縫隙節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，從而完成閥門的調節控制?？p隙節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出較強的過流能力，在小流量時表現出較好的穩定性。電動閥門控制系統利用流量檢測機構獲取電動閥門的實時流量，然后根據頻率與流量的關系，生成指令調節縫隙式節流口的開度，使其保持穩定狀態。

1 電動閥門節流口的流量特性分析

節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，將流量指令轉變為控制信號，通過直流電機、螺旋副等執行元件調節節流口的開口大小，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。偏心式節流口適用于小流量調節，但是在高壓情況下閥芯受到不平衡的徑向力，調節難度較大；縫隙式節流口在大流量時能保持較強的過流能力，在小流量時能表現很好的穩定性，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。法蘭內部核心裝置為螺旋副，螺旋副的絲桿經由聯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，從而達到調節節流口開度的效果。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測到當前節流口流量大小，并對比實際流量與設計流量的差值，生成調節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，內部的小磁體也隨之旋轉。高轉速情況下，磁體經過霍爾開關的周期更短，因此霍爾開關發出的電脈沖信號頻率更高；反之亦然，流量與頻率成正比?；诖?，可將單片機I/O 連接霍爾開關，通過采集頻率信號即可推測出節流口流量的大小。假設流量與頻率的比值常數為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K 的單位為次/L。

3 縫隙節流式電動閥門控制系統設計

3.1 硬件系統部分

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動器、顯示器、數據采集器、閥門、監測裝置等，硬件系統組成如圖3 所示。

圖3 電動閥門硬件系統框圖

本系統選擇C8051F000 單片機，執行速度最高為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據后，對數據進行處理、分析，然后按照既定程序生成指令，并將指令發送至前端執行單元，調節流量大小。12 V 的直流電機通過配套的驅動器驅動運行，額定功率36 W，固定轉速250 r/min，調速范圍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，可完成流量參數設定、輸入流量值修改、確認等操作。本系統中使用的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 軟件系統部分

電動閥門的軟件系統采用IDE 開發環境，使用C語言編程。IDE 開發工具通過RS232 至JTAG 協議轉換模塊與單片機連接，可以實現對單片機系統的在線開發與調試，從而簡化了系統結構和降低了開發成本，軟件系統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 電動閥門軟件系統框圖

主程序負責對電動閥門進行控制，包括系統初始化、數字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，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（C）、勵磁磁通（Φ）5 項因素來決定，其公式：

結合式（2）可知，要想調節直流電機轉速，可通過改變供電電壓、回路電阻、勵磁磁通來實現。但是在實際中，改變回路總電阻會使得電機負載能力變差，而勵磁控制的實現難度較大，因此電壓調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 內的脈沖總數。計數器與定時器同步運行，初始值為0。執行一個判斷程序“達到定時時間？”如果未達到設置時間，則繼續計數，直到滿足條件后，執行一個中斷程序，此時定時器停止工作，讀取當前計數器的數值。將所得數據保存，并運行流量計算子程序，根據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。此時計數器清零，定時器復位，等待下一次流量采樣。

數據通信軟件設計中，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，并且支持數據同時收發，防止通信堵塞的問題。執行TCP/IP 通信協議，串行波特率設置為9 600 bps，在滿足大流量數據傳輸的基礎上，還能保證通信質量。

4 縫隙節流式電動閥門流量參數標定實驗

4.1 流量與頻率的關聯性分析

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，由此形成閉環控制。因此測量閥體出口流量穩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），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。

4.2 實驗方法

電動閥門流量參數標定實驗所用設備：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。經確認不存在問題后，啟動液壓泵，同時手動調節溢流閥，觀察1#壓力表的示數，直到閥門進口壓力達到20 bar；手動調節背壓閥，觀察2#壓力表的示數，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定的情況下，觀察并記錄流量計上顯示的流量值。霍爾開關脈沖數據上傳至電腦，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，整理所有數據。

4.3 實驗結果

本次實驗共獲得10 組流量與頻率數據，閥門開口最小時，記錄到的穩定流量值為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據表

對比表2 數據可知，實驗中流量與頻率之間并非線性關系，這不符合理想狀態，為此需要對上表數據做線性擬合處理。采用最小二乘法進行擬合，使q=Kf2+K1f+K2在f各處計算得到數據與實驗測得數據的差值最小，此時導數為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所得數據帶入公式后求得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，可以發現誤差在5%~10%之間，誤差較低，線性擬合較好，如圖5 所示。

圖5 流量與頻率數據線性擬合曲線

綜上，節流式電動閥門采用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

縫隙節流口電動閥門是將常規的偏心式、三角槽式節流口，改變成縫隙式，通過更改縫隙開口的大小來調節流量。由于縫隙節流口的特殊構造，油液通過節流口時不易堵塞、穩定性好、過流能力強?？紤]到電動閥門工作環境復雜，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，根據流量與頻率的標定關系，利用傳感器實時監測脈沖頻率，然后經過PLC數據分析自動生成控制指令，調節縫隙節流口的開度，達到了調節和穩定流量的目的，進一步增強了縫隙節流式電動閥門的工業應用價值。