CN110486521A - 一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置及方法，包括以直流无刷电机驱动的电动阀门执行器，控制器以单片机为核心，通过液晶显示屏与操作按钮的组合操作，设定阀门的执行时间，计算出阀门直流无刷电机转速与直流无刷电机PWM驱动电路的换相频率，驱动阀门按照预定的执行时间长度运行。本发明通过液晶显示屏设定电动阀门执行器的执行时间，相比现有阀门执行时间不可调的现状，根据控制的需要灵活设定阀门的执行时间，以应对不同的工况。

Description

一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置及方法
技术领域
本发明属于流体机械领域，涉及增量式调节的电动阀门执行器，特别涉及一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置及方法。
背景技术
电动阀门是过程工业中重要的流体流量控制装置，是一种重要的流体流量控制元件。目前在工业上应用的电动阀门执行器通常由异步电机或同步电机驱动，采用增量式调节规律，接收上位控制系统发出的开阀调节信号或关阀调节信号，并将其转换为正相序与反相序的驱动电流，从而驱动电机正转或反转，再通过传动机构驱动阀芯朝开度变大或变小的方向运动，实现管道内流体流量的调节，此类阀门的结构及控制原理如图1所示。
图1中(a)为现有的普通电动调节阀的结构示意图，1为阀门驱动电机，多为异步电机或同步电机，2为阀门传动机构，3为阀杆，4为调节阀体。图1中(b)为现有电动调节阀门的典型控制系统原理图，以绕组7为三相电机绕组为例说明，工频三相交流电分别接入正转控制固态继电器5及反转固态继电器6，当正转固态继电器5导通时，阀门电机绕组7通过正相序的交流电，阀门电机正转(或反转)，从而驱动阀门朝开大(或关小)方向运转；当反转固态继电器6导通时，阀门电机绕组7通过反相序的交流电，阀门电机反正转(或正转)，从而驱动阀门朝关小(或开大)方向运转，实现阀位调节。此类阀门的驱动电机1还有单相电机型、直流电机型、同步电机型等，但工作原理基本相同，均是通过正转或反转控制继电器(或其他电路开关器件)来控制阀门驱动电机1的正转或反转实现阀位的增量式调节。
此类阀门的特点是，阀门驱动电机的转速是固定的，以4极绕组的三相异步电机为例，额定转速在1450转左右，单相电机的额定转速也是固定的，在阀门传动系统减速比固定的条件下，阀门的执行时间是不可调整的。阀门从全开到全关状态经历的时间长度称为阀门的执行时间，常见的规格有15秒、30秒、60秒、120秒等。在增量式调节规律中，认为阀门的动作增量与控制信号的持续时间长度成正比例。阀门在运行时，往往需要在某一开度附近不停地开大或者关小。当控制信号接通驱动电流后，阀门电机需要从静止加速到额定转速，运行一段时间；当控制信号断开驱动电流后，阀门电机及传动系统的惯性会使阀门继续转动一段时间。若接通阀门动作的控制信号时间过于短暂，由于阀门电机及传动系统惯性的原因，阀门不能够产生相应的转动，或者阀门的动作增量与控制信号的持续时间长度不成线性比例关系，阀门的调节性能变差。因此，对于此类阀门，存在最小动作时间的问题，阀门能够产生与控制信号作用时间长度成线性比例关系的最短时间称为最小动作时。阀门执行时间与最小动作时间的比值，称为阀门的最大操作步数。现代过程工业日益精细化、高标准的生产，希望阀门具有更高的调节精度，希望阀门能具有更多的操作步数和较短的动作时间。相反，有的工况希望阀门能够快速关闭或者打开，这时阀门的执行时间越短越好。
