CN103090083B - 闭环高精度定量阀 - Google Patents

Abstract

一种闭环高精度定量阀，包括阀体，阀体的阀杆通过下联轴器、传动轴和上联轴器连接步进电机的输出轴一端，步进电机接控制器，在所述传动轴上设置有用以检测传动轴角向转动位移即阀门开度增量的空心式光电编码器，光电编码器的内圈固定在传动轴上同步转动，光电编码器的底座固定在传动轴的外部支撑板上保持静止不动，光电编码器的数据输出端接控制器，控制器将接收的实际阀门开度增量与控制器向步进电机驱动单元发送的代表阀门开度增量的脉冲进行实时比较，并调整脉冲使实际阀位与设定的阀位一致，本发明能够依靠编码器的精密角位移反馈，实现阀门开度的闭环精密控制，比现有技术使用的依靠步进电机细分提高阀门精度更可靠。

Description

闭环高精度定量阀

技术领域

本发明涉及一种阀门，特别涉及一种闭环高精度定量阀。

背景技术

造纸的定量控制由质量控制系统（QCS，Quanlity Control System，造纸行业术语，是指对造纸生产过程中定量、水份、灰份和厚度等参数进行在线检测和控制。）测得成纸定量去控制定量阀的开度，国内外的定量阀均采用步进电机经过减速器驱动阀芯旋转实现流量调节的方式，没有检测阀芯的真实开度，属于开环驱动。例如国内的实用新型专利200620130207.1公开了一种“定量阀”，即采用此结构。现有阀门依靠步进电机的细分，达到所谓的10000步、50000步甚至更高水平的控制不是真实的，带有预测性和臆猜性，因为毕竟没有真正的检测阀门的角位移用于反馈控制。由于步进电机属于开环驱动，在阀门长时间运行后阀芯、阀杆或者是传动机构磨损造成阀门运行阻力增大，极容易出现“丢步”现象，即驱动电机接收到了控制脉冲，但是电机由于某种原因没有转动，阀芯也没有产生转角，出现了和控制脉冲不一致的定位情况，因此，阀门的精度受到了影响。针对这一问题，需要开发新型的定量阀，提高阀门的精度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种闭环高精度定量阀，采用闭环技术来检测阀芯的实际旋转角度反馈给控制系统进行闭环控制，解决单纯采用步进电机驱动存在的丢步问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种闭环高精度定量阀，包括阀体12，阀体12的阀杆11通过下联轴器10、传动轴4和上联轴器3连接步进电机1的输出轴一端，步进电机1接控制器由其控制转动方式，在所述传动轴4上设置有用以检测传动轴4角向转动位移即阀门开度增量的空心式光电编码器，光电编码器的内圈7固定在传动轴4上同步转动，光电编码器的底座8固定在传动轴4的外部支撑板9上保持静止不动，光电编码器的数据输出端接控制器，控制器将接收的实际阀门开度增量与控制器向步进电机1驱动单元发送的代表阀门开度增量的脉冲进行实时比较，并调整脉冲使实际阀位与设定的阀位一致。

在所述传动轴4外部设置有开关组6，所述开关组6包括：

用以检测阀门全开状态的全开位置检测开关6-1；

用以检测阀门全关状态的全关位置检测开关6-2；

用以检测阀门正向极限位置的正向超程保护开关6-3；

以及用以检测阀门反向极限位置的反向超程保护开关6-4；

所述开关组6将检测的结果送入控制器，若阀门到达极限位置，则控制器控制使得步进电机1停止转动。

所述全开位置检测开关6-1和全关位置检测开关6-2为光电开关，二者的光轴沿传动轴轴心间隔为90度；所述正向超程保护开关6-3和反向超程保护开关6-4为机械行程开关，二者触头间距在90-95度之间。

所述传动轴4上安装有用以触动全开位置检测开关6-1和全关位置检测开关6-2的第一摆臂5-1，以及用以触碰正向超程保护开关6-3和反向超程保护开关6-4的第二摆臂5-2。

控制电源的一端通过所述正向超程保护开关6-3和反向超程保护开关6-4的常闭触点连接控制器的中间继电器线圈一端，所述中间继电器的一对常开触点连接在步进电机1驱动器的接触器线圈上。

在所述传动轴4上设置有机械硬限位装置14。

所述机械硬限位装置14包括连接在传动轴4上的硬限位块14-0，硬限位块14-0为渐开线轮廓，和传动轴4同步转动，在传动轴4外设置有与限位块上轮廓线14-1配合限位的关限位螺栓14-2和与限位块下轮廓线14-3配合限位的开限位螺栓14-4。

