200。流入加热套210的新进热水的流速越快，反应容器200的温度越高。热水的流速由阀80控制。阀80的入口连接到管道260。经由加热套210循环的热水从管道270排出。通过阀致动器100使阀80转动。信号240是发送到阀致动器控制器50的指示反应容器200的温度设定点的过程指令信号。图13中未示出信号源。信号240和250可为:0-20或5-20mA信号的形式；0-10或0-50mV信号的形式；0-5、1-5或1-1OVdc信号的形式；或者在数字通讯总线(网络通讯协议(Modbus),现场总线技术(Foundation Fieldbus),现场总线(Prof ibus)，ASi,设备网(DeviceNet)，互联网(Internet)，以太网(Ethernet)等)的数字化信息；或者任何其它的控制器信号形式。信号250是从温度传感器230发送到阀致动器控制器50的过程反馈信号。
为了简化，在该实例中，假设阀80的位置被标定至不同的热水流速。在实际中，至少一个热水流动传感器和其它的传感器还可将信号传送到阀致动器控制器50。另外，可使用任意数量的温度传感器230。
当温度传感器230检测到温度的微小变化时，阀致动器控制器50可进行响应使阀80的位置以相对低的速度发生相应微小量的变化。可替换地，如果温度传感器检测到很大的温度下降，则阀致动器控制器50可使阀80以相对高的速率更大程度地打开。阀致动器控制器50可具有给定组的速度，例如，非常低的速度、低速、中速、高速以及非常高的速度，从而依据信号240与信号250之间的差异程度决定用哪一个速度致动阀80。阀致动器控制器50也可具有近乎无限多的速度，可以这些速度致动阀80。阀致动器控制器50可设置为不仅检测信号240与250之间的差异还检测信号240本身的变化。例如，如果操作者大幅增加温度设定点，则阀致动器控制器50可缓慢地打开阀80而使反应容器200的温度逐渐升高。然而，如果信号250的变化是信号250与240之间的差异的根源，则阀致动器控制器50可促使阀80迅速地改变位置。
阀致动器控制器50可主要为软件、硬件、固件或它们的组合物。阀致动器控制器50可设计为与PC联接或者设计为与其它的控制硬件和软件联接。如现有技术中公知的，马达控制器20和阀致动器控制器50可从电源90或单独的电源获取电力。
本发明还包括下面的具体的实施例和构想: 1.一种阀致动器，包括: 可变速马达； 可操作地连接到所述可变速马达并可设置为操纵所述可变速马达的固态马达控制器；以及 可操作地连接到所述可变速马达的齿轮组。
2.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述可变速马达选自由带马达位置反馈的AC同步磁阻马达、无马达位置反馈的AC同步磁阻马达、带马达位置反馈的DC无刷马达以及带马达位置反馈的DC无刷马达组成的组。
3.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述可变速马达是AC马达，该AC马达选自由单相感应马达、多相感应马达、绕线转子马达、多速马达、恒定转矩马达、可变转矩马达、通用马达、同步磁滞马达、DC激励同步马达、伺服马达、无刷伺服马达以及线性马达组成的组。
4.如权利要求1所述的阀致动器，其中，可变速马达是DC马达，该DC马达选自由并励DC马达、串励DC马达、复式励磁DC马达、无刷DC马达、线性马达、无刷线性马达、无芯马达、环形马达、短轴型马达、有限转角转矩马达、永磁步进马达、可变磁阻马达、开关磁阻马达以及伺服马达组成的组。
5.如权利要求1所述的阀致动器，还包括电源转换器。
6.如权利要求5所述的阀致动器，其中，所述电源转换器可操作而执行下列功能的一项或多项-M至AC转换、DC至DC转换、AC至DC转换；DC至AC转换；以及相位转换。
7.如权利要求5所述的阀致动器，其中，所述电源转换器和所述固态马达控制器集成为单个设备。
8.如权利要求1所述的阀致动器，还包括可操作而控制所述马达控制器的阀致动器控制器。
9.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述固态马达控制器可操作而改变所述可变速马达的速度和转矩。
10.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述固态马达控制器具有一组预先选定的速度和转矩，以这些速度和转矩操作所述可变速马达。
11.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述固态马达控制器具有由使用者限定的预先选定的转矩。
12.如权利要求1所述的阀致动器，其中，操作者可调节所述可变速马达运转时的速度和转矩。
