CN107339486B - 一种真空阀远程控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种真空阀远程控制系统及方法，包括真空阀、减速电机、止转法兰、止转滑轮、固定滑套和控制系统；阀杆通过连轴器与减速电机的输出轴相连；止转法兰的内侧台阶与减速电机输出轴端法兰凸起相配合并通过螺钉固定，止转法兰的外壁均匀地开设有多个螺纹孔，止转滑轮通过螺纹孔固定于止转法兰上；固定滑套设在止转法兰外，固定滑套的一端为法兰座，法兰座与真空阀的法兰端相对接，并通过固定卡和螺钉锁紧，固定滑套的侧壁铣有滑槽，滑槽的数量和位置与止转滑轮相对应，使止转滑动可以沿着滑槽滑动。本发明能够实现真空阀的远程可控，根据指令便可实现真空阀门的开启和关闭。

Description

一种真空阀远程控制系统及方法

技术领域

本发明属于阀门控制领域，具体涉及一种真空阀远程控制系统及方法。

背景技术

低温制冷系统需要真空单元的支持，在实验室环境下真空阀可以通过手动方式控制，但在无人值守的远程工作条件下，真空和制冷系统都必须有远程控制能力，否则在中途断电后就无法重新抽真空（因制冷工作过程中，阀门处于关闭位置，断电较长时间后，低温保持器内因密封圈固有泄漏，真空度会逐渐变差），从而导致制冷系统无法恢复到正常工作状态。因此，必须设计控制方案以实现真空阀门的远程可控。真空阀控制模块具备接收远程或本地主控计算机控制指令的能力，并且能够根据指令实现真空阀门的开启/关闭和阀门工作环境控制（保温），同时可以返回阀门当前状态和其他相关参数（保温加热功率，温度，电流等）。

发明内容

本发明的针对现有技术中的不足（普通电控真空阀门需要高压气体辅助），提供一种真空阀远程控制系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种真空阀远程控制系统，其特征在于，包括：真空阀、减速电机、止转法兰、止转滑轮、固定滑套和控制系统；所述真空阀的阀杆通过连轴器与减速电机的输出轴相连；所述止转法兰的内侧台阶与减速电机输出轴端法兰凸起相配合并通过螺钉固定，止转法兰的外壁均匀地开设有多个螺纹孔，所述止转滑轮通过螺纹孔固定在止转法兰上；所述固定滑套套设在止转法兰外，固定滑套的一端为法兰座，所述法兰座与真空阀的法兰端相对接，并通过固定卡和螺钉锁紧，固定滑套的侧壁铣有滑槽，所述滑槽的数量和位置与止转滑轮相对应，使止转滑轮可以沿着滑槽滑动；所述控制系统通过控制减速电机的运动方向和驱动电流，实现真空阀的开启和关闭。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述减速电机由直流电机和减速器组装而成。

所述连轴器的两端各开设有两个互成90°的螺纹孔，连轴器通过紧定螺钉分别锁紧阀杆和减速电机的输出轴。

所述止转滑轮包括轴销螺钉和滑轮，所述轴销螺钉穿过滑轮固定在止转法兰外壁的螺纹孔中。

采用了轴对称的三组止转滑轮和滑槽组合。

所述止转滑轮采用了聚四氟乙烯材质。

所述控制系统包括单片机控制芯片、通信模块、电源模块、电机驱动电路和电流检测电路，所述通信模块、电源模块、电机驱动电路和电流检测电路均与单片机控制芯片相连，电流检测电路与电机驱动电路相连。

所述单片机控制芯片采用AT89LP2052/AT89LP4052单片机，通信模块采用RS485通信模式。

此外，还提出了一种采用上述真空阀远程控制系统的真空阀远程控制方法，包括：

测定真空阀阀门关紧时所需的力矩大小，得出真空阀关紧时所需的驱动电流；

通信模块与上位机通信，向单片机控制芯片发送阀门的开闭指令和读取阀门状态；

单片机控制芯片发送指令至电机驱动电路，电机驱动电路输出驱动电流，控制减速电机的运动；

电流检测电路检测减速电机的驱动电流，并将电流信号发送至单片机控制芯片；

单片机控制芯片根据电流信号判断真空阀是否到达限位位置。

本发明的有益效果是：微型直流减速电机加上滑套结构，实现机械阀门电动功能；采用RS485通信方式，可靠性高且方便实现组网；智能控制器标准模块化设计，方便各单元组合和结构安装；能够实现真空阀的远程可控，根据指令便可实现真空阀门的开启和关闭。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的整体结构分解图。

