一键自动调试系统的电液执行机构、其驱动方法以及该调试系统的调试方法与流程

本发明涉及电液执行机构步进电机驱动技术领域，特别涉及一种一键自动调试系统的电液执行机构、其驱动方法以及该调试系统的调试方法。

背景技术：

电液执行机构驱动方式包含手动驱动和电动驱动。手动驱动主要通过手动操作液压泵，将液压油送至液压缸推动齿轮齿条带动输出轴转动。电动驱动通过电机做功带动齿轮泵抽取液压油送至液压缸推动齿轮齿条带动输出轴转动。目前电液执行机构所用的电机主要为三相交流异步电机和伺服电机。三相交流异步电机通过开关管变频器变频来实现电机调速，但变频器故障率较高，采购和维护成本也高，对外电磁辐射大，难以胜任电磁干扰要求严格的工况现场。伺服电机因为是闭环控制，出现过冲会反转，有一定的动作延时。

此外，执行机构大多安装于工况环境复杂的户外现场，工作人员在执行机构现在安装完毕后，需对执行机构进行现场调试，工作人员长期暴露高温、高湿、烟尘或者寒冷的环境中、对身体会有较大的危害，在健康意识日益增长的现在，仪器的自动化水平急需极大的提升。

技术实现要素：

本发明针对以上问题，提供了一种结构简单、精度高的集成现场一键自动调试系统的电液执行机构及其驱动方法，以及该系统的调试方法。

本发明的技术方案是：一种基于大扭矩防爆步进电机的电液执行机构，包括大扭矩防爆步进电机、齿轮泵、单向阀一、手动阀一、液压缸、常开电磁阀、手动阀二、单向阀二、手动泵一、油箱一、油箱二、油箱三、齿轮齿条和弹簧，所述步进电机、齿轮泵、单向阀一、手动阀一、液压缸依次连接，所述齿轮泵与油箱一连接；

所述常开电磁阀、手动阀二和油箱二依次连接，所述常开电磁阀连接在单向阀一和手动阀一之间；

所述单向阀二、手动泵一和油箱三依次连接，所述单向阀二连接在手动阀一和液压缸之间；

所述弹簧设在液压缸内并且一端固定在液压缸上，所述齿条设在液压缸内并与弹簧的另一端连接，所述齿轮与齿条适配并伸出液压缸外。

还包括过滤器，所述过滤器设在油箱一和齿轮泵之间。

还包括溢流阀、压力传感器和油箱四，所述溢流阀设在齿轮泵和单向阀一之间，所述压力传感器设在单向阀一和手动阀一之间。

还包括控制器，所述控制器与步进电机连接。

一种基于大扭矩防爆步进电机的电液执行机构的驱动方法，包括如下步骤：

1）、通电后常开电磁阀关闭，控制器控制大扭矩步进电机转动，带动齿轮泵抽取油箱一的液压油经过过滤器过滤油中的部分杂质后进入单向阀一，液压油通过单向阀一后进入常开的手动阀一，最后进入液压缸开向运动带动齿轮齿条开向转动从而带动输出轴开阀，同时压紧蓄力弹簧；

2）、操作手动泵抽取油箱三中的液压油进入单向阀二，最后进入液压缸开向运动带动齿轮齿条开向转动从而带动输出轴开阀，同时压紧蓄力弹簧；

3）、常开电磁阀打开，手动阀二，蓄力弹簧由于缺乏油压而瞬间展开，推动液压缸关向运动，带动齿轮齿条关向转动从而带动输出轴关阀。

所述步骤1）中压力传感器监测油路中的压力，溢流阀在压力超出正常值时自动打开卸油，将液压油引流至油箱四，在压力在正常值时溢流阀自动关闭。

一种集成现场一键自动调试系统的调试方法，包括如下步骤：一键调试系统运行后先进行自检，读取电液执行机构的基本信息，自检成功后自动判断需要调试的功能并根据现场电液执行机构中的阀门的情况进行自动调试，需调试的功能如下：阀位行程标定、4-20mA电流反馈检测和标定、4-20mA电流输入的标定、远方操作检测、6路信号继电器检测，待调试完毕后发送完成调试信号并交出控制权自动返回给电液执行机构的控制器。

所述阀位行程标定方法为：主CPU板组件通过对电液执行机构自动进行开阀操作，配合力矩传感器的信号判断开到位阀位值；同理关阀操作后得到关到位的阀位值，记录开到位和关到位的阀位值，即阀位标定完毕。

