纸张定量控制电动阀门执行器精密定位策略研究

摘要

纸张定量控制电动阀门执行器是纸张定量控制工艺中的专用设备，包括纵向定量控制用的定量阀及横向定量控制用的稀释水阀。为了确保纸张定量指标，以及消费者不断增长的质量要求，客观上要求上述两类阀门的执行精度分别不低于5000步及1000步。与普通电动阀门执行器相比，其在结构和控制上都有本质区别，当前我国尚未完全掌握该执行器的设计及加工制造技术，主要依靠进口，价格昂贵。为了攻克上述技术难题，本文围绕纸张定量控制执行器精密定位控制开展应用技术基础研究，论文的主要贡献可总结如下： （1）高精度电动阀门执行器样机的设计与试制 提出了由步进电机驱动与精密行星减速机传动相结合的结构方案，研制出相配套的控制器，解决了执行器的结构及本机控制问题，试制出定量阀、角行程及直行程稀释水阀执行器样机。 根据配套的阀门口径计算出执行器的额定设计转矩，确定了减速机的减速比及配套步进电机的型号，给出了执行器详细的机械结构，并针对稀释水阀执行器散热困难的问题，提出了强制通风冷却及分体式布置的方案。在分析执行器驱动及控制功能的基础上，设计了基于单片机的控制器，为后续控制策略的研究打下了基础。 （2）驱动电机精密定位控制策略研究 研制出执行器步进电机定位精度测试实验装置，提出了基于梯形、S形速度曲线的步进电机精密定位控制策略，解决了传统整步恒频率控制模式易产生丢步及在少脉冲时易产生震荡的问题，提高了执行器驱动系统的定位精度。 通过仿真及实验研究发现了执行器步进电机定位精度损失的原因，在于传统恒频率控制脉冲模式下，启动及停止的瞬间加速度过大、不能与控制脉冲同步，因此电机产生了不规则旋转运动，导致了丢步及过冲现象。虽然细分控制能够提高电机的定位精度，但不能达到预期的定位精度要求。因此，本文提出了步进电机定位的加减速控制策略，分别研究了梯形、S形速度曲线各段的时间分布、各控制脉冲产生时间的计算公式。实验结果表明，在梯形及S形速度曲线控制模式下，步进电机的整周定位误差分别降低到0.12%及0.055%；而且最小当量控制脉冲条件下，定位误差分别降低到16.00%及5.00%，能有效抑制步进电机的震荡现象。表明本文提出的定位控制策略能有效的提高执行器步进电机的定位精度。 （3）驱动控制参数研究 研制出高精度定量阀及稀释水阀步进电机驱动控制参数设定实验装置，提出了通过实验测试确定驱动控制参数设定的方法，使步进电机的驱动参数设定更加合理。 通过实验的方法得到了满足执行器步进电机定位精度要求的驱动电流最小设定值，DN 125 mm规格定量阀及DN 20 mm规格角行程稀释水阀的设定值分别为3.14 A及1.4 A，静态保持电流值的合理设定值均为50%。解决了传统上将步进电机驱动电流设定在额定电流值、或凭经验设定，步进电机实际驱动转矩与执行器额定设计转矩不匹配的问题。而且实验证明，本文得出的驱动电流设定新值低于步进电机的额定电流值，能够降低步进电机及驱动芯片的发热量，更加有利于解决稀释水阀执行器散热困难的问题，从而提高了执行器的可靠性，为电机的精密定位及执行器安全运行提供了保障。 进而测定了在满足定位精度条件下，步进电机驱动电流与驱动转矩的关系，得到了两者的数学关联式，提出了通过调整步进电机驱动电流设定值来调整执行器输出转矩大小的方法，使一台控制器能够与多种口径规格的定量阀配套，增强了控制器的通用性。 （4）机械传动间隙测量及软件补偿控制策略研究 研制出直行程及角行程执行器机械传动间隙测定实验装置，提出了执行器机械传动间隙测量方法及软件补偿策略，提高了执行器传动系统的定位精度。 通过实验的方法发现了机械传动间隙软件补偿策略仅能消除机械传动间隙的均值误差，而不能消除机械传动间隙行程变动量波动误差的规律。由此得出了软件补偿能达到的精度与机械加工精度等级之间的关系，得出要使角行程执行器达到5000步精度、直行程执行器达到1000步精度，执行器传动部件的机械加工精度等级均需要在5级以上的结论。在配用相应机械加工精度传动部件的基础上采用软件补偿策略，定量阀及直行程稀释水阀执行器的回程定位精度分别从407步提高到5000步及从293步提高到3704步，比传统上忽略传动间隙的做法，将传动精度提高到12倍以上，分别满足了5000步及1000步的预定精度要求。证明了本文所提出的方法能够在硬件精度较低的条件下有效提高传动系统精度。 综上所述，本文采用理论与实验研究相结合的研究方法，解决了纸张定量控制执行器在结构及精密定位控制方面的技术难题。实验测试表明，所开发的定量阀、角/直稀释水阀执行器样机分别能够达到10000步、1000步及3000步以上的精度，超过了预定的5000步及1000步的精度指标，基本与国外同类产品持平，部分指标优于国外，而成本仅为国外同类产品的1/4~1/3。定量阀在车速为800~1200 m/min的卫生纸机上得到了应用，能够将纸张定量控制在 14.0±0.3 g/m2的范围内，满足了定量控制的指标要求，能实现国产替代进口，为定量控制执行器的国产化提供了理论及技术参考。

目录

第一个书签之前