图3是本发明减速电机及止转法兰的结构示意图。

图4是本发明连轴器的结构示意图。

图5是本发明固定滑套的局部示意图。

图6是本发明控制系统的模块框图。

图7是本发明控制方法的流程图。

图8是本发明电机驱动和电流采样的电路图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细说明。

真空阀门是应用在真空系统中，用来改变气流方向，调节气流量大小，切断或接通管路的真空系统元件。目前市面上的真空阀种类众多，按照驱动方式可分为自动阀、动力驱动阀和手动阀，按照工作压力可分为低真空阀、高真空阀和超高真空阀，按照密封材料又可分为非金属与金属密封阀。从工作压力、工作温度、阀门尺寸以及保证低漏率等方面考虑，本设计选用了台湾日扬电子科技（HTC）公司生产的AVB-CU-KF25-M型高真空阀。该系列真空阀有手动与电动两种驱动方式，其中电动驱动方式需要工作气体辅助（需要额外的压缩空气源），不适合本系统设计应用环境，因此本设计选用了手动阀，并以此为基础通过适当的修改来实现电动功能。手动真空阀主要由阀体、阀盖、阀芯、密封圈、波纹管、阀杆、阀杆螺母和手轮组成，通过手轮的旋转带动阀杆的旋转并利用阀盖顶端的阀杆螺母将阀杆的旋转运动转换成直线运动进而带动阀芯以调节气流量的大小并实现切断或连通管路，其中波纹管在气体介质和大气环境之间形成了一个金属屏障以确保阀门的低漏率。

为了实现真空阀的远程控制，必须将原有手动真空阀改造成电动真空阀，即利用电机带动阀门螺杆旋转实现对阀门开度的控制。由于电机转动为旋转运动，而实现阀门的打开与关闭需要的是旋转加前进或后退运动，因此需设计机械结构进行转换。

如图1、图2所示的真空阀远程控制系统，包括：真空阀1、减速电机2、止转法兰3、止转滑轮4、固定滑套5和控制系统。

真空阀1的阀杆6（阀门螺杆）通过定制的连轴器7与减速电机2的输出轴相连，如图4所示，连轴器7的两端各开设有两个互成90°的螺纹孔15，连轴器7通过紧定螺钉分别锁紧阀杆6和减速电机2的输出轴，保证阀杆6跟随减速电机2同步转动。减速电机2由直流电机13和减速器14组装而成，如图3所示，减速电机2靠近输出轴端有法兰凸起8，用于装配时同心定位。

阀杆6转动的同时伴随着直线运动，考虑到阀杆6与电机转轴的连接方式，必须约束电机本体转动，保证减速器输出轴转动的同时减速电机本体能随着阀杆6前后移动。为了解决以上问题，设计了一个固定滑套5与止转滑轮4配合的机构，能够限制减速电机2本体的转动，从而只允许其整体前后线性移动。

止转法兰3的内侧台阶与减速电机输出轴端法兰凸起8相配合并通过螺钉固定，止转法兰3的外壁均匀地开设有多个螺纹孔9，止转滑轮4通过螺纹孔9固定在止转法兰3上。止转滑轮4包括轴销螺钉16和滑轮17，轴销螺钉16穿过滑轮17固定在止转法兰3外壁的螺纹孔9中。

固定滑套5套设在止转法兰3外，如图5所示，固定滑套5的一端为法兰座10，法兰座10与真空阀1的法兰端相对接，并通过固定卡11和螺钉锁紧，固定滑套5的侧壁铣有滑槽12，滑槽12的数量和位置与止转滑轮4相对应，使止转滑轮4可以沿着滑槽12滑动。为提高可靠性，采用了轴对称的三组止转滑轮/滑槽结构。同时为了减小止转滑轮4与滑槽12之间的摩擦阻力，滑轮4采用了聚四氟乙烯（特富龙）材质。滑槽12的长度决定了减速电机2前后移动的行程，即阀杆6的行程。利用以上机械结构，通过控制电机运转方向和驱动电流（即相应的关紧力矩），即可控制真空阀1的开启和关闭，实现真空阀1的电动控制。

阀门的控制核心是对直流减速电机的运动方向和驱动电流的控制，控制系统通过采集当前电机驱动电流值判断电机是否到达指定位置。当阀门完全开启后，机械限位将会使电机堵转，此时电枢电流会迅速增大，通过判断此电流域值即可确定阀门是否开启到最大位置。由于电机电枢电流与电机转矩成比例关系，当电机转矩（电流）与事先设定的阀门关紧力矩（电流）相等时说明阀门已关紧。

为了选择合适的驱动电路并确定阀门关紧时该电机所需的驱动电流，需要事先测定阀门关紧时所需要的力矩大小。利用扭力扳手和检漏仪测得真空阀门在200mN.m关闭力矩下其漏率已低于检漏仪漏率范围下限。为了确保真空阀的可靠关闭，本设计将阀门关紧力矩设定为500mNm。考虑到机械效率、安装空间以及低温工作环境等因素，驱动电机选用了FAULHABER公司2230U012S微型直流电机和减速比为246:1的行星轮减速器的方案，该方案最大输出转矩可达700mNm，最低工作温度为-30℃，满足国内使用环境的要求。对于更低工作环境温度的情形，可通过预留的电机加热保温功能来实现。由于该型号直流电机的转矩常数为12mNm/A，可以得出真空阀关紧所需驱动电流为170mA。

如图6所示，控制系统包括单片机控制芯片、通信模块、电源模块、电机驱动电路和电流检测电路，电源供电电压为24V，工作电流10~50mA，单片机控制芯片为AT89LP4052单片机（4K ROM 256 RAM），通信模块采用RS485通信模式，收发芯片为MAX485SE，连接方式为DB9接头。

