专利名称：变频式智能型阀门执行机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种阀门执行机构，具体涉及一种变频式智能型阀门执行机构。
(二)
背景技术：
目前广泛采用的阀门执行机构，均采用三相交流电压直接驱动电动机，通过机械传动装 置带动阀门运行，在整个阀门运行过程中电机转速不变，阀门启闭速度不变，由于惯性作用， 在阀门定位时出现多周期阻尼振荡现象，大大降低了执行机构对阀门的定位精度，另外由于 电动机起动电流数倍于额定电流，造成电机温升急剧上升，无法长时间连续频繁动作。另外， 现有执行机构均采用三相交流电动机，对于不具备三相交流电网的现场，其应用受到极大限 制。
另一方面，现有执行机构的阀门位置检测方法大多是采用齿轮传输、计数器放大，再经 电位器、凸轮和触点后输出的，经过这样一个复杂的机电过程，其精度会发生很大扭曲，无 法实现高精度测量，另外，由于受凸轮上机械触点的数目所限，其输出的检测值只能是断续 的模拟信号，无法实现全行程高精度位置控制。
(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小，可靠性高，适应性强，定位精度高，具有"伺服控制" 特性，易于网络化控制，能够实现速度无差控制，实施对管网系统中输送的介质参数的自动 控制与管理的变频式智能型阀门执行机构。
本发明的目的是这样实现的它包括主控制器模块l、矢量变频控制模块2、异步电动机
3、机械传动装置4、多圈精密旋转电位器5、显示模块6和手持式操作器7，矢量变频控制 模块2输入端与交流电网相连，输出端与异步电动机3相连，异步电动机3轴端与机械传动 装置4相连，机械传动装置4输出端连接阀门，精密电位器5轴端与机械传动装置4相连， 矢量变频控制模块2与主控制器模块1相连，精密电位器5输出端与主控制器模块1相连， 显示模块6和手持式操作器7分别与主控制器模块1相连。 本发明还有这样一些技术特征
1、 所述的主控制器模块1包括主处理器IC6、连接主处理器IC6的串行通讯接口电路、 遥控信号接收电路、干结点输出电路、4一20mA输出电路、电流/电压转换电路和PROFIBUS 通信接口电路，多圈精密旋转电位器5输出端连接主处理器IC6，串行通讯接口电路连接手 持式操作器7;
2、 所述的串行通讯接口电路包括高速光电耦合芯片IC1、 IC2及串行485通讯协议转换
芯片IC3，高速光电耦合芯片IC1连接电阻R1接电源VCC，连接电容C1接地，同时连接电 阻R2连接串行485通讯协议转换芯片IC3，高速光电耦合芯片IC1连接电阻R3接电源VCC， 连接电容C6接地，同时连接串行485通讯协议转换芯片IC3，串行485通讯协议转换芯片IC3 经接线端子Jl与手持式操作器7连接；
3、 所述的遥控信号接收电路包括译码芯片IC4、连接译码芯片IC4的振荡电阻R4和差 分输入芯片IC5A，差分输入芯片IC5A接收位于显示模块6上的红外接收器传送来的差分信 号并连接译码芯片IC4，差分输入芯片IC5A的第4引脚连接电阻R5接电源VCC，译码芯片 IC4连接至主处理器IC6;
4、 所述的干结点输出电路包括继电器Kl 、 二极管Dl和三极管Ql，主处理器IC6的I/O 端口连接电阻R6连接三极管Q1基极，三极管Q1集电极连接继电器K1和二极管D1，继电 器Kl和二极管Dl并联连接，继电器Kl的输出端连接接线端子Jl;
5、 所述的4一20mA输出电路由电压/电流转换芯片IC8和线性光电耦合器IC7组成， 主处理器IC6的输出端经电阻R7、电阻R9、电容C8、电容C9和二极管D2连接线性光电耦 合器IC7，线性光电耦合器IC7的输出端经电阻R10、电阻Rll和电容C10连接电压/电流转 换芯片IC8，电压/电流转换芯片IC8的输出端连接接线端子Jl;
