一种具有转速闭环控制的电动阀门的制作方法

本实用新型属于可实现转速闭环控制的电动阀门，特别涉及一种在国产普通zjkv型电动阀门的硬件单元基础上进行改进的新型电动调节阀门。

背景技术：

国产普通zjkv型电动阀门是流程工业中负责流量调节的重要执行器，其定位精度对维持流体流量准确起到了决定性的作用。国产电动阀门由三相异步电机驱动，仅有80～100步的定位精度，对于0～90°的角行程阀门，100步就意味着每一个操作步长使阀芯转动0.9°，并且阀芯转动的角度完全由通电时间决定，无驱动转矩控制，执行器本体是一个开环控制系统，不能适应于两种物料的流量精确配比场合，将难以满足流程工业未来发展对流量控制的中高精度需求。

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，仅应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。因此，提升国产普通电动阀门的精度水平具有重要意义。

技术实现要素：

本实用新型在国产普通zjkv型电动阀门的硬件单元基础上，将异步电机更换为直流无刷电机，配置直流无刷电机的驱动控制电路，实现电动阀门的转速闭环控制，并且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。

本实用新型的技术方案是：一种可实现转速闭环控制的电动阀门，由单片机开发板、直流无刷电机、电机驱动器、圆柱齿轮减速箱、蜗轮蜗杆换向器、阀杆、阀芯、限位开关和阀体组成。所述直流无刷电机的输出轴依次连接圆柱齿轮减速箱、蜗杆蜗轮换向器，进而由阀杆带动阀芯转动；所述电机输出轴与首端圆柱齿轮为刚性连接，尾端圆柱齿轮与蜗杆为刚性连接，蜗轮与阀杆之间为刚性连接；所述定位控制系统包括单片机开发板、计算机、电机驱动器、直流无刷电机以及外围电路；所述开发板的输出端与电机驱动器的控制端口相连，计算机通过型号为u-485g的光电隔离转换器与驱动器进行通信；所述驱动器的输入端与直流无刷电机内置的霍尔元件信号线相连，驱动器的三相直流电压输出端口与直流无刷电机的电源端口相连。

进一步地，所述单片机开发板的型号为ly-f2。

进一步地，所述电动阀门经历加速、匀速、减速过程后产生的角位移就是目标转角；所述电动阀门经历加速过程后，立即进入减速过程，当减速为零时，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定位精度；所述最细操作角与阀芯在匀速阶段的转角之和刚好等于目标转角。

进一步地，所述电动阀门不必受限于驱动电机的额定转速，可根据执行时间来配置规定转速，具有一定的柔性调节功能，操作方法是利用型号为aqmd3605bls的电机驱动器来在配置电机的运行转速，即不同的执行时间对应不同的规定转速，电动阀门的执行时间越长，定位曲线的最细操作角值越大，对应电动阀门的定位精度越高，反之亦然。

进一步地，所述电动阀门的设计负载转矩为110n·m，选用直流无刷电机的型号为42bl50s03-230tr9，额定转矩为0.095n·m，转子轴与阀杆之间的减速比为1500:1，折算至转子轴的应受负载转矩为0.073n·m，为保留一定裕量，将该值放大18％，得到电机的额定负载转矩为0.086n·m。以转子输出轴为研究对象，不计阻尼转矩，加速度和驱动转矩之间的关系可表示为：

te＝tl+j*amax(1)

进一步地，所述公式(1)中，te——驱动转矩，tl——负载转矩，j——转动惯量，经查阅手册取j＝3.65kg·cm²，求得amax＝235.4rad/s²，为保护直流无刷电机以保留65％的裕量值为原则得出许用加速度am＝153.01rad/s²，作为电动阀运行的最大加速度。

进一步地，所设计电动阀的执行时间范围是100～400s，对应的阀芯转角都是1/4πrad，即阀芯最快能够在100s内按照速度预置曲线由全开到全关，最慢能够在400s内按照速度预置曲线由全开到全关。

