二维阀杆智能控制系统及控制方法与流程

本发明属于阀门控制技术领域，尤其涉及家用自来水阀门控制技术，具体涉及一种二维阀杆智能控制系统及控制方法。

背景技术：

人们通常使用阀门来掌控液体或气体的供给，而阀门的精确控制对提高产品或服务质量有直接的影响。直接手动控制阀门的手柄一般都具有旋转结构或推拉结构，但其旋转角度或推拉位移量与流量的关系通常是非线性的。这种非线性关系使用户手动精确控制流量或比例多有不便，用户体验较差。一般浴室水龙头水温和流量的控制就是典型二维阀杆控制问题，即一个手柄既控制总流量又控制冷热水流量比例，用户洗浴时调节水温和流量总是不太方便。现有技术一般都是通过设计特殊结构的阀门或水龙头来解决，在阀门或流道内设置多个传感器并连接控制电路。这类方法在理论上可以到达较好的效果，但问题在于实施成本较高。

因此，需要对现有技术进行改进。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种低成本的二维阀杆智能控制系统及控制方法，解决二维阀杆手动控制不方便的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种二维阀杆智能控制系统，用于控制比例阀，控制比例阀包括比例阀主体，比例阀主体上设置有阀控制杆，阀控制杆可以旋转及左右推拉，包括控制系统和连接装置；

所述连接装置包括底部开口的连接装置外壳，连接装置外壳内腔中设置有平板，平板中间位置设置有开孔，阀控制杆穿过平板的开孔；

所述第二执行电机与阀控制杆连接；所述第二执行电机滑动设置在弧形限位导轨上；所述弧形限位导轨位于阀控制杆正上方；

所述平板上表面设置有第一执行电机、从动轮、压紧轮和齿推杆；

所述第一执行电机的输出轴上设置有蜗杆传动方式的主动轮；

所述从动轮和压紧轮通过轮架设置在平板上；

所述主动轮和从动轮传动连接，从动轮和压紧轮之间设置有间隙，齿推杆穿过该间隙；

所述齿推杆与主动轮传动连接；所述推杆一端设置有小套环，小套环套接在大套环的凸轴上；

所述大套环套接在阀控制杆颈部；

所述控制系统包括用户交互面板、微控制器和电机驱动模块一和电机驱动模块二；

所述用户交互面板与微控制器信号连接；所述微控制器分别与电机驱动模块一和电机驱动模块二信号连接；所述电机驱动模块一和电机驱动模块二分别与第一执行电机和第二执行电机信号连接。

作为对本发明二维阀杆智能控制系统的改进：

所述主动轮的轴心水平设置且其侧面设置有螺纹槽；

所述从动轮的轴心竖直设置且其侧面设置有分别与主动轮配合使用的螺纹槽；

所述齿推杆在朝向从动轮的一侧面上设置有与从动轮配合使用的螺纹槽。

作为对本发明二维阀杆智能控制系统的改进：

所述连接装置外壳顶部设有用于通入电缆的顶部开口。

作为对本发明二维阀杆智能控制系统的改进：

所述阀控制杆顶部设置有花键，第二执行电机通过同轴减速齿轮组和输出轴套装在阀控制杆的花键上。

作为对本发明二维阀杆智能控制系统的改进：

所述弧形限位导轨的圆心在阀控制杆的总流量开度的轴心线上。

作为对本发明二维阀杆智能控制系统的改进：

所述推杆的一端为y型分叉，小套环的数量为两个，两个小套环分别设置在两个y型分叉末端上；

所述大套环两侧均设置有凸轴，两个小套环套设在两个凸轴上。

本发明还提供一种二维阀杆智能控制方法，包括以下步骤：

1)、启动第一执行电机，第一执行电机的输出轴带动主动轮转动，主动轮带动从动轮转动，从动轮带动齿推杆来回移动，再通过大套环带动阀控制杆在第一控制维度上来回运动，实现调整阀门总开度，运动时阀控制杆通过输出轴、花键和同轴减速齿轮组带动第二执行电机在弧形限位导轨上滑动；

2)、对第一控制维度内任一情况下的阀控制杆位置，第二执行电机的转轴转动时通过同轴减速齿轮组驱动阀控制杆在第二控制维度内自由转动，实现阀门的比例调节。

作为对本发明二维阀杆智能控制方法的改进：

所述控制系统还包括非易失性存储模块，非易失性存储模块分别与用户交互面板和微控制器信号连接；所述增加非易失性存储模块用于记录用户习惯；

所述微控制器能读取非易失性存储模块中的用户习惯，控制第一执行电机和第二执行电机立即运行，把阀控制杆推送到设定位置。

作为对本发明二维阀杆智能控制方法的改进：

在水龙头开始工作时，微控制器驱动执行电机把阀控制杆移动到最快速排放热水管存留冷水的位置并开始计时，当时间达到获接近记下的用户设定前对应操作时间时再驱动阀控制杆到非易失性存储器设定中的位置；

