CN116792551A - 一种电动阀/门的控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种电动阀/门的控制方法和装置，该控制方法包括如下步骤：根据阀/门执行开启和关闭过程各阶段的需求设定相应的设定扭矩；以该设定扭矩为输出扭矩或输出扭矩限值驱动交流异步电动机执行相应的阀/门开启或关闭动作；测量该交流异步电动机或阀/门运行的实时扭矩；以该设定扭矩为输入，以该实时扭矩为反馈，采用PID控制算法对该输出扭矩进行修正，以根据该实时扭矩调节该输出扭矩的响应速度和控制精度；以及在该阀/门执行开启和关闭过程中重复测量和修正步骤直至完成阀/门开启或关闭，以实现该阀/门开启或关闭运行的扭矩闭环控制。本发明还公开了采用上述控制方法实现电动阀/门开启或关闭的电动阀/门的控制装置。
Description
技术领域
本发明涉及阀门驱动技术，特别是一种通过矢量变频技术控制交流异步电动机驱动电动阀/门的控制方法和装置。
背景技术
目前大量阀/门电动装置采用交流电源直接启动交流异步电动机，通过交流异步电动机带动机械传动机构驱动阀/门运行，实现开阀/关阀。交流异步电动机因结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜且启动扭矩较大等优点，在电动装置中应用比较广泛，但在使用过程中存在如下“打不开”、“关不严”、“停不准”等问题：
1)交流异步电动机的扭矩控制精度低，扭矩和转速动态范围小(峰值扭矩和速度受限)，加上介质温度、异物、锈蚀等因素影响，交流异步电动机的驱动扭矩无法克服阻力矩，导致开阀时阀/门打不开；阀/门在运行过程中交流异步电动机的转速固定，开阀/关阀速度不变，关阀到达止点时造成阀座的动载荷过载，导致阀/门关严后打不开；
2)开阀/关阀的停止方式采用点位式触发停止，即在阀体的开阀/关阀停止点分别设置一个行程开关(或干簧管)，依据行程开关(或干簧管)到位信号停止阀/门；由于行程开关(或干簧管)固有的触点机械间隙和重复控制精度误差较大，造成阀/门未关严停止或阀/门关严后无法停止，导致阀/门内漏或交流异步电动机无法停止而烧毁；且采用点位式触发停止方式无法实现全行程高精度位置控制，同时操作者无法获得阀/门的实时位置信息；
3)无法控制关阀到位时的阀座的受力大小，易造成阀/门关不严，导致阀/门内漏；阀/门长期使用中磨损、老化、电参数漂移等导致的特性变化，导致理论输出值和实际输出值误差大，关阀到位时的阀座的受力大小不稳定；
4)未考虑交流异步电动机物理特性差异，导致控制精度差，扭矩和转速动态范围小，批量产品性能不一致。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种电动阀/门的控制方法和装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电动阀/门的控制方法，其中，包括如下步骤：
S100、根据阀/门执行开启和关闭过程各阶段的需求设定相应的设定扭矩；
S200、以所述设定扭矩为输出扭矩或输出扭矩限值驱动交流异步电动机执行相应的阀/门开启或关闭动作；
S300、测量所述交流异步电动机或阀/门运行的实时扭矩；
S400、根据所述实时扭矩和设定扭矩，以所述设定扭矩为输入，以所述实时扭矩为反馈，采用PID控制算法对所述输出扭矩进行修正，以根据所述实时扭矩调节所述输出扭矩的响应速度和控制精度；以及
S500、在所述阀/门执行开启和关闭过程中重复步骤S300-S400直至完成所述阀/门开启或关闭，以实现所述阀/门开启或关闭运行的扭矩闭环控制。
上述的电动阀/门的控制方法，其中，步骤S300中，所述交流异步电动机或阀/门运行的实时扭矩采用电流检测结合矢量变换方法获得，或采用扭矩传感器直接自所述交流异步电动机的输出轴、阀/门减速传动箱的输出轴或阀/门驱动装置获得。
上述的电动阀/门的控制方法，其中，所述电流检测结合矢量变换方法包括，采用阀/门驱动器中的输出电流检测电路检测所述交流异步电动机的物理参数并计算获得所述实时转矩，所述物理参数包括定子电阻、转子电阻、定转子互感、定转子漏感和空载电流。