进一步地，所述公式(2)中，i表示减速比，time表示执行时间。可求得当阀芯的执行时间为400s时，驱动电机的规定速度为2.94rad/s²，当阀芯的执行时间为100s时，驱动电机的规定速度为11.77rad/s。

进一步地，电动阀门的转速闭环控制基于atmega328p芯片来实现，具体为在arduinoide的编程环境中，用c语言进行算法的程序设计。需要说明的是，编程的目的在于令控制器按照转速闭环控制的需求根据输入的转速信号机械地执行直流无刷电机的转动控制，而不是说本实用新型有赖于方法的改进才能实现转速闭环控制的目的。

进一步地，所述单片机接收到dcs系统发来的流量调节信号，根据流量调节需求核算得到目标转角。

本实用新型的有益效果为：本实用新型在整体结构上与国产普通zjkv型电动阀门完全兼容，即在成本增加不多的前提下，仅将异步电机更换为直流无刷电机，并配置外围驱动控制电路，能够确保阀芯在动作过程中速度稳定且可调。本实用新型实现了电动阀门的转速闭环控制，与原来相比定位精度得到有效提高。另外，本实用新型在外观上具有独特的优点，由于控制单元的体积小，在电动阀门的工作过程中，可将控制板置入阀门的机罩内，在外观上实现机电控制一体化。

附图说明

图1为本实用新型电动阀门的结构示意图；

图2为本实用新型电动阀门的内部原理示意图；

图3为本实用新型电动阀门的闭环控制系统示意图；

图4为本实用新型电动阀门的控制回路方框图；

主要元件符号说明如下：1、直流无刷电机；2、圆柱齿轮；3、蜗轮蜗杆；4、阀轴；5、阀体；6、阀芯；

具体实施方式

为了更加清楚地描述本实用新型，现根据附图详细地对实现转速闭环控制的电动阀门作进一步描述。

一种具有转速闭环控制的电动阀门，涉及阀门本体结构和定位控制系统，由单片机开发板、直流无刷电机、电机驱动器、圆柱齿轮减速箱、蜗轮蜗杆换向器、阀杆、阀芯、限位开关和阀体组成。所述直流无刷电机的输出轴依次连接圆柱齿轮减速箱、蜗杆蜗轮换向器，进而由阀杆带动阀芯转动；所述电机输出轴与首端圆柱齿轮为刚性连接，尾端圆柱齿轮与蜗杆为刚性连接，蜗轮与阀杆之间为刚性连接；所述定位控制系统包括单片机开发板、计算机、电机驱动器、直流无刷电机以及外围电路；所述开发板的输出端与电机驱动器的控制端口相连，计算机通过光电隔离转换器与驱动器进行通信；所述驱动器的输入端与直流无刷电机内置的霍尔元件信号线相连，驱动器的三相直流电压输出端口与直流无刷电机的电源端口相连。

电动阀门可执行不同的规定转速；所述电动阀门经历加速、匀速、减速过程后产生的角位移就是目标转角；所述电动阀门经历加速过程后，立即进入减速过程，当减速为零时，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定位精度；所述最细操作角与阀芯在匀速阶段的转角之和刚好等于目标转角。

具体说明如下：

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

结合图1展示的阀门结构，图2说明了本实用新型电动阀门内部的基本原理，以角行程电动阀门为例，该角行程电动阀门可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展示了本实用新型电动阀门闭环控制系统的结构组成，图中sq1、sq2为全开限位和全关限位，in1、in2为开阀控制信号端和关阀控制信号端，hw、hu和hv为直流无刷电机的角位移检测端口，w、u和v为电机的供电端口。计算机作为主站，ly-f2作为从站，下载驱动程序ch341后，通过端口com3实现主站与从站的数据通讯，主站的信号线按照a-a、b-b的方式与驱动器进行rs485通讯相连。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。

图4为本实用新型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。所述速度设定就是五段s形定位曲线的具体时间分配结果，此处不再赘述。