本發(fā)明屬于閥門控制領(lǐng)域，具體涉及一種真空閥遠程控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

低溫制冷系統(tǒng)需要真空單元的支持，在實驗室環(huán)境下真空閥可以通過手動方式控制，但在無人值守的遠程工作條件下，真空和制冷系統(tǒng)都必須有遠程控制能力，否則在中途斷電后就無法重新抽真空（因制冷工作過程中，閥門處于關(guān)閉位置，斷電較長時間后，低溫保持器內(nèi)因密封圈固有泄漏，真空度會逐漸變差），從而導致制冷系統(tǒng)無法恢復到正常工作狀態(tài)。因此，必須設計控制方案以實現(xiàn)真空閥門的遠程可控。真空閥控制模塊具備接收遠程或本地主控計算機控制指令的能力，并且能夠根據(jù)指令實現(xiàn)真空閥門的開啟/關(guān)閉和閥門工作環(huán)境控制（保溫），同時可以返回閥門當前狀態(tài)和其他相關(guān)參數(shù)（保溫加熱功率，溫度，電流等）。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足（普通電控真空閥門需要高壓氣體輔助），提供一種真空閥遠程控制系統(tǒng)及方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種真空閥遠程控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：真空閥、減速電機、止轉(zhuǎn)法蘭、止轉(zhuǎn)滑輪、固定滑套和控制系統(tǒng)；所述真空閥的閥桿通過連軸器與減速電機的輸出軸相連；所述止轉(zhuǎn)法蘭的內(nèi)側(cè)臺階與減速電機輸出軸端法蘭凸起相配合并通過螺釘固定，止轉(zhuǎn)法蘭的外壁均勻地開設有多個螺紋孔，所述止轉(zhuǎn)滑輪通過螺紋孔固定在止轉(zhuǎn)法蘭上；所述固定滑套套設在止轉(zhuǎn)法蘭外，固定滑套的一端為法蘭座，所述法蘭座與真空閥的法蘭端相對接，并通過固定卡和螺釘鎖緊，固定滑套的側(cè)壁銑有滑槽，所述滑槽的數(shù)量和位置與止轉(zhuǎn)滑輪相對應，使止轉(zhuǎn)滑輪可以沿著滑槽滑動；所述控制系統(tǒng)通過控制減速電機的運動方向和驅(qū)動電流，實現(xiàn)真空閥的開啟和關(guān)閉。

為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括：

所述減速電機由直流電機和減速器組裝而成。

所述連軸器的兩端各開設有兩個互成90°的螺紋孔，連軸器通過緊定螺釘分別鎖緊閥桿和減速電機的輸出軸。

所述止轉(zhuǎn)滑輪包括軸銷螺釘和滑輪，所述軸銷螺釘穿過滑輪固定在止轉(zhuǎn)法蘭外壁的螺紋孔中。

采用了軸對稱的三組止轉(zhuǎn)滑輪和滑槽組合。

所述止轉(zhuǎn)滑輪采用了聚四氟乙烯材質(zhì)。

所述控制系統(tǒng)包括單片機控制芯片、通信模塊、電源模塊、電機驅(qū)動電路和電流檢測電路，所述通信模塊、電源模塊、電機驅(qū)動電路和電流檢測電路均與單片機控制芯片相連，電流檢測電路與電機驅(qū)動電路相連。

所述單片機控制芯片采用at89lp2052/at89lp4052單片機，通信模塊采用rs485通信模式。

此外，還提出了一種采用上述真空閥遠程控制系統(tǒng)的真空閥遠程控制方法，包括：

測定真空閥閥門關(guān)緊時所需的力矩大小，得出真空閥關(guān)緊時所需的驅(qū)動電流；

通信模塊與上位機通信，向單片機控制芯片發(fā)送閥門的開閉指令和讀取閥門狀態(tài)；

單片機控制芯片發(fā)送指令至電機驅(qū)動電路，電機驅(qū)動電路輸出驅(qū)動電流，控制減速電機的運動；

電流檢測電路檢測減速電機的驅(qū)動電流，并將電流信號發(fā)送至單片機控制芯片；

單片機控制芯片根據(jù)電流信號判斷真空閥是否到達限位位置。

本發(fā)明的有益效果是：微型直流減速電機加上滑套結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)機械閥門電動功能；采用rs485通信方式，可靠性高且方便實現(xiàn)組網(wǎng)；智能控制器標準模塊化設計，方便各單元組合和結(jié)構(gòu)安裝；能夠?qū)崿F(xiàn)真空閥的遠程可控，根據(jù)指令便可實現(xiàn)真空閥門的開啟和關(guān)閉。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)分解圖。

圖3是本發(fā)明減速電機及止轉(zhuǎn)法蘭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明連軸器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明固定滑套的局部示意圖。