13.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述固态马达控制器具有一组预先选定的速度和转矩曲线，以这些速度和转矩曲线操作所述可变速马达。
14.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述齿轮组集成到所述阀致动器。
15.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述齿轮组在容纳所述固态马达控制器的壳体外部。
16.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述齿轮组可操作以与阀的阀杆直接配合。
17.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述齿轮组可操作以与能够直接连结到阀或由致动器驱动的载荷的中空轴或线性马达直接配合。
18.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述齿轮组可操作以与具有三位马达/手轮离合系统和由螺线管驱动的制动器的中空轴直接配合。
19.如权利要求1所述的阀致动器，还包括阀致动器控制器。
20.如权利要求19所述的阀致动器，其中，所述阀致动器控制器集成到所述阀致动器。
21.如权利要求19所述的阀致动器，其中，所述阀致动控制可操作以发送和接收信号。
22.如权利要求21所述的阀致动器，其中，接收的信号包括:指令信号、反馈信号、过程变量设定点信号、位置信号、过程变量反馈信号以及马达位置信号。
23.如权利要求19所述的阀致动器，其中，所述阀致动器控制器能够通过控制阀的致动执行过程的比例控制、比例加积分控制、比例加微分控制或比例加积分加微分控制。
24.如权利要求19所述的阀致动器，其中，所述阀致动器控制器包括用于确定将用来致动阀的速度和转矩的逻辑。
25.如权利要求19所述的阀致动器，其中，所述马达控制器集成到所述阀致动器控制器内部。
26.如权利要求1所述的阀致动器，还包括可操作地连结到所述马达控制器的磁场连接块。
27.如权利要求26所述的阀致动器，其中，所述磁场连接块可操作地连结到电源转换器，所述电源转换器可操作地连结到所述马达控制器。
28.如权利要求26所述的阀致动器，其中，所述磁场连接块为通用的磁场连接块。
29.一种阀致动器，包括: 通用的磁场连接块； 可操作以接收电力供给的电源转换器； 可变速马达； 可操作地连接到所述电 源转换器的固态马达控制器和可设置为操纵所述可变速马达的所述马达控制器；以及 可操作地连接到所述可变速马达的制动设备；所述制动设备包括齿轮组。
30.一种阀致动器，包括: 壳体； 马达控制器； 具有输出轴的可变速马达，其中，所述可变速马达设置为由所述马达控制器控制；以及 所述马达控制器和所述可变速马达集成到所述壳体内；以及 在所述壳体外并可操作地连结到所述输出轴的齿轮系。
31.如权利要求30所述的阀致动器，还包括可操作地连结到所述马达控制器的电源转换器。
32.如权利要求30所述的阀致动器，其中，所述壳体是马达壳体。
33.如权利要求32所述的阀致动器，其中，所述马达壳体在致动器壳体内。
34.一种用于致动阀的系统,所述系统包括: 阀致动器，其中，所述阀致动器包括:马达，其中，所述马达包括输出轴；以及可操作地连接到所述马达并能够以可变化的速度和转矩操纵所述马达的固态马达控制器；以及 连结到所述马达的所述输出轴的齿轮组。
35.一种操纵阀致动器的方法，所述方法包括: 提供包括可操作地连接到可变速马达的固态马达控制器的阀致动器，其中，齿轮组可操作地连接到所述可变速马达； 设定所述固态马达控制器上的速度，当所述阀致动器运转时固态马达控制器将以该速度驱动所述可变速马达； 当发生电源故障时，用所述齿轮组抵抗向后驱动载荷锁定所述可变速马达。
36.根据权利要求35所述的方法，还包括设定所述固态马达控制器上的转矩，当所述阀致动器运转时由所述可变速马达产生该转矩。
37.一种致动电驱动阀致动器的方法，所述方法包括: 在可操作地连接到包括齿轮组的电驱动阀致动器的固态阀致动器控制器处接收指令信号，其中，所述电驱动阀致动器能够改变速度； 在所述固态阀致动器控制器处接收反馈信号； 判断所述指令信号与所述反馈信号之间是否存在差异；以及 通过致动所述电驱动阀致动器使所述指令信号与所述反馈信号之间的差异最小化。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述指令信号包括过程变量设定点信号，所述反馈信号包括过程变量反馈信号。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，通过驱动所述电驱动阀致动器使所述指令信号与所述反馈信号之间的差异最小化包括以恒定速度致动所述电驱动阀致动器。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述恒定速度由所述阀致动器控制器确定。
