数字配流恒流量径向柱塞泵

摘要

一种数字配流恒流量径向柱塞泵，包括：设置于泵本体内的柱塞腔、连有油箱和负载的二位三通高速开关阀、与柱塞腔的曲轴相连的绝对值角度编码器、配流体和控制器，其中：二位三通高速开关阀通过配流体与柱塞腔相连，控制器与绝对值角度编码器和二位三通高速开关阀，所述的控制器接收由绝对值角度编码器测得的转角信号，通过占空比控制算法和行程比控制算法，向二位三通高速开关阀输出PWM信号和行程控制信号，从而实现泵的流量恒定。本发明利用占空比和行程比来控制阀门，减少了液压泵输出流量的脉动，减轻了本体震动，利于泵的长时间运转，能够适应随机转速工况并且实现恒流量输出。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种柱塞泵领域的技术，具体是一种数字配流恒流量径向柱塞泵。

背景技术

在液压风力发电和液压海洋能发电技术中，系统结构大多采用“定量液压泵-变量液压马达”的回路来收集风能或者海洋能，主要通过对变量液压马达的排量调节实现稳速控制和发电，而液压泵还是采用了按照恒定高转速驱动原理设计的定量液压泵，很难保证其长时间满足风力发电和海洋能发电所特有的随机发生和大小不定工况的需求，并且这种泵难以在低速下长时间运行，会导致系统频发故障。现有的液压泵多采用端面配流、阀配流或轴配流等方式，转速较低时，无法正常工作和输出压力油，且液压泵输出流量存在大幅波动。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN88100117，公开日为1989年8月23日，公开了一种泄漏电补偿容积式液压泵恒流调节系统和方法，属于液压泵恒流量调节技术，其不直接检测泵的输出流量，而是通过检测泵的变量油缸位移、外泄漏流量、温度、压力等参数，经信号处理辨识出泵的泄漏流量，并对给定信号进行实时电补偿，达到泵的输出流量恒定。但该系统和方法主要用于油泵总泄漏造成的流量损失，对于处理随机转速输入的情况难以实现恒流量调节，并且系统过于复杂。

中国专利文献CN203420858U，公开日为2014年02月05日，公开了一种新型液压泵恒流量输出及待机控制结构，其包括主泵、变量组件和若干阀，所述变量组件由变量机构和变量机构控制油缸组成，所述若干阀包括开关阀、减压阀、恒流量阀、恒流量先导阀、电控换向阀和直动溢流阀，所述开关阀安装于主泵的高压输出油口处，所述减压阀安装于所述开关阀之上，所述恒流量阀和电控换向阀通过转换板叠加安装于主泵的过渡主板上，所述恒流量先导阀安装于主泵壳体上，所述直动溢流阀通过外接管路与所述恒流量先导阀连接。但该结构较为复杂，对于随机转速输入工况也难以做到准确控制，并且不能实时调节所需要的流量。

中国专利文献CN102072079A，公开日为2011年05月25日，公开了一种基于数字配流的调速式液压马达，包括：高速电磁阀开关、电子控制单元、角度编码器、编码器支架、弹性联轴器、柱塞腔端盖、马达端面盖板、角接触球轴承和配流连接轴，高速电磁开关阀以两个为一组共十个分别设置于五个柱塞端盖上，配流连接轴与角度编码器分别与弹性联轴器连接，角度编码器设置于编码器支架上并与马达端面盖连接，马达端面盖固定设置于液压马达本体，电子控制单元的输入端与角度编码器连接并接收角度信号，电子控制单元的输出端与高速电磁开关阀相连接并输出PWM信号。但该装置仅能运用于液压马达上，并且单纯的PWM占空比控制会出现一定的流量脉动。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种数字配流恒流量径向柱塞泵。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种数字配流恒流量径向柱塞泵，包括：设置于泵本体内的柱塞腔、连有油箱和负载的二位三通高速开关阀、与柱塞腔的曲轴相连的绝对值角度编码器、配流体和控制器，其中：二位三通高速开关阀通过配流体与柱塞腔相连，控制器分别与绝对值角度编码器和二位三通高速开关阀相连。

所述的控制器接收由绝对值角度编码器测得的转角信号，通过占空比控制算法和行程比控制算法，向二位三通高速开关阀输出PWM信号和行程控制信号，从而实现泵的流量恒定。

所述的占空比为其中：α为二位三通高速开关阀的占空比，dθ/dt为转角信号的微分，ω₀为额定转速。

所述的行程比为其中：δ为柱塞腔有效排油距离与柱塞总行程之比，Δθ为转角区间，Δt为该转角区间所对应的时间，ω₀为额定转速。

所述的二位三通高速开关阀的P端口与负载，T端口与油箱相连，A端口通过配流体与柱塞腔相连。

本发明涉及一种基于上述数字配流恒流量径向柱塞泵的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、设定柱塞腔编号顺序，保证绝对值角度编码器的输出零点位于设定位置；