6、 所述的电流/电压转换电路包括采样电阻R12、射极跟随器IC9和线性光电耦合器 ICIO，采样电阻R12连接电阻R13、电容Cll，电阻R13、电容Cll连接射极跟随器IC9的 同相输入端，射极跟随器IC9的输出端经限幅二极管D3、限幅二极管D4、稳压管D5、电阻 R14、电容C12连接线性光电耦合器IC10，线性光电耦合器IC10的输出端经电阻R15-R16、 电容C13连接主处理器IC6的A/D端口 ；
7、 所述的矢量变频控制模块2包括交流输入整流桥，直流滤波电容，智能功率器件IPM, 直流母线电压检测电路，光电隔离电路，输出电流检测电路以及中央处理器ICM1和电源转 换模块，交流输入整流桥的输入端与电网输出端相连，输出端与直流滤波电容相连，并与智 能功率器件IPM的输入端相连，智能功率器件IPM的输出端与异步电动机3相连，直流滤波 电容的两端并联电压检测电路，电压检测电路连接中央处理器ICM1，中央处理器ICM1经光 电隔离电路连接智能功率器件IPM，智能功率器件IPM的输出端连接异步电动机3，同时经 输出电流检测电路连接中央处理器ICM1，中央处理器ICM1连接主控制器模块1;
输出电流检测电路包括电流检测霍尔器件HA，采样电阻RIA1、采样电阻RIAO，电阻 RIA2和电容CIA1构成的低通滤波电路，射极跟随器ICH1A，电阻RIA3-RIA6构成的偏置 电路，以及由电阻RIA7和锗二极管DIA1构成的限幅电路，交流电源连接霍尔器件，霍尔 器件连接采样电阻，采样电阻连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接射极
跟随器ICH1A的输入端，偏置电路连接运放ICH1B，运放ICH1B的输出经限幅电路连接中 央处理器ICM1的模数转换输入接口；
直流母线电压检测电路由接插件JUDC，电压检测霍尔器件HVDC，限流电阻R1、限流 电阻R5，采样电阻RDC0、采样电阻RDCl,由电阻RDC2和电容CD1组成的低通滤波电路， 射极跟随器IC8A以及由电阻RDC3和锗二极管DUDC1组成的限幅电路构成，直流电压电信 号连接接插件JUDC与电压检测霍尔器件HVDC，电压检测霍尔器件HVDC和限流电阻Rl、 限流电阻R5相连，限流电阻Rl、限流电阻R5连接采样电阻RDC0、采样电阻RDC1和低通 滤波电路，低通滤波电路连接射极跟随器IC8A和限幅电路后连接中央处理器ICM1的另一个 模数转换模块的输入接口；
8、 所述的显示模块6包括数字指针式仪表或LED数码管显示；
9、 所述的机械传动装置4包括减速装置、驱动装置和手轮，异步电动机3主轴通过减 速装置与多圈精密旋转电位器5的主轴相连，智能功率器件IPM的三路输出端经接插件 JMOTOR与异步电动机3相连，减速装置和手轮分别连接驱动装置，异步电动机3采用执行 机构专用低温升变频式异步电动机。
本发明采用可输入单相或三相交流电源的矢量变频控制模块驱动异步电动机，采用多圈 精密旋转电位器作为位置传感器，并采用高性能位置控制算法。控制方式有本地遥控操作， 手持式操作器，远程模拟量控制以及总线控制多种控制模态。同时采用变频方式驱动异步电 动机，简化了执行机构结构，电机运行速度连续可调，具有"伺服控制"特性，极大的提高了 阀门的定位精度。本发明与阀门配套组成电动阔门，实施对管网系统中输送的介质参数的自 动控制与管理。另外，手持式操作器7与主控制器模块1通过串行485接口实现双向通讯， 手持式操作器7可控制阀门开启、关闭、停止，给定阀门开度，对运行速度、远程模拟量输 入通道、阀门定位灵敏度设置。同时接收主控制器模块1上传的阀门状态信号并于主页面显 示，包括阀门当前位置、打开阀门中、关闭阀门中、阀门停止中、系统故障中。异步电动机 3采用执行机构专用低温升变频式异步电动机，具有低启动电流、高启动转矩、可频繁启动 及长时间连续运行等优点。阀门位置控制采用全数字式比例调节控制方式，采用软件方法在 主控制器模块1中实现。
