孫紫峰，卜義昭，鄂 威

（鞍山電磁閥有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114300）

電動(dòng)閥門雖然種類多樣，但是其工作原理基本類似，即通過電動(dòng)執(zhí)行裝置將動(dòng)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(dòng)閥門的流量不會(huì)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(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的過流能力，在小流量時(shí)表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)利用流量檢測機(jī)構(gòu)獲取電動(dòng)閥門的實(shí)時(shí)流量，然后根據(jù)頻率與流量的關(guān)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(dòng)閥門節(jié)流口的流量特性分析

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

圖1 電動(dòng)閥門工作原理圖

其中，電動(dòng)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(shí)能保持較強(qiáng)的過流能力，在小流量時(shí)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(yīng)用效果較好的一種電動(dòng)閥門。

2 縫隙節(jié)流式電動(dòng)閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 閥門機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)閥門的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)等，整體呈圓筒狀。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一個(gè)12 V 直流電機(jī)，由連接法蘭將電機(jī)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(jī)的伸出軸連接。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)絲桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿再拉動(dòng)閥芯移動(dòng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)節(jié)流口開度的效果。電機(jī)正轉(zhuǎn)，則開口增加，流量增大；電機(jī)反轉(zhuǎn)，則開口減小，流量降低。連接法蘭上還安裝了防止閥芯自轉(zhuǎn)和判斷節(jié)流口開閉的導(dǎo)向桿。在閥門出液口安裝葉輪式流量檢測機(jī)構(gòu)，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(dāng)前節(jié)流口流量大小，并對比實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量的差值，生成調(diào)節(jié)指令使實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量達(dá)到一致。

2.2 流量檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉輪轉(zhuǎn)速變化會(huì)引起霍爾傳感器電脈沖信號頻率的變化，基于這一原理設(shè)計(jì)流量檢測機(jī)構(gòu)，其組成如圖2 所示。

圖2 葉輪式流量檢測結(jié)構(gòu)圖

液體流經(jīng)葉輪時(shí)，會(huì)引起葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并且流量越大，轉(zhuǎn)速越快。葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部的小磁體也隨之旋轉(zhuǎn)。高轉(zhuǎn)速情況下，磁體經(jīng)過霍爾開關(guān)的周期更短，因此霍爾開關(guān)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C(jī)I/O 連接霍爾開關(guān)，通過采集頻率信號即可推測出節(jié)流口流量的大小。假設(shè)流量與頻率的比值常數(shù)為K，則兩者之間存在如下關(guān)系：

上式中q表示瞬時(shí)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(dòng)閥門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)部分

電動(dòng)閥門的硬件部分以單片機(jī)控制器為核心，具體功能元件包括直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)閥門硬件系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)選擇C8051F000 單片機(jī)，執(zhí)行速度最高為20 MIPS，帶有一個(gè)12 位多通道ADC 和兩個(gè)24 位DAC，以及64k 的Flash 存儲(chǔ)器。單片機(jī)在接收前端傳感器反饋的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)通過配套的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，額定功率36 W，固定轉(zhuǎn)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(shí)時(shí)顯示當(dāng)前流量、設(shè)定流量等基本參數(shù)外，還作為人機(jī)接口支持觸屏操作，方便工作人員進(jìn)行手動(dòng)控制。通過單獨(dú)或組合按鍵，可完成流量參數(shù)設(shè)定、輸入流量值修改、確認(rèn)等操作。本系統(tǒng)中使用的4×4 矩陣式鍵盤，共有16個(gè)獨(dú)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(dòng)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(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)系統(tǒng)的在線開發(fā)與調(diào)試，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低了開發(fā)成本，軟件系統(tǒng)包括單片機(jī)控制主程序，以及流量采樣、直流電機(jī)控制等若干子程序，其結(jié)構(gòu)組成如圖4 所示。

圖4 電動(dòng)閥門軟件系統(tǒng)框圖

主程序負(fù)責(zé)對電動(dòng)閥門進(jìn)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(jī)控制模塊主要負(fù)責(zé)調(diào)控電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度。運(yùn)動(dòng)方向可通過改變電源正負(fù)極來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(lì)磁磁通（Φ）5 項(xiàng)因素來決定，其公式：

