一种可实现误差补偿控制的电动阀门及其工作方法与流程

本发明属于具有误差补偿控制功能的电动阀门，特别涉及一种在国产普通zjkv型电动阀门的基础上改进的新型电动阀门。

背景技术：

国产普通电动阀门广泛应用于流程工业中的流量调节过程，其定位精度对维持流体流量准确起到了决定性的作用。普通电动阀门本体属于开环控制，由三相异步电机驱动，阀芯的转角由通电时间决定，该类电动阀门仅有1/100的定位精度，能够满足单回路控制的流量调节需求。但是，对于两种或两种以上物料的流量配比过程，比如饮料制备、纸浆配制等等，实践证明往往需要1/500的精度才能够满足生产要求，故zjkv型电动阀门难以胜任。与之相比，国外metro、btg公司生产的电动阀门具有15000～20000步的精度，仅用于高精度需求的专用场合，其价格昂贵不适合普及应用，如dn125的高精度阀门单台售价在18～20万元之间，令国内诸多企业望而却步。目前，市场上尚无技术和经济指标都合适的中间产品，不能够较好地满足流程工业中流量调节的需求。因此，提升国产普通zjkv型电动阀门的精度水平具有重要的意义。

因为主动齿轮和从动齿轮之间肯定存在一定的间隙，所以在正转后变换成反转的时候，在一定的角度内，尽管主动齿轮转动，但是从动齿轮还要等间隙消除以后才能带动阀杆运动。在高精度阀门控制中，反向间隙是阀门控制过程中不可避免的误差因素。因此，如何消除或补偿反向间隙是阀门高精度控制必须克服的技术问题。

技术实现要素：

本发明在国产zjkv电动阀门的硬件基础上，将异步电机更换为直流无刷电机，配置直流无刷电机驱动控制电路，包含梯形定位曲线，在阀杆处加装光电编码器，用于实验室标定电动阀门的传动系统机械间隙，能够将控制单元嵌入电动阀门的机罩内，在外观上实现机电控制一体化。

一种具有误差补偿控制功能的电动阀门，包括直流无刷电机，其输出轴通过减速器连接阀芯。转子转角检测装置安装在直流无刷电机上，当直流无刷电机工作时检测转子的角位移或转速。阀芯转角检测装置安装在阀杆上，当直流无刷电机工作时检测阀杆的角位移或转速，由于阀芯与阀杆相连接，阀杆的角位移或转速即为阀芯的角位移或转速。控制器，其输入端分别连接转子转角检测装置、阀芯转角检测装置，其输出端连接直流无刷电机的输入端。控制器根据其接收到的转子转角检测装置及阀芯转角检测装置输出信号计算反向间隙。

所述反向间隙既是转子与阀芯的角位移的差值。

本发明提供的直流无刷电机可按如下方式进行工作：执行阀芯转动动作前，控制器首先判断目标角位移与上一次角位移方向是否相同。若相同，则判定不存在反向间隙，直接执行阀芯转动。若不同，则补偿反向间隙并执行阀芯转动。

补偿反向间隙时，延长直流无刷电机通电时间，令阀芯的在延长时段内应当产生的角位移恰等于反向间隙，此时可认为转子的反向旋转恰好消除了反向间隙。

进一步地，转子转角检测装置、阀芯转角检测装置为霍尔元件或旋转编码器。实施例中采用霍尔元件检测转子角位移(或转速)，采用旋转编码器检测阀芯角位移(或转速)。

具体方案为：一种具有误差补偿控制功能的电动阀门，由直流无刷电机、电机驱动器、控制器、限位开关、光电编码器、圆柱齿轮、蜗轮蜗杆、阀杆、阀芯和阀体组成，其特征是：所述直流无刷电机安装于电机槽，输出轴按顺序依次连接圆柱齿轮、蜗杆、蜗轮、阀杆，由阀杆同步带动阀芯；所述直流无刷电机内部霍尔传感器的输出信号线与电机驱动器的输入端口相连；所述光电编码器的输出信号线与控制器的输入端口相连，光电编码器在阀门工作状态下不安装；所述控制器的输出端连接电机驱动器的控制信号端，电机驱动器的输出电源端连接直流无刷电机的电源线。基于atmega328p芯片来实现梯形定位算法，在arduinoide的编程环境中用c语言进行算法的程序设计过程。