所述关限位螺栓14-2和开限位螺栓14-4安装在有螺纹的限位板14-5上。

在所述传动轴4上设置有用以显示阀门开度的机械指示针13。

所述步进电机1的输出轴另一端连接有手轮16，用以在断电状态下手动调节阀门。

与现有的技术相比，本发明能够依靠编码器的精密角位移反馈，实现阀门开度的闭环精密控制，比现有技术使用的依靠步进电机细分提高阀门精度更可靠。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明开关组结构示意图。

图3是本发明正向超程保护开关和反向超程保护开关电气连接示意图。

图4是本发明阀门在全关位置状态下机械硬限位装置工作示意图。

图5是本发明阀门在全开位置状态下机械硬限位装置工作示意图。

图6是本发明闭环控制原理。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明为一种闭环高精度定量阀，包括阀体12，阀体12的阀杆11通过下联轴器10、传动轴4和上联轴器3连接步进电机1的输出轴一端，步进电机1接有控制其转动方式的控制器，为控制转速，步进电机1的输出轴该端上设置有减速器2。其中阀杆11、下联轴器10、传动轴4、上联轴器3以及步进电机1均设置在一个密闭的壳体15内。传动轴4上设置有用以显示阀门开度的机械指示针13，步进电机1的输出轴另一端连接有手轮16。

壳体15内壁上设置有一个支撑板9，传动轴4从支撑板9中穿过，传动轴4上设置有空心式的光电编码器，光电编码器的内圈7固定在传动轴4上同步转动，光电编码器的底座8固定在支撑板9上保持静止不动，光电编码器对检测传动轴4角向转动位移即阀门开度增量进行实时的测量并将监测数据传输至控制器，控制器将接收的实际阀门开度增量与控制器向步进电机1驱动单元发送的代表阀门开度增量的脉冲进行实时比较，并调整脉冲使实际阀位与设定的阀位一致

如图2所示，为对本发明阀门状态进行检测和保护，在传动轴4外部设置开关组6，开关组6包括：全开位置检测开关6-1、全关位置检测开关6-2、正向超程保护开关6-3以及反向超程保护开关6-4，其中全开位置检测开关6-1和全关位置检测开关6-2为光电开关，正向超程保护开关6-3和反向超程保护开关6-4为机械行程开关，传动轴4上安装有与其同步转动的第一摆臂5-1和第二摆臂5-2，第一摆臂5-1用以触动全开位置检测开关6-1和全关位置检测开关6-2，第二摆臂5-2用以触碰正向超程保护开关6-3和反向超程保护开关6-4。其中两个光电开关的光轴间隔90度，以精确地指示阀门的全开全关状态；两个机械行程开关的触头间距稍大于90度，比如在90-95度之间，以保证在阀门正常的0-90度运行过程中不会和第二摆臂5-2触碰，但是当阀门开度越过全开和全关位置之后，则会触碰发生动作。

若第一摆臂5-1转动到全开位置检测开关6-1的位置，全开位置检测开关6-1动作，向控制器发信号表示阀位到达全开位置；若第二摆臂5-2转动到全关位置检测开关6-2的位置，全关位置检测开关6-2动作，向控制器发信号表示阀位到达全关位置。

若由于某种问题阀芯越过了全开和全关的位置继续旋转，为了防止阀芯的过度旋转造成阀门损坏，增设了极限位置的电气保护，如图3所示，24V控制电源的一端通过正向超程保护开关6-3和反向超程保护开关6-4的常闭触点与控制器中的一个中间继电器的线圈一端连接，中间继电器的一对常开触点连接在步进电机1的接触器线圈上。在旋转过程中第二摆臂5-2若碰下正向超程行程开关6-3和反向超程行程开关6-4之一，行程开关的常闭触点断开，则切断中间继电器的电源，中间继电器断开，中间继电器的一对常开触点断开，则断开交流接触器线圈的电源，交流接触器断开后切断步进驱动器电源，步进电机则不能继续转动，防止了阀芯的过度旋转。为了便于操作，设置了超程解除功能，控制器内安装有超程解除按钮，超程解除按钮的一端连接24V电源正极，另一端直接跨过正向超程行程开关6-3和反向超程行程开关6-4的常闭触点连接到中间继电器线圈的一端，如果阀门发生了超程断电，则按下超程解除按钮，接通24V电源，中间继电器线圈导通，使步进电机1的驱动器电源接通，手动进行反向运动，解除电气超程保护。

为防止执行器在所有电气装置失效情况下过度转动而损坏阀芯，本发明在所述传动轴4上设置机械硬限位装置14，机械硬限位装置14包括连接在传动轴4上的硬限位块14-0，在传动轴4外设置有与限位块上轮廓线14-1配合限位的关限位螺栓14-2和与限位块下轮廓线14-3配合限位的开限位螺栓14-4，关限位螺栓14-2和开限位螺栓14-4安装在有螺纹的限位板14-5上，能够通过调节螺栓拧入的深度，从而调节机械限位的位置

