[發明專利]一種可實現轉角閉環控制的電動閥門及控制方法

在審

• 申請號: 201910976325.6
• 申請日: 2019-10-15
• 公開（公告）號: CN110778768A
• 公開（公告）日: 2020-02-11
• 發明（設計）人: 湯偉;張越;耿逸飛;王博;張逸成
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: F16K31/04
• 分類號: F16K31/04;F16K31/53;F16K37/00
• 代理公司: 61202 西安西達專利代理有限責任公司
• 代理人: 鄭安迪

一種可實現轉角閉環控制的電動閥門，用于流程工業的流量調節。該閥門由直流無刷電機、圓柱齒輪減速器、蝸輪蝸桿機構、閥桿、閥芯、閥體、限位開關、旋轉編碼器組成。采用直流無刷電機驅動，電機轉子與圓柱齒輪軸為同軸，多個圓柱齒輪構成減速箱；減速箱尾端與蝸桿同軸，蝸桿與蝸輪嚙合；蝸輪與閥桿剛性連接，閥桿與閥芯亦剛性固接。其優勢在于，涉及閥芯位置閉環控制方案、閥芯梯形加減速定位算法和回程誤差補償控制策略，相比于等口徑的國產ZJKV型電動閥門，本發明電動調節閥門的定位精度能夠得到顯著提高。

技術領域

本發明屬于可實現轉角閉環控制的閥門，特別涉及一種在國產ZJKV基礎上改進的新型電動調節閥門。

背景技術

國產ZJKV型電動閥門是流程工業中負責流量調節的重要執行器，其定位精度對維持流體流量準確起到了決定性的作用。國產電動閥門由三相異步電機驅動，僅有80～100步的定位精度，對于0～90°的角行程閥門，100步就意味著每一個操作步長使閥芯轉動0.9°，并且閥芯轉動的角度完全由通電時間決定，無驅動轉矩控制，執行器本體是一個開環控制系統，將難以滿足流程工業未來發展的中高精度需求。通過實驗測試得到國產閥門的轉角-時間關系，結果見表1：

表1國產ZJKV型電動閥門轉角-時間關系測試數據

由表1可知，當通電時間小于1s時，轉角誤差率大于10％，閥芯轉角與時間之間存在較為嚴重的非線性關系。綜上所述，國產ZJKV型電動閥門的最小操作角不得小于0.9°，否則容易導致閥芯定位不準確。與之相比，國外Metro、BTG公司生產的電動閥門具有15000～20000步的精度，僅應用于高精度需求的專用場合，其價格昂貴不適合普及應用，如DN125的高精度閥門單臺售價在18～20萬元之間，令國內諸多企業望而卻步。因此，提升國產普通電動閥門的精度水平具有重要意義。

發明內容

本發明在國產ZJKV電動閥門的硬件基礎上，將異步電機更換為直流無刷電機，配置直流無刷電機驅動板，設計直流無刷電機驅動的梯形加減速定位曲線，搭建電動閥門控制平臺，實現電機的無級調速和閥芯的轉角閉環控制，并且能夠將控制單元嵌入閥門機罩內，在外觀上具有可實現機電控制一體化的功能。

一種可實現轉角閉環控制的電動閥門，包括直流無刷電機，直流無刷電機的輸出軸通過減速器連接閥芯。轉子角位移檢測裝置安裝于直流無刷電機上，當直流無刷電機工作時檢測轉子的角位移。控制器，其輸入端連接轉子角位移檢測裝置，其輸出端連接直流無刷電機的輸入端。控制器根據其接收到的轉子的角位移對直流電機的輸入電流進行閉環控制。

當轉子啟動時，控制電流令轉子經歷S₁：加速度為a₁的勻加速運動，使轉子轉速由V_min加速至V_e。當轉子達到規定轉速V_e時，經歷S₂：控制電流令轉子轉速維持V_e。當轉子停止時，控制電流令轉子經歷S₃：加速度為a₂的勻減速運動，使轉子轉速由V_e減速至V_min。其中，a₁與a₂的絕對值相同，即S₁的勻加速運動與S₃的勻減速運動所經歷的時間相等。

進一步的，為實現可控的反向間隙補償，可以在閥門上增加用于檢測閥芯角位移的閥芯角位移檢測裝置。該閥芯角位移檢測裝置與控制器的輸入端電氣連接。當直流無刷電機工作時閥芯角位移檢測裝置檢測閥芯的角位移。

在機械結構上，直流無刷電機的輸出軸、圓柱齒輪減速箱、蝸桿蝸輪換向器、閥桿依次連接。閥芯安裝在閥桿上。閥芯角位移檢測裝置通過檢測閥桿的角位移得到閥芯的角位移。