CN110778768A - 一种可实现转角闭环控制的电动阀门及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种可实现转角闭环控制的电动阀门，用于流程工业的流量调节。该阀门由直流无刷电机、圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆机构、阀杆、阀芯、阀体、限位开关、旋转编码器组成。采用直流无刷电机驱动，电机转子与圆柱齿轮轴为同轴，多个圆柱齿轮构成减速箱；减速箱尾端与蜗杆同轴，蜗杆与蜗轮啮合；蜗轮与阀杆刚性连接，阀杆与阀芯亦刚性固接。其优势在于，涉及阀芯位置闭环控制方案、阀芯梯形加减速定位算法和回程误差补偿控制策略，相比于等口径的国产ZJKV型电动阀门，本发明电动调节阀门的定位精度能够得到显著提高。

Description

一种可实现转角闭环控制的电动阀门及控制方法

技术领域

本发明属于可实现转角闭环控制的阀门，特别涉及一种在国产ZJKV基础上改进的新型电动调节阀门。

背景技术

国产ZJKV型电动阀门是流程工业中负责流量调节的重要执行器，其定位精度对维持流体流量准确起到了决定性的作用。国产电动阀门由三相异步电机驱动，仅有80～100步的定位精度，对于0～90°的角行程阀门，100步就意味着每一个操作步长使阀芯转动0.9°，并且阀芯转动的角度完全由通电时间决定，无驱动转矩控制，执行器本体是一个开环控制系统，将难以满足流程工业未来发展的中高精度需求。通过实验测试得到国产阀门的转角-时间关系，结果见表1：

表1国产ZJKV型电动阀门转角-时间关系测试数据

由表1可知，当通电时间小于1s时，转角误差率大于10％，阀芯转角与时间之间存在较为严重的非线性关系。综上所述，国产ZJKV型电动阀门的最小操作角不得小于0.9°，否则容易导致阀芯定位不准确。与之相比，国外Metro、BTG公司生产的电动阀门具有15000～20000步的精度，仅应用于高精度需求的专用场合，其价格昂贵不适合普及应用，如DN125的高精度阀门单台售价在18～20万元之间，令国内诸多企业望而却步。因此，提升国产普通电动阀门的精度水平具有重要意义。

发明内容

本发明在国产ZJKV电动阀门的硬件基础上，将异步电机更换为直流无刷电机，配置直流无刷电机驱动板，设计直流无刷电机驱动的梯形加减速定位曲线，搭建电动阀门控制平台，实现电机的无级调速和阀芯的转角闭环控制，并且能够将控制单元嵌入阀门机罩内，在外观上具有可实现机电控制一体化的功能。

一种可实现转角闭环控制的电动阀门，包括直流无刷电机，直流无刷电机的输出轴通过减速器连接阀芯。转子角位移检测装置安装于直流无刷电机上，当直流无刷电机工作时检测转子的角位移。控制器，其输入端连接转子角位移检测装置，其输出端连接直流无刷电机的输入端。控制器根据其接收到的转子的角位移对直流电机的输入电流进行闭环控制。

当转子启动时，控制电流令转子经历S₁：加速度为a₁的匀加速运动，使转子转速由V_min加速至V_e。当转子达到规定转速V_e时，经历S₂：控制电流令转子转速维持V_e。当转子停止时，控制电流令转子经历S₃：加速度为a₂的匀减速运动，使转子转速由V_e减速至V_min。其中，a₁与a₂的绝对值相同，即S₁的匀加速运动与S₃的匀减速运动所经历的时间相等。

进一步的，为实现可控的反向间隙补偿，可以在阀门上增加用于检测阀芯角位移的阀芯角位移检测装置。该阀芯角位移检测装置与控制器的输入端电气连接。当直流无刷电机工作时阀芯角位移检测装置检测阀芯的角位移。

在机械结构上，直流无刷电机的输出轴、圆柱齿轮减速箱、蜗杆蜗轮换向器、阀杆依次连接。阀芯安装在阀杆上。阀芯角位移检测装置通过检测阀杆的角位移得到阀芯的角位移。

所述转子角位移检测装置、阀芯角位移检测装置为霍尔元件或旋转编码器(轴角编码检测单元、光电编码器)。实施例中采用霍尔元件检测转子角位移(或转速)，采用旋转编码器检测阀芯角位移(或转速)。

一般而言，具备闭环控制功能的电动阀门还包括PWM控制器、电流检测装置。控制器、PWM控制器、电流检测装置相连接组成内环电流控制回路。控制器、直流无刷电机、转子角位移检测装置相连接组成外环转角控制回路。