进一步地，所述直流无刷电机输出轴与1个圆柱齿轮固接，2个或以上的圆柱齿轮构成减速器的减速比为1500:1；所述蜗轮与阀杆固接，蜗轮与阀杆同步转动，阀杆的一端连接阀芯，另一端与光电编码器相连；所述光电编码器的输出端与1个圆柱齿轮固接，所述圆柱齿轮与另一个固接于阀杆处的圆柱齿轮啮合。

进一步地，所述梯形定位曲线描述阀芯的实际转动规律，当阀芯由静止以最大加速度开始转动，加速过程结束后立即以大小相同的加速度值进入减速过程，当阀芯减速为零时，阀芯所转过的角度就是最细操作角；所述最细操作角对应阀门的最高执行精度，最细操作角与阀芯在匀速阶段的转角之和等于目标转角。

进一步地，所述目标转角与梯形加减速定位曲线具有严格的对应关系，当阀芯反向转动时，目标转角必定会受到机械间隙的影响，产生回程误差，即存在一段仅直流无刷电机转子转动、而阀芯不转动的过程。

进一步地，所述电动阀门的回程误差由霍尔传感器、光电编码器和控制器三者配合标定，控制器通过计量阀芯反转时霍尔传感器与光电编码器所检测的角位移之差，获得电动阀门的回程误差数据，将其作为误差补偿控制的依据，在电动阀门正常工作状态下，不进行误差数据的更新，若要更新误差数据，需在实验室条件下给电动阀门加装光电编码器，控制器重新读入角位移计数值。

进一步地，所述控制器经过运算将霍尔传感器与光电编码器的两路模拟量输入信号统一量纲，调用判断回程间隙是否存在的中断子程序，记录前后连续两次电动阀门的开度调节方向，分别用数值0和1表示，当数值为0时说明电动阀门处于开阀状态，当数值为1时说明电动阀门处于关阀状态，当两者的差值为0时不需要对回程误差进行补偿，否则，控制器调用误差补偿控制子程序。

进一步地，将回程误差对应的转角与原来的目标转角相加，得到正确的目标转角，使得电动阀门在开阀或关阀的动作过程中，严格按照梯形加减速定位曲线运行。

综上所述，该电动阀门计算反向间隙的方法包括如下步骤：

令直流无刷电机运转并带动阀芯转动后终止；令直流无刷电机反向运转并带动阀芯转动；当直流无刷电机反向运转时，转子转角检测装置检测转子的角位移或转速，阀芯转角检测装置检测阀芯的角位移或转速；根据转子转角检测装置的检测信号及阀芯转角检测装置的检测信号计算反向间隙。

所述反向间隙为转子与阀芯的角位移的差值。

该电动阀门补偿反向间隙的工作方法包括如下步骤：

直流无刷电机执行阀芯转动动作前，首先判断目标角位移与上一次角位移方向是否相同？若相同，则判定不存在反向间隙，仅执行阀芯转动；若不同，则在执行阀芯转动时延长直流无刷电机通电时间，令阀芯在延长时段内应当产生的角位移恰等于反向间隙。

本发明的有益效果为：

新型电动阀门执行器与国产普通电动阀门在外观上完全兼容，保留了电动阀门原来的传动系统，仅仅将驱动电机由异步电机更换为直流无刷电机；根据直流无刷电机的机械特性，其输出转矩与转速之间为线性比例关系，能够确保阀芯的转角-时间的线性关系；通过配置电动阀门转角闭环控制系统，赋予其误差补偿的功能，并将梯形速度预置算法用于阀门的定位过程中，使得电动阀门的定位精度得到有效提高。本发明在外观上所具有的独特优点为：控制单元体积小，在实际使用过程中，可将控制板置入电动阀门的机罩内，在外观上实现机电控制一体化。