圖6是本發(fā)明控制系統(tǒng)的模塊框圖。

圖7是本發(fā)明控制方法的流程圖。

圖8是本發(fā)明電機驅(qū)動和電流采樣的電路圖。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

真空閥門是應用在真空系統(tǒng)中，用來改變氣流方向，調(diào)節(jié)氣流量大小，切斷或接通管路的真空系統(tǒng)元件。目前市面上的真空閥種類眾多，按照驅(qū)動方式可分為自動閥、動力驅(qū)動閥和手動閥，按照工作壓力可分為低真空閥、高真空閥和超高真空閥，按照密封材料又可分為非金屬與金屬密封閥。從工作壓力、工作溫度、閥門尺寸以及保證低漏率等方面考慮，本設計選用了臺灣日揚電子科技（htc）公司生產(chǎn)的avb-cu-kf25-m型高真空閥。該系列真空閥有手動與電動兩種驅(qū)動方式，其中電動驅(qū)動方式需要工作氣體輔助（需要額外的壓縮空氣源），不適合本系統(tǒng)設計應用環(huán)境，因此本設計選用了手動閥，并以此為基礎(chǔ)通過適當?shù)男薷膩韺崿F(xiàn)電動功能。手動真空閥主要由閥體、閥蓋、閥芯、密封圈、波紋管、閥桿、閥桿螺母和手輪組成，通過手輪的旋轉(zhuǎn)帶動閥桿的旋轉(zhuǎn)并利用閥蓋頂端的閥桿螺母將閥桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動進而帶動閥芯以調(diào)節(jié)氣流量的大小并實現(xiàn)切斷或連通管路，其中波紋管在氣體介質(zhì)和大氣環(huán)境之間形成了一個金屬屏障以確保閥門的低漏率。

為了實現(xiàn)真空閥的遠程控制，必須將原有手動真空閥改造成電動真空閥，即利用電機帶動閥門螺桿旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對閥門開度的控制。由于電機轉(zhuǎn)動為旋轉(zhuǎn)運動，而實現(xiàn)閥門的打開與關(guān)閉需要的是旋轉(zhuǎn)加前進或后退運動，因此需設計機械結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換。

如圖1、圖2所示的真空閥遠程控制系統(tǒng)，包括：真空閥1、減速電機2、止轉(zhuǎn)法蘭3、止轉(zhuǎn)滑輪4、固定滑套5和控制系統(tǒng)。

真空閥1的閥桿6（閥門螺桿）通過定制的連軸器7與減速電機2的輸出軸相連，如圖4所示，連軸器7的兩端各開設有兩個互成90°的螺紋孔15，連軸器7通過緊定螺釘分別鎖緊閥桿6和減速電機2的輸出軸，保證閥桿6跟隨減速電機2同步轉(zhuǎn)動。減速電機2由直流電機13和減速器14組裝而成，如圖3所示，減速電機2靠近輸出軸端有法蘭凸起8，用于裝配時同心定位。

閥桿6轉(zhuǎn)動的同時伴隨著直線運動，考慮到閥桿6與電機轉(zhuǎn)軸的連接方式，必須約束電機本體轉(zhuǎn)動，保證減速器輸出軸轉(zhuǎn)動的同時減速電機本體能隨著閥桿6前后移動。為了解決以上問題，設計了一個固定滑套5與止轉(zhuǎn)滑輪4配合的機構(gòu)，能夠限制減速電機2本體的轉(zhuǎn)動，從而只允許其整體前后線性移動。

止轉(zhuǎn)法蘭3的內(nèi)側(cè)臺階與減速電機輸出軸端法蘭凸起8相配合并通過螺釘固定，止轉(zhuǎn)法蘭3的外壁均勻地開設有多個螺紋孔9，止轉(zhuǎn)滑輪4通過螺紋孔9固定在止轉(zhuǎn)法蘭3上。止轉(zhuǎn)滑輪4包括軸銷螺釘16和滑輪17，軸銷螺釘16穿過滑輪17固定在止轉(zhuǎn)法蘭3外壁的螺紋孔9中。

固定滑套5套設在止轉(zhuǎn)法蘭3外，如圖5所示，固定滑套5的一端為法蘭座10，法蘭座10與真空閥1的法蘭端相對接，并通過固定卡11和螺釘鎖緊，固定滑套5的側(cè)壁銑有滑槽12，滑槽12的數(shù)量和位置與止轉(zhuǎn)滑輪4相對應，使止轉(zhuǎn)滑輪4可以沿著滑槽12滑動。為提高可靠性，采用了軸對稱的三組止轉(zhuǎn)滑輪/滑槽結(jié)構(gòu)。同時為了減小止轉(zhuǎn)滑輪4與滑槽12之間的摩擦阻力，滑輪4采用了聚四氟乙烯（特富龍）材質(zhì)?；?2的長度決定了減速電機2前后移動的行程，即閥桿6的行程。利用以上機械結(jié)構(gòu)，通過控制電機運轉(zhuǎn)方向和驅(qū)動電流（即相應的關(guān)緊力矩），即可控制真空閥1的開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)真空閥1的電動控制。

