一种电动阀/门及其阀门驱动器的制作方法

1.本发明涉及阀/门驱动技术，特别是一种电动阀/门及其阀门驱动器。


背景技术：

2.现有技术的阀/门电动装置大多采用电源直接启动交流异步电动机，通过驱动器控制电动机带动机械传动机构驱动阀/门运行，实现开阀/关阀。交流异步电动机因结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜且启动扭矩较大等优点，在阀/门电动装置中获得较广泛应用，但在使用过程中存在如下问题：
3.1)交流异步电动机的扭矩控制精度低，扭矩和转速动态范围小(峰值扭矩和速度受限)，加上介质温度、异物、锈蚀等因素影响，交流异步电动机的驱动扭矩无法克服阻力矩，导致开阀时阀/门打不开；阀/门在运行过程中交流异步电动机的转速固定，开阀/关阀速度不变，关阀到达止点时造成阀座的动载荷过载，导致阀/门关严后打不开，现有技术的阀/门存在“打不开”、“关不严”、“停不准”的问题；
4.2)无法获得阀/门的实时位置信息，无法实现全行程高精度位置控制；
5.3)无法控制关阀到位时的阀座的受力大小，易造成阀/门关不严，导致阀/门内漏；阀/门长期使用中磨损、老化、电参数漂移等导致的特性变化，导致理论输出值和实际输出值误差大，关阀到位时的阀座的受力大小不稳定；
6.4)未考虑交流异步电动机物理特性差异，导致扭矩、速度、位置控制精度差，扭矩和转速动态范围小，批量产品性能不一致。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种电动阀/门及其阀门驱动器。
8.为了实现上述目的，本发明提供了一种阀门驱动器，包括壳体和安装在所述壳体内的核心控制器和变频驱动模块，所述变频驱动模块分别与所述核心控制器和交流异步电动机连接，其中，所述核心控制器通过实时调整所述变频驱动模块的输出扭矩或输出扭矩限值，满足阀/门的控制要求，所述核心控制器包括：
9.逻辑控制单元，根据阀/门执行开启和关闭过程各阶段的需求设定相应的设定扭矩，并将所述设定扭矩发送至所述变频驱动模块，所述变频驱动模块以所述设定扭矩为输出扭矩或输出扭矩限值驱动所述交流异步电动机执行相应的阀/门开启或关闭动作；
10.实时扭矩检测单元，获取所述交流异步电动机或阀/门运行的实时扭矩；以及
11.扭矩修正单元，根据所述实时扭矩和设定扭矩，以所述设定扭矩为输入，以所述实时扭矩为反馈，采用pid控制算法对所述输出扭矩进行修正，以根据所述实时扭矩调节所述输出扭矩的响应速度和控制精度。
12.上述的阀门驱动器，其中，所述实时扭矩通过扭矩传感器直接获取，所述扭矩传感器安装在所述交流异步电动机的输出轴、减速传动箱的输出轴或驱动机构上，并与所述实
时扭矩检测单元连接，将测得的实时扭矩信号传送至所述实时扭矩检测单元。
13.上述的阀门驱动器，其中，所述实时扭矩通过输出电流检测电路结合矢量变换方法获取，所述输出电流检测电路检测所述交流异步电动机的物理参数并传送至所述实时扭矩检测单元，所述实时扭矩检测单元计算获得所述实时扭矩并传送至所述扭矩修正单元，所述物理参数包括定子电阻、转子电阻、定转子互感、定转子漏感和空载电流。
14.上述的阀门驱动器，其中，所述交流异步电动机的三相交流信号经过坐标变换，转换为定子电流的转矩分量i
st
和定子电流的励磁分量i
sm
，根据磁场定向不同分别采用转子磁场定向矢量控制、直接转矩控制、转差频率矢量控制、定子磁场定向矢量控制或气隙磁场定向矢量控制计算获得所述实时扭矩；
15.其中，所述转子磁场定向矢量控制，根据转子全磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：
[0016][0017]
其中，n
p
为所述交流异步电动机的电机极对数，l
md
为所述交流异步电动机的定转子同轴时一相绕组的等效互感，l
rd
为所述交流异步电动机的转子一相绕组的等效自感，i
st
为所述交流异步电动机的定子电流的转矩分量，ψr为所述交流异步电动机的转子磁链；
[0018]
所述直接转矩控制采用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：
[0019][0020]
其中，n
p
为所述交流异步电动机的电机极对数，lm为定转子互感，ls为定子一相绕组的自感，lr为转子一相绕组的自感，ψs为定子磁链，ψr为转子磁链，θ
sr
为转矩角，是矢量ψs和ψr之间的夹角；
[0021]
所述转差频率矢量控制，根据转差频率矢量进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：
[0022][0023]
其中，n
p
为所述交流异步电动机的电机极对数，tr为转子电磁时间常数，l
rd
为所述交流异步电动机的转子一相绕组的等效自感，ψr为所述交流异步电动机的转子磁链，ω
s1
为转差角频率；
[0024]
所述定子磁场定向矢量控制，根据定子磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：
[0025]
t
ei
＝n
p
ψ
sist
；
[0026]
其中，n