针对这一问题，如果能研发一种执行时间长度可调的电动阀门执行器，在需要长执行时间的工况下，阀门具有更多的操作步数，够提高阀门执行器的定位精度；在需要短执行时间的工况下，可将阀门执行时间设定成短时间，以提高阀门定位速度或缩短开闭时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置及方法，以克服现有电动调节阀执行时间不可调的问题，本发明能够依靠阀门直流无刷电机驱动及相应的控制系统，实现阀门执行时间的调整，能根据工况设定阀门的执行时间，适应不同工况对执行时间长度的要求。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置，包括单片机，单片机的第1到第6PWM控制端口连接至直流无刷电机PWM驱动电路，直流无刷电机PWM驱动电路分别连接至直流无刷电机的三相绕组，直流无刷电机的转子位置反馈装置HU、HV、HW通过直流无刷电机转子位置检测电路连接到单片机的第1到第3数字量输入端口，单片机的第1模拟量输入端口连接至阀门开度检测电路，单片机的第4及第5数字量输入端口分别通过阀门全开全关状态检测电路连接至开限位开关及关限位开关，单片机的第6至第9数字量输入端口连接至用于实现阀门手动、自动操作及参数设定的操作按钮，单片机的第10及第11数字量输入端口分别连接上位DCS控制系统开阀调节信号及关阀调节信号，还包括连接在单片机及直流无刷电机PWM驱动电路上的电源模块。
进一步地，还包括液晶显示屏，所述液晶显示屏通过SPI总线与单片机的SPI端口连接。
进一步地，所述直流无刷电机为三相有感直流无刷电机。
进一步地，所述电源模块包括用于为单片机供电的5V DC电源以及用于为直流无刷电机PWM驱动电路供电的24V DC电源。
进一步地，所述操作按钮包括用于将阀门置于自动运行状态的AUTO按钮、用于将阀门设定为手动状态的MANUAL按钮以及用于进行开阀和关阀操作的OPEN按钮及CLOSE按钮。
一种执行时间可调的电动阀门执行器控制方法，包括以下步骤：
步骤一：收集直流无刷电机的技术参数，包括直流无刷电机最大所能达到的运行转速nrated以及电机极对数p；
步骤二：设从直流无刷电机到执行器输出轴的减速比为N，阀门执行器的输出行程范围为0～90°，阀门从全开到全关执行时间为T；
步骤三：计算出直流无刷电机所需要设定的转速nsv以及直流无刷电机PWM驱动电路的换相频率f；
步骤四：单片机根据计算出的换相频率，控制第1到第6PWM控制端口的顺序通断，驱动直流无刷电机按照设定的转速运行，实现阀门执行器的执行时间可调。
进一步地，步骤三中计算直流无刷电机所需要设定的转速nsv公式如下：
进一步地，步骤三中计算直流无刷电机PWM驱动电路的换相频率f公式如下：
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明装置能相比于现有普通电动阀门开闭速度固定的问题，实现阀门执行时间调节，在需要精细控制的条件下，可以将阀门执行时间设定较长，以具备更多的操作步数，实现精确的调节；在需要快速开闭的条件下，可将阀门执行时间设定较短，以更少的操作步数实现阀门的快速定位。在要求阀门精细定位操作的条件下，能够以较低的运行速度，产生较小的开度增量，实现精确的流量控制。
本发明的方法能够根据阀门应用场合对不同执行时间长度的需求，通过调节阀门直流无刷电机PWM驱动模块换相频率的手段，计算出阀门直流无刷电机PWM驱动模块换相频率，并通过阀门的驱动及控制电路，实现阀门的变速运行，适应不同工况对执行时间长度的要求。
附图说明
图1为现有电动调节阀结构及控制系统原理图，其中(a)为现有的普通电动调节阀的结构示意图，(b)为现有电动调节阀门的典型控制系统原理图；
图2为本发明电动调节阀门结构示意图；
图3是本发明控制器原理图。
其中，1为阀门驱动电机，2为阀门传动机构，3为阀杆，4为调节阀体，5为正转固态继电器，6为反转固态继电器，7为阀门电机绕组，8为直流无刷电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置如图3所示，该控制装置以单片机为控制核心，单片机的第1到第6PWM控制端口与直流无刷电机PWM驱动电路连接，分别控制直流无刷电机PWM驱动电路的6个MOS管的顺序通断，直流无刷电机PWM驱动电路分别与直流无刷电机的三相绕组连接，即可以产生驱动直流无刷电机的运转的电流，通过控制6个PWM端口的开关频率及占空比，能够实现直流无刷电机的调速运行。