專利名稱：利用永磁同步電機(jī)進(jìn)行閥門微步調(diào)節(jié)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用永磁同步電機(jī)進(jìn)行閥門微步調(diào)節(jié)的裝置。 技術(shù)背景電動閥門是現(xiàn)代工業(yè)自動化重要的部分，在流體控制行業(yè)電動閥門有著重要的作 用，因其動力源容易取得，比起氣動、液動等不同驅(qū)動方式的設(shè)備使用更為普遍。如今隨著 工業(yè)自動化的發(fā)展，當(dāng)閥門能保證性能和壽命的情況下，電動閥門的安全性與可靠性取決 于電動閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能、控制水平是電動閥門整機(jī)技術(shù)水平的綜合 表現(xiàn)。更重要的是在電動閥門的設(shè)計(jì)、選型的過程中若只重視閥門的參數(shù)，忽略或沒有明 確執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相關(guān)要求，不僅使電動閥門發(fā)揮不出最佳的性能，而且在安裝、調(diào)試、使用過 程中也會帶來不必要的麻煩，甚至給生產(chǎn)造成嚴(yán)重的后果。我國電動閥門起步較晚，基礎(chǔ)相對薄弱，國內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品在要求高精度、可靠 性高的方面需待改進(jìn)。多數(shù)電動閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動機(jī)構(gòu)部分復(fù)雜，不便于安裝、調(diào)試， 且不易維修。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種利用永磁同步電機(jī)進(jìn)行閥門微步調(diào)節(jié)的裝置，采用永磁同步 電機(jī)作為電動閥門的動力源電機(jī)，以永磁同步電機(jī)的定子電流為直接控制對象，模擬步進(jìn) 電機(jī)的運(yùn)動控制模式，獲得微小的電機(jī)定位精度，用簡易的齒輪傳動代替現(xiàn)有技術(shù)的多級 復(fù)雜傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閥門的微調(diào)。本實(shí)用新型是電動閥門電機(jī)、電動閥門控制器、閥門三位一 體裝置，不僅能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)對閥門的精確微步控制，還具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、抗污染能力強(qiáng)、 可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型提供的利用永磁同步電機(jī)進(jìn)行閥門微步調(diào)節(jié)的裝置主要包括永磁同 步電機(jī)，電動閥門控制器，減速器，閥門；永磁同步電機(jī)軸通過法蘭連接減速器，減速器通過 法蘭連接閥門；電動閥門控制器由DSP控制部分和驅(qū)動功率放大部分組成；電動閥門控制 器連接減速器，同時(shí)電動閥門控制器連接永磁同步電機(jī)。所述的驅(qū)動功率放大部分包括驅(qū)動電路，信號隔離驅(qū)動電源、電壓采樣電路、電流 采樣，保護(hù)電路。保護(hù)電路包括制動保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路。所述的信號隔離驅(qū)動電路連接DSP芯片；信號隔離驅(qū)動電路連接驅(qū)動電路(IPM)。所述的電壓采樣電路連接驅(qū)動電路，同時(shí)電壓采樣電路連接DSP。所述的電流采樣使用霍爾電流傳感器，電機(jī)繞組穿過霍爾電流傳感器。所述的保護(hù)電路包括制動電路、過壓電路、欠壓電路。制動電路、過壓電路、欠壓電 路依次相連組成保護(hù)電路。所述的DSP控制部分包括DSP芯片，DSP外圍電路，電流信號的檢測電路，位置檢 測電路，顯示和按鍵驅(qū)動電路。所述的DSP外圍電路是通過DSP芯片的外部存儲器接口模塊EMIF連接用戶擴(kuò)展的片外存儲器；以及通過DSP芯片的JTAG接口連接外部仿真器。所述的電流信號的檢測電路是將電機(jī)繞組經(jīng)過霍爾電流傳感器，霍爾電流傳感器 連接電阻，再連接至DSP的A/D轉(zhuǎn)換通道。