CN105443512A - 一种气动马达伺服系统及控制方法 - Google Patents

一种气动马达伺服系统及控制方法 Download PDF

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周根荣
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    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B21/00Common features of fluid actuator systems; Fluid-pressure actuator systems or details thereof, not covered by any other group of this subclass
    • F15B21/08Servomotor systems incorporating electrically operated control means

Abstract

本发明公开了一种气动马达伺服系统及控制方法,该气动马达伺服系统包括气动伺服马达、流量及方向调节器以及气动伺服控制器,气动伺服马达由气动马达、夹持固定器、转速传感器组成,转速传感器由夹持固定器夹持固定在所述气动马达的输出轴上;流量及方向调节器安装在气动伺服马达的进气口前端,由进气开关阀、流量比例调节阀、流量传感器、正转开关阀、反转开关阀组成;气动伺服控制器由CPU模块、A/D采集模块、D/A输出模块以及通信模块组成。本发明可以对马达转速实现精确控制,使气动马达具有初步的伺服特性,提高了气动马达的性能,拓宽了气动马达的使用领域,可广泛应用于水下ROV、水下钻探采矿等要求较高控制精度的场合。

Description

一种气动马达伺服系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种气动马达伺服系统,属于机电一体化、传感与测控技术领域,可适用于矿山油田、海洋工程、港口码头等场合。
背景技术
与传统的电动马达、液压马达相比,气动马达重量较轻,安装运输方便;又因为其工作介质是压缩空气,不会引起火灾;气动马达过载时能与供气压力保持平衡,自动停转;和液压马达相比,压缩空气的泄露也不会对环境造成污染;和电动马达相比,也不存在过压、过流、绝缘降低等问题导致的电机损坏现象。所以气动马达具有如下优点:
(1)工作安全,具有防爆性能,受高温及振动的影响较小;
(2)可长期满载工作,而温升较小;
(3)功率范围及转速范围均较宽,功率小至几百瓦,大至几万瓦,转速可从每分钟几转到几万转;
(4)具有较高的起动转矩,能带载启动;
(5)结构简单,操纵方便,维修容易,成本低。由于上述特点,因而气动马达广泛应用于矿山油田、海洋工程、港口码头等场合。
但由于国内对气动流体力学研究较少,目前气动马达还处在开环控制阶段,与电动马达、液压马达相比,对其转速、力矩控制的研究开展较少,因而气动马达通常使用在一些不需精确控制的场合,对于水下ROV、水下钻探采矿等要求较高控制精度的场合,气动马达无法发挥其固有的优点。
针对气动马达现状,本发明设计了一种气动马达伺服系统,可以对马达转速实现精确控制,使气动马达具有初步的伺服特性,提高了气动马达的性能,拓宽了气动马达的使用领域。
发明内容
发明目的:本发明的目的是为了解决现有技术中的不足,提供一种对马达转速实现精确控制,使气动马达具有初步的伺服特性,提高了气动马达的性能,拓宽了气动马达的使用领域,可广泛应用于水下ROV、水下钻探采矿等要求较高控制精度的场合的气动马达伺服系统及控制方法。
技术方案:本发明所述的一种气动马达伺服系统的控制方法,包括如下:
(1)气动马达启动控制:气动伺服控制器控制进气开关阀开通,打开气源,根据当前是正转还是反转命令,控制对应的正转开关阀或反转开关阀开通,接着控制流量比例调节阀为最大开度,气动马达按最大速度正转或反转;
(2)气动马达停止控制:气动伺服控制器控制进气开关阀关断,切断气源,气动伺服马达停止;