微控制器记录被用户使用一段时间关停后的间歇时间，如果间歇时间较短，则控制器不执行热水管存留冷水快速排放子程序。

作为对本发明二维阀杆智能控制方法的改进：

控制系统还包括通信模块，所述系统可以向附近的同类系统或符合物联网标准的系统发送状态声明信息，对方收到此信息后应当在用户交互面板上给出提示信息。

本发明二维阀杆智能控制系统的技术优势为：

本发明能稳定温度和出水量，消除温度扰动时可减小流量。纯机械，好材料热胀冷缩，反应慢。双轴伸电机+电磁离合器(继电器)。

具体包括一下技术优势：

1、为二维阀杆比较精确、快速的手动控制提供技术支持，达到一键可得的易用程度。

2、以更少的功能部件来实现发明目的，提高系统的可靠性。

3、最大限度地降低生产厂商的实施成本，甚至可由第三方提供改装件给用户，因此实施本发明可以拓展市场，而不是争夺存量市场。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为比例阀主体3及其阀控制杆3-2的结构示意图；

图2(a)～(e)是为得到多种特定流量和比例时，阀控制杆3-2所需不同位置示意图；

图3为本发明二维阀杆智能控制系统的爆炸结构示意图；

图4为图3中控制系统1的模块示意图；

图5为实施例1中用户交互面板1-1的结构示意图；

图6为实施例2中用户交互面板1-1的结构示意图；

图7为本发明二维阀杆智能控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

比例阀包括比例阀主体3，比例阀主体3上设置有阀控制杆3-2，阀控制杆3-2顶部设置有花键3-1。

图1中阀控制杆3-2上面双端箭头曲线所示的阀控制杆3-2活动范围，可视作比例阀的总开度，称为第一控制维度，阀控制杆3-2可以朝着图1中的左右方向来回推拉；阀控制杆3-2左侧的双端箭头曲线表示在任一总开度条件下，阀控制杆3-2可以在垂直纸面的平面内双向旋转，用以调节比例，称为第二控制维度，即阀控制杆3-2可以旋转。

图2各子图为图1的顶视图以及因阀控制杆3-2位置变化的顶视图。

图2(a)表示阀控制杆3-2的第一控制维度处于第一极限位置时的顶视图，其中阀控制杆3-2的杆身露出了侧面，阀控制杆3-2为倾斜状态，阀控制杆3-2顶端有方向标记线5，当前为竖直方向，表示第二控制维度的比例为1:1。本例把图2(b)阀控制杆3-2所处位置假定为冷热水龙头的冷热阀门比例为1:1，且总开度为零。

图2(b)表示阀控制杆3-2第一控制维度处于第二极限位置时的顶视图，其中阀控制杆3-2的杆身露出了侧面，阀控制杆3-2为倾斜状态，阀控制杆3-2顶端有方向标记线5，当前为竖直方向，表示第二控制维度的比例为1:1。本例把图2(b)阀控制杆3-2所处位置假定为冷热水龙头的冷热阀门比例为1:1，且总开度为最大开度。

图2(c)表示阀控制杆3-2第一控制维度处于中间位置时的顶视图，其中阀控制杆3-2的杆身无侧面露出，杆身为竖直状态，阀控制杆3-2顶端有方向标记线5，当前为竖直方向，表示第二控制维度的比例为1:1。本例把图2(c)阀控制杆3-2所处位置假定为冷热水龙头的冷热阀门比例为1:1，且总开度为最大开度的一半。

图2(d)表示阀控制杆3-2第一控制维度处于中间位置时的顶视图，其中阀控制杆3-2的杆身无侧面露出，杆身为竖直状态，阀控制杆3-2顶端有方向标记线5，当前为左下至右上方向，表示第二控制维度的比例为左大右小。本例把图2(d)阀控制杆3-2所处位置假定为冷热水龙头的冷热阀门比例情况为热水阀门开度大于冷水阀门开度，且总开度最大开度的一半。

图2(e)表示阀控制杆3-2第一控制维度处于第二极限位置时的顶视图，其中阀控制杆3-2的杆身侧面露出，杆身为倾斜状态，阀控制杆3-2顶端有方向标记线5，当前为左上至右下方向，表示第二控制维度的比例为左小右大。本例把图2(e)阀控制杆3-2所处位置定义为冷热水龙头的冷热阀门比例为热水阀门开度小于冷水阀门开度，且总开度最大。

