CN210890300U

CN210890300U - 一种具有误差补偿控制功能的电动阀门

Info

Publication number: CN210890300U
Application number: CN201921721328.7U
Authority: CN
Inventors: 汤伟; 张越; 耿逸飞; 王博; 高涵; 易兆祥
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2029-10-15

Abstract

一种具有误差补偿控制功能的电动阀门执行器，用于流程工业中流体的流量调节过程。本实用新型的硬件单元主要由直流无刷电机、控制器、电机驱动器、圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆机构、阀杆、阀芯、阀体、限位开关、光电编码器等组成。直流无刷电机安装于电机槽，输出轴固定连接圆柱齿轮减速器，减速器末端与蜗轮蜗杆机构相连，涡轮与阀杆固接，阀杆一端带动阀芯转动，另一端加装光电编码器，用于定位误差的标定。本实用新型的优点在于，能够对电动阀门内部的机械误差进行实验室标定，在外观与原来保持完全兼容的条件下，实现定位误差的补偿控制。

Description

一种具有误差补偿控制功能的电动阀门

技术领域

本实用新型属于具有误差补偿控制功能的电动阀门，特别涉及一种在国产普通ZJKV型电动阀门的基础上改进的新型电动阀门。

背景技术

国产普通电动阀门广泛应用于流程工业中的流量调节过程，其定位精度对维持流体流量准确起到了决定性的作用。普通电动阀门本体属于开环控制，由三相异步电机驱动，阀芯的转角由通电时间决定，该类电动阀门仅有1/100的定位精度，能够满足单回路控制的流量调节需求。但是，对于两种或两种以上物料的流量配比过程，比如饮料制备、纸浆配制等等，实践证明往往需要1/500的精度才能够满足生产要求，故ZJKV型电动阀门难以胜任。与之相比，国外Metro、BTG公司生产的电动阀门具有15000～20000步的精度，仅用于高精度需求的专用场合，其价格昂贵不适合普及应用，如DN125的高精度阀门单台售价在18～20万元之间，令国内诸多企业望而却步。目前，市场上尚无技术和经济指标都合适的中间产品，不能够较好地满足流程工业中流量调节的需求。因此，提升国产普通ZJKV型电动阀门的精度水平具有重要的意义。

因为主动齿轮和从动齿轮之间肯定存在一定的间隙，所以在正转后变换成反转的时候，在一定的角度内，尽管主动齿轮转动，但是从动齿轮还要等间隙消除以后才能带动阀杆运动。在高精度阀门控制中，反向间隙是阀门控制过程中不可避免的误差因素。因此，如何消除或补偿反向间隙是阀门高精度控制必须克服的技术问题。

发明内容

本实用新型在国产ZJKV电动阀门的硬件基础上，将异步电机更换为直流无刷电机，配置直流无刷电机驱动控制电路，包含梯形定位曲线，在阀杆处加装光电编码器，用于实验室标定电动阀门的传动***机械间隙，能够将控制单元嵌入电动阀门的机罩内，在外观上实现机电控制一体化。

本实用新型的技术方案是：一种具有误差补偿控制功能的电动阀门，由直流无刷电机、电机驱动器、控制器、限位开关、光电编码器、圆柱齿轮、蜗轮蜗杆、阀杆、阀芯和阀体组成，其特征是：所述直流无刷电机安装于电机槽，输出轴按顺序依次连接圆柱齿轮、蜗杆、蜗轮、阀杆，由阀杆同步带动阀芯；所述直流无刷电机内部霍尔传感器的输出信号线与电机驱动器的输入端口相连；所述光电编码器的输出信号线与控制器的输入端口相连，光电编码器在阀门工作状态下不安装；所述控制器的输出端连接电机驱动器的控制信号端，电机驱动器的输出电源端连接直流无刷电机的电源线。基于ATMega328P芯片来实现梯形定位算法，在Arduino IDE的编程环境中用c语言进行算法的程序设计过程。需要说明的是，编程的目的在于令控制器按照闭环控制的需求根据输入的转速信号或转角位置信号机械地执行直流无刷电机的转动控制，而不是说本实用新型有赖于方法的改进才能实现闭环控制的目的。

进一步地，所述直流无刷电机输出轴与1个圆柱齿轮固接，2个或以上的圆柱齿轮构成减速器的减速比为1500:1；所述蜗轮与阀杆固接，蜗轮与阀杆同步转动，阀杆的一端连接阀芯，另一端与光电编码器相连；所述光电编码器的输出端与1个圆柱齿轮固接，所述圆柱齿轮与另一个固接于阀杆处的圆柱齿轮啮合。

进一步地，当阀芯由静止以最大加速度开始转动，加速过程结束后立即以大小相同的加速度值进入减速过程，当阀芯减速为零时，阀芯所转过的角度就是最细操作角；所述最细操作角对应阀门的最高执行精度，最细操作角与阀芯在匀速阶段的转角之和等于目标转角。

