一、调速机构的发展

水轮机调速器问世以来，水轮机调速器先后经历了三代的发展：水压放大、油压放大式的机械式液压调速器（20世纪初-20世纪50年代）、模拟电路加液压随动系统构成的电液式调速器（20世纪50年代-20世纪80年代）和微机调节器配以相应的机械液压系统构成的微机调速器（20世纪80年代至今）。

目前微机调速器以可靠性高、操作简便全面取代其他类型的调速器。

二、微机调速器的分类

1、按调节器的硬件构成有单片机、工控机、可编程控制器三大类调节器。

其中单片机、单版机构成的调节器由于可靠性差、故障率高等多方面原因，已趋于淘汰。目前可编程控制器以其高度的可靠性成为调节器构成首选。

目前微机调速器的调节器硬件构成有单片机、工控机、可编程控制器三大类调节器。

单片机、单板机是微机调速器早期的调节器产品，系各调速器厂家根据调速系统任务需要，选择如8051、 8086、8096等微控制器（MCU）为硬件基础，自行设计线路板构成调节器。由于可靠性低、抗干扰能力差等原因，故障率高。为提高调节器的可靠性，减少故障率，后提出以双机冗余方式构成双微机调节器，但由于缺乏专业的抗干扰设计，生产上又缺乏严格的元器件老化、筛选过程以及严格的焊接工艺保证等多方面原因，未能根本解决可靠性问题。因此逐步退出了市场，但由于成本低廉，依然有些厂家生产。

后随着基于IPC（工业控制微机）和PLC（可编程逻辑控制器）等通用处理器平台的不断发展完善。国内迅速的将可靠性能高的IPC和PLC等通用微机平台应用于水轮机调速器领域，实现了调节器的硬件可靠性的进步，放弃了以单板机、单片机及基于8098、8086等的双微机作为主机硬件平台的专用调节器之路。

IPC（工业控制微机）是通过对个人计算机（PC）的板路、内存以及机箱等进行专门电磁兼容设计，使它能应用于环境恶劣的工业控制环境的PC。其特点是：程序移植性强；能实现多任务并发等。但由于其硬件设计还是基于商用个人计算机（PC）的总线结构，而且软件平台必须基于windows或liux等操作系统上，因此其可靠性还是比完全针对工业现场设计的PLC（可编程逻辑控制器）少一个数量级。正是由于这个原因，近年各IPC（工业控制微机）厂家纷纷推出按PLC总线构架的工业控制微机（PCC）。与常规PLC相比较，PCC最大的特点在于其类似于大型计算机的分时多任务操作系统，支持多任务并发处理。其可靠性到没有很大提高。

PLC（可编程逻辑控制器）是专门为解决工业现场恶劣环境而诞生的工业控制计算机系统，其高可靠性已得到广泛的验证。国内将其应用于水轮机调速器后，以其优异的高可靠性能立即成为调速器的主流方向。目前出现的各种调速器控制系统还没有比PLC可靠性更高的，因此宜优先选用PLC作为调速器的调节控制核心。

由于调节器硬件平台的演变，我国微机调速器的系统结构经历了从单微机系统、双微机系统到双通道容错系统的发展过程。一段时间，基本上公认双通道容错的系统结构可靠性较高、容错能力较强。但随着PLC（可编程逻辑控制器）的微机调速器的问世，由于计算机主机系统的可靠性大幅度提高，人们对双微机系统的必要性提出了质疑？为了提高微机调速器的可靠性，国内不少厂家对微机系统的设计采用了冗余结构。但是，从现场运行的状况来看，其故障绝大部分来自微机系统外部，元器件特别是大规模集成电路的故障率毕竟很低，而出自软件内部的问题，靠冗余无法解决；对于双微机系统，多一个双机通讯和检测切换电路，多一个双机切换时的负荷扰动，就会多一个故障隐患和不可靠因素。从实际效果来看，双机系统的硬/软件结构复杂，可靠性不一定比单机系统高。而且从理论上讲，结构越简单可靠性越高，而且结构简单可省掉双机系统必需的一些通讯、检测和切换组件，用户以后的维护也更加方便。

从国外的水轮机微机调节器系统结构来看，既有单系统、也有双系统的。但国外一些著名的调速器制造公司，如 Vioth、ABB、WOODWARD等，均采用了信号测量和调节处理完全分开的设计思想，即采用多CPU的结构形式。所以可靠性的提高在于将任务进行合理的划分，而不是任务的集中管理。同时，模块化的硬件设计不仅容易得到可靠性的保证，而且使得软件的设计具有更大的灵活性和针对性。