閥門的控制核心是對直流減速電機的運動方向和驅(qū)動電流的控制，控制系統(tǒng)通過采集當前電機驅(qū)動電流值判斷電機是否到達指定位置。當閥門完全開啟后，機械限位將會使電機堵轉(zhuǎn)，此時電樞電流會迅速增大，通過判斷此電流域值即可確定閥門是否開啟到最大位置。由于電機電樞電流與電機轉(zhuǎn)矩成比例關(guān)系，當電機轉(zhuǎn)矩（電流）與事先設定的閥門關(guān)緊力矩（電流）相等時說明閥門已關(guān)緊。

為了選擇合適的驅(qū)動電路并確定閥門關(guān)緊時該電機所需的驅(qū)動電流，需要事先測定閥門關(guān)緊時所需要的力矩大小。利用扭力扳手和檢漏儀測得真空閥門在200mn.m關(guān)閉力矩下其漏率已低于檢漏儀漏率范圍下限。為了確保真空閥的可靠關(guān)閉，本設計將閥門關(guān)緊力矩設定為500mnm。考慮到機械效率、安裝空間以及低溫工作環(huán)境等因素，驅(qū)動電機選用了faulhaber公司2230u012s微型直流電機和減速比為246:1的行星輪減速器的方案，該方案最大輸出轉(zhuǎn)矩可達700mnm，最低工作溫度為-30℃，滿足國內(nèi)使用環(huán)境的要求。對于更低工作環(huán)境溫度的情形，可通過預留的電機加熱保溫功能來實現(xiàn)。由于該型號直流電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)為12mnm/a，可以得出真空閥關(guān)緊所需驅(qū)動電流為170ma。

如圖6所示，控制系統(tǒng)包括單片機控制芯片、通信模塊、電源模塊、電機驅(qū)動電路和電流檢測電路，電源供電電壓為24v，工作電流10~50ma，單片機控制芯片為at89lp4052單片機（4krom256ram），通信模塊采用rs485通信模式，收發(fā)芯片為max485se，連接方式為db9接頭。

考慮到采用標準電源以簡化觀測系統(tǒng)的設計，24v母線電源通過rs485電纜供電，需要對其進行相應的電壓轉(zhuǎn)換。考慮到轉(zhuǎn)換效率和低溫特性本設計采用了tdk公司生產(chǎn)的ce-a004集成dc-dc電源轉(zhuǎn)換模塊，其輸入電壓范圍4.75-28v，輸出電壓5v（3a）。

直流電機驅(qū)動采用a3966slb作為電機驅(qū)動芯片，該芯片為兩路全橋電機專用驅(qū)動芯片，可連續(xù)輸出±650ma驅(qū)動電流，其驅(qū)動電流可進行脈寬調(diào)制，芯片還提供電流采樣引腳，通過控制enable和phase引腳的輸入電平即可控制電機的啟停和正反轉(zhuǎn)。

如圖7所示，電流采樣部分由采樣電阻、運算放大器和v/f變換器ka431組成，其中運算放大器op284的一個通道作為前置放大器以放大微弱的電壓信號，另外一個通道作為比較器使用，當電機驅(qū)動電流達到閾值電流后，向單片機輸出高電平，v/f變換器ka431用于精確測量當前電機的驅(qū)動電流，其輸出頻率fout=vin/2.09v*(r19+r22)/r16(r12*c5)，當可調(diào)電位器r22取2212ω時，1v電壓對應100hz輸出頻率。

圖8是控制方法的程序流程圖，真空閥控制系統(tǒng)通過rs485總線與主控制機（上位機）進行通信，接收主控機發(fā)出的控制指令或狀態(tài)查詢指令。

如果是查詢指令則返回當前系統(tǒng)狀態(tài)。rs485采用與普法真空泵兼容的簡化版modbus協(xié)議，數(shù)據(jù)報采用ascii碼形式，分成地址[a2a1a0]，動作[f1f0]，參數(shù)號[n2n1n0]，數(shù)據(jù)長度[l1l0]，數(shù)據(jù)[dn…d0]，校驗和[c2c1c0]，結(jié)束符[cr]，最短長度14字節(jié)（無數(shù)據(jù)時）。

如果是控制指令，則向單片機控制芯片發(fā)送閥門的開閉指令，單片機控制芯片設置到電機驅(qū)動電路的相應控制信號，電機驅(qū)動電路輸出驅(qū)動電流，控制減速電機的運動；電流檢測電路檢測減速電機的驅(qū)動電流，并將電流信號發(fā)送至單片機控制芯片；單片機控制芯片根據(jù)電流信號判斷真空閥是否到達限位位置。

需要注意的是，發(fā)明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當亦視為本發(fā)明可實施的范疇。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發(fā)明的保護范圍。