CN106246985A - 一种基于pwm信号控制的电动比例调节阀 - Google Patents

一种基于pwm信号控制的电动比例调节阀 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PWM信号控制的电动比例调节阀，包括反馈单元、微控制单元、驱动单元、直流电机、传动单元和执行单元，微控制单元比较外部输入的PWM信号和反馈的阀门开度信号，获得的差值作为驱动信号，该驱动信号依次经驱动单元、直流电机、传动单元和执行单元调节阀门的开启角度，直到阀门开度达到外部输入的PWM信号的设定值，从而实现PWM信号直接驱动电动比例调节阀，避免了因PWM信号不能直接驱动电动调节阀，需要经二次电路进行转换，从而导致整个控制系统电路结构复杂、成本高、准确性差的问题。同时，该调节阀还具有硬件成本低、执行速度快、功耗低的特点。

Description

一种基于PWM信号控制的电动比例调节阀
技术领域
本发明涉及电动调节阀技术领域，具体涉及一种基于PWM信号控制的电动比例调节阀。
背景技术
电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行元件，随着工业领域的自动化程度越来越高以及物联网行业的发展，正被越来越多的应用在各种工业生产领域以及民用生产生活领域中。电动比例调节阀在形式上是通过调节阀门开启角度大小来实现对阀门开度和截面面积的控制，其电动执行机构的动力电源一般常用的为交流供电，如AC24V、AC110V或AC220V等，控制信号通常为4-20mA或0-10V等模拟量信号，但基于单片机技术的物联网和嵌入式系统来说，输出的驱动信号通常为3.3V或5V的数字信号（包括PWM信号），控制端的驱动信号与执行端的控制信号制式不匹配导致不能直接采用单片机输出的驱动信号对电动比例调节阀进行控制，需要在二者之间进一步设置转换电路，如此将产生成本高、电路结构复杂、准确性差的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于PWM信号控制的电动比例调节阀，解决当前PWM信号不能直接驱动电动调节阀，需要经二次电路进行转换，从而导致整个控制系统电路结构复杂、成本高、准确性差的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于PWM信号控制的电动比例调节阀，包括反馈单元、微控制单元、驱动单元、直流电机、传动单元和执行单元，其中，
所述反馈单元与执行单元电连接，用于向微控制单元反馈阀门开度信息；
所述微控制单元与反馈单元电连接，同时外接PWM信号，用于比较反馈的阀门开度和外部输入的PWM信号对应的阀门开度，将其差值作为驱动信号发送至驱动单元；
所述驱动单元与微控制单元电连接，用于将微控制单元发送的驱动信号传送给直流电机，驱动直流电机动作；
所述直流电机与驱动单元电连接，用于将驱动单元发送的电能转化为机械能，带动传动单元动作；
所述传动单元与直流电机机械连接，用于将直流电机输出的机械能传动至执行单元，带动执行单元动作；
所述执行单元与传动单元机械连接，用于控制阀门开度。
特别地，所述基于PWM信号控制的电动比例调节阀还包括设置于驱动单元和直流电机之间的保护单元，所述保护单元用于监测阀门开度，并在阀门开到位或关到位时切断驱动单元与直流电机之间的回路。
特别地，所述基于PWM信号控制的电动比例调节阀还包括设置于外部电源和微控制单元之间的稳压电源，所述稳压单元输入端连接外部电源，输出端连接微控制单元的电源输入端，用于对外部供电进行降压和稳压处理，为微控制单元提供稳定、匹配的工作电压。
特别地，所述反馈单元采用滑动变阻器，滑动变阻器的旋钮与执行单元固定连接，执行单元动作时，滑动变阻器的旋钮跟随动作，滑动变阻器的阻值随之产生相应的变化。
特别地，所述传动单元采用齿轮。