考虑到采用标准电源以简化观测系统的设计，24V母线电源通过RS485电缆供电，需要对其进行相应的电压转换。考虑到转换效率和低温特性本设计采用了TDK公司生产的CE-A004集成DC-DC电源转换模块，其输入电压范围4.75-28V，输出电压5V（3A）。

直流电机驱动采用A3966SLB作为电机驱动芯片，该芯片为两路全桥电机专用驱动芯片，可连续输出±650mA驱动电流，其驱动电流可进行脉宽调制，芯片还提供电流采样引脚，通过控制ENABLE和PHASE引脚的输入电平即可控制电机的启停和正反转。

如图7所示，电流采样部分由采样电阻、运算放大器和V/F变换器KA431组成，其中运算放大器OP284的一个通道作为前置放大器以放大微弱的电压信号，另外一个通道作为比较器使用，当电机驱动电流达到阈值电流后，向单片机输出高电平，V/F变换器KA431用于精确测量当前电机的驱动电流，其输出频率Fout=Vin/2.09V*(R19+R22)/R16(R12*C5)，当可调电位器R22取2212Ω时，1V电压对应100Hz输出频率。

图8是控制方法的程序流程图，真空阀控制系统通过RS485总线与主控制机（上位机）进行通信，接收主控机发出的控制指令或状态查询指令。

如果是查询指令则返回当前系统状态。RS485采用与普法真空泵兼容的简化版MODBUS协议，数据报采用ASCII码形式，分成地址[a2a1a0]，动作[f1f0]，参数号[n2n1n0]，数据长度[L1L0]，数据[dn…d0]，校验和[c2c1c0]，结束符[CR]，最短长度14字节（无数据时）。

如果是控制指令，则向单片机控制芯片发送阀门的开闭指令，单片机控制芯片设置到电机驱动电路的相应控制信号，电机驱动电路输出驱动电流，控制减速电机的运动；电流检测电路检测减速电机的驱动电流，并将电流信号发送至单片机控制芯片；单片机控制芯片根据电流信号判断真空阀是否到达限位位置。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种真空阀远程控制系统，其特征在于，包括：真空阀（1）、减速电机（2）、止转法兰（3）、止转滑轮（4）、固定滑套（5）和控制系统；所述真空阀（1）的阀杆（6）通过连轴器（7）与减速电机（2）的输出轴相连；所述止转法兰（3）的内侧台阶与减速电机（2）靠近输出轴的一侧法兰凸起（8）相配合并通过螺钉固定，止转法兰（3）的外壁均匀地开设有多个螺纹孔（9），所述止转滑轮（4）通过螺纹孔（9）固定在止转法兰（3）上；所述固定滑套（5）套设在止转法兰（3）外，固定滑套（5）的一端为法兰座（10），所述法兰座（10）与真空阀（1）的法兰端相对接，并通过固定卡（11）和螺钉锁紧，固定滑套（5）的侧壁铣有滑槽（12），所述滑槽（12）的数量和位置与止转滑轮（4）相对应，采用了轴对称的三组止转滑轮（4）和滑槽（12）组合，使止转滑轮（4）可以沿着滑槽（12）滑动；所述控制系统通过控制减速电机（2）的运动方向和驱动电流，实现真空阀（1）的开启和关闭；所述止转滑轮（4）包括轴销螺钉（16）和滑轮（17），所述轴销螺钉（16）穿过滑轮（17）固定在止转法兰（3）外壁的螺纹孔（9）中；所述连轴器（7)的两端各开设有两个互成90°的螺纹孔（15），连轴器（7)通过紧定螺钉分别锁紧阀杆（6）和减速电机（2）的输出轴。

2.如权利要求1所述的一种真空阀远程控制系统，其特征在于：所述减速电机（2）由直流电机（13）和减速器（14）组装而成。

3.如权利要求1所述的一种真空阀远程控制系统，其特征在于：所述止转滑轮（4）采用了聚四氟乙烯材质。

4.如权利要求1所述的一种真空阀远程控制系统，其特征在于：所述控制系统包括单片机控制芯片、通信模块、电源模块、电机驱动电路和电流检测电路，所述通信模块、电源模块、电机驱动电路和电流检测电路均与单片机控制芯片相连，电流检测电路与电机驱动电路相连。

5.如权利要求4所述的一种真空阀远程控制系统，其特征在于：所述单片机控制芯片采用AT89LP2052/AT89LP4052单片机，通信模块采用RS485通信模式。

6.一种采用如权利要求4所述的真空阀远程控制系统的真空阀远程控制方法，包括：

测定真空阀（1）阀门关紧时所需的力矩大小，得出真空阀（1）关紧时所需的驱动电流；

通信模块与上位机通信，向单片机控制芯片发送阀门的开闭指令及读取阀门当前状态；

单片机控制芯片发送指令至电机驱动电路，电机驱动电路输出驱动电流，控制减速电机（2）的运动；

电流检测电路检测减速电机（2）的驱动电流，并将电流信号发送至单片机控制芯片；

单片机控制芯片根据电流信号判断真空阀（1）是否到达限位位置。