本发明所具有的优点采用高性能中央处理器，实现了复杂的高精度位置闭环控制算法， 高精度的位置连续检测方式，提高了检测和控制精度；采用矢量变频控制方式驱动异步电动 机，使电动执行机构具有"伺服控制"特性，实现速度无差控制；采用变频专用异步电动机， 保证了装置的长时间低温升稳定运行；包括遥控操作控制方式、远程模拟量控制方式、手持 式操作器以及远程总线控制方式在内的多种控制模态大大增强了装置的适应性，更加符合网
络化A动控制的现代化工业生产的需要。
(四)
图1为变频式智能型阀门执行机构整体框图2为主控制器模块原理框图3为矢量变频控制模块原理框图4为实施例的主控制模块电路原理图5-图7为实施例的矢量变频控制模块电路原理图，其中图5为功率部分主电路原理图， 图6为中央处理器ICM1及其外围电路，图7为交流电流检测电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明
结合图l，本实施例包括主控制器模块l、矢量变频控制模块2、异步电动机3、机械传 动装置4、多圈精密旋转电位器5、显示模块6和手持式操作器7，矢量变频控制模块2输入 端与交流电网相连，输出端与异歩电动机3相连，异步电动机3轴端与机械传动装置4相连， 机械传动装置4输出端连接阀门，多圈精密旋转电位器5轴端与机械传动装置4相连。
矢量变频控制模块2与主控制器模块1相连，以接收运行信号和发送故障信号。多圈精 密旋转电位器5输出信号与主控制器模块1相连。显示模块6和手持式操作器7分别与主控 制器模块l相连。主控制器1和矢量变频控制模块2安放在同一个箱体内，显示模块安放于 另一箱体内，两个箱体和异步电动机共同固定在机械传动装置的外壳上。
结合图2，主控制器模块1包括主处理器IC6 (本实施例采用PIC单片机16F877A)，串 行通讯接口电路，遥控信号接收电路，干结点输出电路，电压/电流转换电路，4一20mA输出 电路和PROFIBUS通信接口电路。结合图4，串行通讯接口电路提供主控制器1与手持式操 作器7的双向异步通讯通道，包括高速光电耦合芯片IC1、 IC2及串行485通讯协议转换芯片 IC3，后经接线端子Jl与手持式操作器7连接；遥控信号接收电路包括译码芯片IC4振荡电 阻R4和差分输入芯片IC5A，差分输入芯片IC5A将位于显示模块6上的红外接收器传送来 的差分信号还原并送入译码芯片IC4将其译码转换为数字量后，通过相应的输出管脚连接至 主处理器IC6;十结点输出电路通过继电器K1完成与主电路的电气隔离并经接线端子Jl输 出，二极管Dl对继电器Kl绕组提供放电回路以保证继电器Kl快速响应能力，三极管Ql 将主处理器IC6的I/0端口输出信号放大为继电器K1绕组驱动信号完成对继电器K1的控制； 4一20mA输出电路由电压/电流转换芯片IC8和线性光电耦合器IC7组成，电阻R7、电容C8 组成的阻容滤波器将主处理器IC6输出的脉宽信号转换为模拟电压信号经tti线性光电耦合器 IC7电气隔离及电阻Rll、电容CIO组成的低通滤波器后送入电压/电流转换芯片IC8,电压/ 电流转换芯片IC8将模拟电压信号转换为4一20mA电流信号经接线端子Jl输出；电流池压 转换电路，采样电阻R12将输入电流信号转换为电压信号经电阻R13、电容C11组成的滤波 电路和射极跟随器IC9后输入线性光电耦合器ICIO，电气隔离后输入主处理器IC6的A/D端 口，其中限幅二极管D3、限幅二极管D4限幅输入电压，防止电压超出输入量程。
