阀门电动执行器重复性精度实验研究

马 帅，曹艳红

(1.北京航天试验技术研究所,北京 100074;2.泰尔信通(北京)投资管理有限公司,北京 100088)

阀门是流体介质输送系统中的控制设备,广泛应用于电力、水利、煤炭、石油、化工、航空航天等行业[1]。随着自动化程度的提高,大部分阀门由人力手动驱动变成自动控制驱动,这样就实现了对阀门的远程控制、集中控制和自动控制[2-3]。电动执行器是工业自动控制系统中不可或缺的重要组成部分[4],它的控制精度决定着阀门稳定性、安全性等性能,因此,在满足参数和质量要求下,如何提高电动执行器的性能、拓展其功能、增强其智能[5]是一项有意义的研究方向。

本文对航天发动机试验系统中控制流体介质输送的阀门进行了电动执行器重复性精度实验研究,重点对实验系统搭建、数据处理进行了分析,以期对我国阀门电动执行器的设计与研究提供参考。

针对阀门电动执行器重复性精度研究,根据设计方案采购了步进电机、蜗轮蜗杆减速机、限位开关、直流电源、驱动器、控制器等一系列设备,如图1所示。

图1 实验设备

步进电机步进角为1.8°,输出扭矩2.5 N·m,机身长度为100 mm。

蜗轮蜗杆减速机减速比为1∶50。

限位开关侧面感应,为NPN常开型,低电位有效,检测距离4 mm。

直流开关电源额定功率250 W,输出直流电压24 V,输出电流10 A。

控制器右侧是与可视化屏幕的连线接口,左侧上方是与驱动器的连线接口,左侧下方是与限位开关的连线接口。

可视化屏幕界面中可以显示电机运动、速度、转动角度等状态,还有控制电机正反转、停止的按钮。

实验系统搭建原理如图2所示。

图2 实验系统搭建原理

图3 实验系统控制流程

搭建系统前,对控制器进行了限位开关反馈的指令编码,整套系统主要控制流程如下:

1) 通电后,电机不转动,设置电机的转动速度;

2) 拨动复位按钮,电机到达预设点A(复位过程中B处限位开关反馈的信号系统不进行评判);

3) 点击液晶屏幕上的正转按钮,电机正转,通过减速机带动输出轴上的感应片动作;

4) 输出轴从A到B转动时,到达B点后,B处限位开关反馈的信号给控制器,然后控制器使电机停止运动(从A到B转动时A处限位开关反馈的信号系统不进行评判);

5) 电机转动停止时,液晶屏幕上显示电机从A到B转过的角度;

6) 点击液晶屏幕上的反转按钮,电机反转,通过减速机带动输出轴上的感应片动作;

7) 输出轴从B到A转动时,到达A点后,A处限位开关反馈的信号给控制器,然后控制器使电机停止运动(从B到A转动时B处限位开关反馈的信号系统不进行评判);

8) 电机转动停止时,液晶屏幕上显示电机从B到A转过的角度。

搭建完成的实验系统如图4所示。

图4 实验系统

限位开关的位置和方向由支撑板上的定位槽确定,这样可以使阀门开关所对应电机的转动角度限制为4200°,并以此开展不同转速下多次重复实验,记录各个开关行程中电机的已转角度。某一行程后,屏幕的显示界面如图5所示。

图5 屏幕显示界面

调整电机的转动速度依次为100r/min、50r/min、20r/min,各重复20次实验,记录的相关数据如表1所示。

表1 实验数据记录表

对表1中的数据进行点线图绘制,如图6所示。可以看出,重复20次实验,3组不同电机转速下阀门开关所对应电机的转动角度都在期望值上下波动,存在一些偏差,且低转速下偏差较小。

图6 实验数据点线图

对3组不同电机转速下的数据进行极值提取与处理,如表2所示。对比可知,随着电机转速的降低,阀门开关所对应的电机转动角度极大值逐渐变小;随着电机转速的降低,阀门开关所对应的电机转动角度极小值逐渐变大,从而使得极值偏差逐渐变小。3组不同电机转速分别重复20次实验时,阀门开关所对应的电机转动角度极值偏差依次为78.1°、51.8°、6.3°。因此,可以通过为电机设置合适的、较低的转动速度来提高阀门开关的精度。

表2 实验数据处理表

阀门重复性精度要求为0.08°,即要求减速机的输出轴最小旋转0.08°,根据减速机的传动比可知允许电机转动角度偏差为±4°。在电机20r/min的多次重复实验下,角度极值偏差为6.3°,故可以满足阀门重复性精度要求。

依据设计方案对阀门的电动执行器进行系统搭建,通过多组实验对其重复性精度进行了实验研究,得出:

1) 阀门电动执行器在工作中转动的角度与期望值存在一定偏差。

2) 低转速下阀门电动执行器的波动范围小,极值偏差小,重复性好。

3) 20r/min的电动执行器多次重复实验,角度极值偏差为6.3°,满足阀门重复性精度要求。

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