具体而言，该可实现转角闭环控制的电动阀门，由直流无刷电机、圆柱齿轮、蜗轮蜗杆、阀杆、阀芯、阀杆、电机驱动电路、控制器、限位开关、旋转编码器、阀体等部分组成，其特征是：直流无刷电机的输出轴依次连接圆柱齿轮、蜗杆、蜗轮、阀杆，进而带阀芯转动；所述转子输出轴与圆柱齿轮为固定连接，蜗轮与阀杆之间为固定连接；所述直流无刷电机输出轴侧安装霍尔传感器，霍尔传感器的位置检测信号传送至控制器，控制器输出端接直流无刷驱动电路，通过电子驱动电路实现转子的调速和换向，由内嵌速度曲线算法的控制器实现转子位置的闭环控制；所述旋转编码器为备用件，阀门使用时可不安装编码器。

进一步地，所述速度曲线采用梯形加减速定位算法，包含匀加速、匀速、匀减速三段过程，其中，当仅存在加速和减速段时，阀芯所转动过的角度对应电动阀门的最细操作角。

进一步地，所述梯形加减速定位算法基于ATMega328P芯片来实现，具体为在Arduino IDE的编程环境中，用c语言进行该算法的程序设计。

进一步地，所述阀芯由静止以最大加速度开始转动，加速过程结束后立即以大小相同的加速度值进入减速过程，当阀芯减速为零时，阀芯所转过的角度就是最细操作角。

进一步地，所述最大加速度需根据转矩方程、并以保留65％的裕量值为原则得出。

进一步地，所述最细操作角对应阀门的最高执行精度，最细操作角与阀芯在匀速阶段的转角之和等于目标转角。

进一步地，所述目标转角大小在阀芯的每次定位过程中均为已知量，目标转角与梯形加减速定位曲线具有严格的对应关系。

进一步地，流量调节需求与电动调节阀门的开度严格对应，控制器接收上位机发送的流量调节信号，并根据流量调节需求核算为阀芯的目标转角。

进一步地，所述旋转编码器与阀杆同轴安装，将霍尔传感器检测得到的转子位置信号和旋转编码器关于阀芯位置的计数值统一量纲，并求得传动系统存在的机械间隙。

进一步地，当所述阀芯反向转动时，受到机械间隙影响，存在一段仅直流无刷电机转子转动、而阀芯不转动的过程，采用误差补偿策略，将机械间隙对应的转角与原来的目标转角相加，得到正确的目标转角。

进一步地，在所述开阀或关阀的动作过程中，阀芯严格按照梯形加减速定位曲线运行。

对于上述装置，其电动阀门的转角控制方法至少应包括如下步骤：

根据S₁、S₂、S₃各阶段运动特征、目标转角、规定转速V_e，分配S₁、S₂、S₃各自经历的时间，即(t₁-t₀)、(t₂-t₁)、(t₃-t₂)；根据(t₁-t₀)、(t₂-t₁)、(t₃-t₂)以及S₁、S₂、S₃各阶段运动特征执行阀芯转动。

简化后，目标转角为最细操作角与匀速阶段S₂转过的角位移之和。

上述方法所涉及的最细操作角，可由包括以下步骤的方法求得：

令S₂段时间为0，转子转速经由S₁达到V_e后直接进入S₃，此时阀芯所转过的角位移就是规定转速V_e下的最细操作角。

进一步地，为实现反向间隙补偿，可采用含有如下步骤的方法消除阀门的反向间隙：执行阀芯转动前，先判断目标角位移与上一次角位移方向是否相同；若相同，则仅执行阀芯转动；若不同，则补偿反向间隙并执行阀芯转动。

本发明的有益效果为：

对于国产ZJKV型电动阀门，在成本增加不多的前提下，将异步电机更换为直流无刷电机。根据直流无刷电机的机械特性，其输出转矩与转速之间为线性比例关系，能够确保阀芯的转角-时间的线性关系。另外，在电机驱动板的参数配置当中，具有无级调节转子速度的选择功能项，能够确保在阀芯动作的过程中速度稳定且可调，并提出将三段梯形速度预置算法用于阀门的定位过程中，使电动阀门的定位精度得到有效提高。本发明在外观上所具有的独特优点为：控制单元体积小，在实际使用过程中，可将控制板置入电动阀门的机罩内，在外观上实现机电控制一体化。

