[實(shí)用新型]一種可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制的電動(dòng)閥門

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201921721329.1
• 申請日: 2019-10-15
• 公開（公告）號(hào): CN210890301U
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 湯偉;張?jiān)?/a>;耿逸飛;王博;馬強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 陜西科技大學(xué)
• 主分類號(hào): F16K31/04
• 分類號(hào): F16K31/04;F16K37/00
• 代理公司: 西安西達(dá)專利代理有限責(zé)任公司 61202
• 代理人: 鄭安迪

一種可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制的電動(dòng)閥門，用于流程工業(yè)的流量調(diào)節(jié)。該閥門由直流無刷電機(jī)、圓柱齒輪減速器、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、閥桿、閥芯、閥體、限位開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器組成。采用直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子與圓柱齒輪軸為同軸，多個(gè)圓柱齒輪構(gòu)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(yōu)勢在于，涉及閥芯位置閉環(huán)控制方案、閥芯梯形加減速定位算法和回程誤差補(bǔ)償控制策略，相比于等口徑的國產(chǎn)ZJKV型電動(dòng)閥門，本實(shí)用新型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的定位精度能夠得到顯著提高。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制的閥門，特別涉及一種在國產(chǎn)ZJKV基礎(chǔ)上改進(jìn)的新型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門。

背景技術(shù)

國產(chǎn)ZJKV型電動(dòng)閥門是流程工業(yè)中負(fù)責(zé)流量調(diào)節(jié)的重要執(zhí)行器，其定位精度對維持流體流量準(zhǔn)確起到了決定性的作用。國產(chǎn)電動(dòng)閥門由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(gè)操作步長使閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)0.9°，并且閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)的角度完全由通電時(shí)間決定，無驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制，執(zhí)行器本體是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，將難以滿足流程工業(yè)未來發(fā)展的中高精度需求。通過實(shí)驗(yàn)測試得到國產(chǎn)閥門的轉(zhuǎn)角-時(shí)間關(guān)系，結(jié)果見表1：

表1國產(chǎn)ZJKV型電動(dòng)閥門轉(zhuǎn)角-時(shí)間關(guān)系測試數(shù)據(jù)

由表1可知，當(dāng)通電時(shí)間小于1s時(shí)，轉(zhuǎn)角誤差率大于10％，閥芯轉(zhuǎn)角與時(shí)間之間存在較為嚴(yán)重的非線性關(guān)系。綜上所述，國產(chǎn)ZJKV型電動(dòng)閥門的最小操作角不得小于0.9°，否則容易導(dǎo)致閥芯定位不準(zhǔn)確。與之相比，國外Metro、BTG公司生產(chǎn)的電動(dòng)閥門具有15000～20000步的精度，僅應(yīng)用于高精度需求的專用場合，其價(jià)格昂貴不適合普及應(yīng)用，如DN125的高精度閥門單臺(tái)售價(jià)在18～20萬元之間，令國內(nèi)諸多企業(yè)望而卻步。因此，提升國產(chǎn)普通電動(dòng)閥門的精度水平具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型在國產(chǎn)ZJKV電動(dòng)閥門的硬件基礎(chǔ)上，將異步電機(jī)更換為直流無刷電機(jī)，配置直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，設(shè)計(jì)直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的梯形加減速定位曲線，搭建電動(dòng)閥門控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速和閥芯的轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制，并且能夠?qū)⒖刂茊卧度腴y門機(jī)罩內(nèi)，在外觀上具有可實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制一體化的功能。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：一種可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制的電動(dòng)閥門，由直流無刷電機(jī)、圓柱齒輪、蝸輪蝸桿、閥桿、閥芯、閥桿、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、控制器、限位開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、閥體等部分組成，其特征是：直流無刷電機(jī)的輸出軸依次連接圓柱齒輪、蝸桿、蝸輪、閥桿，進(jìn)而帶閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)；所述轉(zhuǎn)子輸出軸與圓柱齒輪為固定連接，蝸輪與閥桿之間為固定連接；所述直流無刷電機(jī)輸出軸側(cè)安裝霍爾傳感器，霍爾傳感器的位置檢測信號(hào)傳送至控制器，控制器輸出端接直流無刷驅(qū)動(dòng)電路，通過電子驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的調(diào)速和換向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的閉環(huán)控制；所述旋轉(zhuǎn)編碼器為備用件，閥門使用時(shí)可不安裝編碼器。

進(jìn)一步地，所述速度曲線采用梯形加減速定位算法，包含勻加速、勻速、勻減速三段過程，其中，當(dāng)僅存在加速和減速段時(shí)，閥芯所轉(zhuǎn)動(dòng)過的角度對應(yīng)電動(dòng)閥門的最細(xì)操作角。

進(jìn)一步地，所述梯形加減速定位算法基于ATMega328P芯片來實(shí)現(xiàn)，具體為在Arduino IDE的編程環(huán)境中，用c語言進(jìn)行該算法的程序設(shè)計(jì)。需要說明的是，編程的目的在于令控制器按照轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制的需求根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)角位置信號(hào)機(jī)械地執(zhí)行直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制，而不是說本實(shí)用新型有賴于方法的改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的目的。

進(jìn)一步地，所述閥芯由靜止以最大加速度開始轉(zhuǎn)動(dòng)，加速過程結(jié)束后立即以大小相同的加速度值進(jìn)入減速過程，當(dāng)閥芯減速為零時(shí)，閥芯所轉(zhuǎn)過的角度就是最細(xì)操作角。

進(jìn)一步地，所述最大加速度需根據(jù)轉(zhuǎn)矩方程、并以保留65％的裕量值為原則得出。

進(jìn)一步地，所述最細(xì)操作角對應(yīng)閥門的最高執(zhí)行精度，最細(xì)操作角與閥芯在勻速階段的轉(zhuǎn)角之和等于目標(biāo)轉(zhuǎn)角。