上述的电动阀/门的控制方法，其中，将所述交流异步电动机的三相交流信号，经过坐标变换转换为定子电流的转矩分量isT和定子电流的励磁分量isM，并根据磁场定向不同分别采用转子磁场定向矢量控制、直接转矩控制、转差频率矢量控制、定子磁场定向矢量控制或气隙磁场定向矢量控制计算获得所述实时扭矩；
其中，所述转子磁场定向矢量控制，根据转子全磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Lmd为所述交流异步电动机的定转子同轴时一相绕组的等效互感，Lrd为所述交流异步电动机的转子一相绕组的等效自感，isT为所述交流异步电动机的定子电流的转矩分量，Ψr为所述交流异步电动机的转子磁链；
所述直接转矩控制采用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Lm为定转子互感，Ls为定子一相绕组的自感，Lr为转子一相绕组的自感，Ψs为定子磁链，Ψr为转子磁链，θsr为转矩角，是矢量Ψs和Ψr之间的夹角；
所述转差频率矢量控制，根据转差频率矢量进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Tr为转子电磁时间常数，Lrd为所述交流异步电动机的转子一相绕组的等效自感，Ψr为所述交流异步电动机的转子磁链，ωs1为转差角频率；
所述定子磁场定向矢量控制，根据定子磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
Tei＝npΨsisT；
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Ψs为所述交流异步电动机的定子磁链，isT为定子电流的转矩分量；
所述气隙磁场定向矢量控制，根据扭矩气隙磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
Tei＝npΨmisT；
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Ψm为气隙磁链，isT为定子电流的转矩分量。
上述的电动阀/门的控制方法，其中，所述交流异步电动机的堵转扭矩误差控制在±10％额定扭矩的范围内，以稳定有效地控制所述阀/门关闭的密封比压。
上述的电动阀/门的控制方法，其中，还包括：
采用电流检测结合矢量变换方法或位置传感器的反馈信号获取阀门当前速度，根据设定速度和当前速度的偏差，通过PID控制算法对所述交流异步电动机的输出速度进行修正，并进一步叠加修正所述输出扭矩，以满足所述阀/门开启或关闭各阶段的速度要求。
上述的电动阀/门的控制方法，其中，还包括：
根据所述位置传感器的反馈信号判断是否到达所述阀/门开启或关闭过程各阶段的位置节点，并根据判断结果进一步调整所述输出扭矩，以满足所述阀/门开启或关闭各阶段的控制策略和位置精度的要求。
上述的电动阀/门的控制方法，其中，所述位置传感器为全行程传感器和/或点位式传感器，以实现全行程高精度位置控制和/或准确的节点位置控制。
上述的电动阀/门的控制方法，其中，还包括对所述交流异步电动机进行扭矩标定，进一步包括：
阀门驱动器逐点改变所述交流异步电动机的设定扭矩并驱动所述交流异步电动机加载；
采用扭矩标定装置检测所述交流异步电动机对应检测点的所述设定扭矩的输出扭矩，或采集阀门驱动器对应检测点的所述设定扭矩的内部扭矩反馈值；以及
生成各所述检测点的设定扭矩与相应的输出扭矩或内部扭矩反馈值的对应关系图表，用于修正所述交流异步电动机的输出扭矩。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种电动阀/门的控制装置，其中，采用上述的电动阀/门的控制方法，通过实时调整驱动交流异步电动机的输出扭矩，满足所述电动阀/门执行开启和关闭过程各阶段的响应速度和控制精度要求。
本发明的技术效果在于：