附图说明

图1为本发明电动阀门的结构组成示意图；

图2为本发明电动阀门的内部原理示意图；

图3为本发明电动阀门的闭环控制系统示意图；

图4为电动阀门的梯形加减速定位曲线示意图；

图5为本发明电动阀门的梯形速度预置算法实现流程图；

图6为本发明电动阀门的速度闭环控制回路方框图；

图7为本发明电动阀门的回程误差间隙示意图；

图8为本发明电动阀门的回程误差补偿控制策略流程图；

主要元件符号说明如下：1、机罩；2、电机凹槽；3、直流无刷电机；4、圆柱齿轮减速箱；5、蜗杆；6、蜗轮；7、限位开关；8、光电编码器；9、阀体；10、阀杆；11、阀芯；12、阀门管道。

具体实施方式

为了更加清楚地描述本发明，现根据附图详细地对实现转角闭环控制的电动阀门作进一步描述。

一种可实现转角闭环控制的电动阀门，由直流无刷电机、圆柱齿轮、蜗轮蜗杆、阀杆、阀芯、阀杆、电机驱动电路、控制器、限位开关、旋转编码器、阀体组成，直流无刷电机的输出轴依次连接圆柱齿轮、蜗杆、蜗轮、阀杆，进而带动阀芯开启或关闭；所述转子输出轴与圆柱齿轮为固定连接，蜗轮与阀杆之间为固定连接；所述旋转编码器为备用件，阀门使用时可不安装编码器；所述直流无刷电机输出轴侧内装霍尔传感器，将位置检测信号传送至控制器，在控制器中实现电动调节阀门的速度曲线，控制器的输出端连接直流无刷电机驱动板。

所述阀门的速度曲线采用梯形加减速定位算法，包含匀加速S₁、匀速S₂、匀减速S₃三段过程；所述匀速阶段对应的阀芯转速由直流无刷电机驱动器设定，阀芯经历匀加速、匀速、匀减速后产生的角位移即为目标转角。

所述阀芯由静止以最大加速度开始转动，加速过程结束后立即以大小相同的加速度值进入减速过程，当阀芯减速为零时，所转过的角度就是最细操作角。

所述最细操作角对应阀门的最高执行精度，最细操作角与阀芯在匀速阶段的转角之和等于目标转角。

所述阀芯的目标转角与速度定位曲线严格对应；所述控制器接收DCS发送的流量调节信号，控制器根据流量调节需求核算得到目标转角，在开阀或关阀的动作过程中，阀芯按照梯形加减速定位曲线运行。

所述旋转编码器与阀杆同轴安装，将霍尔传感器检测得到的转子位置信号和旋转编码器关于阀芯位置的计数值统一量纲后，求得传动系统存在的机械间隙值；当阀芯反向转动时，采用误差补偿策略，将机械间隙对应的转角与原来的目标转角相加，得到正确的目标转角

具体说明如下：

图1显示了本发明电动阀门的结构组成，采用直流无刷电机作为驱动源，以圆柱齿轮箱作为减速器，通过蜗轮蜗杆机构实现换向功能，具体为：所述直流无刷电机的转子输出轴连接圆柱齿轮减速器，所述圆柱齿轮末端的中心与蜗杆刚性固接在一起，成为同轴，电机转轴经圆柱齿轮减速、蜗轮蜗杆增矩后，将动力传输至阀杆，最终由阀杆带动阀芯完成转动。限位开关在图1中未标注，当阀杆正转或反转抵触至限位开关所指定的位置时，说明此刻阀芯已经转动至全开或全关的极限位置，电动阀门会自动断电，实现对阀芯的保护功能。

结合图1展示的阀门结构，图2说明了本发明电动阀门内部的基本原理，以角行程电动阀门为例，该角行程电动阀门将直流无刷电机输出轴的圆周运动形式变换为阀芯在0～90°范围内的转角运动形式。所述直流无刷电机的机械特性对阀芯的定位性能具有主导影响，对电机的控制能够在一定程度上提升电动阀门的定位精度。