所述的位置檢測電路包括旋轉(zhuǎn)變壓器、函數(shù)發(fā)生器、高頻功率放大芯片、數(shù)字轉(zhuǎn)換 器。所述的永磁同步電機(jī)連接旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器；函數(shù)發(fā)生器連接至高頻功 率放大芯片；高頻功率放大芯片連接旋轉(zhuǎn)變壓器為其提供勵(lì)磁；數(shù)字轉(zhuǎn)換器連接旋轉(zhuǎn)變壓 器將旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字型角度值。所述的DSP芯片通過SPI接口連接控制LED數(shù)碼管顯示單元。所述的DSP芯片通過I/O端口作為按鍵檢測引腳連接鍵盤輸入單元。本發(fā)明提供的一種利用永磁同步電機(jī)進(jìn)行閥門微步調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法包括的步 驟以永磁同步電機(jī)的定子電流為直接控制對象，電機(jī)采用電流矢量增量運(yùn)動模式， 模擬步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制模式，將電流矢量離散，轉(zhuǎn)子跟隨電流矢量的位置前進(jìn)，以此獲得 微小的電機(jī)定位精度；根據(jù)用戶對閥門微調(diào)的要求，設(shè)置電流離散化的步數(shù)和步距，在此基 礎(chǔ)上為電機(jī)連接單級減速器；單級減速器連接閥門，組成結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越的高精度微調(diào) 的電動閥門裝置。將通入永磁同步電機(jī)繞組的正弦波電流等步距離散為階梯波；電機(jī)繞組通入的離散電流矢量，是將電流的一個(gè)周期分為b份的階梯波，b是6的倍數(shù)。b的具體取值是根據(jù)所用永磁同步電機(jī)的極數(shù)以及用戶對閥門的微動精度要求選 取，永磁同步電機(jī)每步微動可達(dá)到的精度為360° /(電機(jī)極對數(shù)Xb)。以四極永磁同步 電機(jī)為例，取b為12時(shí)，電機(jī)微動每步達(dá)到的精度為15° ；b為24時(shí)，電機(jī)微動每步達(dá)到的 精度為7. 5°。定子電流為 χ代表微步運(yùn)動中的步數(shù)，為0到b-Ι之間的任一整數(shù)；當(dāng)χ取零時(shí)，是電機(jī)開始 微步運(yùn)動初始定子電流值。電機(jī)每微步運(yùn)動一次，式中的電流就變化一次。通過運(yùn)行步數(shù) X的給定，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的微步運(yùn)行。閥門電動裝置的控制器中加入電流矢量控制器實(shí)現(xiàn)對定子電流的控制，使轉(zhuǎn)子總 是跟隨定子電流矢量的位置，形成微步的運(yùn)動控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。永磁同步電機(jī)的電機(jī)軸連接減速器，減速器輸出端連接閥門，實(shí)現(xiàn)電動閥門裝置 微步調(diào)節(jié)功能。本發(fā)明提供的利用永磁同步電機(jī)進(jìn)行閥門微步調(diào)節(jié)的裝置及其實(shí)現(xiàn)方法與現(xiàn)有 技術(shù)相比，采用永磁同步電機(jī)作為動力源電機(jī)，以電機(jī)的定子電流為直接控制對象，使電機(jī)的每步運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)細(xì)微調(diào)節(jié)動作，并利用全數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)閥門電動裝置的精確定位精 度，保證了響應(yīng)的快速性；這種電機(jī)的微步動作特性省去了復(fù)雜的機(jī)械傳動裝置，經(jīng)由電機(jī) 軸輸出直接用簡易的減速傳動便可代替現(xiàn)有技術(shù)的多級復(fù)雜傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閥門的微調(diào)和 定位。實(shí)際運(yùn)行表明，本發(fā)明提供的可微步調(diào)節(jié)電動閥門裝置具有 結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、抗污 染能力強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