41.根据权利要求39所述的方法，其中，所述恒定速度由操作者设定。
42.根据权利要求38所述的方法，其中，通过致动所述电驱动阀致动器使所述指令信号与所述反馈信号之间的差异最小化包括以恒定转矩致动所述电驱动阀致动器。
43.根据权利要求38所述的方法，其中，通过致动所述电驱动阀致动器使所述指令信号与所述反馈信号之间的差异最小化包括在阀行程的整个长度以变速致动所述电驱动阀致动器。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，变速或最大允许速度由使用者确定。
45.根据权利要求43所述的方法，其中，变速由所述阀致动器控制器确定。
46.根据权利要求37所述的方法，其中，所述指令信号包括位置指令信号，所述反馈信号包括马达位置信号。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，从马达控制器发送所述马达位置信号。
48.根据权利要求46所述的方法，其中，所述马达位置信号是来自所述阀致动器控制器的询问的结果。
49.根据权利要求37所述的方法，其中，所述阀致动器控制器能够执行比例控制、比例加积分控制、比例加微分控制或比例加积分加微分控制。
50.根据权利要求37所述的方法，其中，所述阀致动器控制器集成到所述电驱动阀致动器的壳体内。
51.根据权利要求37所述的方法，其中，所述反馈信号包括可据以确定速度、转矩或位置的信号。
尽管参照具体的前述方法和实施例较全面地阐述了本发明，但本发明由下面的权利要求限定。本领域的普通技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的原理和范围的情况下对前述的方法和实施例进行许多不同的变型。因此，本发明仅由权利要求限定。
权利要求
1.一种阀致动器，包括: 壳体； 马达控制器； 具有输出轴的可变速马达，其中，所述可变速马达设置为由所述马达控制器控制；以及 所述马达控制器和所述可变速马达集成到所述壳体内；以及 在所述壳体外并可操作地连结到所述输出轴的齿轮系。
2.如权利要求1所述的阀致动器，还包括可操作地连结到所述马达控制器的电源转换器。
3.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述可变速马达选自由带马达位置反馈的AC同步磁阻马达、无马达位置反馈的AC同步磁阻马达、带马达位置反馈的DC无刷马达以及不带马达位置反馈的DC无刷马达组成的组。
4.如权利要求1所述的阀致动器，其中，所述可变速马达是AC马达，该AC马达选自由单相感应马达、多相感应马达、绕线转子马达、多速马达、恒定转矩马达、可变转矩马达、通用马达、同步磁滞马达、DC激励同步马达、伺服马达、无刷伺服马达以及线性马达组成的组。
5.如权利要求1所述的阀致动器，其中，可变速马达是DC马达，该DC马达选自由并励DC马达、串励DC马达、复式励磁DC马达、无刷DC马达、线性马达、无刷线性马达、无芯马达、环形马达、短轴型马达、有限转角转矩马达、永磁步进马达、可变磁阻马达、开关磁阻马达以及伺服马达组成的组。
6.如权利要求1所述的阀致动器，还包括阀致动器控制器。
7.如权利要求6所述的阀致动器，其中，所述阀致动器控制器集成到所述阀致动器。
8.如权利要求6所述的阀致动器，其中，所述马达控制器集成到所述阀致动器控制器内。
9.如权利要求1所述的阀致动器，还包括可操作地连结到所述马达控制器的磁场连接块。
10.一种操纵阀致动器的方法，所述方法包括: 提供权利要求1所述的阀致动器； 设定所述马达控制器上的速度，当所述阀致动器被操作时马达控制器以该速度驱动所述可变速马达；以及 当发生电源故障时，所述齿轮组抵抗向后驱动载荷锁定所述可变速马达。
全文摘要
本发明涉及一种可变速致动器或阀致动器，包括能够以变化的速度操纵马达的固态马达控制器；以及本身实现制动的齿轮组。可选择阀致动器的速度和转矩。阀承受的速度和转矩可在阀行程的整个长度上发生改变。阀致动器可包括足以起到过程控制器作用的逻辑。
文档编号F16K31/04GK103185161SQ201310062669
公开日2013年7月3日 申请日期2008年7月18日 优先权日2008年7月18日
发明者W.T.多伦蒂, D.J.莫里斯 申请人:芙罗服务管理公司