p
为所述交流异步电动机的电机极对数，ψs为所述交流异步电动机的定子磁链，i
st
为定子电流的转矩分量；
[0027]
所述气隙磁场定向矢量控制，根据扭矩气隙磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：
[0028]
t
ei
＝n
p
ψ
mist
；
[0029]
其中，n
p
为所述交流异步电动机的电机极对数，ψm为气隙磁链，i
st
为定子电流的转矩分量。
[0030]
上述的阀门驱动器，其中，所述核心控制器还包括：
[0031]
速度控制单元，用于采用矢量控制方法或位置传感器的反馈信号获取阀门当前速度，通过pid控制算法对所述交流异步电动机的输出速度进行修正，并与所述扭矩修正单元叠加修正所述输出扭矩，以满足所述阀/门开启或关闭各阶段的速度要求。
[0032]
上述的阀门驱动器，其中，所述核心控制器还包括：
[0033]
位置控制单元，用于根据所述位置传感器的反馈信号判断是否到达所述阀/门开启或关闭过程各阶段的位置节点，并根据判断结果进一步调整所述输出扭矩，以满足所述阀/门开启或关闭各阶段的控制逻辑和停止位置精度的要求。
[0034]
上述的阀门驱动器，其中，所述位置传感器为全行程传感器和/或点位式传感器，以实现全行程高精度位置控制或准确的起/终点位置控制。
[0035]
上述的阀门驱动器，其中，所述位置传感器安装在所述交流异步电动机的输出轴、减速传动箱的输出轴或驱动机构上，并与所述核心控制器连接。
[0036]
上述的阀门驱动器，其中，所述核心控制器还包括：
[0037]
扭矩标定单元，与扭矩标定装置连接，通过所述扭矩标定装置对所述交流异步电动机进行扭矩标定，用于修正所述交流异步电动机的输出扭矩。
[0038]
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种电动阀/门，包括阀/门、传动装置、交流异步电动机和阀门驱动器，所述交流异步电动机通过所述传动装置与所述阀/门连接，所述阀门驱动器与所述交流异步电动机连接，并通过所述交流异步电动机控制所述阀/门的开闭，其中，所述阀门驱动器为上述的阀门驱动器，所述阀门驱动器与所述交流异步电动机为一体连接件；或所述阀门驱动器与所述交流异步电动机分体设置，并通过电缆或无线连接。
[0039]
本发明的技术效果在于：
[0040]
本发明能够根据开关阀/门全行程负载变化，通过优化速度和扭矩的匹配参数，实现了对普通交流异步电动机扭矩、速度和位置的精准控制，从而保证阀/门“关得严”，“停得准”和“打得开”；同时基于阀/门位移的启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段、慢速逼近阶段、扭矩控制阶段和停止阶段，可实现分阶段组合控制，满足了阀/门快开快关、水锤消除、调节阀工况、故障应对的要求；通过短时“超频”(超速)和“超电流”(超扭矩)，较现有技术阀门驱动器可选用更小规格的交流异步电动机，进而可减小产品体积和重量并降低成本，改善管道系统的动态特性；提高普通交流异步电动机负载平滑性控制的同时，还可降低对电网的冲击。
[0041]
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
[0042]
图1为本发明一实施例的电动阀/门结构示意图；
[0043]
图2为本发明另一实施例的电动阀/门结构示意图；
[0044]
图3为本发明一实施例的电动阀/门结构框图；
[0045]
图4为本发明一实施例的阀门驱动器结构框图；
[0046]
图5为本发明另一实施例的阀门驱动器结构框图；
[0047]
图6为本发明一实施例的定子电阻识别等效电路图；
[0048]
图7为本发明一实施例的电机t等效电路；
[0049]
图8为本发明一实施例的电机反γ等效电路；
[0050]
图9为本发明一实施例的扭矩标定中设定扭矩与输出扭矩对应关系图。
[0051]
其中，附图标记
[0052]
1 阀/门
[0053]
2 传动装置
[0054]
ꢀꢀꢀꢀ
21 减速传动箱
[0055]
ꢀꢀꢀꢀ
22 驱动机构
[0056]
3 交流异步电动机
[0057]
4 阀门驱动器
[0058]
ꢀꢀꢀꢀ
41 逻辑控制模块
[0059]
ꢀꢀꢀꢀ
42 变频控制模块
[0060]
ꢀꢀꢀꢀ
43 变频驱动模块
[0061]
ꢀꢀꢀꢀ
44 核心控制器
[0062]
ꢀꢀꢀꢀ
45 信号转换模块/io模块
[0063]
ꢀꢀꢀꢀ
46 检测和保护模块
[0064]
ꢀꢀꢀꢀ
47 温度控制模块
[0065]
ꢀꢀꢀꢀ
48 人机交互模块
[0066]
5 扭矩标定装置
[0067]
6 位置传感器
[0068]
7 扭矩传感器
[0069]
8 电源
具体实施方式
[0070]
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
[0071]