本发明以设定扭矩为输入，以检测的交流异步电动机或阀/门运行的实时扭矩为反馈，采用PID控制算法对驱动过程中的实际输出扭矩进行修正，根据实时扭矩即时调节输出扭矩，实现了电动阀/门开启和关闭的扭矩闭环控制，有效提高了响应速度和控制精度，使电动阀/门“打得开”、“关得严”、“停得准”；另外，本发明还可采用多重PID嵌套的方式由内而外分别建立扭矩环(也可为电流环)、速度环和位置环控制，并根据阀/门执行过程不同阶段的需求选择闭环层级或嵌套深度，从而确保了阀/门执行过程的迅速、精确、有效。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一实施例的控制方法原理图；
图2为本发明一实施例的定子电阻识别等效电路图；
图3为本发明一实施例的电机T等效电路；
图4为本发明一实施例的电机反Γ等效电路；
图5为本发明一实施例的控制装置结构示意图；
图6为本发明一实施例的扭矩标定中设定扭矩与输出扭矩对应关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
参见图1，图1为本发明一实施例的控制方法原理图。本发明的电动阀/门的控制方法，其目的是确保阀/门执行过程“打得开”、“关得严”、“停得准”，其核心是通过矢量变频技术驱动交流异步电动机拖动阀/门的成套控制方法，根据阀/门开启和关闭过程控制策略，将阀/门开启和关闭过程划分成必要的阶段，如阀/门开启过程可分为启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段、逼近阶段和停止阶段；阀/门关闭过程可分为启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段、逼近阶段、扭矩控制阶段和停止阶段；阀/门中间阀位执行过程分为启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段、逼近阶段和停止阶段等。该控制方法包括如下步骤：
步骤S100、根据阀/门执行要求选取对应的控制策略；根据控制策略划分阀/门开启或关闭的执行阶段；根据各阶段的需求设定相应的设定扭矩；
步骤S200、以所述设定扭矩为输出扭矩或输出扭矩限值驱动交流异步电动机执行相应的阀/门开启或关闭动作；
步骤S300、测量所述交流异步电动机或阀/门运行的实时扭矩；
步骤S400、根据所述实时扭矩和设定扭矩，以所述设定扭矩为输入，以所述实时扭矩为反馈，采用PID控制算法对所述输出扭矩进行修正，以根据所述实时扭矩调节所述输出扭矩的响应速度和控制精度；以及
步骤S500、在所述阀/门执行开启或关闭过程中重复步骤S300-S400直至所述阀/门的开启或关闭到位，以实现所述阀/门开启或关闭运行过程的扭矩闭环控制。
其中，步骤S300中，所述交流异步电动机或阀/门运行的实时扭矩可采用电流检测结合矢量变换方法获得，或采用扭矩传感器直接自所述交流异步电动机的输出轴、阀/门减速传动箱的输出轴或阀/门驱动装置获得。采用扭矩传感器获得实时扭矩时，可将该扭矩传感器安装在交流异步电动机的输出轴、阀/门减速传动箱的输出轴或阀/门驱动装置的输入轴或输出轴上，并将该扭矩传感器与阀门驱动器或控制模块连接，将其测得的实时扭矩信号传递至该阀门驱动器或控制模块后，采用PID控制算法对所述输出扭矩进行修正，实践中可直接利用阀门驱动器内置的计算及控制功能，也可将该控制模块集成在阀门驱动器中，或者将该控制模块集成在控制装置或控制器中均可。
本实施例中，采用电流检测结合矢量变换方法获取该实时扭矩时，优选采用阀/门驱动器中的输出电流检测电路检测所述交流异步电动机三相交流信号，结合交流异步电动机的物理参数(所述物理参数可包括定子电阻、转子电阻、定转子互感、定转子漏感和空载电流等)，经过坐标变换将三相交流信号转换为定子电流的转矩分量isT和定子电流的励磁分量isM，并根据磁场定向不同分别采用转子磁场定向矢量控制、直接转矩控制、转差频率矢量控制、定子磁场定向矢量控制或气隙磁场定向矢量控制计算等方法获得所述实时扭矩。也即以矢量扭矩控制为输出方法，以扭矩检测电路(例如可以是电流检测电路)的检测结果为反馈信号，通过PID闭环调整控制输出扭矩，以使驱动阀/门实际运行的输出扭矩在设定扭矩即期望值的范围内运行。