結(jié)合式（2）可知，要想調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，可通過改變供電電壓、回路電阻、勵(lì)磁磁通來實(shí)現(xiàn)。但是在實(shí)際中，改變回路總電阻會(huì)使得電機(jī)負(fù)載能力變差，而勵(lì)磁控制的實(shí)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(shè)計(jì)中，主要利用霍爾開關(guān)傳感器完成對實(shí)時(shí)流量的采集。流量采樣流程：將定時(shí)器的計(jì)時(shí)周期設(shè)置為5 s，每隔5 s 測量一次5 s 內(nèi)的脈沖總數(shù)。計(jì)數(shù)器與定時(shí)器同步運(yùn)行，初始值為0。執(zhí)行一個(gè)判斷程序“達(dá)到定時(shí)時(shí)間？”如果未達(dá)到設(shè)置時(shí)間，則繼續(xù)計(jì)數(shù)，直到滿足條件后，執(zhí)行一個(gè)中斷程序，此時(shí)定時(shí)器停止工作，讀取當(dāng)前計(jì)數(shù)器的數(shù)值。將所得數(shù)據(jù)保存，并運(yùn)行流量計(jì)算子程序，根據(jù)脈沖頻率計(jì)算出對應(yīng)的流量，計(jì)算結(jié)果通過液晶顯示屏顯示出來。此時(shí)計(jì)數(shù)器清零，定時(shí)器復(fù)位，等待下一次流量采樣。

數(shù)據(jù)通信軟件設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)提供的異步串行通信接口UART0 完成。該通行串口兼具幀錯(cuò)誤檢驗(yàn)與硬件地址識別功能，并且支持?jǐn)?shù)據(jù)同時(shí)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(shè)置為9 600 bps，在滿足大流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，還能保證通信質(zhì)量。

4 縫隙節(jié)流式電動(dòng)閥門流量參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

4.1 流量與頻率的關(guān)聯(lián)性分析

在電動(dòng)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(dòng)閥門控制效果的重要指標(biāo)。理論上來說，流量（q）與霍爾開關(guān)輸出脈沖信號頻率（f）之間存在線性關(guān)系q=f/K（K 為流量常數(shù)），即流量的增加會(huì)導(dǎo)致輸出頻率的升高。但是在電動(dòng)閥門運(yùn)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(guān)系。假設(shè)兩者關(guān)系為二次曲線，可表示：

上式中K、K1、K2均為通過實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

電動(dòng)閥門流量參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所用設(shè)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(jì)；壓力表；背壓閥和溢流閥。實(shí)驗(yàn)步驟如下：將液壓泵關(guān)停，將所有設(shè)備按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(rèn)不存在問題后，啟動(dòng)液壓泵，同時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)溢流閥，觀察1#壓力表的示數(shù)，直到閥門進(jìn)口壓力達(dá)到20 bar；手動(dòng)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(dá)到5 bar，維持進(jìn)出口壓力差恒定。然后轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)上顯示的流量值?；魻栭_關(guān)脈沖數(shù)據(jù)上傳至電腦，從電腦軟件上記錄頻率。反向轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)上述步驟，直到閥門開口達(dá)到最大，整理所有數(shù)據(jù)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

表2 實(shí)驗(yàn)測得流量與頻率數(shù)據(jù)表

對比表2 數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)中流量與頻率之間并非線性關(guān)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(jìn)行擬合，使q=Kf2+K1f+K2在f各處計(jì)算得到數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)的差值最小，此時(shí)導(dǎo)數(shù)為0，即達(dá)到擬合目的。計(jì)算如下：

式中，q為實(shí)驗(yàn)測得流量值，fi為實(shí)驗(yàn)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(jì)算出q1，并且與實(shí)測流量q進(jìn)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(dòng)閥門采用q=0.0058f2+7.998f+1.6074 對流量和頻率之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，可以計(jì)算出任意頻率下對應(yīng)的流量值，有助于進(jìn)一步提升電動(dòng)閥門的控制精度。

5 結(jié)束語

縫隙節(jié)流口電動(dòng)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(gòu)造，油液通過節(jié)流口時(shí)不易堵塞、穩(wěn)定性好、過流能力強(qiáng)?？紤]到電動(dòng)閥門工作環(huán)境復(fù)雜，本文基于霍爾傳感器的流量檢測功能設(shè)計(jì)了電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)，根據(jù)流量與頻率的標(biāo)定關(guān)系，利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測脈沖頻率，然后經(jīng)過PLC數(shù)據(jù)分析自動(dòng)生成控制指令，調(diào)節(jié)縫隙節(jié)流口的開度，達(dá)到了調(diào)節(jié)和穩(wěn)定流量的目的，進(jìn)一步增強(qiáng)了縫隙節(jié)流式電動(dòng)閥門的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。