结合图3，矢量变频控制模块2包括交流输入整流桥，直流滤波电容，智能功率器件 IPM，直流母线电压检测电路，光电隔离电路，输出电流检测电路以及中央处理器ICM1和 电源转换模块。三相交流输入整流桥的输入端与电网输出端相连，输出端与直流滤波电容相 连，将交流电压转换为直流电压，并与智能功率器件IPM的输入端相连，智能功率器件IPM 的输出端与异步电动机相连。结合图5-图7所示，单相或三相交流电压经接插件JAC1接入 到电路板中，再由交流输入整流桥(由二极管DPOl-6组成)和滤波电容CPOl转换为直流 电压，接入到智能功率器件IPM的输入端，智能功率器件IPM的控制信号端与中央处理器 ICM1的PWM信号输出端口相连，智能功率器件IPM的三路输出端经接插件JMOTOR与异 歩电动机3相连。图6为中央处理器ICM1及其外围电路，中央处理器ICM1采用DSP芯片 TMS320LF2407A，通过MAX488及接插件JDR1与牛.控制模块1相连，中央处理器ICM1主 要负责和主控制器模块1通讯，以接收启、停信号和相应的运行速度值，以及电流环的计算。 图7为交流电流检测电路，由电流检测霍尔器件HA，采样电阻RIA1、采样电阻RIAO，电阻 RIA2和电容CIA1 (构成了低通滤波电路)，射极跟随器ICH1A，偏置电路(包括电阻RIA5、 RIA3、 RIA4禾HRIA6)，以及由电阻RIA7和锗二极管DIA1组成的限幅电路组成一相交流电 流检测电路，另一相电路相同。交流电流经电流检测霍尔器件HA转换为小的电流信号，经 采样电阻RIA1、 RIAO，低通滤波电路，射极跟随器以及偏置电路转换为大于零的正弦电压 信号，再经限幅电路被限制在0-3.3伏后连接到中央处理器ICM1的模数转换输入接口上。直 流母线电压检测电路由接插件JUDC，电压检测霍尔器件HVDC，限流电阻Rl、限流电阻 R5，采样电阻RDCO、采样电阻RDC1，由电阻RDC2和电容CD1组成的低通滤波电路，射 极跟随器IC8A以及由电阻RDC3和锗二极管DUDC1组成的限幅电路构成，直流电压电信号 连接接插件JUDC与电压检测霍尔器件HVDC，电压检测霍尔器件HVDC和限流电阻Rl、 限流电阻R5相连，限流电阻Rl、限流电阻R5连接采样电阻RDCO、采样电阻RDC1和低通 滤波电路，低通滤波电路连接射极跟随器IC8A和限幅电路后连接中央处理器ICM1的另一个 模数转换模块的输入接口。
下面介绍本实施例阀门运行信息的显示部分
显示模块6具备两种选择即数字指针式仪表或LED数码管显示。数字指针式仪表显示包
括微型步进电动机及其专用驱动芯片、耐高温塑料磨砂表面仪表盘、高亮LED背景灯、塑料 仪表指针。步进电机驱动芯片接收主控制器1发送来的控制指令，包括转动角度及转动方向， 来控制步进电机带动塑料指针转动，指针指向的表盘刻度即为阀门开度，另外通过表盘下方 的四个LED指示灯的点亮分别代表系统带电、接收到遥控器信号、阀门运行中、系统故障。 LED数码管显示采用三位一体LED数码管、十位条形LED数码管、PIC单片机16F877A、 耐高温塑料磨砂表面仪表盘。单片机接收主控制器模块1发送的并行数据，译码后分别转换 为阀门开度百分比送入三位一体LED数码管显示、力矩保护上限档位送条形LED数码管显 示、运行速度设置档位送另一条形LED数码管显示，另外通过表盘下方的四个LED指示灯 的点亮分别代表系统带电、接收到遥控器信号、阀门运行中、系统故障。显示模块6安装于 装置上一独立箱体内。
阀门位置的检测与闭环控制部分为
阀门位置的连续精密检测采用多圈精密旋转电位器，多圈精密电位器5可实现多圈旋转， 而输出电阻值不重复。其输出轴与执行机构的主轴相连，执行机构运行时，主轴带动电位器 一同旋转，这样电位器的阻值亦发生变化，在电位器上施加直流电压，则阻值的变化转化为 电压信号的变化。阀门位置的闭环控制算法在主控制模块的主处理器中由软件实现，首先将 阀门位置的电信号用该主处理器自带的十位模数转换器转换为数字量，阀门位置的给定形式 有很多种，假设已获得阀门位置给定信息，则将阀门位置给定量减去阀门实际位置反馈的数 字量，二者的差值输入到位置闭环比例调节算法模块，其输出作为矢量变频控制模块的速度 给定，由比例调节的算法原理可知，在位置误差为零时，调节器输出为零，亦即矢量变频控 制模块的速度给定为零，此时电机停止转动，即实现了阀门的高精度位置闭环控制。