特别地，所述执行单元采用轴承。
特别地，所述微控制单元采用PWM伺服控制芯片或单片机。
特别地，所述微控制单元采用BA6688L芯片，所述驱动单元采用BAL6686芯片。
特别地，所述微控制单元采用M51660L芯片。
特别地，所述微控制单元采用AA51883芯片。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明所述一种基于PWM信号控制的电动比例调节阀，微控制单元比较外部输入的PWM信号和反馈的阀门开度信号，获得的差值作为驱动信号，该驱动信号依次经驱动单元、直流电机、传动单元和执行单元调节阀门的开启角度，直到阀门开度达到外部输入的PWM信号的设定值，从而实现PWM信号直接驱动电动比例调节阀，避免了因PWM信号不能直接驱动电动调节阀，需要经二次电路进行转换，从而导致整个控制系统电路结构复杂、成本高、准确性差的问题。同时，所述调节阀还具有硬件成本低、执行速度快、功耗低的特点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例1提供的基于PWM信号控制的电动比例调节阀电路结构框图。
图2为本发明实施例1提供的基于PWM信号控制的电动比例调节阀的反馈单元、微控制单元、保护单元、驱动单元、直流电机电路原理图。
图3为本发明实施例2提供的基于PWM信号控制的电动比例调节阀的反馈单元、微控制单元、保护单元、驱动单元、直流电机电路原理图。
图4为本发明实施例3提供的基于PWM信号控制的电动比例调节阀的反馈单元、微控制单元、保护单元、驱动单元、直流电机电路原理图。
图5为本发明实施例4提供的基于PWM信号控制的电动比例调节阀的微控制单元、驱动单元、直流电机、反馈单元电路原理图。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，图1为本发明实施例1提供的基于PWM信号控制的电动比例调节阀电路结构框图。
本实施例中，所述基于PWM信号控制的电动比例调节阀包括反馈单元、微控制单元、驱动单元、直流电机、传动单元、执行单元和稳压单元。
如图2所示，图2为本发明实施例1提供的基于PWM信号控制的电动比例调节阀的反馈单元、微控制单元、保护单元、驱动单元、直流电机电路原理图。
其中，微控制单元采用BA6688L芯片，驱动单元采用BAL6686芯片，反馈单元采用滑动变阻器，保护单元采用两组并联的常闭开关和单向二极管，BA6688L芯片的12号管脚外接PWM信号，BA6688L芯片的6、8、10号管脚连接滑动变阻器，BA6688L芯片的2、3号管脚分别连接BAL6686芯片的3、5号管脚，BAL6686芯片的2、6号管脚连接直流电机。滑动变阻器的旋钮与执行单元固定连接，执行单元动作时，滑动变阻器的旋钮跟随动作，滑动变阻器的阻值随之产生相应的变化，滑动变阻器两端电压产生相应变化，进而滑动变阻器两端电压的变化对应阀门开度的变化。外部PWM信号经12号管脚接入BA6688L芯片进行解调，获得一个直流偏置电压，该直流偏置电压与滑动变阻器电压相比较，获得的电压差经BA6688L芯片的2、3号管脚输出至BAL6686芯片驱动直流电机正反转。
所述传动单元采用一组齿轮，所述执行单元采用轴承，齿轮组将直流电机的小扭力转化为大扭力，进一步带动轴承转动，调节阀门开启的角度，实现对阀门开度和截面面积的控制。
通常情况下外部供电电源为3-6V或更高，本实施例设有稳压单元，其输入端连接外部电源，输出端连接微控制单元的电源输入端，对外部供电进行降压和稳压处理，为微控制单元提供稳定、匹配的工作电压。
本实施例的优选实施方式为在驱动单元和直流单元之间设有保护单元，所述保护单元包括两组并联的常闭开关和单向二极管，在阀门开到位或关到位时，对应的常闭开关触发并断开，从而切断驱动单元与直流电机之间的回路，防止直流电机过转，进一步起到保护调节阀的作用。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于反馈单元、微控制单元、保护单元、驱动单元、直流电机。
