縫隙節(jié)流式電動閥門設計與控制技術研究

孫紫峰，卜義昭，鄂 威

（鞍山電磁閥有限責任公司，遼寧 鞍山 114300）

電動閥門雖然種類多樣，但是其工作原理基本類似，即通過電動執(zhí)行裝置將動力傳遞給控制元件的最終部件，從而完成閥門的調(diào)節(jié)控制?？p隙節(jié)流式電動閥門的流量不會受到閥門前后壓力差變化、油液粘度、油液溫度等因素的影響，因此在大流量時表現(xiàn)出較強的過流能力，在小流量時表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。電動閥門控制系統(tǒng)利用流量檢測機構獲取電動閥門的實時流量，然后根據(jù)頻率與流量的關系，生成指令調(diào)節(jié)縫隙式節(jié)流口的開度，使其保持穩(wěn)定狀態(tài)。

1 電動閥門節(jié)流口的流量特性分析

節(jié)流式電動閥門的工作原理是在單片機接收設定流量指令后，將流量指令轉變?yōu)榭刂菩盘?，通過直流電機、螺旋副等執(zhí)行元件調(diào)節(jié)節(jié)流口的開口大小，進而達到改變閥門出口流量的效果。其原理如圖1 所示。

圖1 電動閥門工作原理圖

其中，電動閥門節(jié)流口又可分成多種類型，比較常見的有偏心式、三角槽式、縫隙式等。偏心式節(jié)流口適用于小流量調(diào)節(jié)，但是在高壓情況下閥芯受到不平衡的徑向力，調(diào)節(jié)難度較大；縫隙式節(jié)流口在大流量時能保持較強的過流能力，在小流量時能表現(xiàn)很好的穩(wěn)定性，并且不容易堵塞、不受溫度影響，是目前綜合應用效果較好的一種電動閥門。

2 縫隙節(jié)流式電動閥門的結構設計

2.1 閥門機械機構設計

電動閥門的機械結構主要有閥芯、閥體、螺栓、密封圈、霍爾傳感器、葉輪式流量檢測機構等，整體呈圓筒狀。執(zhí)行機構為一個12 V 直流電機，由連接法蘭將電機與閥體連接起來。法蘭內(nèi)部核心裝置為螺旋副，螺旋副的絲桿經(jīng)由聯(lián)軸器與直流電機的伸出軸連接。當電機轉動時，會帶動絲桿一起轉動，絲桿再拉動閥芯移動，從而達到調(diào)節(jié)節(jié)流口開度的效果。電機正轉，則開口增加，流量增大；電機反轉，則開口減小，流量降低。連接法蘭上還安裝了防止閥芯自轉和判斷節(jié)流口開閉的導向桿。在閥門出液口安裝葉輪式流量檢測機構，由葉輪片和霍爾傳感器組成。通過傳感器輸出高低電平變化的脈沖可以監(jiān)測到當前節(jié)流口流量大小，并對比實際流量與設計流量的差值，生成調(diào)節(jié)指令使實際流量與設計流量達到一致。

2.2 流量檢測機構設計

葉輪轉速變化會引起霍爾傳感器電脈沖信號頻率的變化，基于這一原理設計流量檢測機構，其組成如圖2 所示。

圖2 葉輪式流量檢測結構圖

液體流經(jīng)葉輪時，會引起葉輪轉動，并且流量越大，轉速越快。葉輪轉動時，內(nèi)部的小磁體也隨之旋轉。高轉速情況下，磁體經(jīng)過霍爾開關的周期更短，因此霍爾開關發(fā)出的電脈沖信號頻率更高；反之亦然，流量與頻率成正比?；诖耍蓪纹瑱CI/O 連接霍爾開關，通過采集頻率信號即可推測出節(jié)流口流量的大小。假設流量與頻率的比值常數(shù)為K，則兩者之間存在如下關系：

上式中q表示瞬時流量，單位為L/s；f表示脈沖信號頻率，單位為Hz；常數(shù)K 的單位為次/L。

3 縫隙節(jié)流式電動閥門控制系統(tǒng)設計

3.1 硬件系統(tǒng)部分

電動閥門的硬件部分以單片機控制器為核心，具體功能元件包括直流電機驅(qū)動器、顯示器、數(shù)據(jù)采集器、閥門、監(jiān)測裝置等，硬件系統(tǒng)組成如圖3 所示。