直流无刷电机的转子位置反馈装置HU、HV、HW通过直流无刷电机转子位置检测电路连接到单片机的第1到第3数字量输入端口，用于检测直流无刷电机的转子位置，以实现直流无刷电机的转子位置闭环位置控制或速度闭环控制；单片机的第1模拟量输入端口与阀门开度检测电路连接，通过测量电位计中间抽头输出的电压大小检测阀门的实时开度；单片机的第4及第5数字量输入端口分别通过阀门全开全关状态检测电路与开限位开关及关限位开关连接，实现阀门全开状态及全关状态检测，当阀门达到全开位置后，即使有开阀控制信号接通，阀门也不能朝开阀的方向运行；当阀门达到全关位置后，即使有关阀控制信号接通，阀门也不能朝关阀的方向运行，以保护阀门超程造成机械损坏；四只操作按钮分别与单片机的第6～9数字量输入端口连接，这四只操作按钮分别为AUTO、MANUAL、OPEN、CLOSE按钮，当按下AUTO按钮后，可将阀门置于自动运行状态，阀门的开度调节受上位DCS控制信号控制；当按下MANUAL按钮后，将阀门设定为手动状态，此时阀门不响应上位DCS控制系统的控制信号，开阀及关阀操作受OPEN及CLOSE这两只按钮控制，当按下OPEN按钮时，阀门电机正转(或反转)，驱动阀门朝开大(或关小)方向运行；当按下CLOSE按钮时，阀门电机反转(或正转)，驱动阀门朝关小(或开大)方向运行；通过AUTO、MANUAL、OPEN、CLOSE按钮的组合操作，实现阀门控制参数设定操作；单片机的第10及第11数字量输入端口分别连接上位DCS控制系统开阀调节信号及关阀调节数字量信号，当阀门设定在自动状态下，上位DCS控制系统开阀调节信号接通时，阀门电机正转(或反转)，驱动阀门朝开大(或关小)方向运行；当上位DCS控制系统关阀调节信号接通时，阀门电机反转(或正转)，驱动阀门朝关小(或开大)方向运行；当上位DCS控制系统开阀或关阀调节信号均不接通时，阀门电机停转，阀芯处于静止状态；控制器配有液晶显示屏，液晶显示屏通过SPI总线与单片机的SPI端口连接通讯实现数据传输，显示阀门运行的相关信息，包括阀门执行时间、以0～100％的百分比形式显示阀门实时开度、阀门开关阀状态；电源模块分别连接到单片机及直流无刷电机PWM驱动电路，为控制系统提供不同规格电压的电源。
电动阀门执行器的直流无刷电机为三相有感直流无刷电机，由直流无刷电机PWM驱动电路驱动，直流无刷电机的转速受直流无刷电机PWM驱动电路的换相频率控制，电机自身的霍尔元件位置传感器实时检测电机转子位置信号传递到单片机，实现速度闭环控制。
阀门控制系统通过液晶显示屏及操作按钮的组合按键输入阀门执行时间，在阀门执行器行程范围确定的条件下，根据线性比例关系，计算出直流无刷电机PWM驱动电路的换相频率，控制第1到第6PWM控制端口的顺序通断，使阀门按照设定的执行时间运行。
所述液晶显示屏以SPI总线的方式与单片机的端口相连，通过总线获取显示数据，包括阀位、阀门开关状态，并与操作按钮组合按下，实现阀门控制参数的设定，运行状态包括以0～100％范围显示的阀位，参数设定包括阀门执行时间。
所述的操作按钮，包括OPEN、CLOSE、MANUAL、AUTO四只按钮，MANUAL按钮为手动按钮，按下后阀门响应本地操作的OPEN、CLOSE开关；AUTO按钮为自动按钮，按下后阀门响应上位控制系统发来的DCS开阀、DCS关阀操作信号；这四只按钮通过组合操作，也可实现阀门控制参数的设定。
所述电源模块分别提供5V DC电源为单片机供电，24V DC电源为直流无刷电机PWM驱动电路供电。
下面对本发明实施例做详细描述：
如图2所示，本发明新型电动调节阀的结构是在普通电动调节阀的机械结构基础上改进，利用了现有阀门的传动系统及阀杆、阀体等结构，将现有阀门的异步电机、同步电机或直流电机更换成直流无刷电机8。这样做的好处是充分利用了现有阀门销量大、机械结构成熟、零部件通用的优点，便于阀门企业生产本发明的新型电动调节阀门。
