工業(yè)設(shè)備和工程車輛制造商在設(shè)備的許多性能和功能上正采用自動化控制或改進的手動控制方式來提高設(shè)備的性能、安全性、人體工程學(xué)設(shè)計并降低應(yīng)用成本。這些改進通常都基于計算機技術(shù)，將計算機信號轉(zhuǎn)化為物理運動，使客戶受益。傳統(tǒng)的液壓或氣動系統(tǒng)控制通常不適合計算機控制操作，因此現(xiàn)在人們越來越多地使用電動解決方案。含有位置反饋、動力系統(tǒng)及總線通訊的智能電動直線執(zhí)行器為客戶提供了高性價比的解決方案，能夠?qū)⒖刂七壿嬓盘栟D(zhuǎn)化為智能運動。
圖 1 -節(jié)氣門執(zhí)行器能夠自動控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從而降低設(shè)備噪聲和廢氣排放并節(jié)約燃料。
工程車輛執(zhí)行器的傳統(tǒng)作用是在操作員的控制下施加作用力以完成一項任務(wù)。隨著車輛變得越來越復(fù)雜，制造商們正在不斷為執(zhí)行器添加頂尖特性，具有代表性的特性包括增加電子控制技術(shù)，提供更加復(fù)雜、優(yōu)化和安全的運動。例如，操縱桿提供控制器輸入驅(qū)動電動直線執(zhí)行器控制挖掘機的輪胎(如圖 1)。在駕駛員與轉(zhuǎn)向機構(gòu)間增加控制器可以通過限制車輛轉(zhuǎn)彎時的行進速度來改善車輛的安全性。或者，車載計算機控制系統(tǒng)自動增大建筑挖掘機的節(jié)氣門，達到能夠操作液壓設(shè)備的水平，然后在不需能量的情況下減小節(jié)氣門，將其恢復(fù)至理想位置。
圖 2(上)和圖 3(下)- 用電動直線執(zhí)行器替代液壓缸或氣缸意味著安裝更簡單緊湊、控制更簡單、能量消耗更低、精度更高、維護更少、噪音更小及環(huán)境更清潔安全。
在這個領(lǐng)域內(nèi)，傳統(tǒng)執(zhí)行器技術(shù)的瓶頸是促進電動直線執(zhí)行器發(fā)展的一個主要障礙。傳統(tǒng)的液壓缸或氣缸通常都是從一個端點運動到另一個端點，無法確保中間過程的運動精度，而絕大多數(shù)復(fù)雜應(yīng)用都要求控制中間運動過程的精度。為解決這個問題，氣缸和液壓缸經(jīng)常采用電子閉環(huán)反饋控制，但這會增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，因為這不僅需要有電子和液壓或氣動控制系統(tǒng)，而且還存在復(fù)雜的布線問題。同時，氣缸或液壓缸還要配有大量的泵和閥，沉重的能量傳遞和控制管路散布四處(如圖 2)。
正因為如此，使用電動直線執(zhí)行器正成為一種重要趨勢。電動直線執(zhí)行器顯著地減少了系統(tǒng)所需零部件的數(shù)量，消除了液壓系統(tǒng)中所需的零部件，如蓄能器、液壓泵、直流電機、電機繼電器、電磁閥、單向閥、液壓缸及按鈕操作臺等。電動直線執(zhí)行器采用小且輕的電線取代了笨重甚至有時危險的液壓軟管，而且執(zhí)行器本身通常也比液壓缸更小更輕，還能夠輸出與液壓缸相同的力和行程(如圖 3)。此外，相比于液壓系統(tǒng)，電動直線執(zhí)行器的噪聲要相對小的多。
電動直線執(zhí)行器配置選項包括伺服電機和步進電機，這兩類電機是工業(yè)生產(chǎn)中典型的設(shè)計選擇，它們具有高精度、高重復(fù)精度及全負載循環(huán)等特征。這些電機非常昂貴，而且在大多數(shù)情況下它們的高成本并不適合工程車輛應(yīng)用，因為在工程車輛應(yīng)用中物體通常一個小時只定位幾次而不是需要連續(xù)定位，1/16 英寸的定位精度已經(jīng)足夠滿足需求，不需要達到 英寸。
直流執(zhí)行器給客戶提供了一種低成本選擇，它可以滿足大部分的工程車輛應(yīng)用需求。然而傳統(tǒng)的直線執(zhí)行器需要安裝許多附件，如控制電機反轉(zhuǎn)的全橋電路、電源、控制和位置感應(yīng)系統(tǒng)等。這些附件增加了執(zhí)行器的成本和復(fù)雜性，需要額外地布線和接頭，在安裝和維護過程中還需要采取額外步驟。
圖 4 –Thomson 開發(fā)的智能執(zhí)行器詳細視圖，它包含全橋電路及電源、控制器及集成在執(zhí)行器內(nèi)部的位置反饋系統(tǒng)等。
最近，我們開發(fā)了專門用于工程車輛應(yīng)用的智能執(zhí)行器，它包含全橋電路及電源、控制器及集成在執(zhí)行器內(nèi)部的位置反饋系統(tǒng)等。因此在車輛上安裝盒維護執(zhí)行器就變得非常簡單，因為集成的全橋電路意味著所有用戶只需將電源電纜和控制總線連接到執(zhí)行器上就可以了。