为了更精准地实现矢量控制，本发明还可包括交流异步电动机的物理参数辨识步骤，对交流异步电动机的定子电阻、转子电阻、定转子互感、定转子漏感等参数进行采集，以确保扭矩矢量控制中基本参数更准确，具体包括：获取所述交流异步电动机的物理参数，以对交流异步电动机进行更加准确的扭矩矢量控制。可对交流异步电动机输入交、直流激励信号并实时监测定子电流反馈，根据电压、电流的数值和相位关系计算获得上述相关参数。空载电流用于估算交流异步电动机运行过程中的扭矩消耗(如摩擦、通风、铁芯损耗等)并对其输出扭矩加以补偿，该空载电流优选为电机额定电流的20％～50％。
本实施例采用阀门智能驱动器中输出电流检测电路进行参数检测，采集实时扭矩(可由转子等效自感、转子等效互感、转子磁链、定子电流转矩分量等值计算获得)作为反馈量，并使用PID控制原理对输出扭矩进行闭环控制和修正，最终实现扭矩矢量控制，确保阀/门运行过程中的扭矩响应速度和控制精度。本实施例的定子电阻可采用如下方式获取：
控制逆变电源输出单相直流电压，此时可以将该情况下的电机电路图简化为如图2所示：
其中，V`dc＝直流电压，iU＝定子电流，R1＝定子电阻。
由于开关管压降的影响，实际施加在定子的电压会产生一定的误差。为了消除误差可采用施加多次不同的电压信号，取定子电压与定子电流的斜率作为定子电阻。
本实施例的转子电阻、定转子互感和定转子漏感可采用如下方式获取：
交流异步电动机在单相正弦信号激励下的电磁现象与三项正弦信号的激励下的电磁现象基本相同，通过此方法来识别，同时此时的电机转矩为零，电机保持静止，此时的电机等效电路可用三相等效电路来代替。
交流异步电动机的定子转子的矢量方程为：
其中，is＝{iU，iV，iW}，ir＝{iu，iv，iw}，p为微分算子，R1为定子电阻，Rr为转子电阻，Lsσ为定子漏感，Lrσ为转子漏感，Lm为定转子互感，ω为转子速度，笼型转子/>
将输出的W相断开，U相和V相按照H桥式正弦电压调质信号控制逆变器的通断，从而产生正弦电压激励信号，设U相、V相的正弦电压为 则交流异步电动机中的相电压和相电流满足如下关系：
其中，VUn，VVn，Vwn分别为U相V相W相对中点电压。
此时电机转矩为0，电机此时的T型等效电路图如3所示，一般情况下定子漏感与转子漏感相同，即Lsσ＝Lrσ。图4为本发明一实施例的电机反Γ等效电路图，是对T进行等效变化后的电路，变化后得电路参数T型等效电路参数件的关系为：
由图可得：
上式中是电压初始相位，/>是电流初始相位。
由式(1-6)～式(1-9)可以得到：
通过反Γ等效电路可以得出阻抗的表达式如下：
对交流异步电动机分别施加频率为f1和f2的正弦电压信号进行电机单相试验，检测定子电流分子到的等效阻抗，并设R`(f)＝R-R1，由式(1-12)可得到反Γ等效电路下电机参数的计算公式
根据T型等效电路和反Γ等效电路参数换算的关系式(1-5)，可以得到电机转子电阻、定子转子互感、定子转子漏感的计算公式如下：
Lsσ＝Lrσ＝L`sσ+L`m-Lm (1-18)
本发明一实施例中，优选采用转子磁场定向矢量控制，根据转子全磁链矢量方向进行所述磁场定向，并用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Lmd为所述交流异步电动机的定转子同轴时一相绕组的等效互感，Lrd为所述交流异步电动机的转子一相绕组的等效自感，isT为所述交流异步电动机的定子电流的转矩分量，Ψr为所述交流异步电动机的转子磁链。
其控制原理如下：
其中，ΨrM为转子全磁链M轴分量；ΨrT为转子全磁链T轴分量；irM为转子电流M轴分量；irT为转子电流T轴分量；np为电机极对数； 为转子一相绕组的等效自感；/>为定转子同轴时一相绕组的等效互感；isT为定子电流的转矩分量；Ψr为转子磁链；/>为转子电磁时间常数；p为微分算子；isM为定子电流的励磁分量。