图3从上到下分为三个部分，其中比例阀主体3和阀腔4在下方构成比例阀，意为图1所示的比例阀主体3安装在阀腔4中，并通过密封件4-1和紧固件4-2固定位置。

实施例1、二维阀杆智能控制系统，如图1-5所示，包括控制系统1、连接装置2和比例阀。

连接装置2的连接装置外壳2-12为倒置桶型，连接装置2的连接装置外壳2-12内腔的上端桶底设有开口，可用以通入电缆，下端接近桶口位置设置有平板2-11，该平板2-11中间设置有开孔，开孔形状与大小应保证阀控制杆3-2能自由活动，阀控制杆3-2穿过平板2-11的开孔。平板2-11上用以安装第一执行电机2-9。

第二执行电机2-2及同轴减速齿轮组2-3可通过输出轴2-3-1套装在阀控制杆3-2的花键3-1上，输出轴2-3-1为空心且内壁设置有内花键。

第二执行电机2-2的顶部通过导轮或导靴安装在上端桶底的弧形限位导轨2-1，第二执行电机2-2可以在弧形限位导轨2-1上滑动，弧形限位导轨2-1的圆心在阀控制杆3-2在第一控制维度(总流量开度)来回转动的轴心线上，第二执行电机2-2的连接装置外壳2-12不能沿电机轴线转动，但可以跟随阀控制杆3-2在弧形导轨方向上即第一控制维度上移动。

第一执行电机2-9的输出轴上安装有蜗杆传动方式的主动轮2-8，主动轮2-8的轴心水平设置且其侧面设置有螺纹槽。从动轮2-7和压紧轮2-5通过轮架2-10固定在平板2-11上，从动轮2-7的轴心竖直设置且其侧面设置有与主动轮2-8配合使用的螺纹槽。从动轮2-7和压紧轮2-5之间设置有间隙，齿推杆2-6穿过该间隙，齿推杆2-6在朝向从动轮2-7的一侧面上设置有与从动轮2-7配合使用的螺纹槽。推杆2-6的另一端为y型分叉(未画出)，分叉末端连接有小套环，小套环套接在大套环2-4两侧的凸轴上，大套环2-4套接在阀控制杆3-2颈部，阀控制杆3-2穿过大套环2-4，阀控制杆3-2可在大套环2-4内转动，推杆2-6的小套环可沿其大套环2-4的凸轴转动。当第一执行电机2-9转动时通过蜗杆传动方式对阀杆在第一控制维度内自由移动，实现阀门总开度从关闭到全开变化。

在使用时，启动第一执行电机2-9，第一执行电机2-9的输出轴带动主动轮2-8转动，主动轮2-8带动从动轮2-7转动，从动轮2-7带动齿推杆2-6来回移动，再通过大套环2-4带动阀控制杆3-2在第一控制维度上来回运动，实现调整阀门总开度，运动时阀控制杆3-2通过输出轴2-3-1、花键3-1和同轴减速齿轮组2-3带动第二执行电机2-2在弧形限位导轨2-1上滑动。

对第一控制维度内任一情况下的阀控制杆3-2位置，第二执行电机2-2的转轴转动时通过同轴减速齿轮组2-3驱动阀控制杆3-2在第二控制维度内自由转动，实现阀门的比例调节。其中减速齿轮组2-3的支架与第二执行电机2-2固定在一起。

控制系统1通过密封装置与连接装置2进行机械连接，连接装置2通过通过密封件4-1和紧固件4-2与比例阀3机械连接。第一执行电机2-9和第二执行电机2-2需通过线缆与控制系统1中的电机驱动模块一1-3和电机驱动模块二1-4信号相连。

图3中的控制系统1的模块示意图如图4所示，控制系统1包括用户交互面板1-1、微控制器1-2和电机驱动模块一1-3和电机驱动模块二1-4。用户交互面板1-1与微控制器1-2信号连接，微控制器1-2分别与电机驱动模块一1-3和电机驱动模块二1-4信号连接，电机驱动模块一1-3和电机驱动模块二1-4分别与第一执行电机2-9和第二执行电机2-2信号连接。

用户交互面板1-1提供用户设置系统输出特性的途径，用户交互面板1-1与微控制器1-2连接。微控制器1-2处理用户输入与反馈，产生并发送控制信号到电机驱动模块一1-3和电机驱动模块二1-4。电机驱动模块一1-3和电机驱动模块二1-4接收微控制器1-2的命令，从而产生功率电压或电流输出到电机。电机为步进电机或伺服电机。电机与阀杆的连接装置决定了二维阀杆控制的有效性和便捷性。