参见图1-图3，图1为本发明一实施例的电动阀/门结构示意图，图2为本发明另一实施例的电动阀/门结构示意图，图3为本发明一实施例的电动阀/门结构框图。本发明的电动阀或电动门，包括阀/门1、传动装置2、交流异步电动机3和阀门驱动器4，所述交流异步电动机3通过所述传动装置2与所述阀/门1连接，所述阀门驱动器4分别与电源8和交流异步电动机3连接，并通过所述交流异步电动机3控制所述阀/门1的开闭，传动装置2可包括减速传动箱21和驱动机构22，减速传动箱21分别与交流异步电动机3的输出轴及驱动机构22的输入端连接，驱动机构22输出端与阀/门1连接，实现阀/门1的驱动。所述阀门驱动器4与所述交流异步电动机3可为一体连接件(参见图1)；或所述阀门驱动器4与所述交流异步电动机3分体设置，并通过电缆或无线连接(参见图2)，即可将机械驱动和电气驱动分离设置，以满足安装空间狭小、高温、辐射、高湿、强磁干扰等苛刻应用环境的要求。本发明电动阀/门其他部件的组成、结构、相互位置关系、连接关系及其工作原理等，均为较成熟的现有技术，故在此不做赘述，下面仅对本发明的阀门驱动器4及其工作原理予以详细说明。
[0072]
参见图4及图5，图4为本发明一实施例的阀门驱动器4结构框图，图5为本发明另一实施例的阀门驱动器4结构框图。本发明的阀门驱动器4，包括壳体和安装在所述壳体内的
核心控制器44和变频驱动模块43，所述变频驱动模块43分别与所述核心控制器44和交流异步电动机3连接，所述核心控制器44通过实时调整所述变频驱动模块43的输出扭矩或输出扭矩限值，以满足阀/门1响应速度和控制精度要求。核心控制器44作为信号判断和逻辑控制核心，优选以单片机和dsp，具体可配备逻辑处理器、io系统、内部总线等；变频驱动模块43作为矢量变频控制的基础模块，可配备数字信号处理器、电源转换电路、功率驱动电路等。如图4及图5所示，该阀门驱动器4还可包括无线通讯模块、检测和保护模块46、io模块、人机交互模块48、现场总线模块、测量转换模块、温度控制模块47、供电电池和电缆连插件等，无线通讯模块用于与遥控器、外部便携式设备的连接和信息交换，可包括红外收发电路、蓝牙通讯电路等，及红外通讯、蓝牙通讯、串行总线通讯、以太网通讯等接口，可满足阀门驱动器4与扭矩标定装置5、上位机、云服务器等的有线或无线连接；检测和保护模块46用于驱动交流异步电动机3时的整流、滤波、逆变等电能变换，可包括整流电路、直流电路、逆变电路、检测电路等；io模块用于输入输出信号的连接、转换和保护，可包括io供电电路、数字量输入电路、数字量输出电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路等；人机交互模块48用于参数和指令录入及运行状态、报警信息的显示，可包括显示屏和按钮面板等；现场总线模块用于与上位机、外部监控设备的信息交换，可包括modbus总线、can总线等；测量转换模块用于将编码器采集阀/门位移信息的正弦电压信号、ttl矩形波信号、htl矩形波信号转换为集电极开路信号并反馈给逻辑控制模块41，可包括信号转换电路、高速计数电路等；温度控制模块47用于整机温度控制，可包括温度传感器、冷却风扇、铝制散热片等。该阀门驱动器4可用于开关阀/门1所有动作控制、信息显示、报警和保护。
[0073]
本实施例的所述核心控制器44包括：逻辑控制单元，用于根据阀/门1执行开启和关闭过程各阶段的需求设定相应的设定扭矩；将所述设定扭矩发送至所述变频驱动模块43，所述变频驱动模块43以所述设定扭矩为输出扭矩或输出扭矩限值驱动所述交流异步电动机3执行相应的阀/门1开启或关闭动作；实时扭矩检测单元，用于获取所述交流异步电动机3或阀/门1运行的实时扭矩；以及扭矩修正单元，根据所述实时扭矩和设定扭矩，以所述设定扭矩为输入，以所述实时扭矩为反馈，采用pid控制算法对所述输出扭矩进行修正，并将修正后的输出扭矩发送至变频驱动模块43，以根据所述实时扭矩调节所述输出扭矩的响应速度和控制精度。
[0074]
在图4所示的实施例中，该核心控制器44可分为逻辑控制模块41和变频控制模块42设置，该逻辑控制模块41通过该变频控制模块42与变频驱动模块43连接，上述的逻辑控制单元、实时扭矩检测单元以及扭矩修正单元等各单元均可集成在该逻辑控制模块41或变频控制模块42内；逻辑控制模块41可用于整机逻辑控制，可以存储并执行控制程序，该逻辑控制模块41可采用单片机、dsp、plc等，可包括程序存储器、数据存储器、中央处理器(cpu)、io接口、内部总线等。变频控制模块42可由单片机或dsp芯片和外围电路搭建，用于电机的特性参数和扭矩矢量控制算法生成，在逆变电路的配合下驱动交流异步电动机3，可包括程序存储器、数据存储器、中央处理器(cpu)、io接口和内部总线等。
[0075]
在图5的实施例中，该逻辑控制模块41和变频控制模块42可一体集成在核心控制器44内，该核心控制器44与变频驱动模块43也可集成为一体，即该阀门驱动器4的逻辑控制、变频控制和驱动输出功能可以分离设置在不同的模块上，也可以合并集成在一个模块上，本发明对该阀门驱动器4内部的具体功能模块的结构、组成及集成方式不做限制，只要
能实现实时调整变频驱动模块43的输出扭矩或输出扭矩限值，满足阀/门1响应速度和控制精度要求的功能即可。
[0076]