本发明另一实施例中，还可采用直接转矩控制，并用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Lm为定转子互感，Ls为定子一相绕组的自感，Lr为转子一相绕组的自感，Ψs为定子磁链，Ψr为转子磁链，θsr为转矩角，是矢量Ψs和Ψr之间的夹角。
该直接转矩控制依据定子轴系的数学模型，并使用空间矢量分析方法实现电机控制，其控制原理如下：
定子磁链方程：
其中，us为定子轴系电压矢量。
忽略定子电阻电压降Rsis，有：
Ψ≈∫usdt (2-18)
转矩方程为：
θsr为转矩角，是矢量Ψs和Ψr之间的夹角。
本发明第三实施例中，可采用转差频率矢量控制，根据转差频率矢量进行所述磁场定向，并用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Tr为转子电磁时间常数，Lrd为所述交流异步电动机的转子一相绕组的等效自感，Ψr为转子磁链，ωs1为转差角频率。
转差频率矢量控制可在转子磁场定向量控制基础上进行，其控制原理如下：
其中，ωs1为转差角频率。
本发明第四实施例中，采用定子磁场定向矢量控制，根据定子磁链矢量方向进行所述磁场定向，并用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
Tei＝npΨsisT；
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Ψs为所述交流异步电动机的定子磁链，isT为所述交流异步电动机的定子电流的转矩分量。
本实施例按照定子磁链矢量方向进行磁场定向，其控制原理如下：
Tei＝npΨsisT (2-7)
其中，Ψs为定子磁链；ΨsM为定子全磁链M轴分量；ΨsT为定子全磁链T轴分量；为漏磁系数；由式(2-8)可知，定子磁链Ψs是isT和isM的函数，彼此间存在耦合，需增加解耦控制器，其控制原理如下：
其中，为定子电流励磁分量给定；/>为定子磁链给定；iMT为解耦控制信号；将式(2-9)代入到式(2-8)的第一式中可得：
为借助iMT实现Ψs的解耦控制，使：
(1+σTrp)LsdiMT-σLsdTrωs1isT＝0 (2-12)
经变换可得：
式(2-13)是解耦器模块算法，可通过定子侧检测到的电压、电流直接计算定子磁链矢量Ψs，从而实现解耦。
本发明第五实施例中，采用气隙磁场定向矢量控制，根据扭矩气隙磁链矢量方向进行所述磁场定向，并用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
Tei＝npΨmisT；
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Ψm为气隙磁链，isT为定子电流的转矩分量。
本实施例按照气隙磁链矢量方向进行磁场定向，其控制原理如下：
Tei＝npΨmisT (2-15)
上述矢量控制方法中决定扭矩控制精度的各物理参数会随着长时间运行而发生漂移，且上述控制方法中电机输出扭矩的公式理论上也忽略了系统机械摩擦阻力等因素，因此本发明的一实施例中，还可定期进行扭矩标定以消除上述因素的不利影响，实现系统扭矩控制精度的长期稳定。即本发明还可包括如下步骤：对交流异步电动机的输出扭矩进行标定，用于修正交流交流异步电动机的输出扭矩，有效提高扭矩控制精度，实现输出扭矩的精准控制，该步骤可进一步包括：
将交流异步电动机与阀门驱动器或控制模块连接，正确设置系统基本参数并执行参数辨识；在交流异步电动机额定扭矩的10％～200％范围内选择不少于10个扭矩值作为检测点，各检测点均匀分布；
将扭矩标定装置安装固定在交流异步电动机的输出轴上，并通过有线信号电缆或无线通讯模块与阀门驱动器或控制模块连接；阀门驱动器按照每个检测点扭矩值依次改变所述交流异步电动机的设定扭矩并驱动所述交流异步电动机加载并检测相应的输出扭矩，每个检测点检测次数不少于3次并取其算数平均值作为此检测点的输出扭矩检测结果；以及
由阀门驱动器或控制模块统计和分析以上检测数据，比较设定扭矩与对应的输出扭矩偏差并生成成套统计数据，根据统计数据生成各检测点所述设定扭矩与相应的所述输出扭矩对应关系图表显示或输出(显示结果可为图表及曲线，及必要的提示信息以供确认)，用于修正所述交流异步电动机的输出扭矩。相关对应图表经确认后，可由阀门驱动器或控制模块执行修正。