本发明的有益效果是：利用大扭矩步进电机的控制算法简单成熟、可靠及控制精度足够高的优点实现电液执行机构的驱动， 另外，整个电液执行机构采用模块化的功能布局、结构设计合理，为整个电液执行机构的驱动创造良好的条件。。步进电机的转速和停止位置不受负载变化的影响，只取决于脉冲信号频率的脉冲数，因此可以通过控制脉冲的输出个数控制步进电机的角位移，从而准确定位；通过控制脉冲频率随时控制步进电机的转速。另外步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性，较三相交流异步电机相比无需制动装置；步进电机在转矩满足的情况下要比伺服电机成本低。因此将防爆大扭矩步进电机应用于电液执行机构的驱动部件不仅满足工业现场工况的要求，同时也极大的提高了电液执行机构自动化控制精度和控制水平。

电液执行机构一键自动调试系统采用模块化设计，独立于主系统，智能化程度高，现场调试时取得主系统控制权，能够自动根据每个电液执行机构的型号进行判断需调试的项目，能够自动根据每个阀门的特性进行阀位等其他功能的标定或调试，极大的提高了电液执行机构的现场调试效率，无需人工参与，远程可实时无线监控调试过程。现场自动调试完成后，主系统重新获得控制权，一键调试系统不再产生任何影响，安全可靠。集成一键调试系统功能的执行机构将是未来执行机构智能化的一种发展趋势。

附图说明

图1是本发明实施例的电液执行机构液压油路图，

图2是本发明实施例的步进电机驱动部分结构图，

图3是本发明实施例的液压缸部分结构图，

图4是本发明实施例的电液执行机构结构示意图，

图5是本发明中一键自动调试系统的工作流程图；

图中1是步进电机，2是齿轮泵，3是单向阀一，4是手动阀一，5是液压缸，6是常开电磁阀，7是手动阀二，8是单向阀二，9是手动泵一，10是油箱一，11是油箱二，12是油箱三，13是齿轮齿条，14是弹簧，15是过滤器，16是溢流阀，17是压力传感器，18是油箱四。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。

如图1所示，本发明的一键自动调试系统的电液执行机构，包括大扭矩防爆步进电机1、齿轮泵2、单向阀一3、手动阀一4、液压缸5、常开电磁阀6、手动阀二7、单向阀二8、手动泵一9、油箱一10、油箱二11、油箱三12、齿轮齿条13和弹簧14，所述步进电机1、齿轮泵2、单向阀一3、手动阀一4、液压缸5依次连接，所述齿轮泵2与油箱一10连接；

所述常开电磁阀6、手动阀二7和油箱二11依次连接，所述常开电磁阀6连接在单向阀一3和手动阀一4之间；

所述单向阀二8、手动泵一9和油箱三12依次连接，所述单向阀二8连接在手动阀一4和液压缸5之间；

所述弹簧14设在液压缸5内并且一端固定在液压缸5上，所述齿条设在液压缸内并与弹簧14的另一端连接，所述齿轮与齿条适配并伸出液压缸5外。

还包括过滤器15，所述过滤器15设在油箱一10和齿轮泵2之间。

还包括溢流阀16，压力传感器17和油箱四18，所述溢流阀16设在齿轮泵2和单向阀一3之间，所述压力传感器17设在单向阀一3和手动阀一4之间。

还包括控制器，所述控制器与步进电机连接。

每个阀门上设有力矩传感器。

一键自动调试系统的电液执行机构的驱动方法，包括如下步骤：

1）、如虚线油路：此时若需要电动开阀，即与液压缸相邻的弹簧腔中的蓄力弹簧未达到最大压缩态（阀门未开到位），通电后常开电磁阀关闭，控制器控制大扭矩步进电机转动，带动齿轮泵抽取油箱一的液压油经过过滤器过滤油中的部分杂质后进入单向阀一，液压油通过单向阀一后进入常开的手动阀一，最后进入液压缸开向运动带动齿轮齿条开向转动从而带动输出轴开阀，同时压紧蓄力弹簧；油路中单向阀液压油的流向只能沿虚线的方向，手动阀为常开，压力传感器监测油路中的压力，溢流阀在压力超出正常值（如0.8-1MPa）时自动打开卸油，将液压油引流至油箱四，在压力在正常值时溢流阀自动关闭。

2）、虚线油路：此时若需要手动开阀，即与液压缸相邻的弹簧腔中的蓄力弹簧未达到最大压缩态（阀门未开到位），通电后常开电磁阀关闭，操作手动泵抽取油箱三中的液压油进入单向阀二，最后进入液压缸开向运动带动齿轮齿条开向转动从而带动输出轴开阀，同时压紧蓄力弹簧；油路中单向阀二液压油的流向只能沿虚线的方向。

