电动执行器行程位置检测技术分析

电动执行器是现代工业自动化控制中的执行单元，广泛应用于核电、火电、化工、石油、冶金、环境治理等行业，在过程控制中起着十分重要的作用。随着微电子、计算机、通信技术和机电一体化技术的迅速发展，自90年代以后，国际上出现了第一代智能电动执行器，从此智能化便成了电动执行器产品发展的必然趋势。

智能电动执行器，作为机电一体化的执行单元，在工业现场一般与阀门配套使用，控制和调节系统中的压力、流量和温度等参数，这些参数的变化直接与阀门的开度有关，因此精确的行程位置控制对执行器来说相当重要，也是考察执行器性能的一个重要参数，而这其中的关键就在于精确的位置检测技术的研究与应用上。国内某核电曾使用HITORK汉托克电动执行器作为培训样机，为现场检修人员进行全面剖析、操作培训。

执行器通过内部输出轴的机械旋转带动阀门运行，转圈数根据不同类型的阀门从几圈到上千圈不等，跨度很大，执行机构的位置检测，就是将输出轴的机械旋转运动转换成电信号供控制系统使用，以便对输出轴的旋转行程有一个精确的定位控制。汉坤流体作为专业电动执行器研发和生产厂家，HITORK汉托克电动执行器研发初期针对当前用于电动执行器位置检测技术做了以下详细调研与分析：

基于旋转电位器的位置检测：旋转电位器(采用电阻丝、碳膜、导电塑料或金属陶瓷等材料制成的可变电阻元件)内部安装有滑动触头与电阻元件接触并可在上面滑动，传统执行器位置检测普遍采用旋转电位器，它可以将输出轴的旋转行程转换成电阻值的变化传送给控制系统。为适应不同的转圈数，需为其配套一组外挂齿轮传动装置，通过改变齿轮的传动比来适应不用的转圈数。这种方案多用于早期的电动执行器位置检测，此类传感器结构简单，但由于滑动触头与电阻元件有电气接触，故存在接触电阻，精度和可靠性不高，长期使用会造成触点磨损，寿命相对较短，而且还需要复杂的齿轮变换装置辅助，使整个位置传感器单元显得非常臃肿和庞大，不利于小型化。目前基本都在一些低端的老一代的产品上应用。

基于增量式光电编码器的位置检测：随着传感器技术的不断更新换代，基于光电传感元件与微处理器技术的光电编码器的出现，使电动执行器的位置检测技术前进了一大步。增量式光电编码器采用光电式脉冲编码技术将旋转位移转变成电脉冲信号。编码器内部由高功率光电二极管、高灵敏度光电晶体管和码盘组成，执行器输出轴带动传动齿轮旋转，传动齿轮带动传感器码盘旋转，码盘周边有很多均匀间隔的小孔，光电二极管发出的光因为码盘旋转被不断的通过与阻挡，传感器将其转变为高低电平的变化，从而将执行机构输出轴的旋转位移精确地转换成电脉冲信号供控制系统使用。但是电动执行器运用这种基于增量式光电编码器的位置检测技术，通电运行时需要定义相对零位作为参考点，系统断电会造成位置丢失，所以需要依靠电池来记忆并保持位置数据，应用上显得有些不便。该方案也多见于一些老一代的产品上，不过在光电编码器刚出现时，这样的应用显然是执行器位置检测技术上的一大突破了。

基于绝对式光电编码器的位置检测：光电编码器技术在进一步得到发展升级之后，出现了绝对式光电编码器，绝对是相对于增量而言的，顾名思义，所谓绝对就是编码器的输出信号在一圈或多圈运转的过程中，其每一位置和角度所对应的输出编码值都是唯一对应的，如此，便具备了掉电记忆的功能。绝对式编码器是依据计算机原理中的位码来设计的，比如：8位码(0000 0011)，16位码，32位码等。把这些位码信息反映在编码器的码盘上，就是多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排。如此编排的结果，比如对一个单圈绝对式而言，便是把一周360°分为2的4次方，2的8次方，2的16次方……位数越高，则精度越高。这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码)，这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。多圈绝对式光电编码器是运用钟表齿轮机械原理，对单圈绝对编码器的扩展。该方案，因其位置检测准确，精度高，稳定性好，具备掉电记忆的功能，目前大部分主流的电动执行器产品都应用了这一技术。

基于磁电绝对编码器的位置检测：磁电编码器是一种新型的数字化位置检测传感器技术，其原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移进行精确测量，磁性材料角度或者位移的变化会引起电阻或电压的变化，通过放大电路对变化量进行放大后由微处理器处理后输出数字信号供控制系统处理，整个磁电感应系统为一个封装的很小的IC，非常有利于实现传感器的小型化。

图1 磁感元件基本配置

该类型传感器测量精度可达到12bit，即每圈4096个位置，理论分辨率可以达到0.1度，完全满足电动执行器的定位要求。它与绝对式光电编码器一样，位置信号唯一，无需依靠电池记忆，需要时直接读取即可，传感器内部也同样是无接触式测量，无磨损，寿命长。相较于绝对式光电编码器，磁电绝对编码器系统更为突出的一点是，它无需光源和光感元件，具备更强的环境适应能力，对诸如灰尘、油污和水汽等因素有较强的“免疫”能力，抗干扰，耐高低温，可以在恶劣的环境稳定工作。目前有一部分高端电动执行器产品的位置检测已经率先采用该方案。

综合比较分析了当前智能执行器所用到位置检测技术，磁电编码器由于其原理性优势，在满足执行器行程定位控制要求的基础上，其整体性能、稳定性、抗干扰、耐用性都要优于光电绝对编码器。汉坤品牌创建于2007年，公司专注于过程工业流体控制领域，致力于执行器与自控阀门的研发和生产，始终贯彻专业执行器生产厂家产品理念，打造高端HITORK系列电动执行器，走精品路线，本公司自主研发了执行器专用的磁电式多圈绝对编码器。

图2 HITORK二代电动执行器专用磁电式多圈绝对编码器

HITORK汉托克二代电动执行器均采用该编码器，实现位置的准确检测和行程的精准定位，切实提高产品稳定性和耐用性，为用户提供更好的产品。