圖3 電動閥門硬件系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)選擇C8051F000 單片機，執(zhí)行速度最高為20 MIPS，帶有一個12 位多通道ADC 和兩個24 位DAC，以及64k 的Flash 存儲器。單片機在接收前端傳感器反饋的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行處理、分析，然后按照既定程序生成指令，并將指令發(fā)送至前端執(zhí)行單元，調(diào)節(jié)流量大小。12 V 的直流電機通過配套的驅(qū)動器驅(qū)動運行，額定功率36 W，固定轉速250 r/min，調(diào)速范圍20~200 r/min，減速比7.5。液晶顯示器除了可以實時顯示當前流量、設定流量等基本參數(shù)外，還作為人機接口支持觸屏操作，方便工作人員進行手動控制。通過單獨或組合按鍵，可完成流量參數(shù)設定、輸入流量值修改、確認等操作。本系統(tǒng)中使用的4×4 矩陣式鍵盤，共有16個獨立按鍵，各按鍵的功能分配見表1。

表1 按鍵功能表

3.2 軟件系統(tǒng)部分

電動閥門的軟件系統(tǒng)采用IDE 開發(fā)環(huán)境，使用C語言編程。IDE 開發(fā)工具通過RS232 至JTAG 協(xié)議轉換模塊與單片機連接，可以實現(xiàn)對單片機系統(tǒng)的在線開發(fā)與調(diào)試，從而簡化了系統(tǒng)結構和降低了開發(fā)成本，軟件系統(tǒng)包括單片機控制主程序，以及流量采樣、直流電機控制等若干子程序，其結構組成如圖4 所示。

圖4 電動閥門軟件系統(tǒng)框圖

主程序負責對電動閥門進行控制，包括系統(tǒng)初始化、數(shù)字I/O 口分配、命令處理及輸出控制等。直流電機控制模塊主要負責調(diào)控電機運動方向和轉動速度。運動方向可通過改變電源正負極來實現(xiàn)，轉動速度則由供電電壓（V）、供電電流（i）、回路電阻（R）以及電勢系數(shù)（C）、勵磁磁通（Φ）5 項因素來決定，其公式：

結合式（2）可知，要想調(diào)節(jié)直流電機轉速，可通過改變供電電壓、回路電阻、勵磁磁通來實現(xiàn)。但是在實際中，改變回路總電阻會使得電機負載能力變差，而勵磁控制的實現(xiàn)難度較大，因此電壓調(diào)速成為簡便易行的方法。

流量采樣軟件設計中，主要利用霍爾開關傳感器完成對實時流量的采集。流量采樣流程：將定時器的計時周期設置為5 s，每隔5 s 測量一次5 s 內(nèi)的脈沖總數(shù)。計數(shù)器與定時器同步運行，初始值為0。執(zhí)行一個判斷程序“達到定時時間？”如果未達到設置時間，則繼續(xù)計數(shù)，直到滿足條件后，執(zhí)行一個中斷程序，此時定時器停止工作，讀取當前計數(shù)器的數(shù)值。將所得數(shù)據(jù)保存，并運行流量計算子程序，根據(jù)脈沖頻率計算出對應的流量，計算結果通過液晶顯示屏顯示出來。此時計數(shù)器清零，定時器復位，等待下一次流量采樣。

數(shù)據(jù)通信軟件設計中，利用單片機提供的異步串行通信接口UART0 完成。該通行串口兼具幀錯誤檢驗與硬件地址識別功能，并且支持數(shù)據(jù)同時收發(fā)，防止通信堵塞的問題。執(zhí)行TCP/IP 通信協(xié)議，串行波特率設置為9 600 bps，在滿足大流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A上，還能保證通信質(zhì)量。