圖1是永磁同步電機(jī)定子電流定向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是基于永磁同步電機(jī)的微步調(diào)節(jié)電動閥門裝置。圖3是電動閥門裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方案如圖2所示，本實(shí)用新型提供的基于永磁同步電機(jī)的微步調(diào)節(jié)電動閥門裝置主要 包括永磁同步電機(jī)1，控制器2，減速器3，閥門4，法蘭5。永磁同步電機(jī)1通過法蘭5連接減速器2，減速器2通過法蘭5連接閥門4 ；電動 閥門控制器2由DSP控制部分和驅(qū)動功率放大部分組成；電動閥門控制器2連接減速器3， 同時(shí)電動閥門控制器2連接永磁同步電機(jī)1?？刂破饔蒁SP控制部分和驅(qū)動功率放大部分組成?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。驅(qū)動功率放大部分包括驅(qū)動電路，信號隔離驅(qū)動電路、電壓采樣電路、電流采樣， 保護(hù)電路。DSP連接信號隔離驅(qū)動電路；信號隔離驅(qū)動電路連接驅(qū)動電路(IPM)，為驅(qū)動電路 提供開關(guān)信號決定電機(jī)繞組的導(dǎo)通狀態(tài)。電壓采樣電路連接驅(qū)動電路，同時(shí)電壓采樣電路連接DSP。電流采樣使用霍爾電流傳感器，電機(jī)繞組穿過霍爾電流傳感器。 保護(hù)電路包括制動電路、過壓電路、欠壓電路。制動電路、過壓電路、欠壓電路依次 相連組成保護(hù)電路。DSP控制部分包括DSP(TMS320F240，TI公司)，DSP外圍電路，電流信號的檢測電 路，位置檢測電路，顯示和按鍵驅(qū)動電路。DSP外圍電路是通過DSP的外部存儲器接口模塊EMIF連接用戶擴(kuò)展的片外存儲 器；通過DSP的JTAG接口連接外部仿真器。電流信號的檢測電路是將電機(jī)繞組經(jīng)過霍爾電流傳感器，霍爾電流傳感器連接電 阻，再連接至DSP的A/D轉(zhuǎn)換通道。位置檢測電路包括旋轉(zhuǎn)變壓器、函數(shù)發(fā)生器(ICL8083，Intersil)、高頻功率放大 芯片(0PA547)、數(shù)字轉(zhuǎn)換器(AD2S90)。永磁同步電機(jī)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器；函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號連接至 高頻功率放大芯片；高頻功率放大芯片輸出正弦信號連接旋轉(zhuǎn)變壓器為其提供勵(lì)磁；數(shù)字 轉(zhuǎn)換器連接旋轉(zhuǎn)變壓器將旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字型角度值，數(shù)字轉(zhuǎn)換器再連接 DSP。DSP根據(jù)檢測得到轉(zhuǎn)子位置，由電流矢量控制器對驅(qū)動電路的觸發(fā)信號進(jìn)行控制，調(diào)節(jié) 各相繞組電流。[0047]DSP通過SPI接口連接控制LED數(shù)碼管(MAX7219，MAXIM)顯示單元。DSP通過I/O端口作為按鍵檢測引腳連接鍵盤輸入單元。
利用永磁同步電機(jī)進(jìn)行閥門微步調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法包括的步驟以永磁同步電機(jī)的定子電流為直接控制對象，電機(jī)采用電流矢量增量運(yùn)動模式， 模擬步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制模式，將電流矢量離散，轉(zhuǎn)子跟隨電流矢量的位置前進(jìn)，以此獲得 微小的電機(jī)定位精度；根據(jù)用戶對閥門微調(diào)的要求，設(shè)置電流離散化的步數(shù)和步距，在此基 礎(chǔ)上為電機(jī)連接單級減速器；單級減速器連接閥門，實(shí)現(xiàn)電動閥門裝置微步調(diào)節(jié)功能。將通入永磁同步電機(jī)繞組的正弦波電流等步距離散為階梯波；電機(jī)繞組通入的離 散電流矢量，是將電流的一個(gè)周期分為b份的階梯波，b是6的倍數(shù)。b的具體取值是根據(jù)所用永磁同步電機(jī)的極數(shù)以及用戶對閥門的微動精度要求選 取，永磁同步電機(jī)每步微動可達(dá)到的精度為360° /(電機(jī)極對數(shù)Xb)。