如图3所示，图3为本发明实施例2提供的基于PWM信号控制的电动比例调节阀的反馈单元、微控制单元、保护单元、驱动单元、直流电机电路原理图。
其中，微控制单元采用M51660L芯片，驱动单元采用两个三极管2SA695，反馈单元采用滑动变阻器，保护单元采用两组并联的常闭开关和单向二极管。M51660L芯片的5号管脚外接PWM信号，M51660L芯片的1、7、13管脚连接滑动变阻器，M51660L芯片的4、12号管脚分别连接两个三极管2SA695的基极，M51660L芯片的6、10号管脚分别连接两个三极管2SA695的集电极。2SA695的集电极分别通过保护单元后连接直流电机。滑动变阻器的旋钮与执行单元固定连接，当执行单元动作时，滑动变阻器的旋钮跟随动作，滑动变阻器的阻值随之产生相应的变化，滑动变阻器两端电压产生相应变化，进而滑动变阻器两端电压的变化对应阀门开度的变化。外部PWM信号经5号管脚接入M51660L芯片进行解调，获得一个直流偏置电压，该直流偏置电压与滑动变阻器电压相比较，获得的电压差经4、12号管脚分别输出至PNP三极管基极，从而驱动直流电机正反转。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于反馈单元、微控制单元、保护单元、驱动单元、直流电机。
如图4所示，图4为本发明实施例3提供的基于PWM信号控制的电动比例调节阀的反馈单元、微控制单元、保护单元、驱动单元、直流电机电路原理图。
其中，微控制单元采用YT5188芯片，驱动单元采用两个三极管2SA695，反馈单元采用滑动变阻器，保护单元采用两组并联的常闭开关和单向二极管。YT5188芯片的2号管脚外接PWM信号，YT5188芯片的9、11管脚连接滑动变阻器，YT5188芯片的1、8号管脚分别连接两个三极管2SA695的基极，YT5188芯片的3、6号管脚分别连接两个三极管2SA695的集电极。2SA695的集电极分别通过保护单元后连接直流电机。滑动变阻器的旋钮与执行单元固定连接，执行单元动作时，滑动变阻器的旋钮跟随动作，滑动变阻器的阻值随之产生相应的变化，滑动变阻器两端电压产生相应变化，进而滑动变阻器两端电压的变化对应阀门开度的变化。外部PWM信号经2号管脚接入YT5188芯片进行解调，获得一个直流偏置电压，该直流偏置电压与滑动变阻器电压相比较，获得的电压差经1、8号管脚分别输出至PNP三极管基极，从而驱动直流电机正反转。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于反馈单元、微控制单元、保护单元、驱动单元、直流电机。
如图5所示，图5为本发明实施例4提供的基于PWM信号控制的电动比例调节阀的反馈单元、微控制单元、保护单元、驱动单元、直流电机电路原理图。
其中，微控制单元采用单片机STM32F103RBT6，驱动单元采用L9110芯片，反馈单元采用滑动变阻器，保护单元采用两组并联的常闭开关和单向二极管。STM32F103RBT6芯片的TIM4_CH1管脚外接PWM信号，YT5188芯片的ADC10和ADC11管脚连接滑动变阻器，STM32F103RBT6芯片的GPIO管脚PB0、PB1分别连接L9110芯片的6、7管脚。L9110芯片的1、4号管脚分别通过保护单元后连接直流电机。滑动变阻器的旋钮与执行单元固定连接，执行单元动作时，滑动变阻器的旋钮跟随动作，滑动变阻器的阻值随之产生相应的变化，滑动变阻器两端电压产生相应变化，进而滑动变阻器两端电压的变化对应阀门开度的变化。STM32F103RBT6通过高级定时计数器TIM4，捕获并测量外部PWM信号的占空比，经单片机计算得出对应的开度信息。同时通过模数转换器ADC10和ADC11得到滑动变阻器分压比值，经单片机计算得出对应的开度信息。将计算得出的PWM信号角度与反馈单元信号角度作差值，获得的电压差经PB0和PB1号管脚输出至L9110，从而驱动直流电机正反转。PB0和PB1输出的差值信号可以是高低电平信号或者PWM信号。