其中，测量交流异步电动机设定扭矩下的实际输出扭矩并依照实时扭矩对输出扭矩予以修正，以获得更准确的扭矩控制阶段的输出扭矩。本实施例仅以设定扭矩与相应的输出扭矩对比为例予以说明，具体可参见下表，下表是以额定功率0.55kW，额定转速1450rpm，额定扭矩3.6Nm的交流异步电动机为例，其输出扭矩(即相应检测点的堵转扭矩)和设定扭矩关系。其中，控制和修正交流异步电动机的低速和堵转扭矩，可使阀/门关闭过程获得准确的密封比压，交流异步电动机的堵转扭矩误差优选控制在额定扭矩的±10％(优选为±4％)范围内，以稳定有效地控制阀/门关闭的密封比压。同时，还可将统计表中离散的检测点数据整合成描述设定扭矩与相应的输出扭矩关系的分段函数(如图6所示，为相对连续，首位相接，斜率不同的折线线段)，供扭矩控制过程查询和使用。
表1设定扭矩与相应的输出扭矩对比表
以上数据以均匀分布的足够密集的特征点描述了交流异步电动机的设定扭矩和输出扭矩的关系。本实施例中，当设定扭矩在额定扭矩范围内时(也是扭矩控制阶段需使用的扭矩范围)，设定扭矩和输出扭矩的误差在额定扭矩的±10％(优选为±4％)范围内，有良好的线性关系；当设定扭矩超过额定扭矩时，误差增大。设定扭矩和输出扭矩的关系可以用分段直线方程的方式表示，并用于修正输出扭矩。因对应表中的测试结果是离散数据，实际使用中检测点间数据以相邻两点间线段方程进行插入和补充。如当设定扭矩在0.5至1.0Nm之间时，根据图6中最左侧线段的起点(0.5，0.47)和终点(1.0，0.88)可得其关系曲线方程为：
y＝0.82x+0.06；
其中，x是设定扭矩，且0.5≤x≤1.0，y是输出扭矩。
由此可用分段方程将设定扭矩和输出扭矩对应起来，达到修正输出值精准控制扭矩的目的。
为了进一步提高控制精度，本发明一实施例中，还可包括：采用电流检测结合矢量变换方法或位置传感器的反馈信号计算获得阀门当前速度，通过PID控制算法对所述交流异步电动机的输出速度进行修正，并进一步叠加修正所述输出扭矩，以满足所述阀/门开启或关闭各阶段的速度要求。
在本发明的另一实施例中，还可进一步包括：根据所述位置传感器的反馈信号判断是否到达所述阀/门开启或关闭过程各阶段的位置节点，并根据判断结果进一步调整所述输出扭矩，以满足所述阀/门开启或关闭各阶段的控制策略和停止位置精度的要求。本实施例中，可对阀/门的位置、速度、扭矩实时监控，按照嵌套关系由内而外可采用扭矩环、速度环、位置环的嵌套控制模式，其中，扭矩环直接影响转矩，响应快精度高，以满足实时控制电机输出扭矩的要求；速度环在扭矩环基础上工作，通过电流检测结合矢量变换的基本原理或阀/门位置传感器的反馈计算获取阀/门当前速度，并通过扭矩环施加影响，以满足不同阶段对速度的要求；位置环作为可选和补充项在速度环和扭矩环基础上工作，是最外层调节，其根据位置传感器的反馈判断并调节输出，以满足控制策略和停止位置精度的要求。
参见图5，图5为本发明一实施例的控制装置结构示意图。本发明的电动阀/门的控制装置采用上述的控制方法，通过实时调整驱动交流异步电动机的输出扭矩，满足所述电动阀/门执行开启和关闭过程各阶段的控制策略要求。其中，位置传感器可为全行程传感器和/或点位式传感器，以实现全行程高精度位置控制。即本发明对全行程传感器和点位式传感器兼容，适用于全行程传感器、点位式传感器、全行程传感器和点位置传感器的组合。实践中，位置传感器的选用与阀/门类别、阀/门机械结构特点、阀/门使用环境、阀/门生产技术水平等有关，使用中一般不因阀门驱动器需求而改变。在预装全行程传感器的系统中，根据连续的位置信号准确划分阀/门执行的不同阶段(本发明可包括启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段、逼近阶段、扭矩控制阶段和停止阶段等)，对每个阶段的开始位置、结束位置、速度、扭矩、加速度、减速度等参数进行合理控制以达到预期的执行效果。本发明配合不同的接口转换硬件，可适应各种类型的全行程位置传感器。