(3)气动马达调速控制:当需要调速时,A/D采集模块采集转速传感器送出的转速信号和流量传感器送出的流量信号,进行A/D转换,将这些模拟信号转换为数字信号后送给CPU模块,CPU模块再根据通信模块接收到的设定转速参数,通过智能控制算法,计算所需的进气流量,再通过D/A输出模块控制流量比例调节阀的输出流量,以控制气动马达按设定转速正转或反转;
(4)气动马达恒速调节控制:CPU模块采用闭环调节方式控制气动马达转速的恒定,即通过流量传感器采集流量比例调节阀的输出流量,以及通过转速传感器采集气动马达的实际转速,再通过CPU模块中的智能控制算法,不断实时动态调节流量比例调节阀的输出流量,以控制气动马达转速的恒定。
进一步,所述一种气动马达伺服系统,包括气动伺服马达、流量及方向调节器以及气动伺服控制器;
所述气动伺服马达由气动马达、夹持固定器、转速传感器组成,所述转速传感器由夹持固定器夹持固定在所述气动马达的输出轴上,实现转速传感器与气动马达同轴同步旋转运动;
所述流量及方向调节器安装在气动伺服马达的进气口前端,由进气开关阀、流量比例调节阀、流量传感器、正转开关阀、反转开关阀组成,所述进气开关阀依次与所述流量比例调节阀、正转开关阀和反转开关阀连接,所述流量比例调节阀与所述正转开关阀和反转开关阀之间还设有流量传感器,该流量及方向调节器受气动伺服控制器控制,实现气动伺服马达的启动或停止、运转方向控制,以及进气流量的调节和检测;
所述气动伺服控制器由CPU模块、A/D采集模块、D/A输出模块以及通信模块组成;
所述CPU模块是整个气动伺服系统的控制单元,该CPU模块读取通信模块获得的马达启动或停止、运转方向、设定转速等外部控制命令信息,根据不同命令信息作不同处理;
所述A/D采集模块实现对气动伺服马达中的转速传感器送出的转速信号、流量以及方向调节器中的流量传感器送出的流量信号进行A/D转换,将这些模拟信号转换为数字信号,并送给CPU模块分析;
所述D/A输出模块对流量及方向调节器中的流量比例调节阀提供模拟量控制信号,实现进气流量的调节,最终实现对气动马达的转速控制;
所述通信模块实现马达启动或停止、运转方向、设定转速等外部控制命令信息的接收,并送给CPU模块进一步处理。
进一步的,所述进气开关阀、正转开关阀、反转开关阀、流量比例调节阀均采用电动阀。
进一步的,所述进气开关阀的进气端连接有压缩空气气源。
进一步的,所述CPU模块采用单片机或PLC控制模块。
进一步的,所述气动伺服控制器采用闭环调节方式控制所述气动伺服马达的转速。
进一步的,通过所述A/D采集模块采集转速传感器送出的转速信号、流量传感器送出的流量信号,进行A/D转换,并将这些模拟信号转换为数字信号后送给CPU模块,通过CPU模块计算出所需的进气流量,再通过D/A输出模块控制流量比例调节阀的输出流量,以控制气动马达转速的恒定。
有益效果:本发明可以对马达转速实现精确控制,使气动马达具有初步的伺服特性,提高了气动马达的性能,拓宽了气动马达的使用领域,可广泛应用于水下ROV、水下钻探采矿等要求较高控制精度的场合。
附图说明
图1为本发明的控制系统结构框图示意图。
具体实施方式
如图1所示的一种气动马达伺服系统,该系统主要由气动伺服马达、流量及方向调节器、气动伺服控制器等三大部分组成,具有对气动马达的运转方向控制、转速调节等功能。
1、气动伺服马达
主要由常规气动马达6、夹持固定器7、转速传感器8组成,转速传感器8由夹持固定器7夹持固定在气动马达6的输出轴上,实现转速传感器8与气动马达6同轴同步旋转运动,转速传感器8测量出气动马达6的实际转速,并转化为电信号,送给气动伺服控制器,由气动伺服控制器中的智能控制算法不断比较设定转速与实际转速的误差,并以此误差作为智能控制算法的输入量,通过流量及方向调节器调节气动马达6的进气流量,控制气动马达6达到转速恒定的目的。
2、流量及方向调节器
流量及方向调节器安装在气动伺服马达的进气口前端,主要由进气开关阀1、流量比例调节阀2、流量传感器3、正转开关阀4、反转开关阀5等组成,流量及方向调节器受气动伺服控制器控制,实现气动伺服马达的启动/停止、运转方向控制,以及进气流量的调节和检测等,具体如下:
(1)当需要气动伺服马达启动时,气动伺服控制器控制进气开关阀1开通,打开气源,根据当前是正转还是反转指令,控制对应的正转开关阀4或反转开关阀5开通,接着控制流量比例调节阀2为最大开度,气动马达6按最大速度正转或反转;