以四極永磁同步 電機(jī)為例，取b為12時(shí)，電機(jī)微動每步達(dá)到的精度為15° ；b為24時(shí)，電機(jī)微動每步達(dá)到的 精度為7. 5°。定子電流為 χ代表微步運(yùn)動中的步數(shù)，為0到b-Ι之間的任一整數(shù)；當(dāng)χ取零時(shí)，是電機(jī)開始 微步運(yùn)動初始定子電流值。電機(jī)每微步運(yùn)動一次，式中的電流就變化一次。通過運(yùn)行步數(shù) X的給定，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的微步運(yùn)行。閥門電動裝置的控制器中加入電流矢量控制器實(shí)現(xiàn)對定子電流的控制，使轉(zhuǎn)子總 是跟隨定子電流矢量的位置，形成微步的運(yùn)動控制。永磁同步電機(jī)的電機(jī)軸連接減速器，減速器輸出端連接閥門，實(shí)現(xiàn)電動閥門裝置 微步調(diào)節(jié)功能；永磁同步電機(jī)由電動閥門控制器控制；電動閥門控制器由DSP控制部分和 驅(qū)動功率放大部分組成。驅(qū)動功率放大部分包括驅(qū)動電路，信號隔離驅(qū)動電路、電壓采樣電 路、電流采樣，保護(hù)電路。DSP控制部分包括DSP(TMS320F240，TI公司)，DSP外圍電路，電 流信號的檢測電路，位置檢測電路，顯示和按鍵驅(qū)動電路。DSP發(fā)出PWM脈沖信號，將PWM信號輸入信號隔離驅(qū)動電路；信號隔離驅(qū)動電路連 接驅(qū)動電路(IPM)，為驅(qū)動電路提供開關(guān)信號決定電機(jī)繞組的導(dǎo)通狀態(tài)。同時(shí)，如驅(qū)動電路 發(fā)生故障，故障信號將通過信號隔離驅(qū)動傳送至DSP，DSP檢測到故障信號及時(shí)中斷電機(jī)繞 組電流。保護(hù)電路包括制動電路、過壓電路、欠壓電路。制動電路、過壓電路、欠壓電路依次 相連組成保護(hù)電路。制動電路將電機(jī)回饋的能量在制動電阻上消耗；過壓電路是當(dāng)直流中 間電路的直流電壓超過過電壓規(guī)定值時(shí)停止逆變器輸出，避免元器件的燒毀；欠壓電路在 檢測到直流中間電路的直流電壓出現(xiàn)規(guī)定時(shí)間以上的電壓過低現(xiàn)象時(shí)使系統(tǒng)停止工作，避 免出現(xiàn)因控制電路電壓不足而造成的誤動作。電壓采樣電路連接驅(qū)動電路，同時(shí)電壓采樣電路連接DSP。其作用是對驅(qū)動電路中線電壓進(jìn)行采樣，將過壓或欠壓信號輸入DSP，如檢測到過壓或欠壓信號發(fā)出制動信號，輸 入信號隔離驅(qū)動電路及時(shí)關(guān)斷電機(jī)繞組電流。電流采樣使用霍爾電流傳感器，電機(jī)繞組穿 過霍爾電流傳感器。DSP外圍電路通過DSP的外部存儲器接口模塊EMIF連接用戶擴(kuò)展的片外存儲器； 通過DSP的JTAG接口連接外部仿真器。電流信號的檢測電路是將電機(jī)繞組電流經(jīng)過霍爾電流傳感器，連接電阻轉(zhuǎn)換為電 壓信號，輸入至DSP的A/D轉(zhuǎn)換通道，進(jìn)行采樣保持。位置檢測電路包括旋轉(zhuǎn)變壓器、函數(shù)發(fā)生器(ICL8083，Intersil)、高頻功率放大 芯片(0PA547)、數(shù)字轉(zhuǎn)換器(AD2S90)。永磁同步電機(jī)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器；函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號連接至 高頻功率放大芯片；高頻功率放大芯片輸出正弦信號連接旋轉(zhuǎn)變壓器為其提供勵(lì)磁；數(shù)字 轉(zhuǎn)換器連接旋轉(zhuǎn)變壓器將旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字型角度值，數(shù)字轉(zhuǎn)換器再連接 DSP。DSP根據(jù)檢測得到轉(zhuǎn)子位置，由電流矢量控制器對驅(qū)動電路的觸發(fā)信號進(jìn)行控制，調(diào)節(jié) 各相繞組電流。DSP通過SPI接口連接控制LED數(shù)碼管(MAX7219，MAXIM)顯示單元。DSP通過I/O端口作為按鍵檢測引腳連接鍵盤輸入單元。