节点点位式传感器因成本低廉、安装方便、环境适应性强，在阀门执行系统中占有一定的比例，对现有存量电动阀门的升级改装具有重要意义。在预装节点点位式传感器的系统中，根据离散的节点位置信号有限辨识和划分阀门执行的不同阶段，并在确保安全的前提下确保开启或关闭的执行结果。在预装全行程传感器或点位置传感器的系统中，控制方法与仅预装全行程传感器的系统相同，点位式传感器作为保护器件或安全冗余器件进行极限或特殊位置的安全保护。本发明在传感器种类和形式方面的兼容性拓宽了其使用范围和适用环境，也提升了其适用过程的安全性。
本发明可适用于各种阀/门的开闭控制，满足如滑动门、平开门，旋转门、百叶门、闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、旋塞阀、风阀等不同工况的控制要求。其中，调节阀通过精确调整阀/门的开度大小或阶段运动速度，以实现不同流量特性的控制，比如百分比控制特性、直接控制特性、快开控制特性和抛物线控制特性等。调节阀中间任意位置的定位，其每一次的调整均可视为一个完整的工作运动过程。例如球阀在流量调整时开关角度从45°至60°变化的阶段中，经历的工作阶段即是启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段、逼近阶段、停止阶段。而开关阀因需要按一定速度实现开关动作，且需要保证关闭时的密封性，因此相比调节阀可增加扭矩控制阶段，例如闸阀的关闭阶段可分为启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段、逼近阶段、扭矩控制阶段和停止阶段。
本发明以交流异步电动机扭矩矢量控制方法、扭矩标定方法及电动机参数辨识方法为基础，分别实现了输出扭矩的动态控制和设定扭矩的静态修正；以多重PID嵌套的方式由内而外分别建立扭矩环、速度环和位置环，并根据阀/门执行过程不同阶段的需求选择闭环层级或嵌套深度，从而确保阀/门执行过程的迅速、精确，及执行结果的准确、有效，即采用外部嵌套的速度闭环和位置闭环对扭矩闭环(如电流闭环)进行嵌套控制的方法，在提高输出扭矩的响应速度和控制精度的同时，还在需要确保运行速度和定位精度的执行阶段进行速度和位置控制，进一步提升了执行过程的效率、稳定性、准确度和灵活性。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种电动阀/门的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、根据阀/门执行开启和关闭过程各阶段的需求设定相应的设定扭矩；
S200、以所述设定扭矩为输出扭矩或输出扭矩限值驱动交流异步电动机执行相应的阀/门开启或关闭动作；
S300、测量所述交流异步电动机或阀/门运行的实时扭矩；
S400、根据所述实时扭矩和设定扭矩，以所述设定扭矩为输入，以所述实时扭矩为反馈，采用PID控制算法对所述输出扭矩进行修正，以根据所述实时扭矩调节所述输出扭矩的响应速度和控制精度；以及
S500、在所述阀/门执行开启和关闭过程中重复步骤S300-S400直至所述阀/门开启或关闭到位，以实现所述阀/门开启或关闭运行的扭矩闭环控制。
2.如权利要求1所述的电动阀/门的控制方法，其特征在于，步骤S300中，所述交流异步电动机或阀/门运行的实时扭矩采用电流检测结合矢量变换方法获得，或采用扭矩传感器直接自所述交流异步电动机的输出轴、阀/门减速传动箱的输出轴或阀/门驱动装置获得。
3.如权利要求2所述的电动阀/门的控制方法，其特征在于，所述电流检测结合矢量变换方法包括，采用阀/门驱动器中的输出电流检测电路检测所述交流异步电动机的物理参数并计算获得所述实时转矩，所述物理参数包括定子电阻、转子电阻、定转子互感、定转子漏感和空载电流。
4.如权利要求3所述的电动阀/门的控制方法，其特征在于，将所述交流异步电动机的三相交流信号，经过坐标变换转换为定子电流的转矩分量isT和定子电流的励磁分量isM，并根据磁场定向不同分别采用转子磁场定向矢量控制、直接转矩控制、转差频率矢量控制、定子磁场定向矢量控制或气隙磁场定向矢量控制计算获得所述实时扭矩；