4 縫隙節(jié)流式電動閥門流量參數(shù)標定實驗

4.1 流量與頻率的關聯(lián)性分析

在電動閥門的控制中，檢測閥體出口流量并將采集到的流量信號反饋給控制系統(tǒng)，由此形成閉環(huán)控制。因此測量閥體出口流量穩(wěn)定性也是判斷電動閥門控制效果的重要指標。理論上來說，流量（q）與霍爾開關輸出脈沖信號頻率（f）之間存在線性關系q=f/K（K 為流量常數(shù)），即流量的增加會導致輸出頻率的升高。但是在電動閥門運行中，由于受到自身工況、外部環(huán)境等因素的影響，兩者之間并非線性關系。假設兩者關系為二次曲線，可表示：

上式中K、K1、K2均為通過實驗確定的常數(shù)。

4.2 實驗方法

電動閥門流量參數(shù)標定實驗所用設備：功率為5 kW 的液壓泵，額定壓力8 MPa，額定流量15 L/min，作用是為系統(tǒng)提供液壓源；電磁流量計；壓力表；背壓閥和溢流閥。實驗步驟如下：將液壓泵關停，將所有設備按照實驗設計方案連接。安裝完畢后檢查各回路連接是否正確，液壓元件和軟管連接是否正常。經(jīng)確認不存在問題后，啟動液壓泵，同時手動調(diào)節(jié)溢流閥，觀察1#壓力表的示數(shù)，直到閥門進口壓力達到20 bar；手動調(diào)節(jié)背壓閥，觀察2#壓力表的示數(shù)，直到閥門出口壓力達到5 bar，維持進出口壓力差恒定。然后轉動絲桿，在閥門開口最小并且流量穩(wěn)定的情況下，觀察并記錄流量計上顯示的流量值?；魻栭_關脈沖數(shù)據(jù)上傳至電腦，從電腦軟件上記錄頻率。反向轉動10 圈絲桿，使閥門開口增加，按照上述方法再記錄一次流量和頻率值。重復上述步驟，直到閥門開口達到最大，整理所有數(shù)據(jù)。

4.3 實驗結果

本次實驗共獲得10 組流量與頻率數(shù)據(jù)，閥門開口最小時，記錄到的穩(wěn)定流量值為15.4 mL/s，此時頻率為2 Hz；閥門開口最大時，記錄到的穩(wěn)定流量值為201.1 mL/s，此時頻率為25 Hz。具體結果見表2。

表2 實驗測得流量與頻率數(shù)據(jù)表

對比表2 數(shù)據(jù)可知，實驗中流量與頻率之間并非線性關系，這不符合理想狀態(tài)，為此需要對上表數(shù)據(jù)做線性擬合處理。采用最小二乘法進行擬合，使q=Kf2+K1f+K2在f各處計算得到數(shù)據(jù)與實驗測得數(shù)據(jù)的差值最小，此時導數(shù)為0，即達到擬合目的。計算如下：

式中，q為實驗測得流量值，fi為實驗輸出頻率。將表2所得數(shù)據(jù)帶入公式后求得K=0.0058，K1=7.9980，K2=1.6074，故擬合后的流量與頻率公式可表示為：

參考式（5）計算出q1，并且與實測流量q進行對比，可以發(fā)現(xiàn)誤差在5%~10%之間，誤差較低，線性擬合較好，如圖5 所示。

圖5 流量與頻率數(shù)據(jù)線性擬合曲線

綜上，節(jié)流式電動閥門采用q=0.0058f2+7.998f+1.6074 對流量和頻率之間的關系進行標定，可以計算出任意頻率下對應的流量值，有助于進一步提升電動閥門的控制精度。

5 結束語

縫隙節(jié)流口電動閥門是將常規(guī)的偏心式、三角槽式節(jié)流口，改變成縫隙式，通過更改縫隙開口的大小來調(diào)節(jié)流量。由于縫隙節(jié)流口的特殊構造，油液通過節(jié)流口時不易堵塞、穩(wěn)定性好、過流能力強。考慮到電動閥門工作環(huán)境復雜，本文基于霍爾傳感器的流量檢測功能設計了電動閥門控制系統(tǒng)，根據(jù)流量與頻率的標定關系，利用傳感器實時監(jiān)測脈沖頻率，然后經(jīng)過PLC數(shù)據(jù)分析自動生成控制指令，調(diào)節(jié)縫隙節(jié)流口的開度，達到了調(diào)節(jié)和穩(wěn)定流量的目的，進一步增強了縫隙節(jié)流式電動閥門的工業(yè)應用價值。