權(quán)利要求一種利用永磁同步電機(jī)進(jìn)行閥門微步調(diào)節(jié)的裝置，其特征在于它主要包括永磁同步電機(jī)，電動閥門控制器，減速器，閥門；永磁同步電機(jī)軸通過法蘭連接減速器，減速器通過法蘭連接閥門；電動閥門控制器由控制器DSP控制部分和驅(qū)動功率放大部分組成，電動閥門控制器連接減速器，同時(shí)電動閥門控制器連接永磁同步電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的驅(qū)動功率放大部分包括驅(qū)動電路， 信號隔離驅(qū)動電源、電壓采樣電路、電流采樣電路，保護(hù)電路，保護(hù)電路包括制動保護(hù)電路、 過壓保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路；DSP連接信號隔離驅(qū)動電路；信號隔離驅(qū)動電路連接驅(qū)動電 路(IPM)，為驅(qū)動電路提供開關(guān)信號決定電機(jī)繞組的導(dǎo)通狀態(tài)；電壓采樣電路連接驅(qū)動電 路，同時(shí)電壓采樣電路連接DSP ；制動電路、過壓電路、欠壓電路依次相連組成保護(hù)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的DSP控制部分包括DSP芯片，DSP外 圍電路，電流信號的檢測電路，位置檢測電路，顯示和按鍵驅(qū)動電路；所述的DSP外圍電路 是通過DSP的外部存儲器接口模塊EMIF連接用戶擴(kuò)展的片外存儲器；以及通過DSP的JTAG 接口連接外部仿真器；所述的電流信號的檢測電路是電機(jī)繞組經(jīng)過霍爾電流傳感器，霍爾電流傳感器連接電 阻再連接至DSP的A/D轉(zhuǎn)換通道；所述的位置檢測電路包括旋轉(zhuǎn)變壓器、函數(shù)發(fā)生器、高頻功率放大芯片、數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的永磁同步電機(jī)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為 位置傳感器；函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號連接至高頻功率放大芯片；高頻功率放大芯片輸出 正弦信號連接旋轉(zhuǎn)變壓器為其提供勵(lì)磁；數(shù)字轉(zhuǎn)換器連接旋轉(zhuǎn)變壓器將旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字型角度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的DSP通過SPI接口連接控制LED數(shù) 碼管顯示單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的DSP通過I/O端口作為按鍵檢測引 腳連接鍵盤輸入單元。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種利用永磁同步電機(jī)進(jìn)行閥門微步調(diào)節(jié)的裝置。它主要包括永磁同步電機(jī)，電動閥門控制器，減速器，閥門；永磁同步電機(jī)軸通過法蘭連接減速器，減速器通過法蘭連接閥門；電動閥門控制器由控制器DSP控制部分和驅(qū)動功率放大部分組成，電動閥門控制器連接減速器，同時(shí)電動閥門控制器連接永磁同步電機(jī)。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用永磁同步電機(jī)作為動力源電機(jī)，以電機(jī)的定子電流為直接控制對象，利用全數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)閥門電動裝置的精確定位精度，保證了響應(yīng)的快速性；電機(jī)微步動作特性省去了復(fù)雜的機(jī)械傳動裝置，經(jīng)由電機(jī)軸輸出直接用簡易的減速傳動便可代替現(xiàn)有技術(shù)的多級復(fù)雜傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閥門的微調(diào)和定位，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、抗污染能力強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號F16K31/04GK201636414SQ200920351238
公開日2010年11月17日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者何林, 孫鶴旭, 李潔, 董硯, 鄭易 申請人:河北工業(yè)大學(xué)