步骤2、在数字配流恒流量径向柱塞泵转动过程中，控制器根据转角信号及转动方向，确定位于吸油区间和排油区间的二位三通高速开关阀的数量，并且编号；

步骤3、控制器控制排油区间的二位三通高速开关阀的P端口和A端口相通，吸油区间的二位三通高速开关阀A端口与T端口相通；

步骤4、控制器接收转角信号，通过占空比控制算法和行程比控制算法，调节泵的输出流量。

技术效果

与现有技术相比，本发明利用占空比和行程比来控制阀门，减少了液压泵输出流量的脉动，减轻了本体震动，利于泵的长时间运转，能够适应随机转速工况并且实现恒流量输出。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中：1第一二位三通高速开关阀；2第二二位三通高速开关阀；3第三二位三通高速开关阀；4第四二位三通高速开关阀；5第五二位三通高速开关阀；6负载；7控制器；8绝对值角度编码器；9第一柱塞腔；10第二柱塞腔；11第三柱塞腔；12第四柱塞腔；13第五柱塞腔；14配流体。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：二位三通高速开关阀1～5、负载6、控制器7、柱塞腔9～13、绝对值角度编码器8和配流体14，其中：各个二位三通高速开关阀1～5分别与对应柱塞腔、配流体14、控制器7相连。

所述的二位三通高速开关阀的P端口与负载6相连，A端口通过配流体14与柱塞腔相连，T端口与油箱相连。第一二位三通高速开关阀1与第一柱塞腔9(Ⅰ)相连，第二二位三通高速开关阀2与第二柱塞腔10(Ⅱ)相连，第三二位三通高速开关阀3与第三柱塞腔11(Ⅲ)相连，第四二位三通高速开关阀4与第四柱塞腔12(Ⅳ)相连，第五二位三通高速开关阀5与第五柱塞腔13(Ⅴ)相连。各个二位三通高速开关阀1～5通过控制线与控制器7相连，二位三通高速开关阀为高电平即通电时，A端口和P端口贯通，向负载6输出高压油。

所述的配流体14为固定结构，其取代传统配流机构，将柱塞腔出口直接引向对应二位三通高速开关阀的A端口。

所述的绝对值角度编码器8与设置于泵本体内的曲轴相连，向控制器7提供转角信号。

所述的控制器7接收转角信号，通过行程比控制算法和占空比控制算法，向二位三通高速开关阀1～5输出开闭信号。

所述的行程比为柱塞腔有效排油距离于柱塞总行程之比，行程比控制算法为：其中：δ为柱塞腔有效排油距离与柱塞总行程之比，Δθ为转角区间，Δt为该转角区间所对应的时间，ω₀为额定转速。

所述的占空比控制算法为：其中：α为二位三通高速开关阀的占空比，dθ/dt为转角信号的微分，ω₀为额定转速。

数字配流恒流量径向柱塞泵的控制方法包括以下步骤：

步骤1、设定柱塞腔编号顺序，保证绝对值角度编码器8的输出零点位于设定位置；

步骤2、在数字配流恒流量径向柱塞泵转动过程中，控制器7根据转角信号及转动方向，确定泵吸油区间和排油区间的二位三通高速开关阀的数量，并且编号；

步骤3、控制器7控制排油区间的二位三通高速开关阀的P端口和A端口相通，吸油区间的二位三通高速开关阀A端口与T端口相通；

步骤4、控制器7接收转角信号，通过占空比控制算法和行程比控制算法，向泵输出PWM信号以及行程控制信号，以调节泵的输出流量。

所述的曲轴以一定角速度ω逆时针旋转，曲轴上的偏心轮最高点与第一柱塞腔9之间的角度α由0增加到360°，规定第一柱塞腔9处于上死点时，曲轴的角度为0。表1给出了液压泵逆时针旋转过程中，柱塞腔9～13的吸、排油状态，以及二位三通高速开关阀1～5的通断状态。表2为液压泵逆时针转动柱塞腔排油区间表。

表1液压泵逆时针转动配流状态对应表

表2液压泵逆时针转动柱塞腔排油区间表

所述的绝对值角度编码器8采集到泵的转角信号，即角度α，可知对应的排油柱塞腔号和通电的二位三通高速开关阀编号。控制器7根据绝对值角度编码器8所测得的转角信号，确定柱塞腔所对应的吸油或排油区间，确定吸排油规则。再由转角信号微分所得的转速信号，对照额定转速确定占空比α或行程比δ，进而调整二位三通开关高速阀的开闭。当外界输入转速超过额定转速时，使多余流量按比例排回油箱，从而实现恒流量输出。

本发明利用占空比和行程比来控制阀门，减少了液压泵输出流量的脉动，使泵能够适应随机转速工况并且恒流量输出。在外界变化频率不高的情况下，大大降低了阀的响应时间要求和压力波动，从而降低了泵本体的震动，增加了其寿命，能够获取最优的压力和流量输出性能。