图3展示了本发明电动阀门闭环控制系统的结构组成，在硬件设计方面，采用型号为LY-F2的开发板作为主控制器，所述开发板具有14个数字I/O引脚和6个模拟输入引脚，采用型号为ATMega328P的控制芯片，所述芯片的时钟频率可达到16MHZ。所述直流无刷电机驱动器的型号为AQMD3605BLS，支持转子速度闭环控制模式，并配置型号为U-485G的光电隔离转换器，实现RS485通讯以学习电机的详细参数。在供电系统方面，采用模块分区供电方式，所述LY-F2开发板由独立电源或计算机提供7～9V输入电压，所述电机驱动器采用开关电源提供24V输入电压。在程序设计方面，基于一台处理器为Intel(R)Core(TM)i5-4200CPU@1.60Hz 2.30GHz的计算机，下载兼容版本的IDE编程软件，并安装USB转串口驱动程序CH341，通过端口COM3进行数据通讯，将程序烧写至单片机并实现永久保存，控制器上电后，会直接进入程序执行状态，如需更改程序，必须再次通过端口通讯，将更新后的程序下载至单片机。所述阀门控制系统具有实时监控电动阀门开关状态的功能。

图4为电动阀门的梯形加减速定位曲线，其中，V_min代表速度初值，V_max代表额定速度，a₁和a₂分别代表加速阶段和减速阶段的加速度，所述速度曲线含包匀加速、匀速和匀减速过程，能够较为完整地描述阀芯的整个运动特征，所述加速过程的加速度与减速过程的加速度在数值上大小相等，方向相反，所述加减速过程的耗用时间相同，在所述梯形加减速曲线中，速度与时间的关系为：

当直流无刷电机的转子由加速过程达到规定转速后，不进行匀速运动过程，直接进入减速阶段，转速降为零时阀芯所产生的角位移叫做阀门的最细操作角，所述最细操作角越小，说明电动阀门转角的细分程度越高、阀芯动作越精细，确定最细操作角的方法就是增大加速度值、减小加速和减速过程的耗用时间。

所述直流无刷电机具有无级调速功能，意味着在梯形速度曲线中，速度的最大值可以通过驱动器来设定，所述加速度不能超过直流无刷电机正常应用情况下的许用加速度值，当加速度保持许用值时，转子经历加速、减速过程的耗用时间是最短的，即阀芯所转过的角位移就是电动阀门的最细操作角。

图5为本发明电动阀门的梯形速度预置算法实现流程图，所述梯形加减速定位算法与梯形速度曲线严格对应，用算法过程描述曲线规律，基于ATMega328P芯片来实现，具体为在Arduino IDE的编程环境中，用c语言进行该算法的程序设计。当程序上电后，首先执行规定转速、加速度的初始化设置，即分配加速段和减速段运动过程的耗用时间，进一步求得电动阀门的最细操作角。在所述最细操作角的基础上，加入匀速运动阶段对应的角位移，就能够组成完整的梯形加减速定位曲线。所述匀速过程的用时由上位机的控制信号决定，所述控制信号取决于流量调节需求，所述速度曲线与时间横轴围成的梯形面积，即对应阀芯的目标转角。当流量调节幅度较大时，需要耗时较长的阀芯匀速运动过程，对应阀芯的目标转角值较大，当流量调节幅度较小时，需要耗时较短的阀芯匀速运动过程，对应阀芯的目标转角值较小。在所述梯形速度预置算法在程序设计的过程中需要进行参数的离散化处理，常用的离散化方法是将时间进行等分处理：假设存在一个采样时间T，满足关系：T＝0.01*t_m。以第一段加速过程为例，其加速度、速度与时间之间的离散型关系可表示为：

在程序设计的过程中，采样时间的设置可以根据实际情况而改变。为避免丢失任意两段运动过程交替点的状态特征，需满足以下要求：

图6为本发明电动阀门的速度闭环控制回路方框图，所述直流无刷电机工作于速度调节模式下，所述控制回路采取转速-电流串级负反馈调节，绕组电流控制回路作为内环，转角控制回路作为外环，并将阀芯位置信号作为输出，通过PWM调节功率管的顺序导通，改变定子绕组的电流值、调节驱动转矩，进而达到调速目的，以期阀芯在任意时刻的转速维持在速度设定值上。所述速度设定就是梯形速度曲线的具体时间分配结果，此处不再赘述。

图7说明了本发明电动阀门的传动系统间隙。在动力传送的过程中，驱动电机和传动部件之间、传动部件之间、传动部件与截流阀芯之间不可避免地存在机械间隙，尤为常见的是齿轮啮合过程中的机械间隙。当执行器正向转动时，阀芯定位精度往往不受传动机械间隙的影响，因为在连续两次及以上有效正向转动后已经完全消除了机械间隙造成的正向误差；当执行机构反向转动时，编码器检测到的位置慢于实际的位置。所述机械误差产生于反向转动的瞬间，即只有主动齿轮转动，从动齿轮处于空档状态。所述回程误差的存在必定会造成电动阀门定位精度下降，需采取误差补偿策略消除该影响。

