专利名称：阀门位置瞬态控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机电控制装置，进一步是指阀门位置瞬态控制器。
背景技术：
目前在工业、农业、国防、民用等领域有大量需要实时控制阀类部件瞬态位置的场合，如汽油机节气阀位置的瞬态控制、工业管道阀门位置的遥控、水库泄洪阀门位置的控制，等等。具体的案例是在汽车汽油机瞬态排放特征分析和研究时，需要一种实时控制汽油机节气阀启闭位置及启闭速度的装置，以模拟在实际运行条件下驾驶员操控加速踏板的动作。能够按照预先设定的运动形式和控制方式，快速响应汽油机节气阀位置，精确实现汽油机节气阀开启角度，实现汽油机节气阀及时快速地开启或闭合，能任意重复要求的启闭次数。
纵观目前的阀门控制器产品市场，以及一些科研单位所研发的阀门位置控制装置，在控制性能和使用场合上都有一些共性的弊端，例如对阀门位置的控制方式大多属于稳态控制模式，阀门启闭响应速度慢，启闭位置的精度不高，不能实现对阀门瞬态位置的精确控制，能够实现的控制功能比较单一；其控制和操作一般需要人工干预，不能实现对阀门瞬态位置的智能自动控制，也不能很好地实现人机对话；结构比较复杂，不易于生产调试和维修，不利于产品的更新换代，安全性不高，对使用场合和安装位置都有严格的限制；在控制电路部分，有的采用单片机，开发难度大，对一些没有单片机开发经验的用户使用起来比较困难；有的采用PLC可编程序控制器，电路复杂，不利于产品的推广。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种阀门位置瞬态控制器，能精确定位阀门启闭位置、快速响应阀门开启要求；还可预先设定阀门启闭运动形式、运动距离和启闭次数；可实现一台控制器同时控制多个阀门运行。
本实用新型的技术解决方案是，所述阀门位置瞬态控制器的电路部分由PC计算机、运动控制卡、接口信号转换板、步进电机细分驱动器、步进电机、光编码盘、电源电路连接组成，其中运动控制卡插入所述PC计算机的ISA总线插槽中，该运动控制卡的步进信号和方向控制信号输出端分别经接口信号转换板的2、3脚接至步进电机细分驱动器的PU、DR端，所述步进电机细分驱动器的“+”端同接口信号转换板的17脚连接并为输入信号公共正端，而其做为细分选择信号端的SM端同接口信号转换板的接地端1脚连接，电源电路的输出端同步进电机细分驱动器的两个电源接线端+V、-V连接，步进电机的六根引出线分别同步进电机细分驱动器的AC、BC、+A、-A、+B、-B端对应连接，光编码盘的四根引出线中，接地线同接口信号转换板的1脚相连、一路脉冲信号输出端经接口信号转换板的8脚同所述运动控制卡中的脉冲计数器相连、原点Z信号输出端经三极管放大后同接口信号转换板的28脚连接、还有一根引出线同接口信号转换板的17脚连接接入所述公共正端；步进电机安装在支架一侧且将拉线轮装在电机轴上，软钢丝绳的一端同被控阀门相连接而另一端同所述拉线轮连接，所述光编码盘的转盘轴同步进电机轴同轴联接。
以下做出进一步说明。
参见图1和图2，本实用新型所述阀门位置瞬态控制器的电路部分由PC计算机51、运动控制卡52、接口信号转换板53、步进电机细分驱动器54、步进电机55、光编码盘56、电源电路59连接组成，其中运动控制卡52插接入所述PC计算机51的ISA总线插槽中，该运动控制卡52的步进信号和方向控制信号输出端分别经接口信号转换板53的2、3脚接至步进电机细分驱动器54的PU、DR端，所述步进电机细分驱动器54的“+”端同接口信号转换板53的17脚连接并为输入信号公共正端，所述驱动器54上做为细分选择信号端的SM端同接口信号转换板53的接地端1脚连接，电源电路59的输出端同步进电机细分驱动器54的两个电源接线端+V、-V连接，步进电机55的六根引出线分别同步进电机细分驱动器54的AC、BC、+A、-A、+B、-B端对应连接，光编码盘56的四根引出线中，接地线同接口信号转换板53的1脚相连、一路脉冲信号输出端经接口信号转换板53的8脚同所述运动控制卡52中的脉冲计数器相连、原点Z信号输出端经三极管放大后同接口信号转换板53的28脚连接、还有一根引出线同接口信号转换板53的17脚连接接入所述公共正端；参见图3，步进电机55安装在支架63一侧且将拉线轮57装在步进电机55电机轴上，软钢丝绳的一端同被控阀门58相连接而另一端同所述拉线轮57连接，所述光编码盘56的转盘轴同步进电机轴同轴联接。
所述接口信号转换板53可采用与PC机配接的37PIND型(CN2)多芯插头。