下面详细说明本实施例变频式阀门执行机构的运行过程。本实施例向用户提供了所有与 阀门运行状态有关的参数设置，包括开、关阀速度设置，上限输出转矩设置，阀门两个极限 位置的设置，阓位调节灵敏度设置，模拟量控制通道选择以及本地控制方式、模拟量控制及 手持式操作器方式的选择。主控制器模块主要实现执行机构的启闭控制、定位控制，以及各 种状态的监测，同时将开度以及阀门运行状态和故障状态传送给显示模块和手持式。在用户 设定阀门运行必备的重要参数(主要包括开关阀转矩和开关阀速度等)后，主控制器模块中 的主处理器通过接口电路与矢量变频控制模块联接，将上述参数值传送给矢量变频控制模块。 阀门开度计算和行程控制由主控制器模块中的主处理器完成。本地控制方式时即遥控控制， 主控制器模块接收到开阀或关阀指令后，首先判断阔门是否处于两个极限位置，若处于全开 位置，则不响应开阓操作，若处于全关位置，则不响应关阀操作。若阀门处于中间位置，主 控制器将发送相应的速度值给矢量变频控制模块，矢量变频控制模块将按照该速度运行，随
着阀门位置与给定位置的差值逐渐减小，运行速度同时减小，矢量变频控制模块自动降低转 速，在阀门运行到极限位置时，异步电动机运行速度变为零，阀门停止动作，即完成了一次 启、停操作。对于远程模拟量控制，首先将4-20mA电流转换为l-5V电压信号，再接入到主 处理器的模数转换模块的输入接口。主处理器将其换算成相应的开度值，并作为开度给定， 再和当前阀门开度值比较，若当前开度大于给定开度，则执行关阀操作，在阔门接近给定位 置时，减速运行，到达给定位置时，阀门速度为零，完成一次自动控制操作。若当前开度小 于给定开度，则执行开阀操作。对于手持式操作器，首先可于手持式操作器给定开度一栏中 输入理想开度，手持式操作器将给定开度通过RS485端口传送给主控制器，主控制器将给定 开度和当前开度进行比较，判断阔门应处于的开启、关闭或停止状态，通过按动手持式启动 按钮控制装置运行，通过按动手持式上的停止按钮可即时中止装置运行，否则装置将自动运 行至给定开度位置后停机。对于PROFIBUS总线通讯操作，需要设置本机地址，奇偶校验方 式，数据传送格式等。在主控制器模块接收到阀门开度给定后，其执行过程和模拟量控制过 程相一致。以上为变频式智能型阀门执行机构的所有控制方式下的运行过程。
权利要求
1、一种变频式智能型阀门执行机构，它包括主控制器模块(1)、异步电动机(3)和显示模块(6)，其特征在于它还包括机械传动装置(4)、矢量变频控制模块(2)、多圈精密旋转电位器(5)和手持式操作器(7)，矢量变频控制模块(2)输入端与交流电网相连，输出端与异步电动机(3)相连，异步电动机(3)轴端与机械传动装置(4)相连，机械传动装置(4)输出端连接阀门，精密电位器(5)轴端与机械传动装置(4)相连，矢量变频控制模块(2)与主控制器模块(1)相连，精密电位器(5)输出端与主控制器模块(1)相连，显示模块(6)和手持式操作器(7)分别与主控制器模块(1)相连。
全文摘要
本发明涉及一种变频式智能型阀门执行机构。它包括主控制器模块1、矢量变频控制模块2、异步电动机3、机械传动装置4、多圈精密旋转电位器5、显示模块6和手持式操作器7，其主要特征是用矢量变频控制模块驱动异步电动机，并用精密旋转电位器作为位置传感器，采用全数字比例闭环调节方式进行阀门位置控制，控制方式有本地遥控操作，手持式操作器控制，远程模拟量控制以及总线控制等多种控制模态，并采用低温升专用变频电机。本发明具有体积小，可靠性高，定位精度高，具有“伺服控制”特性，易于网络化控制等优点。相比传统执行机构本发明极大地提高了定位精度，并可长时间连续运行，自动适应单相或三相交流电源工况。
文档编号H02P27/06GK101113793SQ200710072540
公开日2008年1月30日 申请日期2007年7月20日 优先权日2007年7月20日
发明者刘大为, 吴凤江, 力 孙, 克 赵 申请人:力 孙