图8说明了本发明电动阀门的回程误差补偿控制策略流程，首先判断是否需要进行间隙补偿，分别用0和1的数值表示阀门的开度调节方向(开大或关小)，用当前阀门开度状态与上次阀门开度调节方向状态做差，当两者的差值为0时表示当前阀门开度状态与上次一致，不需要进行阀门机械传动间隙的补偿；当差值不为0(即-1或1)时，阀门当前开度方向与上次相反，需要进行机械传动间隙补偿，具体操作为：延长阀芯转动时间，且该部分所对应的补偿角等于齿轮之间的机械间隙值。

对本发明一种可实现转角闭环控制的电动阀门的定位特性进行研究，得到了表2的测试数据。

表2本发明电动阀门的实验测试数据

根据表2，发现定位误差基本维持在12％以下，与表1相比，误差率有明显降低，说明在本发明具有更好的定位特性，能够有效提升国产普通电动阀门的定位精度。

Claims (9)

1.一种可实现转角闭环控制的电动阀门，其特征在于，包括：

直流无刷电机，包括转子角位移检测装置；直流无刷电机的输出轴通过减速器连接阀芯；

转子角位移检测装置，当直流无刷电机工作时检测转子的角位移；

控制器，其输入端连接转子角位移检测装置，其输出端连接直流无刷电机的输入端；控制器根据其接收到的转子的角位移对直流电机的输入电流进行闭环控制；

当转子启动时，控制电流令转子经历S₁：加速度为a₁的匀加速运动，使转子转速由V_min加速至V_e；

当转子达到规定转速V_e时，经历S₂：控制电流令转子转速维持V_e；

当转子停止时，控制电流令转子经历S₃：加速度为a₂的匀减速运动，使转子转速由V_e减速至V_min；

其中，a₁与a₂的绝对值相同，即S₁的匀加速运动与S₃的匀减速运动所经历的时间相等。

2.根据权利要求1所述的一种可实现转角闭环控制的电动阀门，其特征在于，还包括阀芯角位移检测装置，该阀芯角位移检测装置与控制器的输入端电气连接；当直流无刷电机工作时阀芯角位移检测装置检测阀芯的角位移。

3.根据权利要求2所述的一种可实现转角闭环控制的电动阀门，其特征在于，还包括圆柱齿轮减速箱、蜗杆蜗轮换向器、阀杆、阀芯；直流无刷电机的输出轴、圆柱齿轮减速箱、蜗杆蜗轮换向器、阀杆依次连接；阀芯安装在阀杆上；阀芯角位移检测装置通过检测阀杆的角位移得到阀芯的角位移。

4.根据权利要求2或3所述的一种可实现转角闭环控制的电动阀门，其特征在于，转子角位移检测装置、阀芯角位移检测装置为霍尔元件或旋转编码器。

5.根据权利要求1所述的一种可实现转角闭环控制的电动阀门，其特征在于，还包括PWM控制器、电流检测装置；控制器、PWM控制器、电流检测装置相连接组成内环电流控制回路；控制器、直流无刷电机、转子角位移检测装置相连接组成外环转角控制回路。

6.权利要求1-5任一项所述的一种可实现转角闭环控制的电动阀门的最细操作角的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

令S₂段时间为0，转子转速经由S₁达到V_e后直接进入S₃，此时阀芯所转过的角位移就是规定转速V_e下的最细操作角。

7.权利要求1-5任一项所述的一种可实现转角闭环控制的电动阀门的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据S₁、S₂、S₃各阶段运动特征、目标转角、规定转速V_e，分配S₁、S₂、S₃各自经历的时间，即（t₁-t₀）、（t₂-t₁）、（t₃-t₂）；

根据（t₁-t₀）、（t₂-t₁）、（t₃-t₂）以及S₁、S₂、S₃各阶段运动特征执行阀芯转动。

8.根据权利要求7所述的一种可实现转角闭环控制的电动阀门的控制方法，其特征在于，目标转角为最细操作角与匀速阶段S₂转过的角位移之和。

9.根据权利要求8所述的一种可实现转角闭环控制的电动阀门的控制方法，其特征在于，执行阀芯转动前，先判断目标角位移与上一次角位移方向是否相同；若相同，则仅执行阀芯转动；若不同，则补偿反向间隙并执行阀芯转动。

Images