如图3所示，本发明一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置，该控制器以单片机为控制核心，单片机的第1到第6PWM控制端口与直流无刷电机PWM驱动电路连接，分别控制PWM驱动电路的6个MOS管的顺序通断，PWM驱动电路分别与直流无刷电机的三相绕组连接，即可以产生驱动直流无刷电机的运转的电流，通过控制6个PWM端口的开关频率及占空比，能够实现直流无刷电机的调速运行。直流无刷电机的转子位置反馈装置HU、HV、HW连接到单片机的第1到第3数字量输入端口，用于检测直流无刷电机的转子位置，以实现直流无刷电机的转子位置闭环位置控制或速度闭环控制；单片机的第1模拟量输入端口与阀门开度检测电路连接，通过测量电位计中间抽头输出的电压大小检测阀门的实时开度；单片机的第4及第5数字量输入端口分别与开限位开关及关限位开关连接，实现阀门全开状态及全关状态检测，当阀门达到全开位置后，即使有开阀控制信号接通，阀门也不能朝开阀的方向运行；当阀门达到全关位置后，即使有关阀控制信号接通，阀门也不能朝关阀的方向运行，以保护阀门超程造成机械损坏；四只操作按钮分别与单片机的第6及第9数字量输入端口连接，这四只操作按钮分别为AUTO、MANUAL、OPEN、CLOSE按钮，当按下AUTO按钮后，可将阀门置于自动运行状态，阀门的开度调节受上位DCS控制信号控制；当按下MANUAL按钮后，将阀门设定为手动状态，此时阀门不响应上位DCS控制系统的控制信号，开阀及关阀操作受OPEN及CLOSE这两只按钮控制，当按下OPEN按钮时，阀门电机正转(或反转)，驱动阀门朝开大(或关小)方向运行；当按下CLOSE按钮时，阀门电机反转(或正转)，驱动阀门朝关小(或开大)方向运行；通过AUTO、MANUAL、OPEN、CLOSE按钮的组合操作，实现阀门控制参数设定操作；单片机的第10及第11数字量输入端口分别连接上位DCS控制系统开阀调节信号及关阀调节数字量信号，当阀门设定在自动状态下，上位DCS控制系统开阀调节信号接通时，阀门电机正转(或反转)，驱动阀门朝开大(或关小)方向运行；当上位DCS控制系统关阀调节信号接通时，阀门电机反转(或正转)，驱动阀门朝关小(或开大)方向运行；当上位DCS控制系统开阀或关阀调节信号均不接通时，阀门电机停转，阀芯处于静止状态；控制器配有液晶显示屏，液晶显示屏通过SPI总线与单片机的SPI端口连接通讯实现数据传输，显示阀门运行的相关信息，包括阀门执行时间、以0～100％的百分比形式显示阀门实时开度、阀门开关阀状态；电源模块分别连接到单片机及PWM驱动模块，为控制系统提供不同规格电压的电源。
所述电动阀门执行器的直流无刷电机为三相有感直流无刷电机，由PWM驱动电路驱动，直流无刷电机的转速受PWM驱动电路的换相频率控制，电机自身的霍尔元件位置传感器实时检测电机转子位置信号传递到单片机，实现速度闭环控制。
所述执行时间可调的电动阀门执行器控制方法如下：
1.收集阀门驱动电机的主要技术参数，包括根据直流无刷电机的额定转速得出电机最大所能达到的运行转速nrated，在设定阀门直流无刷电机转速时，不超过此值；电机极对数p；
2.设从阀门驱动电机到执行器输出轴的减速比为N，阀门执行器的输出行程范围为0～90°，阀门从全开到全关执行时间为T(秒)，阀门从全开到全关的执行时间可以在液晶显示屏上通过操作按钮的组合操作实现输入；
3.计算出阀门驱动电机所需要设定的转速nsv,单位为rpm(转/分)；
4.计算出阀门控制器直流无刷电机PWM驱动电路的换相频率f(Hz)：
阀门的单片机控制系统根据计算出的换相频率，控制第1到第6PWM控制端口的顺序通断，驱动阀门直流无刷电机按照规定的转速运行，实现阀门执行器的执行时间可调。
所述液晶显示屏以SPI总线的方式与单片机的端口相连，通过总线获取显示数据，包括阀位、阀门开关状态，并与操作按钮组合按下，实现阀门控制参数的设定，运行状态包括以0～100％范围显示的阀位，参数设定包括阀门执行时间。所述的单片机以STM32F103的Cortex-M3系列为实施例，实现本发明的控制，其中单片机的PA8～PA10、PB13～PB15分别作为第1到第6PWM控制端口，PA1～PA3分别作为第1到第3数字量输入端口，PA4～PA7作为与液晶显示屏通讯的SPI接口，PB0作为第1模拟量输入端口，PB3～PB4分别作为第4到第5数字量输入端口，PB5～PB8分别作为第6到第9数字量输入端口，PB9～PB10分别作为第10到第11数字量输入端口。所述的操作按钮，包括OPEN、CLOSE、MANUAL、AUTO四只按钮，MANUAL按钮为手动按钮，按下后阀门响应本地操作的OPEN、CLOSE开关；AUTO按钮为自动按钮，按下后阀门响应上位控制系统发来的DCS开阀、DCS关阀操作信号；这四只按钮通过组合操作，也可实现阀门控制参数的设定。所述电源模块分别提供5V DC电源为单片机供电，24V DC电源为直流无刷电机PWM驱动电路供电。所述PWM驱动电路实现的功能是将24V DC的直流电转换为直流无刷电机的三相驱动电流，驱动阀门直流无刷电机运转。所述的直流无刷电机为三相直流无刷电机，由PWM驱动电路驱动，并通过电机自身的霍尔元件位置传感器将转子位置信号传递到单片机，实现速度闭环控制。