2、调速器机械液压系统随电液转换方式的不同，分为：电液转换器类、比例伺服阀类、数字阀类及电机类。其中电机类还分为步进电机和伺服电机两类。

3、水轮机微机调速器是一个典型的数字式液压位置伺服系统，数字式液压位置伺服系统按电液转换环节接口控制方式主要分为两大类：间接数字控制和直接数字控制。

间接数字控制是指电液伺服系统通过D/A转换环节，以模拟量接口实现数字控制。比例伺服阀采用4～20mA 的线性电流作为驱动信号，微机调节器必须通过D/A转换环节，以模拟量接口实现控制，因此比例伺服阀调速器是一个典型的间接控制方式的数字式液压位置伺服系统。传统的各类伺服阀也都属于这类伺服系统。

随着计算机技术在流体控制系统中的大量应用，数字化成了一种必然的趋势。与间接数字控制方法相反，控制量不通过D/A接口，直接以数字开关信号与电液伺服系统接口实现数字控制的方式称为直接数字控制。目前主要有以下两种方式实现：

其一是利用数字执行元件——步进电机加适当的旋转—直线运动转换机构驱动阀芯实现直接数字控制，由于这类数字控制元件一般按步进的方式工作，因而常称为步进式数字阀或离散式比例阀。通过合理的设计，这类阀具用重复精度高及无滞环的优点。

其二是对高速开关阀的（脉宽或脉冲调制）控制。通过控制开关元件的通断时间比，以获得在某一段时间内流量的平均值，进而实现对下一级执行机构的控制。在流体动力系统中，这种控制方式的控制信号是开关量，因而是直接数字控制。该控制方式具有不堵塞、抗污染能力强及结构简单的优点。

采用间接控制方式构成的系统通过D/A接口实现数字控制，这种方法存在如下缺点：（1）由于控制器中存在着模拟电路，易于产生温飘和零飘，这不仅使得系统易受温度变化的影响；同时，也使得控制器对伺服阀本身的非线性因素如死区、滞环等难以实现彻底补偿。（2）用于驱动比例阀和伺服阀的比例电磁铁和力矩马达存在着固有的磁泄现象，导致阀的外控制特性表现出2%-8%的滞环，采用阀芯位置检测和反馈等闭环控制的方法可以基本消除比例阀的滞环，但却使阀的造价大大增加，结构复杂，可靠性降低。（3）由于结构特点所决定，比例电磁铁的磁路一般只能由整体式磁性材料构成，在高频信号作用下，由铁损而引起的温升较为严重。因此直接数字控制方式明显优于间接数字控制方式。

作为直接数字控制方式的步进式数字阀和开关阀相比较：步进式数字阀按步进的方式工作，具用重复精度高及无滞环的优点。但是，步进式数字阀通过阀芯的步进运动将输入的信号量转化为相应的步数（脉冲数），因而存在着量化误差，通过增加阀的工作步数可以减小量化误差，但却使阀的响应速度大大降低。同时，步进式调速器必须保留有引导阀和主配结构，造成步进式调速器的结构较复杂，加工件较多，不具有良好的通用互换性。

相较而言，高速开关阀与控制系统的接口更简单，且不需要中间环节就能构成直接数字控制系统，应用前景十分广阔。将高速开关阀应用于水轮机微机调速器，能实现整个系统的数字化，构成全数字式调速器。

但由于流量、压力脉动等因素的限制，数字阀在大型调速器上的应用范围受到一定的限制，目前仅能应用于操作功不大于17000kg.m的非双调机组的调节控制。

综上所诉，中小型调速器选用数字阀较为适宜，大型调速器宜选用步进电机。

4、电机类调速器分为伺服电机及步进电机两种。

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。

虽然两者在控制方式上相似（脉冲信号和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异，从控制精度、低频特性、距频特性、过载能力、速度响应能力比较起来，全数字式交流伺服电机无疑比步进电机优异得多。但步进电机应用于调速器上，可以使用这样的控制方式：仅控制步进电机的转动方向和启/停，因为伺服电机主要强调的闭环控制，这种开环的控制方式是伺服电机不具备的控制方式。这样就可以和调节器构成一个以“模糊控制”为基础的直接数字控制方式的调速器。（注：不是所有的步进式调速器均采用这种控制方式，其区别具在于调节器是否具有D/A环节）。

综上所述，在基于间接数字控制模式的调速器中，全数字式交流伺服电机调速器比步进电机具有优越性；但基于直接数字控制的步进式调速器明显优于间接数字控制的各型调速器。