附图说明

图1为本发明电动阀门的结构组成示意图；

图2为本发明电动阀门的内部原理示意图；

图3为本发明电动阀门的闭环控制系统示意图；

图4为电动阀门的梯形加减速定位曲线示意图；

图5为本发明电动阀门的速度闭环控制回路方框图；

图6为本发明电动阀门的回程误差间隙示意图；

图7为本发明电动阀门的回程误差补偿控制策略流程图；

主要元件符号说明如下：1、机罩；2、电机凹槽；3、直流无刷电机；4、圆柱齿轮减速箱；5、蜗杆；6、蜗轮；7、限位开关；8、光电编码器；9、阀体；10、阀杆；11、阀芯；12、阀门管道。

具体实施方式

为了更加清楚地描述本发明，现根据附图详细地对实现转角闭环控制的电动阀门作进一步描述。

一种具有误差补偿控制功能的电动阀门，硬件单元由直流无刷电机、电机驱动器、控制器、限位开关、光电编码器、圆柱齿轮、蜗轮蜗杆、阀杆、阀芯和阀体组成。所述直流无刷电机安装于电机凹槽，直流无刷电机输出轴按顺序依次连接圆柱齿轮、蜗杆、蜗轮、阀杆，由阀杆同步带动阀芯；所述直流无刷电机内部霍尔传感器的输出信号线与电机驱动器的输入端口相连；所述光电编码器的输出信号线与控制器的输入端口相连，光电编码器在阀门工作状态下不安装；所述控制器的输出端连接电机驱动器的控制信号端，电机驱动器的输出电源端连接直流无刷电机的电源线。

所述直流无刷电机输出轴与1个圆柱齿轮固接，2个或以上的圆柱齿轮构成减速器的减速比为1500:1。

所述蜗轮与阀杆固接，蜗轮与阀杆同步转动，阀杆的一端连接阀芯，另一端与光电编码器相连。

所述光电编码器的输出端与1个圆柱齿轮固接，所述圆柱齿轮与另一个固接于阀杆处的圆柱齿轮啮合。

所述控制器经过运算将霍尔传感器与光电编码器的两路模拟量输入信号统一量纲，调用判断回程间隙是否存在的中断子程序。

所述控制器记录前后连续两次电动阀门的开度调节方向，分别用数值0和1表示，当数值为0时说明电动阀门处于开阀状态，当数值为1时说明电动阀门处于关阀状态。

所述控制器将前后两次描述阀芯动作方向的数值做差，当两者的差值为0时不需要对回程误差进行补偿，否则，控制器调用误差补偿控制子程序。

所述电动阀门的回程误差由霍尔传感器、光电编码器和控制器三者配合标定，控制器通过计量阀芯反转时霍尔传感器与光电编码器所检测的角位移之差，获得电动阀门的回程误差数据，将其作为误差补偿控制的依据，在电动阀门正常工作状态下，不进行误差数据的更新，若要更新误差数据，需在实验室条件下给电动阀门加装光电编码器，控制器重新读入角位移计数值。

具体说明如下：

图1显示了本发明电动阀门的结构组成，采用直流无刷电机3作为驱动源，以圆柱齿轮箱4作为减速器，通过蜗轮蜗杆机(5、6)构实现换向功能，具体为：所述直流无刷电机3的转子输出轴连接圆柱齿轮减速器4，所述圆柱齿轮末端的中心与蜗杆5刚性固接在一起，成为同轴，电机3转轴经圆柱齿轮4减速、蜗轮6蜗杆5增矩后，将动力传输至阀杆10，最终由阀杆10带动阀芯11完成转动。当阀杆10正转或反转抵触至限位开关7所指定的位置时，说明此刻阀芯11已经转动至全开或全关的极限位置，电动阀门会自动断电，实现对阀芯11的保护功能。

结合图1展示的阀门结构，图2说明了本发明电动阀门内部的基本原理，以角行程电动阀门为例，该阀门将直流无刷电机输出轴的圆周运动形式变换为阀芯在0～90°范围内的转角运动形式。所述直流无刷电机的机械特性对阀芯的定位性能具有主导影响，对电机的控制能够在一定程度上提升电动阀门的定位精度。