3）、虚线油路：此时若需要关阀，常开电磁阀打开，手动阀二，蓄力弹簧由于缺乏油压而瞬间展开，推动液压缸关向运动，带动齿轮齿条关向转动从而带动输出轴关阀。

实施例中，所述基于大扭矩防爆步进电机的电液执行机构驱动方法包括以下结构：步进电机传动部分、电气控制部分和液压缸动力输出部分。

如图2所示，所述的步进电机传动部分主要包含：隔爆大扭矩步进电机部件、隔爆轴套、轴部件、油箱一、齿轮泵、液压阀块（油路）和手动阀块等部件。

实施例中，所述的隔爆大扭矩步进电机部件9用正确的步进电机规格和型号，在扭矩相同的条件下，步进电机结构小，重量轻，且由于技术水平和生产工艺的不断提高，步进电机9的扭矩等级已达到工业控制现场的要求。根据脉冲信号运动，不会出现延迟的情况，跟踪特性较好。配合变频驱动器使用后，需设置的参数少，且设置简单，一般只需设置电流和细分。

如图3所示，所述的液压缸动力输出部分主要包含：齿轮齿条、液压缸筒、弹簧腔端盖、液压缸端盖等部件等部件。

实施例中，所述的电动（或手动）状态下开阀操作，通过电动（或手动），使液压油进入液压缸推动齿条运动，齿条带动齿轮转动，从而带动输出轴转动，同时压紧蓄力弹簧；关阀时由于蓄力弹簧发力，导致齿条齿轮和输出轴反向运动，实现关阀操作。

如图4 所示，所述的电气控制部分主要包含：步进电机变频驱动模块、控制组件、操作面板部件、接线罩盖等部件。

根据本发明实施例的一键自动调试系统的电液执行机构驱动方法，能够有效解决三相异步电机和伺服电机驱动方法的缺点。硬件电路结构简单，无需制动电路和相应的制动算法，专家PID软件算法效率高、可靠性强、定位精准，该驱动方法成本低、故障率低且易维护。大扭矩以及防爆的特性能够适应绝大多数复杂工况现场的控制需求和环境需求，是电液执行机构首选的一种高效、可靠的驱动方法。

实施例中，所述的步进电机变频驱动模块采用独立的CPU运行专家PID步进电机驱动算法、独立的电源转换电路， 通过UART串行接口接受控制组件主CPU的控制命令，以及进行数据交换。

实施例中，所述的控制组件包含电液执行机构主CPU板组件，继电器板组件，PROFIBUS总线板组件。主CPU板组件负责整个电液执行机构系统的调度，继电器板负责故障反馈及信号转换等，PROFIBUS总线板组件配备独立CPU运算PROFIBUS算法，通过SPI串口与主板通讯数据。

实施例中，所述的操作面板部件包含独立的CPU控制芯片，运行TFT320*240彩色显示屏驱动算法驱动显示系统运行各参数的状态。

所述的主系统通过专用接口与一键调试系统进行控制及数据交换。

如图5所示，包括如下步骤：一键调试系统运行后先进行自检，检查执行机构是开关型还是调节型，检测执行机构力矩是否已标定，读取电液执行机构的基本信息（包括电机旋向，最大控制转矩值，阀位开到位和关到位值等），自检成功后自动判断需要调试的功能并根据现场电液执行机构中的阀门的情况进行自动调试，需调试的功能如下：阀位行程标定、4-20mA电流反馈检测和标定、4-20mA电流输入的标定、远方操作检测、6路信号继电器检测，待调试完毕后发送完成调试信号并交出控制权自动返回给电液执行机构的控制器。

如果是开关型执行机构，则不需要调试4-20ma输入的标定，调节型则需要调试该功能；如果是总线型执行机构则需要调试总线功能，如profibus总线。阀位标定：电液执行机构自动运行到开到位，此时转矩为最大控制转矩的30%时停止，记录此时开到位的值，同理关到位的值也如此。4-20mA电流反馈标定：分别标定4mA，8mA，12mA，16mA，20mA，在阀位从0%运行至100%或100%运行至0%时，检测0%对应4mA，25%对应8mA，50%对应12mA，75%对应16 mA，100%对应20mA；远方操作电路：通过对远方操作电路发送开关信号，检测阀位是否变化从而检测远方操作电路是否正常工作；6路信号继电器检测：一键自动调试系统向6路信号继电器发送闭合指令，检测每路继电器是否能正常闭合），待调试完毕后发送完成调试信号并交出控制权自动返回给电液执行机构的控制器。

一键调试系统除包含基本的自动检测、判断和根据现场阀门自动调试的功能之外，还包含WIFI和GPRS数据传输功能，可以远程在线监控现场的调试信息。一键自动调试系统采用模块化设计，独立于主系统，智能化程度高，现场调试时取得主系统控制权，能够自动根据每个电液执行机构的型号进行判断需调试的项目，能够自动根据每个阀门的特性进行阀位等其他功能的标定或调试，极大的提高了电液执行机构的现场调试效率，无需人工参与，远程可实时无线监控调试过程。现场自动调试完成后，主系统重新获得控制权，一键调试系统不再产生任何影响，安全可靠。集成一键调试系统功能的执行机构将是未来执行机构智能化的一种发展趋势。