其中，硬限位块14-0为渐开线轮廓，和传动轴4同步转动。如图4所示，为阀门在全关位置状态，若阀门继续向关的方向旋转，限位块的上轮廓线14-1会碰到关限位螺栓14-2，将阻止阀门的继续转动。如图5所示，为阀门在全开位置状态，若阀门继续向关的方向旋转，限位块的下轮廓线14-3会碰到开限位螺栓14-4，将阻止阀门的继续转动

本发明的控制原理如图6所示，传动轴4经过下联轴器10与阀杆12相连实现同步传动。空心光电编码器内圈固定在传动轴4上同步转动，编码器的座固定在支撑板9上保持静止不动，当传动轴4转动时把阀门开度的角位移信号传送给控制器。控制器根据向步进电机驱动器发送的脉冲个数代表的阀门开度的增量与实际阀门开度的增量比较，进行闭环的PID调节使设定的阀位与编码器测量的实际阀位一致。如果检测到的阀门开度和控制器设定的开度不一致，则控制器继续向步进电机驱动器发送脉冲信号，直到一致为止。

Claims (8)

1.一种闭环高精度定量阀，包括阀体(12)，阀体(12)的阀杆(11)通过下联轴器(10)、传动轴(4)和上联轴器(3)连接步进电机(1)的输出轴一端，步进电机(1)接控制器由其控制转动方式，其特征在于，在所述传动轴(4)上设置有用以检测传动轴(4)角向转动位移即阀门开度增量的空心式光电编码器，光电编码器的内圈(7)固定在传动轴(4)上同步转动，光电编码器的底座(8)固定在传动轴(4)的外部支撑板(9)上保持静止不动，光电编码器的数据输出端接控制器，控制器将接收的实际阀门开度增量与控制器向步进电机(1)驱动单元发送的代表阀门开度增量的脉冲进行实时比较，并调整脉冲使实际阀位与设定的阀位一致 ，

在所述传动轴(4)外部设置有开关组(6)，所述开关组(6)包括： 

用以检测阀门全开状态的全开位置检测开关(6-1)； 

用以检测阀门全关状态的全关位置检测开关(6-2)； 

用以检测阀门正向极限位置的正向超程保护开关(6-3)； 

以及用以检测阀门反向极限位置的反向超程保护开关(6-4)； 

所述开关组(6)将检测的结果送入控制器，若阀门到达极限位置，则控制器控制使得步进电机(1)停止转动； 

在所述传动轴(4)上设置有机械硬限位装置(14)。 

2.根据权利要求1所述的闭环高精度定量阀，其特征在于，所述全开位置检测开关(6-1)和全关位置检测开关(6-2)为光电开关，二者的光轴沿传动轴(4)轴心间隔为90度；所述正向超程保护开关(6-3)和反向超程保护开关(6-4)为机械行程开关，二者触头间距在90-95度之间。 

3.根据权利要求2所述的闭环高精度定量阀，其特征在于，所述传动轴(4)上安装有用以触动全开位置检测开关(6-1)和全关位置检测开关(6-2)第一摆臂(5-1)，以及用以触碰正向超程保护开关(6-3)和反向超程保护开关(6-4)的第二摆臂(5-2)。 

4.根据权利要求3所述的闭环高精度定量阀，其特征在于，控制电源的一端通过所述正向超程保护开关(6-3)和反向超程保护开关(6-4)的常闭触点连接控制器的中间继电器线圈一端，所述中间继电器的一对常开触点连接在步进电机(1)驱动器的接触器线圈上。 

5.根据权利要求1所述的闭环高精度定量阀，其特征在于，所述机械硬限位装置(14)包括连接在传动轴(4)上的硬限位块(14-0)，硬限位块(14-0)为渐开线轮廓，和传动轴(4)同步转动，在传动轴(4)外设置有与限位块上轮廓线(14-1)配合限位的关限位螺栓(14-2)和与限位块下轮廓线(14-3)配合限位的开限位螺栓(14-4)。 

6.根据权利要求5所述的闭环高精度定量阀，其特征在于，所述关限位螺栓(14-2)和开限位螺栓(14-4)安装在有螺纹的限位板(14-5)上。 

7.根据权利要求1所述的闭环高精度定量阀，其特征在于，在所述传动轴(4)上设置有用以显示阀门开度的机械指示针(13)。 

8.根据权利要求1所述的闭环高精度定量阀，其特征在于，所述步进电机(1)的输出轴另一端连接有盘车用的手轮(16)，用以在断电状态下手动调节阀门。