图5所示的实施例中，所述实时扭矩可通过扭矩传感器7直接获取，所述扭矩传感器7可安装在所述交流异步电动机3的输出轴、减速传动箱21的输出轴或驱动机构22的输入轴或输出轴上，并与所述实时扭矩检测单元连接，将其测得的实时扭矩信号传送至所述实时扭矩检测单元，以供扭矩修正。
[0077]
图4所示的实施例中，所述实时扭矩优选通过输出电流检测电路结合矢量变换方法获取，所述输出电流检测电路检测所述交流异步电动机3的物理参数并传送至所述实时扭矩检测单元，所述实时扭矩检测单元通过计算获得所述实时扭矩并传送至所述扭矩修正单元，所述物理参数可包括定子电阻、转子电阻、定转子互感、定转子漏感和空载电流。可将所述交流异步电动机3的三相交流信号，经过坐标变换转换为定子电流的转矩分量ist和定子电流的励磁分量ism，并根据磁场定向不同分别采用转子磁场定向矢量控制、直接转矩控制、转差频率矢量控制、定子磁场定向矢量控制或气隙磁场定向矢量控制计算获得所述实时扭矩。也即以矢量扭矩控制为输出方法，以扭矩检测电路(本实施例优选为输出电流检测电路)的检测结果为反馈信号，通过pid闭环调整控制输出扭矩，以使驱动阀/门1实际运行的输出扭矩在设定扭矩即期望值的范围内运行。
[0078]
为了更精准地实现矢量控制，本发明还可通过该阀门驱动器4对交流异步电动机3的物理参数先行进行辨识，首先对交流异步电动机3的定子电阻、转子电阻、定转子互感、定转子漏感等参数进行采集，以确保扭矩矢量控制中基本参数的准确。即该核心控制器44还可包括物理参数辨识单元，用于获取所述交流异步电动机3的物理参数，以对交流异步电动机3进行更加准确的扭矩矢量控制。可对交流异步电动机3输入交、直流激励信号并实时监测定子电流反馈，根据电压、电流的数值和相位关系计算获得上述各相关参数。空载电流用于估算交流异步电动机3运行过程中的扭矩消耗(如摩擦、通风、铁芯损耗等)并对其输出扭矩加以补偿，该空载电流优选为电机额定电流的20％～50％。
[0079]
本实施例采用核心控制器44中输出电流检测电路进行参数检测，采集实时扭矩(可由转子等效自感、转子等效互感、转子磁链、定子电流转矩分量等值计算获得)作为反馈量，并使用pid控制原理对输出扭矩进行闭环控制和修正，最终实现扭矩矢量控制，确保阀/门1运行过程中的扭矩响应速度和控制精度。本实施例的定子电阻可采用如下方式获取：
[0080]
控制逆变电源输出单相直流电压，此时可以将该情况下的电机电路图简化为如图6所示：
[0081][0082]
其中，v`
dc
＝直流电压，iu＝定子电流，r1＝定子电阻。
[0083]
由于开关管压降的影响，实际施加在定子的电压会产生一定的误差。为了消除误差可采用施加多次不同的电压信号，取定子电压与定子电流的斜率作为定子电阻。
[0084][0085]
本实施例的转子电阻、定转子互感和定转子漏感可采用如下方式获取：
[0086]
交流异步电动机3在单相正弦信号激励下的电磁现象与三项正弦信号的激励下的
电磁现象基本相同，通过此方法来识别，同时此时的电机转矩为零，电机保持静止，此时的电机等效电路可用三相等效电路来代替。
[0087]
交流异步电动机3的定子转子的矢量方程为：
[0088][0089]
其中，p为微分算子，r1为定子电阻，rr为转子电阻，l
sσ
为定子漏感，l
rσ
为转子漏感，lm为定转子互感，ω为转子速度，笼型转子
[0090]
将输出的w相断开，u相和v相按照h桥式正弦电压调质信号控制逆变器的通断，从而产生正弦电压激励信号，设u相、v相的正弦电压为而产生正弦电压激励信号，设u相、v相的正弦电压为则交流异步电动机3中的相电压和相电流满足如下关系：
[0091][0092][0093]
其中，v
un
，v
vn
，v
wn
分别为u相v相w相对中点电压。
[0094]
此时电机转矩为0，电机此时的t型等效电路图如7所示，一般情况下定子漏感与转子漏感相同，即l
sσ
＝l
rσ
。图8为本发明一实施例的电机反γ等效电路图，是对t进行等效变化后的电路，变化后得电路参数t型等效电路参数件的关系为：
[0095][0096][0097][0098]
由图可得：
[0099][0100][0101]
上式中是电压初始相位，是电流初始相位。
[0102]
由式(1-6)～式(1-9)可以得到：
[0103][0104]
通过反γ等效电路可以得出阻抗的表达式如下：
[0105][0106]
对交流异步电动机3分别施加频率为f1和f2的正弦电压信号进行电机单相试验，检测定子电流分子到的等效阻抗，并设r、(f)＝r-r1，由式(1-12)可得到反γ等效电路下电机参数的计算公式
[0107][0108][0109][0110]
根据t型等效电路和反γ等效电路参数换算的关系式(1-5)，可以分别得到电机转子电阻、定子转子互感、定子转子漏感的计算公式如下：
[0111][0112][0113]
l
sσ
＝l
rσ
＝l`
sσ
+l`
m-lmꢀꢀꢀ
(1-18)
[0114]
本发明一实施例中，优选采用转子磁场定向矢量控制，根据转子全磁链矢量方向进行所述磁场定向，并用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：
[0115][0116]
其中，n
p