需要说明的是，本实施例所述调节阀的驱动电压由高电压的交流供电，变成极易从嵌入式系统中获取的低电压直流供电，易于系统集成和优化电路结构。同时，采用直流电机带动传动齿轮，然后驱动轴承转动，与现有的调节阀相比，极大地降低执行单元全程时间，阀门全程时间小于5s，提高了阀门的响应速度。此外，当前的调节阀普遍功率为2.5VA~5.5VA，而本实施例所述调节阀则降低到0.6VA以内。
本发明的技术方案，微控制单元比较外部输入的PWM信号和反馈的阀门开度信号，获得的差值作为驱动信号，该驱动信号依次经驱动单元、直流电机、传动单元和执行单元调节阀门的开启角度，直到阀门开度达到外部输入的PWM信号的设定值，从而实现PWM信号直接驱动电动比例调节阀，避免了因PWM信号不能直接驱动电动调节阀，需要经二次电路进行转换，从而导致整个控制系统电路结构复杂、成本高、准确性差的问题。同时，该调节阀还具有硬件成本低、执行速度快、功耗低的特点。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PWM信号控制的电动比例调节阀，其特征在于，包括反馈单元、微控制单元、驱动单元、直流电机、传动单元和执行单元，其中，
所述反馈单元与执行单元电连接，用于向微控制单元反馈阀门开度信息；
所述微控制单元与反馈单元电连接，同时外接PWM信号，用于比较反馈的阀门开度和外部输入的PWM信号对应的阀门开度，将其差值作为驱动信号发送至驱动单元；
所述驱动单元与伺服控制器电连接，用于将微控制单元发送的驱动信号传送给直流电机，驱动直流电机动作；
所述直流电机与驱动单元电连接，用于将驱动单元发送的电能转化为机械能，带动传动单元动作；
所述传动单元与直流电机机械连接，用于将直流电机输出的机械能传动至执行单元，带动执行单元动作；
所述执行单元与传动单元机械连接，用于控制阀门开度。
2.根据权利要求1所述的基于PWM信号控制的电动比例调节阀，其特征在于，还包括设置于驱动单元和直流电机之间的保护单元，所述保护单元用于监测阀门开度，并在阀门开到位或关到位时切断微控制单元与直流电机之间的回路。
3.根据权利要求1所述的基于PWM信号控制的电动比例调节阀，其特征在于，还包括设置于外部电源和微控制单元之间的稳压单元，所述稳压单元输入端连接外部电源，输出端连接微控制单元的电源输入端，用于对外部供电进行降压和稳压处理，为微控制单元提供稳定、匹配的工作电压。
4.根据权利要求1所述的基于PWM信号控制的电动比例调节阀，其特征在于，所述反馈单元采用滑动变阻器，滑动变阻器的旋钮与执行单元固定连接，执行单元动作时，滑动变阻器的旋钮跟随动作，滑动变阻器的阻值随之产生相应的变化。
5.根据权利要求1所述的基于PWM信号控制的电动比例调节阀，其特征在于，所述传动单元采用齿轮。
6.根据权利要求1所述的基于PWM信号控制的电动比例调节阀，其特征在于，所述执行单元采用轴承。
7.根据权利要求1所述的基于PWM信号控制的电动比例调节阀，其特征在于，所述微控制单元采用PWM伺服控制芯片或者单片机。
8.根据权利要求7所述的基于PWM信号控制的电动比例调节阀，其特征在于，所述微控制单元采用BA6688L芯片，所述驱动单元采用BAL6686芯片。
9.根据权利要求7所述的基于PWM信号控制的电动比例调节阀，其特征在于，所述微控制单元采用M51660L芯片。
10.根据权利要求7所述的基于PWM信号控制的电动比例调节阀，其特征在于，所述微控制单元采用YT5188芯片。
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