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电动执行器的行程位置检测
2019-8-2 13:50 中国泵阀制造网 作者:佚名 点击:2813
【中国泵阀制造网 行业论文】现在的阀门大多为智能一体化设计,通过电路系统对阀门进行自动化控制。电路系统实现对阀门开度的控制、反馈与调节,并做到精确无误定位,其重点在于阀门位置的精确反馈。为了使电动执行器在运行过程中对阀门的行程位置进行实时检测并反馈,以确保阀门的开度在指定的位置,位置传感器就变得十分重要。简述了目前市场上几种常见的位置传感器在不同情况下使用的优劣。

电动执行器的行程位置检测

许海明 何光辉

金光纸业(中国)投资有限公司 重庆川仪自动化股份有限公司执行器分公司

摘    要:

现在的阀门大多为智能一体化设计, 通过电路系统对阀门进行自动化控制。电路系统实现对阀门开度的控制、反馈与调节, 并做到精确无误定位, 其重点在于阀门位置的精确反馈。为了使电动执行器在运行过程中对阀门的行程位置进行实时检测并反馈, 以确保阀门的开度在指定的位置, 位置传感器就变得十分重要。简述了目前市场上几种常见的位置传感器在不同情况下使用的优劣。

关键词:

电动执行器; 位置传感器; 霍尔传感器;

作者简介: 许海明 (1980—) , 男, 工程师, 研究方向为工业自动化。;

收稿日期:2018-11

The Travel Position Detection of the Electric Actuator

XU Hai-ming HE Guang-hui

APP ( CHINA) Investment Co., Ltd Actuator Filial, Chongqing Chuanyi Automation Co., Ltd

Abstract:

Current valves are mostly intelligent integrated design, which automatically controls valves through the circuit system. The circuit system realizes the control, feedback and regulation of valve opening, and achieves the accurate and correct positioning. The key point is the accurate feedback of valve position. The position sensor becomes very important in order to enable the electric actuator to detect and feedback the stroke position of the valve in real time during operation to ensure that the valve is opened at the designated position. This paper describes the advantages and disadvantages of several common position sensors in the market at present.

Keyword:

electric actuator; position sensor; Hall sensor;

Received: 2018-11

0 引言

电动执行器运行过程中需要对阀门的行程位置进行实时检测, 以确保阀门的开度在指定的位置, 从而实现整个流体工程系统的正常运转。所以, 电动执行器中的位置传感器 (也叫阀位检测装置) 就显得十分重要。

电动执行器的阀位检测装置经过了多年的发展, 从最初的电位器到今天的绝对位置编码器, 发生了多次改变。这主要的原因是市场的要求在不断地变化, 并且是在向高精度、高可靠性的方向变化。

1 电位器检测

早期的执行器均采用电位器来检测行程位置, 电位器有三个外接电气端子, 两个固定端、一个变化端, 变化端与电位器内部的滑动端子的电气点相连, 滑动端子的机械轴与执行器的阀位轴相连, 当执行器的阀位变化时, 带动滑动端子在两个固定端的内部点之间滑动, 电位器的输出电压随之发生改变, 从而实时反映了执行器的阀位变化。由于存在滑动端子, 故易磨损、寿命短, 且有固定死区, 不能任意安装, 难以实现免开盖调试;另外, 单圈电位器与变比齿轮结合应用于多回转电动执行器时导致回差大[1]

2 霍尔传感器

为了解决使用电位器的易磨损、寿命短、有固定死区、不能任意安装、回差大等缺陷, 出现了采用非接触式的霍尔传感器方式来检测阀位。这种磁性传感器具有无磨损、精度高、无固定死区、回差小、可实现免开盖调试的特点。其工作原理是在执行器的阀位轴上装入一个塑料盘, 盘内镶嵌有几组磁钢柱, 磁钢盘的周围安放有两个干簧管。当执行器的阀位变化时, 阀位轴上带动磁钢盘转动, 盘内镶嵌的磁钢柱正对干簧管时, 干簧管就输出一个脉冲信号。由于盘内镶嵌有几组磁钢柱, 故阀位轴转一圈, 干簧管就会输出多个脉冲信号, 两个干簧管输出的脉冲数加起来就是阀位轴转一圈所得到的脉冲数, 得到的脉冲数存放在脉冲计数器中。如果把全关位置的脉冲数设定为0, 执行器带动阀门从全关到全开所得到的脉冲数设定为全开位置, 则读出执行器运行到任何位置时的脉冲数就可得出阀门的开度位置。使用电池来维持执行器断电后手动时的脉冲计数值和断电后的位置显示, 在执行器断电后, 脉冲计数器中保存的脉冲数不会丢失, 阀门的开度位置在断电后记录到内置存储器中;执行器上电时读出, 不需要重新设定行程。但当电池电量用完时手动可能会发生行程检测出错[2]

3 绝对编码器检测

为了克服脉冲编码器固有的问题, 保证在执行器断电之后的阀门位置信息检测无需电池支持, 做到这点则需要一套完整的绝对位置编码器。绝对位置编码器通常有光电式、电磁式或两者结合的形式。