为所述交流异步电动机3的电机极对数，l
md
为所述交流异步电动机3的定转子同轴时一相绕组的等效互感，l
rd
为所述交流异步电动机3的转子一相绕组的等效自感，i
st
为所述交流异步电动机3的定子电流的转矩分量，ψr为所述交流异步电动机3的转子磁链。
[0117]
其控制原理如下：
[0118][0119][0120]
[0121]
其中，ψ
rm
为转子全磁链m轴分量；ψ
rt
为转子全磁链t轴分量；i
rm
为转子电流m轴分量；i
rt
为转子电流t轴分量；n
p
为电机极对数；为电机极对数；为转子一相绕组的等效自感；为定转子同轴时一相绕组的等效互感；i
st
为定子电流的转矩分量；ψr为转子磁链；为转子电磁时间常数；p为微分算子；i
sm
为定子电流的励磁分量。
[0122]
本发明另一实施例中，还可采用直接转矩控制，并用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：
[0123][0124]
其中，n
p
为所述交流异步电动机3的电机极对数，lm为定转子互感，ls为定子一相绕组的自感，lr为转子一相绕组的自感，ψs为定子磁链，ψr为转子磁链，θ
sr
为转矩角，是矢量ψs和ψr之间的夹角。
[0125]
该直接转矩控制依据定子轴系的数学模型，并使用空间矢量分析方法实现电机控制，其控制原理如下：
[0126]
定子磁链方程：
[0127][0128]
其中，us为定子轴系电压矢量。
[0129]
忽略定子电阻电压降r
sis
，有：
[0130]
ψ≈∫usdt
ꢀꢀꢀ
(2-18)
[0131]
转矩方程为：
[0132][0133]
θ
sr
为转矩角，是矢量ψs和ψr之间的夹角。
[0134]
本发明第三实施例中，可采用转差频率矢量控制，根据转差频率矢量进行所述磁场定向，并用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：
[0135][0136]
其中，n
p
为所述交流异步电动机3的电机极对数，tr为转子电磁时间常数，l
rd
为所述交流异步电动机3的转子一相绕组的等效自感，ψr为转子磁链，ω
s1
为转差角频率。
[0137]
转差频率矢量控制可在转子磁场定向量控制基础上进行，其控制原理如下：
[0138]
[0139][0140]
其中，ω
s1
为转差角频率。
[0141]
本发明第四实施例中，采用定子磁场定向矢量控制，根据定子磁链矢量方向进行所述磁场定向，并用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：
[0142]
t
ei
＝n
p
ψ
sist
；
[0143]
其中，n
p
为所述交流异步电动机3的电机极对数，ψs为所述交流异步电动机3的定子磁链，i
st
为所述交流异步电动机3的定子电流的转矩分量。
[0144]
本实施例按照定子磁链矢量方向进行磁场定向，其控制原理如下：
[0145][0146]
t
ei
＝n
p
ψ
sist
ꢀꢀꢀ
(2-7)
[0147][0148]
其中，ψs为定子磁链；ψ
sm
为定子全磁链m轴分量；ψ
st
为定子全磁链t轴分量；为漏磁系数；由式(2-8)可知，定子磁链ψs是i
st
和i
sm
的函数，彼此间存在耦合，需增加解耦控制器，其控制原理如下：
[0149][0150][0151]
其中，为定子电流励磁分量给定；为定子磁链给定；i
mt
为解耦控制信号；将式(2-9)代入到式(2-8)的第一式中可得：
[0152][0153]
为借助i
mt
实现ψs的解耦控制，使：
[0154]
(1+σtrp)l
sdimt-σl
sd
trω
s1ist
＝0
ꢀꢀꢀ
(2-12)
[0155]
经变换可得：
[0156][0157]
式(2-13)是解耦器模块算法，可通过定子侧检测到的电压、电流直接计算定子磁链矢量ψs，从而实现解耦。
[0158]
本发明第五实施例中，采用气隙磁场定向矢量控制，根据扭矩气隙磁链矢量方向进行所述磁场定向，并用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：
[0159]
t
ei
＝n
p
ψ
mist
；
[0160]
其中，n
p
为所述交流异步电动机3的电机极对数，ψm为气隙磁链，i
st
为定子电流的转矩分量。
[0161]
本实施例按照气隙磁链矢量方向进行磁场定向，其控制原理如下：
[0162][0163]
t
ei
＝n
p
ψ
mist
ꢀꢀꢀ
(2-15)
[0164][0165]
上述矢量控制方法中决定扭矩控制精度的各物理参数会随着长时间运行而发生改变，且上述控制方法中电机输出扭矩的公式理论上也忽略了系统机械摩擦阻力等因素，因此本发明的一实施例中，所述核心控制器44还可包括：
[0166]