其中，所述转子磁场定向矢量控制，根据转子全磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Lmd为所述交流异步电动机的定转子同轴时一相绕组的等效互感，Lrd为所述交流异步电动机的转子一相绕组的等效自感，isT为所述交流异步电动机的定子电流的转矩分量，Ψr为所述交流异步电动机的转子磁链；
所述直接转矩控制采用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Lm为定转子互感，Ls为定子一相绕组的自感，Lr为转子一相绕组的自感，Ψs为定子磁链，Ψr为转子磁链，θsr为转矩角，是矢量Ψs和Ψr之间的夹角；
所述转差频率矢量控制，根据转差频率矢量进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩：
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Tr为转子电磁时间常数，Lrd为所述交流异步电动机的转子一相绕组的等效自感，Ψr为所述交流异步电动机的转子磁链，ωs1为转差角频率；
所述定子磁场定向矢量控制，根据定子磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
Tei＝npΨsisT；
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Ψs为所述交流异步电动机的定子磁链，isT为定子电流的转矩分量；
所述气隙磁场定向矢量控制，根据扭矩气隙磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩Tei：
Tei＝npΨmisT；
其中，np为所述交流异步电动机的电机极对数，Ψm为气隙磁链，isT为定子电流的转矩分量。
5.如权利要求3所述的电动阀/门的控制方法，其特征在于，所述交流异步电动机的堵转扭矩误差控制在±10％额定扭矩的范围内，以稳定有效地控制所述阀/门关闭的密封比压。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的电动阀/门的控制方法，其特征在于，还包括：
采用电流检测结合矢量变换方法或位置传感器的反馈信号获取阀门当前速度，根据设定速度和所述阀门当前速度的偏差，通过PID控制算法对所述交流异步电动机的输出速度进行修正，并进一步叠加修正所述输出扭矩，以满足所述阀/门开启或关闭各阶段的速度要求。
7.如权利要求6所述的电动阀/门的控制方法，其特征在于，还包括：
根据所述位置传感器的反馈信号判断是否到达所述阀/门开启或关闭过程各阶段的位置节点，并根据判断结果进一步调整所述输出扭矩，以满足所述阀/门开启或关闭各阶段的控制策略和位置精度的要求。
8.如权利要求7所述的电动阀/门的控制方法，其特征在于，所述位置传感器为全行程传感器和/或点位式传感器，以实现全行程高精度位置控制和/或准确的节点位置控制。
9.如权利要求1、2、3、4、5、7或8所述的电动阀/门的控制方法，其特征在于，还包括对所述交流异步电动机进行扭矩标定，进一步包括：
阀门驱动器逐点改变所述交流异步电动机的设定扭矩并驱动所述交流异步电动机加载；
采用扭矩标定装置检测所述交流异步电动机对应检测点的所述设定扭矩的输出扭矩，或采集阀门驱动器对应检测点的所述设定扭矩的内部扭矩反馈值；以及
生成各所述检测点的设定扭矩与相应的输出扭矩或内部扭矩反馈值的对应关系图表，用于修正所述交流异步电动机的输出扭矩。
10.一种电动阀/门的控制装置，其特征在于，采用上述权利要求1-9中任意一项所述的电动阀/门的控制方法，通过实时调整驱动交流异步电动机的输出扭矩，满足所述电动阀/门执行开启和关闭过程各阶段的响应速度和控制精度要求。
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