本实用新型的工作原理是，通过运行在PC计算机中Windows操作系统下的控制软件的支持，用户将控制参数输入计算机，运动控制卡52按照用户界面输入的控制参数发出指令，输出一定数量和频率的脉冲信号，经接口信号转换板53送至步进电机细分驱动器54，进而驱动步进电机55按照一定的转速运转一定的角度；步进电机55通过传动机构(由拉线轮和软钢丝绳组成)与阀门58相联，控制阀门开启或关闭；步进电机55的转角控制阀门的开度，步进电机的转角速度与转角加速度控制阀门启闭的转角速度与转角加速度，光编码盘56将步进电机运转状况经接口信号转换板53上的脉冲计数器反馈回运动控制卡52，运动控制卡52调用其内嵌的运动控制函数，读取光编码盘56的转角速度和转过的角度，在Windows控制软件的仪表盘上实时显示阀门开度，从而实现阀门启闭、转角速度与转角加速度的高精度开环控制。
参见图2，电源电路59由变压器60和整流电路板62(市售产品)组成，它将市电61(交流220V)变压整流成12-40V直流电，接至步进电机细分驱动器54的+V、-V两电源输入接口，供给该驱动器用电。
接口信号转换板53上的信号与图4所示的37PIN D型头是一一对应的，其中2、3管脚(1轴脉冲、2轴脉冲)分别代表一个步进电机的脉冲和方向信号。在图4中，1脚为接地端(GND)，2脚为1轴脉冲端，3脚为2轴脉冲端，3脚为2轴脉冲端，4脚为3轴脉冲端，5脚为4轴脉冲端，6脚为5轴脉冲端，7脚为6轴脉冲端，8脚为保留(ECLK0)端，9脚为保留(EKTG0)端，10脚为保留(OUT0)端，11脚为保留(ECLK1)端，12脚为保留(EKTG1)端，13脚为保留(OUT1)端，14脚为保留(ECLK2)端，15脚为保留(EKTG2)端，16脚为保留(0UT2)端，17脚为输入公共端(INCOM)，18脚为+5V电源端，19脚为+12V电源端，20脚为数字输1(IN1)(1轴左限位开关)，21脚为数字输入2(IN2)(1轴右限位开关)，22脚为数字输入3(IN3)(2轴左限位开关)，23脚为数字输入4(IN4)(2轴右限位开关)，24脚为数字输入5(IN5)(3轴左限位开关)，25脚为数字输入6(IN6)(3轴右限位开关)，26脚为数字输入7(IN7)(4轴左限位开关)，27脚为数字输入8(IN8)(4轴右限位开关)，28脚为数字输入9(IN9)(1轴原点开关)，29脚为数字输入10(IN10)(2轴原点开关)，30脚为数字输入11(IN11)(3轴原点开关)，31脚为数字输入12(IN12)(4轴原点开关)，32脚为数字输入13(IN13)(5轴左限位开关)，33脚为数字输入14(IN14)(5轴右限位开关)，34脚为数字输入15(IN15)(6轴左限位开关)，35脚为数字输16(IN16)(6轴右限位开关)，36脚为数字输出15(OUT15)，37脚为数字输出16(OUT16)。
光编码盘56用于反馈步进电机55的转角和转速，实时显示阀门58的开度。它输出三路信号，一路输出原点信号(Z信号)，每转一圈只发出一个脉冲；另外两路为相位差呈90°的方波脉冲，这两路方波脉冲除了用作相对位置信号外，还可用来辨别转向。为隔离振动和防止同轴偏差，采用弹性套柱销联轴器使光编码盘与步进电机同轴连接。
拉线轮57所连软钢丝绳可采用广泛用于汽油机油门拉索的软钢丝绳。
步进电机55采用型号为85BYGH82-A二相混合式步进电机，步距角1.8°/脉冲，并配有200细分驱动器54，型号为Q2HB44MB。
运动控制卡52采用ADT-830数字运动控制卡，它是基于PC机ISA总线的全数字步进电机运动控制卡，具有六路脉冲频率信号输出，最高输出频率200kHz，可以同时实现对三台步进电机的控制，内嵌的轨迹规划器支持匀速、T型加减速和S型加减速三种运动控制方式，以动态链接库的形式提供给用户直接调用。控制卡52上还集成了3个脉冲计数器(16位计数器，最高计数频率10MHz)，16路数字信号输入/输出(光耦隔离)等功能。计数器要和接口信号转换板53配套使用，能对光编码盘56的反馈脉冲计数，用于阀门状态的实时动态显示。控制软件调用运动控制卡52中的运动控制函数，发出一定频率和数量的脉冲信号，经接口信号转换板53送至步进电机驱动器54，从而控制步进电机55按一定的要求运转。
基于PC机的ADT-830数字运动控制卡，具有六路脉冲频率信号输出，可以同时实现对三台步进电机的控制，很明显，运动控制卡能同时操纵三台基于步进电机运动控制的阀门位置瞬态控制器，实现对三个阀门的同时控制。而且运动控制卡经过适当改进后，可以同时输出多路脉冲频率信号，则可以同时控制多台步进电机。控制器经过适当改装，装有多个这样的控制子系统，则可以同时控制多个阀门，实现对阀门群的实时同步控制，弥补阀门控制器对阀门一对一形式的相对独立控制的缺陷，这样可以节省大量的资源。
本实用新型阀门控制器与国内已有阀门控制器性能比较列如下表