(2)当需要气动伺服马达停止时,气动伺服控制器控制进气开关阀1关断,切断气源,气动伺服马达停止;
(3)当需要对气动伺服马达调速时,气动伺服控制器控制进气开关阀1开通,打开气源,根据当前是正转还是反转指令,控制对应的正转开关阀4或反转开关阀5开通,接着气动伺服控制器根据要求的转速参数,实时计算所需的进气流量,控制流量比例调节阀2输出对应的气体流量,实现对气动伺服马达的调速;
(4)实际工作时,气源压力的变化、工作负载的不恒定,都会导致转速变化,因此气动伺服控制器采用闭环调节方式控制气动伺服马达的转速,即通过流量传感器3采集流量比例调节阀2的输出流量,以及通过气动伺服马达中的转速传感器8,采集气动马达6的实际转速,再通过气动伺服控制器中的智能控制算法,不断实时动态调节流量比例调节阀2的输出流量,以控制气动马达6转速的恒定。
3、气动伺服控制器
气动伺服控制器是整个系统的核心部分,由CPU模块9、A/D采集模块10、D/A输出模块11、通信模块12等组成,功能如下:
(1)A/D采集模块10实现对气动伺服马达中的转速传感器8送出的转速信号、流量及方向调节器中的流量传感器3送出的流量信号进行A/D转换,将这些模拟信号转换为数字信号,并送给CPU模块9,供智能控制算法分析计算。
(2)D/A输出模块11对流量及方向调节器中的流量比例调节阀2提供模拟量控制信号,实现进气流量的调节,最终实现对气动马达6的转速控制。
(3)通信模块12实现马达启动/停止、运转方向、设定转速等外部控制命令信息的接收,并送给CPU模块9,供进一步处理。
(4)CPU模块9是整个气动伺服系统的控制单元,读取通信模块12获得的马达启动/停止、运转方向、设定转速等外部控制命令信息,根据不同命令信息作不同处理。当需要调速时,A/D采集模块10采集转速传感器8送出的转速信号、流量传感器3送出的流量信号,进行A/D转换,将这些模拟信号转换为数字信号后送给CPU模块9,CPU模块9再通过智能控制算法,实时计算出所需的进气流量,再通过D/A输出模块11控制流量比例调节阀2的输出流量,以控制气动马达6转速的恒定。
本发明的目的还在于提供一种气动马达伺服系统的控制方法,该系统主要由气动伺服马达、流量及方向调节器、气动伺服控制器等三大部分组成,具有对气动马达的运转方向控制、转速调节等功能。气动马达伺服系统整体框图如图1所示。
马达启动/停止、运转方向、设定转速等外部控制命令信息由通信模块12接收并送给CPU模块9,供进一步处理,具体控制方法如下:
1、气动马达启动/停止
(1)当需要气动伺服马达启动时,气动伺服控制器控制进气开关阀1开通,打开气源,根据当前是正转还是反转命令,控制对应的正转开关阀4或反转开关阀5开通,接着控制流量比例调节阀2为最大开度,气动马达6按最大速度正转或反转;
(2)当需要气动伺服马达停止时,气动伺服控制器控制进气开关阀1关断,切断气源,气动伺服马达停止。
2、气动马达调速以及恒速控制
当需要调速时,A/D采集模块10采集转速传感器8送出的转速信号和流量传感器3送出的流量信号,进行A/D转换,将这些模拟信号转换为数字信号后送给CPU模块9,CPU模块9再根据通信模块12接收到的设定转速参数,通过智能控制算法,计算所需的进气流量,再通过D/A输出模块11控制流量比例调节阀2的输出流量,以控制气动马达6按设定转速正转或反转。当由于气源变化或负载变化,导致转速变化时,CPU模块9采用闭环调节方式控制气动马达6转速的恒定,即通过流量传感器3采集流量比例调节阀2的输出流量,以及通过转速传感器8采集气动马达6的实际转速,再通过CPU模块9中的智能控制算法,不断实时动态调节流量比例调节阀2的输出流量,以控制气动马达6转速的恒定。
进一步的,所述进气开关阀1、正转开关阀4、反转开关阀5、流量比例调节阀2均采用电动阀。进一步的,所述进气开关阀的进气端连接有压缩空气气源。进一步的,所述CPU模块采用单片机或PLC控制模块。
本发明可以对马达转速实现精确控制,使气动马达具有初步的伺服特性,提高了气动马达的性能,拓宽了气动马达的使用领域,可广泛应用于水下ROV、水下钻探采矿等要求较高控制精度的场合。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种气动马达伺服系统的控制方法,其特征在于:包括如下:
(1)气动马达启动控制:气动伺服控制器控制进气开关阀开通,打开气源,根据当前是正转还是反转命令,控制对应的正转开关阀或反转开关阀开通,接着控制流量比例调节阀为最大开度,气动马达按最大速度正转或反转;
(2)气动马达停止控制:气动伺服控制器控制进气开关阀关断,切断气源,气动伺服马达停止;
(3)气动马达调速控制:当需要调速时,A/D采集模块采集转速传感器送出的转速信号和流量传感器送出的流量信号,进行A/D转换,将这些模拟信号转换为数字信号后送给CPU模块,CPU模块再根据通信模块接收到的设定转速参数,通过智能控制算法,计算所需的进气流量,再通过D/A输出模块控制流量比例调节阀的输出流量,以控制气动马达按设定转速正转或反转;
(4)气动马达恒速调节控制:CPU模块采用闭环调节方式控制气动马达转速的恒定,即通过流量传感器采集流量比例调节阀的输出流量,以及通过转速传感器采集气动马达的实际转速,再通过CPU模块中的智能控制算法,不断实时动态调节流量比例调节阀的输出流量,以控制气动马达转速的恒定。
2.根据权利要求1所述的一种气动马达伺服系统的控制方法,其特征在于:该气动马达伺服系统包括气动伺服马达、流量及方向调节器以及气动伺服控制器;
所述气动伺服马达由气动马达(6)、夹持固定器(7)、转速传感器(8)组成,所述转速传感器(8)由夹持固定器(7)夹持固定在所述气动马达(6)的输出轴上,实现转速传感器(8)与气动马达(6)同轴同步旋转运动;
所述流量及方向调节器安装在气动伺服马达的进气口前端,由进气开关阀(1)、流量比例调节阀(2)、流量传感器(3)、正转开关阀(4)、反转开关阀(5)组成,所述进气开关阀(1)依次与所述流量比例调节阀(2)、正转开关阀(4)和反转开关阀(5)连接,所述流量比例调节阀(2)与所述正转开关阀(4)和反转开关阀(5)之间还设有流量传感器(3),该流量及方向调节器受气动伺服控制器控制,实现气动伺服马达的启动或停止、运转方向控制,以及进气流量的调节和检测;
所述气动伺服控制器由CPU模块(9)、A/D采集模块(10)、D/A输出模块(11)以及通信模块(12)组成;
所述CPU模块(9)是整个气动伺服系统的控制单元,该CPU模块(9)读取通信模块(12)获得的马达启动或停止、运转方向、设定转速等外部控制命令信息,根据不同命令信息作不同处理;
所述A/D采集模块(10)实现对气动伺服马达中的转速传感器(8)送出的转速信号、流量以及方向调节器中的流量传感器(3)送出的流量信号进行A/D转换,将这些模拟信号转换为数字信号,并送给CPU模块(9)分析;
所述D/A输出模块(11)对流量及方向调节器中的流量比例调节阀(2)提供模拟量控制信号,以实现进气流量的调节,最终实现对气动马达(6)的转速控制;
所述通信模块(12)实现马达启动或停止、运转方向、设定转速等外部控制命令信息的接收,并送给CPU模块(9)进一步处理。
3.根据权利要求2所述的一种气动马达伺服系统的控制方法,其特征在于:所述进气开关阀(1)、正转开关阀(4)、反转开关阀(5)、流量比例调节阀(2)均采用电动阀。
4.根据权利要求2或3所述的一种气动马达伺服系统的控制方法,其特征在于:所述进气开关阀(1)的进气端连接有压缩空气气源。
5.根据权利要求2所述的一种气动马达伺服系统的控制方法,其特征在于:所述CPU模块(9)采用单片机或PLC控制模块。
6.根据权利要求2所述的一种气动马达伺服系统的控制方法,其特征在于:所述气动伺服控制器采用闭环调节方式控制所述气动伺服马达的转速。
7.根据权利要求2所述的一种气动马达伺服系统的控制方法,其特征在于:通过所述A/D采集模块(10)采集转速传感器(8)送出的转速信号、流量传感器(3)送出的流量信号,进行A/D转换,并将这些模拟信号转换为数字信号后送给CPU模块(9),通过CPU模块(9)计算出所需的进气流量,再通过D/A输出模块(11)控制流量比例调节阀(2)的输出流量,以控制气动马达(6)转速的恒定。
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