本发明能够依靠阀门直流无刷电机驱动及相应的控制系统，实现阀门执行时间的调整，相比于现有技术阀门执行时间不可调的问题，能根据工况设定阀门的执行时间，适应不同工况对执行时间长度的要求。在需要精细控制的条件下，可以将阀门执行时间设定较长，以具备更多的操作步数，实现精确的调节；在需要快速开闭的条件下，可将阀门执行时间设定较短，以更少的操作步数实现阀门的快速定位。

Claims (8)

1.一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置，其特征在于，包括单片机，单片机的第1到第6 PWM控制端口连接至直流无刷电机PWM驱动电路，直流无刷电机PWM驱动电路分别连接至直流无刷电机的三相绕组，直流无刷电机的转子位置反馈装置HU、HV、HW通过直流无刷电机转子位置检测电路连接到单片机的第1到第3数字量输入端口，单片机的第1模拟量输入端口连接至阀门开度检测电路，单片机的第4及第5数字量输入端口分别通过阀门全开全关状态检测电路连接至开限位开关及关限位开关，单片机的第6至第9数字量输入端口连接至用于实现阀门手动、自动操作及参数设定的操作按钮，单片机的第10及第11数字量输入端口分别连接上位DCS控制系统开阀调节信号及关阀调节信号，还包括连接在单片机及直流无刷电机PWM驱动电路上的电源模块。
2.根据权利要求1所述的一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置，其特征在于，还包括液晶显示屏，所述液晶显示屏通过SPI总线与单片机的SPI端口连接。
3.根据权利要求1所述的一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置，其特征在于，所述直流无刷电机为三相有感直流无刷电机。
4.根据权利要求1所述的一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置，其特征在于，所述电源模块包括用于为单片机供电的5V DC电源以及用于为直流无刷电机PWM驱动电路供电的24V DC电源。
5.根据权利要求1所述的一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置，其特征在于，所述操作按钮包括用于将阀门置于自动运行状态的AUTO按钮、用于将阀门设定为手动状态的MANUAL按钮以及用于进行开阀和关阀操作的OPEN按钮及CLOSE按钮。
6.一种执行时间可调的电动阀门执行器控制方法，采用权利要求1所述的一种执行时间可调的电动阀门执行器控制装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：收集直流无刷电机的技术参数，包括直流无刷电机最大所能达到的运行转速nrated以及电机极对数p；
步骤二：设从直流无刷电机到执行器输出轴的减速比为N，阀门执行器的输出行程范围为0～90°，阀门从全开到全关执行时间为T；
步骤三：计算出直流无刷电机所需要设定的转速nsv以及直流无刷电机PWM驱动电路的换相频率f；
步骤四：单片机根据计算出的换相频率，控制第1到第6PWM控制端口的顺序通断，驱动直流无刷电机按照设定的转速运行，实现阀门执行器的执行时间可调。
7.根据权利要求6所述的一种执行时间可调的电动阀门执行器控制方法，其特征在于，步骤三中计算直流无刷电机所需要设定的转速nsv公式如下：
8.根据权利要求6所述的一种执行时间可调的电动阀门执行器控制方法，其特征在于，步骤三中计算直流无刷电机PWM驱动电路的换相频率f公式如下：
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