进一步地，所述目标转角大小在阀芯的每次定位过程中均为已知量；所述控制器将霍尔传感器检测得到的转子位置信号和光电编码器检测得到的阀芯位置信号进行运算，可求得在电动阀门中传动***所存在的机械间隙。

进一步地，所述阀芯反向转动时，受到机械间隙影响，存在一段仅直流无刷电机转子转动、而阀芯不转动的过程，采用误差补偿策略，将机械间隙对应的转角与原来的目标转角相加，得到正确的目标转角。

发明的有益效果为：

新型电动阀门执行器与国产普通电动阀门在外观上完全兼容，保留了电动阀门原来的传动***，仅仅将驱动电机由异步电机更换为直流无刷电机；根据直流无刷电机的机械特性，其输出转矩与转速之间为线性比例关系，能够确保阀芯的转角-时间的线性关系；通过配置电动阀门转角闭环控制***，赋予其误差补偿的功能，并将梯形速度预置算法用于阀门的定位过程中，使得电动阀门的定位精度得到有效提高。本实用新型在外观上所具有的独特优点为：控制单元体积小，在实际使用过程中，可将控制板置入电动阀门的机罩内，在外观上实现机电控制一体化。

附图说明

图1为本实用新型电动阀门的结构组成示意图；

图2为本实用新型电动阀门的内部原理示意图；

图3为本实用新型电动阀门的闭环控制***示意图；

图4为电动阀门的梯形加减速定位曲线示意图；

图5为本实用新型电动阀门的速度闭环控制回路方框图；

图6为本实用新型电动阀门的回程误差间隙示意图；

图7为本实用新型电动阀门的回程误差补偿控制策略流程图；

主要元件符号说明如下：1、机罩；2、电机凹槽；3、直流无刷电机；4、圆柱齿轮减速箱；5、蜗杆；6、蜗轮；7、限位开关；8、光电编码器；9、阀体；10、阀杆；11、阀芯

具体实施方式

为了更加清楚地描述本实用新型，现根据附图详细地对实现转角闭环控制的电动阀门作进一步描述。

一种具有误差补偿控制功能的电动阀门，硬件单元由直流无刷电机、电机驱动器、控制器、限位开关、光电编码器、圆柱齿轮、蜗轮蜗杆、阀杆、阀芯和阀体组成，所述直流无刷电机安装于电机凹槽，直流无刷电机输出轴按顺序依次连接圆柱齿轮、蜗杆、蜗轮、阀杆，由阀杆同步带动阀芯；所述直流无刷电机内部霍尔传感器的输出信号线与电机驱动器的输入端口相连；所述光电编码器的输出信号线与控制器的输入端口相连，光电编码器在阀门工作状态下不安装；所述控制器的输出端连接电机驱动器的控制信号端，电机驱动器的输出电源端连接直流无刷电机的电源线。

所述直流无刷电机输出轴与1个圆柱齿轮固接，2个或以上的圆柱齿轮构成减速器的减速比为1500:1。

所述蜗轮与阀杆固接，蜗轮与阀杆同步转动，阀杆的一端连接阀芯，另一端与光电编码器相连。

所述光电编码器的输出端与1个圆柱齿轮固接，所述圆柱齿轮与另一个固接于阀杆处的圆柱齿轮啮合。

下面作详细说明：

图1显示了本实用新型电动阀门的结构组成，采用直流无刷电机作为驱动源，以圆柱齿轮箱作为减速器，通过蜗轮蜗杆机构实现换向功能，具体为：所述直流无刷电机的转子输出轴连接圆柱齿轮减速器，所述圆柱齿轮末端的中心与蜗杆刚性固接在一起，成为同轴，电机转轴经圆柱齿轮减速、蜗轮蜗杆增矩后，将动力传输至阀杆，最终由阀杆带动阀芯完成转动。当阀杆正转或反转抵触至限位开关所指定的位置时，说明此刻阀芯已经转动至全开或全关的极限位置，电动阀门会自动断电，实现对阀芯的保护功能。

结合图1展示的阀门结构，图2说明了本实用新型电动阀门内部的基本原理，通过控制直流无刷电机的运动状态能够实现对电动阀门开关状态的控制。LCD模块为显示阀位信息的单元，DCS***的开关阀信号线与LY-F2控制器的I/O端口相连，直流无刷电机内部的霍尔传感器输出线与电机驱动板的HALL接口相连，构成电动阀门的转角信息检测电路，LY-F2的PWM输出端口与电机驱动板的驱动电路端口相连，根据预设的速度曲线，由LY-F2控制器输出PWM信号来实现直流无刷电机的转子的调速，使得阀芯严格按照五段S形速度曲线运行。

