慧聪学堂：楼宇执行器新技术应用
慧聪暖通空调制冷网摘要：本文主要根据目前的楼宇执行器产品技术发展需求，尤其是现场控制中遇到的问题，给出了未来一段时期内执行器技术的发展方向及新技术要求。文中重点描述直流无刷电机应用对于楼宇执行器的种种便利及优势，同时解决了很多传统设计中存在的问题。
关键字：楼宇执行器，技术发展，无刷电机技术应用
Abstract: Based on the technology requirement of the building actuators,especially the problem in control system,we give a direction of develop of the future actuators. The main point is the application of the DC brushless motor,it’s have many advantages and good characters than the conventional technology,and solve many problems which havn’t answer before.
Keywords: Building Actuator,Technology development,Application of DC brushless motor.
引言
楼宇执行器主要用于中央空调中的风阀控制及水阀控制，属于控制末端产品，也是控制软件系统与风管系统相结合的机电一体化产品。随着人们对室内舒适度的不断提升，对于空调系统的控制要求也越来越高。因而对于执行器等末端产品的要求也随之提高，更多功能及性能需求不断的在应用中被提出。为不断的满足现场不同的使用需要，这也要求执行器随之做出不断的改进及提升，以满足这些更高的控制要求。迈赛斯产品利用自身技术优势，开发的系列无刷电机驱动执行器产品，达到了同类产品中国际最高水平。而这些要求在之前由于使用比较传统的有刷电机控制而收到限制，很多功能无法得到满足，目前国际最先进的无刷电机及其控制技术很好的解决了目前在执行器应用中遇到的应用问题。无刷直流电机应用及其广泛，它已经在家电、汽车、航空、医疗、工业自动化设备和仪器等各种各样的行业中使用。而其在楼宇执行器产品中的应用还是在2004年被引入，并且很快得到了实际运行的印证，说明其在该行业内应用的优势及更大的发展空间。
有刷和无刷电机之间最显著的区别是是否配置有常见的电刷-换向器(Brush-Commutator)。过去一个世纪以来，有刷直流电机的换向一直是通过石墨电刷与安装在转子上的环形换向器相接触来实现的。无刷直流电机是不用电刷进行换向，而是采用电子器件进行换向的。与有刷直流电机和异步电机相比，无刷直流电机有很多优点，具体表现如下：更好的转矩、转速特性；快速的动态响应；高效率；寿命长；工作无噪声；较高的转速范围；具有制动功能
本文将重点结合无刷电机的性能特点阐述其在楼宇执行器中应用的重要意义，并具体说明其所带来的新技术在实际控制中的应用。附录A是关于无刷直流电机的常用专业术语。
1、转矩、转速特性在执行器中的应用
无刷直流电机有两个转矩参数需要确定:转矩峰值（TP）和额定转矩（Tr）。在连续运行中，负载会增加直到达到电机额定转矩。在无刷直流电机中，转矩在转速达到额定值之前保持不变。电机的最大转速可以达到150%额定转速，但是此时转矩将降低。对于频繁启东、停止和反转的电机，所需的转矩大于其额定转矩。需要大转矩的时间通常很短，尤其是在电机从静止状态起动以及加速时。在此期间，需要额外的转矩来克服负载和电机本身的惯性。
由于无刷电机所具有以上转矩转速特性，其在执行器产品的应用中就可以在同一台执行器上实现对于转矩、全行程时间的调节。并且通过更高的控制技术实现不同行程范围内的不同力矩、速度，更好的满足需要在全行程范围内有不同控制参数要求的场合。并且无刷电机具有更好的启动特性，也避免了之前产品由于启动力矩不足需要提高产品规格的问题，真正实现全行程达到额定力矩的目的。例如在风门的控制中，开启及关闭阶段需要更大的力矩满足驱动的需求，而中间位置需要更快的调节速度满足室内温度的变换，在应用中就可以将执行器在开启及关闭阶段设置为低速大力矩的运行方式，而在中间阶段则设置为低力矩快速的运行方式，更完美的实现对于该风门的控制。
2、快速的动态相应，提高控制精度
由于其转子上有永磁体，这样与其他电机相比它的转动惯量就要小点，这样就改进了电机加速与减速的特性，缩短了工作周期。
由于无刷电机具有更快的动态相应速度，因此可以明显的提高产品的控制精度及相应时间。由于转动惯量小，因此也减小了从收到停止信号到电机真正停止转动间的时间差，借此可以明显的提高执行器产品的控制精度及相应速度。在控制中，尤其是需要精细控制的要求下，能够给出更优异的控制效果。通过更高精度的控制也可以大大的降低这个空调系统的能耗。
3、高效率降低应用功耗
相同机座下，无刷直流电机的输出功率比有刷直流电机和异步电机大，其整机效率接近传统电机的2倍。
更高的电机效率使执行器产品本身的能耗降低，使同样的电源可以带动更多的控制点，从而降低电源部分的工程成本。并且通过对控制电路的设计，可以将未动作的执行器功耗降低到1W一下，进一步的降低执行器产品能耗，而不是像传统执行器一样始终保证最大功耗的状况。这一方式不但降低了能耗，而且由于电机自身发热的降低，能够保持低温，保护电机及控制电路，使产品有更长的使用寿命及寿命其内稳定的产品性能。