扭矩标定单元，与扭矩标定装置5连接，通过所述扭矩标定装置5对所述交流异步电动机3进行扭矩标定，用于修正所述交流异步电动机3的输出扭矩。即本发明可定期采用扭矩的标定以消除上述因素的不利影响，实现系统扭矩控制精度的长期稳定。可将交流异步电动机3与阀门驱动器4连接，正确设置系统基本参数并执行参数辨识后，在所述交流异步电动机额定扭矩的10％～200％范围内选择均匀分布得不少于10个扭矩值作为检测点，阀门驱动器4按照标定逻辑逐点改变所述交流异步电动机3的设定扭矩并驱动所述交流异步电动机3加载，载荷覆盖0至交流异步电动机3的最大输出扭矩；然后将扭矩标定装置5安装固定在交流异步电动机3的输出轴上，并通过有线信号电缆或无线通讯模块与阀门驱动器4连接，采用扭矩标定装置5以扭矩标定方法，检测所述交流异步电动机3对应每点所述设定扭矩的输出扭矩并记录；重复以上每检测点加载过程不少于3次并取其算数平均值作为此检测点的输出扭矩检测结果；以及由阀门驱动器4统计和分析以上测试数据，比较设定扭矩与相应的输出扭矩偏差并生成成套统计数据，根据统计数据生成各级所述设定扭矩与相应的输出扭矩的对应关系图表显示或输出(显示结果可为图表及曲线，及必要的提示信息以供确认)，用于修正所述交流异步电动机3的输出扭矩。相关对应图表经确认后，可由阀门驱动器4执行修正，以获得更准确的扭矩控制阶段的输出扭矩。本实施例仅以设定扭矩与相应的输出扭矩对比为例予以说明，具体可参见下表，下表是以额定功率0.55kw，额定转速1450rpm，额定扭矩3.6nm的交流异步电动机3为例，其输出扭矩(即相应检测点的堵转扭矩)和设定扭矩关系。其中，控制和修正交流异步电动机3的低速和堵转扭矩，可使阀/门1关闭过程获得准确的密封比压，交流异步电动机3的堵转扭矩误差优选控制在额定扭矩的
±
10％(优选为
±
4％)范围内，以稳定有效地控制阀/门1关闭的密封比压。同时，还可将统计表中离散的检测点数据整合成描述设定扭矩与相应的输出扭矩关系的分段函数(如图9所示，为相对连续，首位相接，斜率不同的折线线段)，供扭矩控制过程查询和使用。
[0167]
表1设定扭矩与相应的输出扭矩对比表
[0168]
[0169][0170]
以上数据以均匀分布的足够密集的特征点描述了交流异步电动机3的设定扭矩和输出扭矩的关系。本实施例中，当设定扭矩在额定扭矩范围内时(也是扭矩控制阶段需使用的扭矩范围)，设定扭矩和输出扭矩的误差在
±
10％(优选为
±
4％)范围内，有良好的线性关系；当设定扭矩超过额定扭矩时，误差增大。设定扭矩和输出扭矩的关系可以用分段直线方程的方式表示，并用于修正输出扭矩。因对应表中的测试结果是离散数据，实际使用中测试点间数据以相邻两点间线段方程进行插入和补充。如当设定扭矩在0.5至1.0nm之间时，根据图9中最左侧线段的起点(0.5，0.47)和终点(1.0，0.88)可得其关系曲线方程为：
[0171]
y＝0.82x+0.06；
[0172]
其中，x是设定扭矩，且0.5≤x≤1.0，y是输出扭矩。
[0173]
由此可用分段方程将设定扭矩和输出扭矩对应起来，达到修正输出值精准控制扭矩的目的。
[0174]
为了进一步提高控制精度，本发明一实施例中，所述核心控制器44还可包括：速度控制单元，用于采用电流检测结合矢量变换的方法或位置传感器6的反馈信号获取阀门当前速度，通过pid控制算法对所述交流异步电动机3的输出速度进行修正，并与所述扭矩修正单元的计算结果叠加进一步修正所述输出扭矩，以满足所述阀/门1开启或关闭各阶段的速度要求。
[0175]
在本发明的另一实施例中，所述核心控制器44还可进一步包括：位置控制单元，用
于根据所述位置传感器6的反馈信号判断是否到达所述阀/门1开启或关闭过程各阶段的位置节点，并根据判断结果结合速度控制单元和扭矩修正单元的反馈结果进一步调整所述输出扭矩，以满足所述阀/门1开启或关闭各阶段的控制逻辑和停止位置精度的要求。本实施例中，可对阀/门1的位置、速度、力矩实时监控，按照嵌套关系由内而外可采用扭矩环、速度环、位置环的嵌套控制模式，其中，扭矩环直接影转矩，响应快精度高，可以满足实时控制电机输出扭矩的要求；速度环在扭矩环基础上工作，通过矢量控制的基本原理自阀门驱动器4或位置传感器6的反馈获取阀/门1的当前速度，并通过扭矩环施加影响，以满足不同阶段对速度的要求；位置环作为可选和补充项在速度环和扭矩环基础上工作，是最外层调节，其根据阀门驱动器4或位置传感器6的反馈判断并调节输出，以满足控制逻辑和停止位置精度的要求。
[0176]
其中，所述位置传感器6可为全行程传感器和/或点位式传感器，以实现全行程高精度位置控制或准确的起/终点位置控制。所述位置传感器6可安装在所述交流异步电动机3的输出轴、减速传动箱21的输出轴或驱动机构22的输入轴或输出轴上，并通过信号转换模块/io模块45与核心控制器连接。本发明对全行程传感器和点位式传感器兼容，适用于全行程传感器、点位式传感器、全行程传感器和点位置传感器6的组合。实践中，位置传感器6的选用与阀/门1的类别、阀/门1的机械结构特点、阀/门1的使用环境及阀/门1的生产技术水平等有关，一般不因阀门驱动器4需求而改变。在预装全行程传感器的系统中，根据连续的位置信号准确划分阀/门1执行的不同阶段(本发明可包括启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段、慢速逼近阶段、扭矩控制阶段和停止阶段等)，对每个过程的开始位置、结束位置、速度、扭矩、加速度、减速度等参数进行合理控制以达到预期的执行效果。本发明配合不同的接口转换硬件，可适应各种类型的全行程传感器。