用户交互面板1-1的设置建议如图5所示，包括流量增大键1-11、流量减小键1-13、温度降低键1-12和温度升高键1-14。

本实施例用四个按键(流量增大键1-11、流量减小键1-13、温度降低键1-12和温度升高键1-14)代替二维手柄，模拟二维手柄的用户操作，每一次按键操作均可使流量或温度小幅度且能被人体明显感受到变化，这样的设置可使用户较为准确而快速地调节水温和流量，避免使用机械手柄常常反复调节的不便。本实施例可以在原有普通冷热水龙的基础上改装，方法是把原机械手柄拆掉，把实施了本发明的产品，即图3中控制系统1和连接装置2安装在原阀杆和阀腔上即可。

实施例2：

如图6所示，本实施例与实施例1相比的重要区别是，在用户交互面板1-1上增加了一个或多个用户习惯设定按键1-15和相应的工作状态指示装置1-16，工作状态指示装置1-16可以是发光元件。为支持增加的按键实现用户习惯记忆，增加非易失性存储模块，非易失性存储模块与微控制器1-2信号连接。在微控制器1-2上还需要增加非易失性存储器的读写控制程序。用户在调节好合适的温度和流量后只需按下用户习惯设定按键1-15，增加非易失性存储模块就记住了这个流量和温度对应的阀门设定，下一次，用户只需再次按下相应的用户习惯设定按键1-15，微控制器1-2读取增加非易失性存储模块中的内容，控制第一执行电机2-9和第二执行电机2-2立即运行，把阀控制杆3-2推送到设定位置即可。

可见，本实施例能够更快捷地满足用户需求，达到一键可得的程度。

实施例3：

一般家庭中热水器出水口到水龙头总需要一段水管来连接，从打开热水龙头到水龙头出热水常常需要把热水管中存留的冷水排掉。在实施例2中虽然能够实现“一键可得”，但在水龙头出水达到设定的温度前，可能需要排掉比热水管存留冷水量更多的水，这就使得用户等待时间较长，也会导致水资源的浪费。因此，在不使用温度和流量传感器的情况下，本发明的控制器就应该也可以显得更加智能，即要记忆、分析用户按下设定键之前的操作序列以及各操作之间的间隔时间。

一般用户进入浴室总是希望尽快得到适宜的温度，所以在人们多年的使用习惯上，会调整手柄到第一控制维度第二极限位置且使手柄旋转到热水比例最大的位置，等到龙头出热水后马上再减小热水比例或流量直至水温和流量合适。其中，最快速度排放热水管中存留冷水所需的时间是本实施例的控制器应该特别注意并记忆、留用的。为了减小用户的等待时间和水资源的浪费，系统在执行一键可得功能(按下用户习惯设定按键1-15)的初期，微控制器1-2应该驱动执行电机把阀控制杆3-2移动到最快速排放热水管存留冷水的位置并开始计时，当时间达到获接近记下的用户设定前对应操作时间时再驱动阀控制杆3-2到非易失性存储器设定中的位置。

本实施例的微控制器1-2还需要记忆一种时间，就是它所控制的水龙头被用户使用一段时间关停后的间歇时间，如果间歇时间较短(比如2分钟之内)，则控制器不执行热水管存留冷水快速排放子程序。这样短的时间间隔被控制器理解为一位用户洗澡的间隙(比如使用洗发露或沐浴露时不必同时放水)，如果该用户再次打开水龙头时可能会因为频繁执行热水管存留冷水快速排放子程序而被纯热水烫着。另外，间歇时间较短还可以视为用户1用完后用户2接着用，两个用户的用水习惯可以不同也可以相同，用户2按下某个设定过的快速出水键时，热水管存留冷水快速排放子程序也不应该被执行。

可见本实施例能够在不使用传感器的情况下实现快速且安全的供水，成本更低，更多用户能够享受到高质量的供水服务。

实施例4：

本实施例在前述任一实施例的基础上，在控制电路中增加通信模块。当用户通过所述系统使用温水时，所述系统可以向附近的同类系统或符合物联网标准的系统发送状态声明信息，对方收到此信息后应当在用户交互面板1-1上给出提示信息。通过这样的设置，当有人在洗澡时就可以避免或减少被其他人开温水而导致的干扰，在天气寒冷时，这种状况会频繁出现且干扰效果更惊人。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。