图3展示了本发明电动阀门闭环控制系统的结构组成，在硬件设计方面，采用型号为ly-f2的开发板作为主控制器，所述开发板具有14个数字i/o引脚和6个模拟输入引脚，采用型号为atmega328p的控制芯片，所述芯片的时钟频率可达到16mhz。所述直流无刷电机驱动器的型号为aqmd3605bls，支持转子速度闭环控制模式，并配置型号为u-485g的光电隔离转换器，实现rs485通讯以学习电机的详细参数。在供电系统方面，采用模块分区供电方式，所述ly-f2开发板由独立电源或计算机提供7～9v输入电压，所述电机驱动器采用开关电源提供24v输入电压。在程序设计方面，基于一台处理器为intel(r)core(tm)i5-4200cpu@1.60hz2.30ghz的计算机，下载兼容版本的ide编程软件，并安装usb转串口驱动程序ch341，通过端口com3进行数据通讯，将程序烧写至单片机并实现永久保存，控制器上电后，会直接进入程序执行状态，如需更改程序，必须再次通过端口通讯，将更新后的程序下载至单片机。所述阀门控制系统具有实时监控电动阀门开关状态的功能。

图4为电动阀门的梯形加减速定位曲线，所述速度曲线含包匀加速、匀速和匀减速过程，能够较为完整地描述阀芯的整个运动特征，所述加速过程的加速度与减速过程的加速度在数值上大小相等，方向相反，所述加减速过程的耗用时间相同，在所述梯形加减速曲线中，速度与时间的关系为：

当直流无刷电机的转子由加速过程达到规定转速后，不进行匀速运动过程，直接进入减速阶段，转速降为零时阀芯所产生的角位移叫做阀门的最细操作角，所述最细操作角越小，说明电动阀门转角的细分程度越高、阀芯动作越精细，确定最细操作角的方法就是增大加速度值、减小加速和减速过程的耗用时间。所述直流无刷电机具有无级调速功能，意味着在梯形速度曲线中，速度的最大值可以通过驱动器来设定，所述加速度不能超过直流无刷电机正常应用情况下的许用加速度值，当加速度保持许用值时，转子经历加速、减速过程的耗用时间是最短的，即阀芯所转过的角位移就是电动阀门的最细操作角。

图5为本发明电动阀门的速度闭环控制回路方框图，所述直流无刷电机工作于速度调节模式下，所述控制回路采取转速-电流串级负反馈调节，绕组电流控制回路作为内环，转速控制回路作为外环，并将阀芯位置信号作为输出，通过pwm调节功率管的顺序导通，改变定子绕组的电流值、调节驱动转矩，进而达到调速目的，以期阀芯在任意时刻的转速维持在速度设定值上。所述速度设定就是梯形速度曲线的具体时间分配结果，此处不再赘述。

图6说明了本发明电动阀门的传动系统间隙。在动力传送的过程中，驱动电机和传动部件之间、传动部件之间、传动部件与截流阀芯之间不可避免地存在机械间隙，尤为常见的是齿轮啮合过程中的机械间隙。当执行器正向转动时，阀芯定位精度往往不受传动机械间隙的影响，因为在连续两次及以上有效正向转动后已经完全消除了机械间隙造成的正向误差；当执行机构反向转动时，编码器检测到的位置慢于实际的位置。所述机械误差产生于反向转动的瞬间，即只有主动齿轮转动，从动齿轮处于空档状态。所述回程误差的存在必定会造成电动阀门定位精度下降，需采取误差补偿策略消除该影响。

图7说明了本发明电动阀门的回程误差补偿控制策略流程，首先判断是否需要进行间隙补偿，分别用0和1的数值表示阀门的开度调节方向(开大或关小)，用当前阀门开度状态与上次阀门开度调节方向状态做差，当两者的差值为0时表示当前阀门开度状态与上次一致，不需要进行阀门机械传动间隙的补偿；当差值不为0(即-1或1)时，阀门当前开度方向与上次相反，需要进行机械传动间隙补偿，具体操作为：延长阀芯转动时间，且该部分所对应的补偿角等于齿轮之间的机械间隙值。