[0177]
其中，节点点位式传感器因成本低廉、安装方便、环境适应性强，在阀门执行系统中仍占有一定的比例。在预装节点点位式传感器的系统中，根据离散的节点位置信号有限辨识和划分阀门执行的不同过程，并在确保安全的前提下确保开启或关闭的执行结果。在预装全行程传感器和点位置传感器6的系统中，与仅预装全行程传感器的系统相同，节点点位式传感器作为保护器件或安全冗余器件进行极限或特殊位置的安全保护。本发明在传感器种类和形式方面的兼容性拓宽了其使用范围和适用环境，也提升了其适用过程的安全性。
[0178]
本发明的阀门驱动器4可适用于各种阀/门1的开闭控制，满足如滑动门、平开门，旋转门、百叶门、闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、旋塞阀、风阀等不同工况的控制要求。其中，调节阀通过精确调整阀/门1的开度大小或过程运动速度，以实现不同流量特性的控制，比如等百分比控制特性、直接控制特性、快开控制特性和抛物线控制特性等。调节阀中间任意位置的定位，其每一次的调整均可视为一个完整的工作运动过程。例如球阀在流量调整时开关角度从45
°
至60
°
变化的过程中，经历的工作过程即是启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段、逼近阶段及停止阶段。而开关阀因需要按一定速度实现开关动作，且需要保证关闭时的密封性，因此相比调节阀可增加扭矩控制过程，例如闸阀的关闭过程可分为启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段、慢速逼近阶段、扭矩控制阶段和停止阶段。
[0179]
本发明通过阀门驱动器4对交流异步电动机3进行扭矩矢量控制、扭矩标定及电动机参数辨识，可分别实现输出扭矩的动态控制和设定扭矩的静态修正；以多重pid嵌套的方
式由内而外分别建立扭矩环、速度环和位置环，并根据阀/门1执行过程不同阶段的需求选择闭环层级或嵌套深度，实现了对普通交流异步电动机3的位置、速度、扭矩三闭环全行程准伺服控制，从而确保阀/门1执行过程的迅速、精确，及执行结果的准确、有效，即采用外部嵌套的速度闭环和位置闭环对扭矩闭环(如电流闭环)进行嵌套控制的方法，在提高输出扭矩的响应速度和控制精度的同时，还在需要确保运行速度和定位精度的执行阶段进行速度和位置控制，进一步提升了执行过程的效率、稳定性、准确度和灵活性。可精确控制关阀密封比压，能够根据开关阀全行程负载变化，通过优化速度和扭矩的匹配参数，实现普通交流异步电动机3的功率精准控制，实现阀/门“关得严”，“停得准”和“打得开”；同时基于阀/门位移的启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段、慢速逼近阶段、扭矩控制阶段和停止阶段，可实现分阶段组合控制，根据阀/门在使用现场各种不同的工况要求匹配不同的控制策略，例如开/关阀门的效率(时间)优先、开/关阀门的位置精度优先、开/关阀门的扭矩精度优先、开/关阀门的阀门安全优先、开/关阀门的管线安全优先，开/关阀门的管路系统平稳性优先等，以满足快开快关、水锤消除、调节阀工况、故障应对的要求。通过短时“超频”(超速)和“超电流”(超扭矩)，可选用更小规格的交流异步电动机3，进而可减小产品体积和重量及降低成本，改善管道系统的动态特性；实现普通交流异步电动机3负载平滑性控制的同时，还可降低对电网的冲击。
[0180]
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种阀门驱动器，包括壳体和安装在所述壳体内的核心控制器和变频驱动模块，所述变频驱动模块分别与所述核心控制器和交流异步电动机连接，其特征在于，所述核心控制器通过实时调整所述变频驱动模块的输出扭矩或输出扭矩限值，满足阀/门响应速度和控制精度要求，所述核心控制器包括：逻辑控制单元，根据阀/门执行开启和关闭过程各阶段的需求设定相应的设定扭矩，并将所述设定扭矩发送至所述变频驱动模块，所述变频驱动模块以所述设定扭矩为输出扭矩或输出扭矩限值驱动所述交流异步电动机执行相应的阀/门开启或关闭动作；实时扭矩检测单元，获取所述交流异步电动机或阀/门运行的实时扭矩；以及扭矩修正单元，根据所述实时扭矩和设定扭矩，以所述设定扭矩为输入，以所述实时扭矩为反馈，采用pid控制算法对所述输出扭矩进行修正，以根据所述实时扭矩调节所述输出扭矩的响应速度和控制精度。2.如权利要求1所述的阀门驱动器，其特征在于，所述实时扭矩通过扭矩传感器直接获取，所述扭矩传感器安装在所述交流异步电动机的输出轴、减速传动箱的输出轴或驱动机构上，并与所述实时扭矩检测单元连接，将测得的实时扭矩信号传送至所述实时扭矩检测单元。3.如权利要求1所述的阀门驱动器，其特征在于，所述实时扭矩通过输出电流检测电路结合矢量变换方法获取，所述输出电流检测电路检测所述交流异步电动机的物理参数并传送至所述实时扭矩检测单元，所述实时扭矩检测单元计算获得所述实时扭矩并传送至所述扭矩修正单元，所述物理参数包括定子电阻、转子电阻、定转子互感、定转子漏感和空载电流。4.如权利要求3所述的阀门驱动器，其特征在于，所述交流异步电动机的三相交流信号经过坐标变换，转换为定子电流的转矩分量i