4、寿命长，噪音低
由于没有有刷电机一样的换向碳刷，因此无刷电机内部就没有了会在运行中摩擦受损的元件，因而也就不会有因摩擦而产生的噪音。这样的结构特性使无刷电机具有完全超越有刷电机的寿命。一般比较，优质的有刷电机极限寿命为5,000小时左右，而普通的无刷电机可以达到50,000小时的连续运行寿命。
就此而言，无刷电机在执行器产品中的应用使其完全突破了原有的产品寿命极限，达到了更高的寿命等级，而这个产品参数正式之前困扰很多直接客户的问题关键点。由于楼宇执行器的应用方式，其安装位置一般位于屋顶、天花板内，甚至房屋顶棚位置，采用密封按照。这样的按照方式使产品的维修及更换都是非常困难的，导致产品的维修及更换成本很高。因此如果采用具有超常寿命的执行器产品，可以大大的降低后期维护费用，解决了应用者很多的后顾之忧。
而其超低的产品噪音使产品在应用于室内环境时给使用者更良好舒适的感受，完全感觉不到执行器的运行。
5、具有制动功能使产品可以进行自锁
无刷电机与传统电机不同，其电流换向不是采用无法控制的碳刷结构，而是通过霍尔元器件对于电机旋转状态的采样，经过专用控制芯片的判断后对电机供电方向进行切换，行程闭环控制。也就是无刷电机每个转动动作都是在控制芯片的指令下进行的，而不是有刷或其它同步电机那样的开环控制方式。因此对于无刷电机的运行可以实现多样的控制方式，达到不同的运行效果。
如上所属，无刷电机的任何运行都是可控的，因此当控制电路不再对电机供电方向进行切换时，电机定子与转子间就会形成异极相吸的情况，从而达到制动的目的。这个功能的实现在执行器使用中解决了传统产品无法解决的问题，那就是产品的中间位置自锁功能。由于有刷电机定子与转子间始终处于同极相斥的状态，因此任何位置都是不稳定状态。当执行器处于行程的中间位置时，一旦管道内部流体压差产生的外力达到一定水平，则将带动其改变位置，造成产品的不可靠情况。而无刷电机的制动功能刚好解决了这个问题，当执行器停止时，电机制动所产生的力可以保证产品在中间位置的稳定，不会因外力而导致位置的变化，极大的提高的产品应用的可靠性。
6、结构特点保证产品稳定性
有刷电机碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，使产品不会产生粉尘、免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。
7、闭环控制带来更多控制功能
无刷电机的控制属于闭环控制，因此可以保证执行器产品在各种条件下都能维持恒定的运行速度，保证控制时间的一致性。
通过对于电机全行程过程的严密监控，可以将全行程中电机的运行圈数进行记录，并且根据时间情况进行修正，以达到适应现场具体使用状况的功能。如角行程执行器产品需实现调节功能，标准全行程角度为90°，而现场被驱动设备实际行程为60°。如传统产品，则只能将控制及反馈的66%作为满度进行控制，对控制系统造成了很大的不变。应用新的控制技术结合无刷电机就可以实现在产品按照后自动对全行程进行标定，重新定义起始及终点位置，将控制及反馈的0~100%与实际位置相对应，解决控制系统的相关问题。
8、执行器防护等级的要求提升
目前主流的楼宇执行器产品防护等级多以IP54为主，主要满足室内的使用要求，并且内部采用的多为结构型防护，会由于零件质量问题带来防护风险。
随着楼宇执行器产品应用的不断拓展，其应用的范围越来越广，使用的环境也不单纯限制为室内，更多的在室外，甚至更为恶劣的应用环境下的情况逐渐增多。因此，对于执行器产品未来发展，防护等级的提高是必然的方向。世界最为著名的执行器生产厂商提出“更好的防护可以有效的提高产品的使用寿命”，其产品也使用了“双层密封”的设计方式。这更进一步说明了防护等级对于执行器产品的重要性。达到更高的防护等级及采用更稳妥的防护结构方式是保证执行器更好发展的方向，也是进一步提高产品寿命的有效途径。
9、角行程执行器作驱动调节阀
由于新的执行器将防护等级、控制精度提高，结合目前最新的V型口球阀，角行程执行器也可替代传统的调节阀门在中央空调的水系统中进行应用，这样的应用大大的降低了工程成本。
新型的V型口球阀在传统的球阀中增加了一片V型的导流片（如图A），该导流片的形状经过精确的计算，通过导流片形状的变化，使球阀的角旋转开度与实际的通过球阀流体的流量行程正比例关系（如图B关系），实现球阀对于流量的等比例关系调节。
并且由于将执行器防护等级水平提高到IP65以上，因此使角行程执行器在水系统中的应用更加稳定、高效。
总结
总的来说，楼宇执行器产品未来的发展方向将是更多功能、更人性化、更好的符合应用需求、拥有更长寿命，而无刷电机刚好具有更好的转速和转矩特性、较高的动态响应和效率、较长的使用寿命、无噪声运转、较高的转速范围，以及可靠而坚固的构造等等这些明显的有点。而为了更好的满足使用环境及寿命的需要，提高防护等级则是产品发展的必然选择。
附录A
参考文献：
1、杨国良无刷直流电机控制系统设计[J]暖通空调2006-05
2、刘刚,王志强房建成永磁无刷直流电机控制技术与应用[J]机械工业出版社2008
3、王燕周齐国吴建云中央空调现场总线控制系统设计[J]建筑热能通风空调2008-03
4、张庆彬;智能建筑中央空调系统的控制[J];微计算机信息;2005年04期
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