光电式绝对位置编码器是采用定位精度更高的光栅码盘信号, 码盘上精确地印制上二进制编码, 码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道, 在同一个码道上印制黑白等间隔图案, 形成一套编码[3]。图1是光电式绝对编码器的原理示意图, 黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上, 有四圈数字码道, 每一个码道表示二进制的一位, 里侧是高位, 外侧是低位, 在360°范围内可编数码数为16个。工作时, 码盘的一侧放置电源, 另一边放置光电接收装置, 每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置, 光电元件接收光信号, 并转成相应的电信号, 经放大整形后, 成为相应数码电信号。为了克服非单值性误差, 实际使用中采用循环码, 习惯上又称格雷码。

 光电式绝对编码器原理图

图1 光电式绝对编码器原理图

绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线, 每道刻线依次以2线、4线、8线、16线…编排, 这样, 在编码器的每一个位置, 通过读取每道刻线的通、暗, 获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的二进制编码 (格雷码) , 这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的, 它不受停电、干扰的影响。

绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的, 它无需记忆, 无需找参考点, 而且不用一直计数, 什么时候需要知道位置, 什么时候就去读取它的位置。这样, 编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

4 从单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器

旋转单圈绝对值编码器, 在转动中测量光电码盘各道刻线, 以获取唯一的编码, 当转动超过360°时, 编码又回到原点, 这样就不符合绝对编码唯一的原则, 这样的编码只能用于旋转范围360°以内的测量, 称为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超过360°范围, 就要用到多圈绝对值编码器。

编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理, 当中心码盘旋转时, 通过齿轮传动另一组码盘 (或多组齿轮, 多组码盘) , 在单圈编码的基础上再增加圈数的编码, 以扩大编码器的测量范围, 这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器, 它同样是由机械位置确定编码, 每个位置编码唯一不重复, 而无需记忆。

多圈编码器另一个优点是由于测量范围大, 实际使用往往富裕较多, 这样在安装时不必要费劲找零点, 将某一中间位置作为起始点就可以了, 从而大大简化了安装调试难度。

光电绝对值编码器的优点:非接触式测量, 绝对值信号, 不怕干扰和停电, 精度高, 响应速度快。缺点:抗振动、抗灰尘、抗潮湿能力不太强, 高低温冲击承受力不高。

5 磁电绝对编码器

磁电绝对编码器是利用霍尔型传感器对于磁场变化感应而工作的编码器, 也称为霍尔磁电绝对值编码器, 与光学式绝对值编码器一样, 为非接触式绝对值, 用于精确测量整个360°范围内的角度。其工作原理是:永磁体N/S将在空间产生一个磁场, 这样的磁场存在类似于“地图”, 测量角度时, 编码器轴转动, 带动旋转双极磁铁, 霍尔元件可以检测到磁铁的磁场变化, 获得一个模拟量周期曲线, 经过模拟前端的A/D转换和DSP计算芯片处理而获得位置变化, 如有4个霍尔组件, 可获得对角布置传感器的差分信号的变化曲线, 通过内部芯片的比较, 可以更好地去除由于外部磁场、温度所带来的偏差, 获得更高的准确度。为实现这一功能, 计算芯片采用了坐标旋转数字计算机 (CORDIC) 技术, 来计算Hall阵列信号的角度和幅值。讲的通俗一点, 就是磁铁产生磁场“地图”, 多个磁感应霍尔传感器识别“地图”, 并感应“地图”变化, 计算出位置 (角度) 。因高速DSP计算芯片的出现及坐标旋转数字计算机 (CORDIC) 技术, 这种A/D转换、识别、比较、计算、快速输出才能够得以实现, 这也是近年磁电绝对值编码器能高速发展的原因。由于永磁体的磁场基本上变化很小, 这种“地图”识别就是“绝对值”的, 这种绝对角度测量方式可即时指示磁铁的角度位置, 其分辨率目前已有达到16位, 并能够以数字化数据输出信号。然而尽管目前磁电绝对值编码器有些已经达到了16位的高分辨率, 但是精度却无法和光学绝对值编码器相比, 因为永磁体的稳定性, 受外界磁场、温度的变化仍然是存在的, 更主要的是, 永磁体的材料的特性使N/S分界及磁场分布无法达到很高的精度, 而无法与光学刻线精度相比, 这就限制了这种磁电编码器精度的提高, 过分提高磁电绝对值编码器的分辨率也就失去了意义。磁电绝对值编码器不仅仅是单圈绝对值, 通过增加机械齿轮组同样可以实现多圈的绝对值测量, 而国际上有些较通用的做法是磁电方法与光学方法在单圈与多圈齿轮组上的混合应用。

磁电绝对值编码器的优点:非接触式测量, 绝对值信号, 不怕干扰和停电, 没有光学组件, 不怕振动、灰尘、潮湿, 温度范围宽、可经受高低温冲击, 结构简单、安装宽容度大, 没有多码道、错码率低。缺点:模数转换, 响应速度不高。

非接触式的绝对位置编码器将行程的每一个可检测的位置值转化为唯一的编码值, 属于机械位置对应规则, 执行器断电后位置信息不会丢失, 无需电池支持, 且抗干扰能力强。因此能在提高电动执行机构位置控制精度的同时, 也提高了电动执行机构的可靠性。

6 结束语

综上, 执行机构根据其应用环境、使用频次、精度等要求选择合适的位置检测方式。对于精度要求和频次要求低的产品可选择电位器进行检测;对于精度要求高, 强磁干扰, 环境温度适应性广, 可靠性要求高的产品可以选择使用霍尔传感器;对于精度要求高, 无需电池供电的场合可选择使用光电或磁电编码器。

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(来源:中国泵阀第一网)

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