st
和定子电流的励磁分量i
sm
，根据磁场定向不同分别采用转子磁场定向矢量控制、直接转矩控制、转差频率矢量控制、定子磁场定向矢量控制或气隙磁场定向矢量控制计算获得所述实时扭矩；其中，所述转子磁场定向矢量控制，根据转子全磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：其中，n
p
为所述交流异步电动机的电机极对数，l
md
为所述交流异步电动机的定转子同轴时一相绕组的等效互感，l
rd
为所述交流异步电动机的转子一相绕组的等效自感，i
st
为所述交流异步电动机的定子电流的转矩分量，ψ
r
为所述交流异步电动机的转子磁链；所述直接转矩控制采用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：其中，n
p
为所述交流异步电动机的电机极对数，l
m
为定转子互感，l
s
为定子一相绕组的自感，l
r
为转子一相绕组的自感，ψ
s
为定子磁链，ψ
r
为转子磁链，θ
sr
为转矩角，是矢量ψ
s
和ψ
r
之间的夹角；所述转差频率矢量控制，根据转差频率矢量进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩：
其中，n
p
为所述交流异步电动机的电机极对数，t
r
为转子电磁时间常数，l
rd
为所述交流异步电动机的转子一相绕组的等效自感，ψ
r
为所述交流异步电动机的转子磁链，ω
s1
为转差角频率；所述定子磁场定向矢量控制，根据定子磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：t
ei
＝n
p
ψ
s
i
st
；其中，n
p
为所述交流异步电动机的电机极对数，ψ
s
为所述交流异步电动机的定子磁链，i
st
为定子电流的转矩分量；所述气隙磁场定向矢量控制，根据扭矩气隙磁链矢量方向进行所述磁场定向，并采用如下公式获得所述实时扭矩t
ei
：t
ei
＝n
p
ψ
m
i
st
；其中，n
p
为所述交流异步电动机的电机极对数，ψ
m
为气隙磁链，i
st
为定子电流的转矩分量。5.如权利要求1-4中任意一项所述的阀门驱动器，其特征在于，所述核心控制器还包括：速度控制单元，用于采用矢量控制方法或位置传感器的反馈信号获取阀门当前速度，通过pid控制算法对所述交流异步电动机的输出速度进行修正，并与所述扭矩修正单元叠加修正所述输出扭矩，以满足所述阀/门开启或关闭各阶段的速度要求。6.如权利要求5所述的阀门驱动器，其特征在于，所述核心控制器还包括：位置控制单元，用于根据所述位置传感器的反馈信号判断是否到达所述阀/门开启或关闭过程各阶段的位置节点，并根据判断结果进一步调整所述输出扭矩，以满足所述阀/门开启或关闭各阶段的控制逻辑和停止位置精度的要求。7.如权利要求6所述的阀门驱动器，其特征在于，所述位置传感器为全行程传感器和/或点位式传感器，以实现全行程高精度位置控制或准确的起/终点位置控制。8.如权利要求7所述的阀门驱动器，其特征在于，所述位置传感器安装在所述交流异步电动机的输出轴、减速传动箱的输出轴或驱动机构上，并与所述核心控制器连接。9.如权利要求1、2、3、4、6、7或8所述的阀门驱动器，其特征在于，所述核心控制器还包括：扭矩标定单元，与扭矩标定装置连接，通过所述扭矩标定装置对所述交流异步电动机进行扭矩标定，用于修正所述交流异步电动机的输出扭矩。10.一种电动阀/门，包括阀/门、传动装置、交流异步电动机和阀门驱动器，所述交流异步电动机通过所述传动装置与所述阀/门连接，所述阀门驱动器与所述交流异步电动机连接，并通过所述交流异步电动机控制所述阀/门的开闭，其特征在于，所述阀门驱动器为上述权利要求1-9中任意一项所述的阀门驱动器，所述阀门驱动器与所述交流异步电动机为一体连接件；或所述阀门驱动器与所述交流异步电动机分体设置，并通过电缆或无线连接。

技术总结
一种电动阀/门及其阀门驱动器，该电动阀/门包括阀门驱动器，该阀门驱动器包括壳体、核心控制器和变频驱动模块，核心控制器通过实时调整变频驱动模块的输出扭矩或输出扭矩限值，满足阀门响应速度和控制精度要求，包括：逻辑控制单元，根据阀/门执行开启和关闭过程设定相应的设定扭矩，并将设定扭矩发送至变频驱动模块，以设定扭矩为输出扭矩或输出扭矩限值驱动交流异步电动机执行相应的阀/门开启或关闭动作；实时扭矩检测单元，获取交流异步电动机或阀/门运行的实时扭矩；以及扭矩修正单元，根据实时扭矩和设定扭矩，以设定扭矩为输入，以实时扭矩为反馈，采用PID控制算法对输出扭矩进行修正以即时调节输出扭矩。进行修正以即时调节输出扭矩。进行修正以即时调节输出扭矩。


技术研发人员：周文 赵战国 张大鹏 赵刚 郑璐明 王泽平 王晓江
受保护的技术使用者：北京雷蒙赛博核装备技术研究有限公司
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2023/9/23