[发明专利]具有预测自校准扭矩控制器的电子阀致动器

说明书

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。

发明人：

Mark D.Ollander

Daniel E.Carlson

Michael Adam Rumore

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。

技术领域

本发明涉及控制致动器，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。

背景技术

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。