注“——”表示情况不明。
特点有1、能精确定位阀门启闭位置；2、可快速响应阀门启闭要求；3、能够预先设定所要求的阀门启闭运动形式(匀速或加速)、运动距离和启闭次数；4、基于计算机程序控制方案，可以通过一台控制器同时控制若干数量的阀门运行；5、基于某种大众化的计算机操作平台和成熟通用的高级编程语言，以软伺服方式控制阀门启闭，使其性能稳定，能够实现智能控制，开创阀门软伺服控制的先河；6、功能齐全，结构简单，运动控制方案的开发难度小；操作界面友好，能很好地实现人机对话；生产调试简单，可维护性强；对使用场合和安装方式没有严格要求。
图1是本实用新型的结构框图；图2是本实用新型一种实施例电路图(PC计算机未画出，通过做为接口信号转换板53的37针孔D型插头与计算机的37PIN D型头接插实现连接)；图3是本实用新型机械装置的一种实施例俯视结构示意图；图4是所述37PIN D型头的定义图示。
在图中51-PC计算机， 52-运动控制卡，53-接口信号转换板，54-步进电机细分驱动器，55-步进电机， 56-光编码盘，57-拉线轮，58-阀门，
59-电源电路， 60-变压器，61-插头， 62-电源板，63-支架。
具体实施方式
按照附图和上述结构的本实用新型阀门位置瞬态控制器，运动控制卡52采用ADT-830数字运动控制卡，接口信号转换板53采用与37PIN D型头适配的37针孔D型插头，步进电机细分驱动器54型号为Q2HB44MB，步进电机55型号为85BYGH82-A，光编码盘56为有三路输出的已有技术产品。用本实用新型装置对“BJ2020S”和“TOYOTA 2500”两台试验汽油机台架进行了节气阀匀速开启—关闭、节气阀匀加速开启—关闭两类瞬态工况实验，有关参数有(1)节气阀开度的控制精度较高，开度为72.5°时的最大角度误差不超过0.5°，对阀门位置的控制精度≤±0.7％。
(2)对节气阀的转角速度n的范围0°/s＜n≤1000°/s分别以指定的转角速度10°/s、100°/s和1000°/s进行精度测试，平均误差≤7.71％。
(3)对节气阀转角加速度m的范围0°/s2＜m≤240°/s2以指定的转角加速度10°/s2、20°/s2和240°/s2进行精度测试，平均误差≤7.34％。
权利要求1.一种阀门位置瞬态控制器，其特征是，它的电路部分由PC计算机(51)、运动控制卡(52)、接口信号转换板(53)、步进电机细分驱动器(54)、步进电机(55)、光编码盘(56)、电源电路(59)连接组成，其中运动控制卡(52)插接入所述PC计算机(51)的ISA总线插槽中，该运动控制卡(52)的步进信号和方向控制信号输出端分别经接口信号转换板(53)的2、3脚接至步进电机细分驱动器(54)的PU、DR端，所述步进电机细分驱动器(54)的“+”端同接口信号转换板(53)的17脚连接并为输入信号公共正端，所述驱动器(54)上的SM端同接口信号转换板(53)的接地端1脚连接，电源电路(59)的输出端同步进电机细分驱动器(54)的两个电源接线端+V、-V连接，步进电机(55)的六根引出线分别同步进电机细分驱动器(54)的AC、BC、+A、-A、+B、-B端对应连接，光编码盘(56)的四根引出线中，接地线同接口信号转换板(53)的1脚相连、一路脉冲信号输出端经接口信号转换板(53)的8脚同所述运动控制卡(52)中的脉冲计数器相连、原点Z信号输出端经三极管放大后同接口信号转换板(53)的28脚连接、还有一根引出线同接口信号转换板(53)的17脚连接接入所述公共正端；步进电机(55)安装在支架(63)一侧且将拉线轮(57)装在步进电机(55)的电机轴上，软钢丝绳的一端同被控阀门(58)相连接而另一端同所述拉线轮(57)连接，所述光编码盘(56)的转盘轴同所述步进电机轴同轴连接。
2.根据权利要求1所述的阀门位置瞬态控制器，其特征是，所述运动控制卡(52)采用ADT-830数字运动控制卡。
3.根据权利要求1所述的阀门位置瞬态控制器，其特征是，所述步进电机细分驱动器(54)型号为Q2HB44MB。
4.根据权利要求1所述的阀门位置瞬态控制器，其特征是，所述步进电机(55)型号为85BYGH82-A。
专利摘要一种阀门位置瞬态控制器，其电路部分由PC计算机、运动控制卡、接口信号转换板、步进电机细分驱动器、步进电机、光编码盘、电源电路连接组成。它具有精确定位阀门启闭位置、快速响应阀门启闭要求；还可预先设定阀门启闭运动形式、运动距离和启闭次数。
文档编号F16K31/04GK2775717SQ20042006861
公开日2006年4月26日 申请日期2004年9月3日 优先权日2004年9月3日
发明者谢竹生, 张雨, 周永军, 任国锋 申请人:张雨