图3展示了本实用新型电动阀门闭环控制***的结构组成，在硬件设计方面，采用型号为LY-F2的开发板作为主控制器，所述开发板具有14个数字I/O引脚和6个模拟输入引脚，采用型号为ATMega328P的控制芯片，所述芯片的时钟频率可达到16MHZ。所述直流无刷电机驱动器的型号为AQMD3605BLS，支持转子速度闭环控制模式，并配置型号为U-485G的光电隔离转换器，实现RS485通讯以学习电机的详细参数。在供电***方面，采用模块分区供电方式，所述LY-F2开发板由独立电源或计算机提供7～9V输入电压，所述电机驱动器采用开关电源提供24V输入电压。在程序设计方面，基于一台处理器为Intel(R)Core(TM)i5-4200 [email protected] 2.30GHz的计算机，下载兼容版本的IDE编程软件，并安装USB转串口驱动程序CH341，通过端口COM3进行数据通讯，将程序烧写至单片机并实现永久保存，控制器上电后，会直接进入程序执行状态，如需更改程序，必须再次通过端口通讯，将更新后的程序下载至单片机。所述阀门控制***具有实时监控电动阀门开关状态的功能。

图4为电动阀门的梯形加减速定位曲线，所述速度曲线含包匀加速、匀速和匀减速过程，能够较为完整地描述阀芯的整个运动特征，所述加速过程的加速度与减速过程的加速度在数值上大小相等，方向相反，所述加减速过程的耗用时间相同，在所述梯形加减速曲线中，速度与时间的关系为：

当直流无刷电机的转子由加速过程达到规定转速后，不进行匀速运动过程，直接进入减速阶段，转速降为零时阀芯所产生的角位移叫做阀门的最细操作角，所述最细操作角越小，说明电动阀门转角的细分程度越高、阀芯动作越精细，确定最细操作角的方法就是增大加速度值、减小加速和减速过程的耗用时间。所述直流无刷电机具有无级调速功能，意味着在梯形速度曲线中，速度的最大值可以通过驱动器来设定，所述加速度不能超过直流无刷电机正常应用情况下的许用加速度值，当加速度保持许用值时，转子经历加速、减速过程的耗用时间是最短的，即阀芯所转过的角位移就是电动阀门的最细操作角。

图5为本实用新型电动阀门的速度闭环控制回路方框图，所述直流无刷电机工作于速度调节模式下，所述控制回路采取转速-电流串级负反馈调节，绕组电流控制回路作为内环，转速控制回路作为外环，并将阀芯位置信号作为输出，通过PWM调节功率管的顺序导通，改变定子绕组的电流值、调节驱动转矩，进而达到调速目的，以期阀芯在任意时刻的转速维持在速度设定值上。所述速度设定就是梯形速度曲线的具体时间分配结果，此处不再赘述。

图6说明了本实用新型电动阀门的传动***间隙。在动力传送的过程中，驱动电机和传动部件之间、传动部件之间、传动部件与截流阀芯之间不可避免地存在机械间隙，尤为常见的是齿轮啮合过程中的机械间隙。当执行器正向转动时，阀芯定位精度往往不受传动机械间隙的影响，因为在连续两次及以上有效正向转动后已经完全消除了机械间隙造成的正向误差；当执行机构反向转动时，编码器检测到的位置慢于实际的位置。所述机械误差产生于反向转动的瞬间，即只有主动齿轮转动，从动齿轮处于空档状态。所述回程误差的存在必定会造成电动阀门定位精度下降，需采取误差补偿策略消除该影响。

图7说明了本实用新型电动阀门的回程误差补偿控制策略流程，首先判断是否需要进行间隙补偿，若当前阀门开度状态与上次一致，不需要进行阀门机械传动间隙的补偿；若阀门当前开度方向与上次相反，需要进行机械传动间隙补偿，具体操作为：延长阀芯转动时间，且该部分所对应的补偿角等于齿轮之间的机械间隙值。

Claims

1.一种具有误差补偿控制功能的电动阀门，包括阀杆、阀芯、及控制器，其特征在于，还包括直流无刷电机、电机驱动器、旋转编码器；所述直流无刷电机内装有霍尔元件，用于检测直流无刷电机内转子的转角位置或转速；所述电机驱动器包括PWM控制器、电流检测装置、电流调节装置；电流检测装置、电流调节装置、PWM控制器组成内环电流控制回路；霍尔元件、控制器、电机驱动器、直流无刷电机依次连接组成外环控制回路；所述旋转编码器用于检测阀杆的转角位置或转速，旋转编码器的输出端连接控制器的输入端；

所述直流无刷电机的输出轴、圆柱齿轮减速箱、蜗杆蜗轮换向器、阀杆依次连接，阀芯安装在阀杆上，使得直流无刷电机转动时阀芯随之转动。

2.根据权利要求1所述的一种具有误差补偿控制功能的电动阀门，其特征在于，所述控制器采用DCS***，其主控制器采用LY-F2开发板，开发板上安装ATMega328P单片机；主控制器的输出端连接电机驱动器的输入端，电机驱动器的输出端连接直流无刷电机；电机驱动器型号为AQMD3605BLS；直流无刷电机型号为42BL50S03-230TR9。

3.根据权利要求1所述的一种具有误差补偿控制功能的电动阀门，其特征在于，直流无刷电机的转子轴与阀杆之间的减速比为1500:1。