一种基于步进电机的流量控制阀伺服机构及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及以使用电装置为特征的流量控制或调节系统，尤其涉及一种专门适用于手动或电动-手动联合操作针阀的、基于步进电机的流量控制阀伺服机构及其控制方法。
【背景技术】
[0002]调节阀又名控制阀，是组成工业自动化系统的重要环节，被称之为生产过程自动化的“手脚”。在工业自动化过程控制领域中，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变液体介质流量、压力、温度、液位等工艺参数的最终控制元件。调节阀按其功能和特性分为线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。由于针阀具备流体流量和阀门开度之间呈现近似线性关系的特征，因此被广泛地应用于流体流量控制场合。中国实用新型专利“一种流量调节的执行机构”(中国实用新型专利号:ZL200920016272.5授权公告号:CN201606559U)公开了一种由智能执行器和电动针阀组成的流量调节的执行机构，智能执行器的传动轴与电动针阀的阀杆连接。电动针阀装设在液体介质输送的管路中，控制系统通过阀体的传动轴带动阀杆，阀杆在阀体中直线运动，通过不同的阀杆截面积来控制流量。该技术方案通过设置在传动轴上的位置显示器标示传动轴移位置，不能准确提供控制单元所必需的阀门开度信号。
[0003]传统的调节阀通常采用“气动阀+电气阀门定位器+气源”的复杂方式，使用阀门定位器将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号，建立阀杆位移量与控制器输出信号之间的对应关系。但是，由于阀门定位器结构复杂，价格昂贵，不仅要增加控制系统的设备投资，结构复杂还使系统的可靠性下降。专利号为JP4221258的日本发明专利“控制阀”(日本专利公开号:JP2005-54954A)公开了一种步进电机驱动的控制阀，通过配有编码器的步进电机的正反转动，带动控制隔膜阀开关位置的升降体，操作阀门的开闭，该控制阀利用编码器检测隔膜阀关闭时步进电机的失步，通过增加额外的脉冲数补偿阀体的弹性恢复力。该技术方案是利用步进电机和滚珠丝杆实现对隔膜通断阀的精细控制，其目的是提高隔膜阀的密封性。由于隔膜阀受自身结构的限制不具备开度调节特性，该技术方案主要适用于流体的通断控制，完全没有涉及阀门的开度控制和流量调节技术。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于步进电机的流量控制阀伺服机构，利用与步进电机同轴连接的编码器进行开度反馈，解决针阀精确定位和开度控制的技术问题。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:
[0005]—种基于步进电机的流量控制阀伺服机构，在流体流量调节系统中用于针阀的开度控制，所述的流量控制阀伺服机构包括步进电机，联轴装置，编码器和控制单元；其特征在于:步进电机的电机轴前端，通过所述的联轴装置连接到针阀，步进电机的电机轴尾端连接到所述的编码器；所述的控制单元根据开度编码脉冲数和开度系数，确定针阀的当前开度，并且利用编码器检测步进电机的失步，判断针阀的行程终点；当针阀旋转到完全关闭位置时，所述的控制单元自动校正针阀的开度零点；当针阀旋转到最大开度位置时，所述的控制单元自动修正所述的开度系数。
[0006]本发明的基于步进电机的流量控制阀伺服机构的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的联轴装置包括固定件和套筒与手柄组成的联轴节；步进电机通过固定件与针阀连接；套筒固定连接到电机轴前端，手柄固定在阀杆轴上；套筒内壁的滑槽与手柄外周的凸块啮合，将步进电机的转矩传递给针阀；套筒与手柄滑动配合，补偿针阀的轴向行程。
[0007]本发明的另一个目的是提供一种用于上述流量控制阀伺服机构的控制方法，利用计算机程序判断步进电机失步和阀门行程，实现阀门开度的零点校正和阀门开度系数的修正。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:
[0008]—种用于上述基于步进电机的流量控制阀伺服机构的控制方法，其特征在于包括以下步骤:
[0009]S100:配置针阀初始参数，所述的针阀初始参数包括开度系数KDc，调节精度给定值ADz，行程终点判定值EPs和最大开度设定值KDm ；
[0010]S200:进入调节循环，等待操作指令，接收阀门开度给定值KDs ；
[0011]S210:根据开度编码脉冲数PEa计算当前阀门开度KD = PEa/KDc ;
[0012]S220:根据当前阀门开度KD和开度给定值KDs，计算开度偏差KDd = KDs-KD ;若KDd|>ADz，转步骤S230，否则，返回调节循环入口 S200 ；
[0013]S230:根据开度偏差KDd和开度系数KDc，确定驱动脉冲数DPc = KDd*KDc ;按照驱动脉冲数DPc发送驱动脉冲给步进电机；
[0014]S300:接收并记录编码器本调节循环内返回的返回脉冲数PEd ;
[0015]S310:根据返回脉冲数PEd，计算并保存新的开度编码脉冲数PEa = PEa+PEd ;
[0016]S320:比较返回脉冲数PEd和驱动脉冲数DPc，计算失步脉冲数PCd= DPc-PEd ；
[0017]S400:进行针阀行程终点判断，若失步脉冲数PCd>EPs，判定针阀旋转到行程终点，转步骤S410 ;否则返回调节循环入口 S200 ;
[0018]S410:根据开度偏差KDd判断阀门调节方向，若KDd〈0，转步骤S420，否则，转步骤S430 ；
[0019]S420:判定针阀旋转到完全关闭位置，中断发送驱动脉冲，停止步进电机的工作；校正阀门开度零点，令开度编码脉冲数PEa = 0，退出调节循环，返回步骤S100 ;
[0020]S430:判定针阀旋转到最大开度位置，中断发送驱动脉冲，停止步进电机的工作；根据公式KDc = PEa/KDm修正阀门开度系数KDc，退出调节循环，返回步骤S100。
[0021]本发明的基于步进电机的流量控制阀伺服机构的控制方法的一种较佳的技术方案，其特征在于步骤S100所配置的初始参数还包括偏差超限报警值ALs ;在步骤S400和调节循环入口 S200之间，还包括以下偏差超限报警的动作:
[0022]S500:进行偏差超限报警判断，若失步脉冲数PCd>ALs，转步骤S510，否则返回调节循环入口 S200 ；
[0023]S510:发出偏差超限报警信息，返回调节循环入口 S200。
[0024]本发明的基于步进电机的流量控制阀伺服机构的控制方法的一种更好的技术方案，其特征在于所述的步骤S100包括以下执行针阀初始参数自适应配置的动作:
[0025]S110:令开度偏差KDd = _l，PCd = 0，PEd = 0，连续发送驱动脉冲给步进电机；累计并比较驱动脉冲数DPc和返回脉冲数PEd，直到失步脉冲数PCd = DPc-PEd>EPs，中断发送驱动脉冲，停止步进电机的工作；
[0026]S120:令开度偏差KDd = 1，PCd = 0，PEd = 0，连续发送驱动脉冲给步进电机；累计并比较驱动脉冲数DPc和返回脉冲数PEd，直到失步脉冲数PCd = DPc-PEd>EPs，中断发送驱动脉冲，停止步进电机的工作；
[0027]S130:根据返回脉冲数PEd，确定阀门开度系数KDc = PEd/KDm ;
[0028]S140:令开度偏差KDd = _1，连续发送驱动脉冲给步进电机；累计并比较驱动脉冲数DPc和返回脉冲数PEd，直到失步脉冲数PCd = DPc-PEd>EPs，中断发送驱动脉冲，停止步进电机的工作，令开度编码脉冲数PEa = 0。
[0029]本发明的基于步进电机的流量控制阀伺服机构的控制方法的一种优选的技术方案，其特征在于所述的步骤S100包括以下配置偏差超限报警值ALs的动作:
[0030]S150:根据公式ALs = KDc*KDm*MAd，确定偏差超限报警值ALs，其中，MAd为针阀的最大允许偏差；
[0031]在步骤S400和调节循环入口 S200之间，还包括以下偏差超限报警的动作:
[0032]S500:进行偏差超限报警判断，若失步脉冲数PCd>ALs，转步骤S510，否则