新一代的智能執(zhí)行器采用了總線通訊技術(shù)，大大減小了成本和整個車輛操作的復(fù)雜性。通過總線技術(shù)，單路控制器取代了多路功能控制器。這種處理同樣大大減少了車輛所需的線纜數(shù)量。總線通訊技術(shù)已經(jīng)在汽車工業(yè)中得到證明，今天許多車輛上都采用了這種技術(shù)。工程車輛制造商可以應(yīng)用這項技術(shù)的優(yōu)勢以及這項技術(shù)在汽車工業(yè)中的規(guī)模經(jīng)濟來增加車輛功能，降低車輛成本。
按照傳統(tǒng)方法，每個執(zhí)行器都需要有一個電控單元(ECU)。使用總線技術(shù)的智能執(zhí)行器只需要從控制器拉出一根經(jīng)過各執(zhí)行器的總線電纜，而傳統(tǒng)方法里每個執(zhí)行器都要用一根單獨的電纜與控制器相連。每個執(zhí)行器控制器有一個獨一無二的地址，它們可以接受到每一個從車輛控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號，但只會執(zhí)行針對自己地址的信號。
執(zhí)行器還具有提供狀態(tài)信息的優(yōu)點。控制器發(fā)出命令，讓執(zhí)行器運動到一個特定位置。當執(zhí)行器到達該位置后，它會向控制器發(fā)出一個明確的信號。執(zhí)行器同樣可以反饋位置和速度信息。總線系統(tǒng)的應(yīng)用可以讓添加額外傳感器變得簡單，如添加測量溫度或負載的傳感器等。
智能執(zhí)行器還可以提供同步運動的功能。例如，假設(shè)需要用兩個執(zhí)行器來抬起車輛的發(fā)動機罩，這兩個執(zhí)行器必須協(xié)同工作，確保負載均布在兩個執(zhí)行器上。這對于液壓或氣動執(zhí)行器來說是個困難或不可能完成的任務(wù)，但對于智能直流執(zhí)行器來說卻非常容易。控制器向兩個執(zhí)行器發(fā)出移動一步的命令，然后開始等待，直到收到每個執(zhí)行器到達目標位置的明確信號后才會再次發(fā)出移動命令。
用電子線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)替代液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)給客戶提供了通過自定義轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向機構(gòu)的連接來增加重要功能的可能。設(shè)計工程師們應(yīng)用軟件命令可以容易地改變轉(zhuǎn)向器速比，甚至可以設(shè)計出能夠在實地運行中改變轉(zhuǎn)向器速比或根據(jù)車輛運行狀態(tài)按照內(nèi)置程序自動改變轉(zhuǎn)向器速比的車輛。例如，一個電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以配置為在低速時有高的轉(zhuǎn)向器速比，而在高速時有低的轉(zhuǎn)向速比，以提高低速時的機動性和避免高速時的突然轉(zhuǎn)向。電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以程式化，通過增加阻力矩的方式指示車輛已經(jīng)接近最大轉(zhuǎn)向范圍。電子轉(zhuǎn)向同樣提供其它很多高級選項，如使用阻力矩來阻止司機向已探測到障礙物的方向轉(zhuǎn)向(如圖 5)。
圖 5 – Thomson 扭矩反饋設(shè)備(TFD)為轉(zhuǎn)向及其它線控應(yīng)用提供可變扭矩輸出，輸出的扭矩與輸入直流電成比例。
同樣，智能執(zhí)行器還可以用在農(nóng)用車輛上，用來優(yōu)化調(diào)節(jié)聯(lián)合收割機的收割系統(tǒng)。在聯(lián)合收割機的谷物加工室內(nèi)首先對谷物進行打谷，然后用空氣吹動揚谷，再用篩子進行篩分。吹風百葉窗調(diào)節(jié)器控制著通過清潔系統(tǒng)的氣流量大小，對于不同的農(nóng)作物氣流量的大小要求也不同，太大的氣流量會將谷物一起吹走而太小又不能達到去除谷殼的目的，因此必須經(jīng)常調(diào)節(jié)吹風百葉窗以優(yōu)化清潔單元的性能。通常調(diào)節(jié)吹風百葉窗時，司機需要從駕駛室出來，然后再進行調(diào)節(jié)，這會降低生產(chǎn)力。使用電動執(zhí)行器后，司機可直接在駕駛室里對吹風百葉窗進行控制。
在幾乎任一種高速車輛中都存在許多潛在的執(zhí)行器應(yīng)用，將智能執(zhí)行器與車載計算機結(jié)合起來能夠提供一些特殊的功能，讓制造商的產(chǎn)品從眾多競爭產(chǎn)品中脫穎而出。制造商通過應(yīng)用智能執(zhí)行器可以以最低的成本獲得這些好處，因為智能執(zhí)行器已經(jīng)把實現(xiàn)運動控制的所有部件都集成在一起了。
