抵消波动注入方法和装置以及泵的控制系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种抵消波动注入方法，其用于向基于变频器的泵的控制系统注入抵消波动信号，该控制系统通过电机驱动器控制电机，该电机驱动泵，该抵消波动信号使得泵输出中的压力波动至少部分地被抵消，该抵消波动注入方法包括：向控制系统注入任意波形的抵消波动信号，该抵消波动信号由下式表示：f(θ)＝∑mAmcos(mθ+θm)，其中，θ为电机轴的转角，m为要抵消波动信号中的信号谐波的次数，Am和θm为针对m次信号谐波的参数。还公开了一种包含上述抵消波动注入装置的泵的控制系统，以及包括该控制系统的泵系统。

【技术实现步骤摘要】
抵消波动注入方法和装置以及泵的控制系统
本专利技术涉及泵，具体涉及一种抵消波动注入方法和装置，以及泵的控制系统。
技术介绍
由液压泵产生的流速波动或压力波动（脉动）是液压系统中的系统振动和噪声的来源。压力波动也是对运动控制的扰动，其影响到运动的精度和可重复性。图1示意性地示出了几种不同类型的液压泵的结构及流速波动模式。如图所示，对于外齿轮泵、轴向柱塞泵和叶轮泵来说，尽管所要求的流速是恒定的，但实际流速却是随着泵的转动而波动的。这是由于泵的机械结构造成的。噪声影响到人类的听觉健康；振动降低了整个系统的可靠性；且降低的精度直接影响到液压机械生产的产品的质量。从各方面来看，压力波动减少了向客户提供的价值。因此，减少压力波动已成为学术界和工业界试图解决的核心问题之一。目前用于减少流速和压力波动的大多数方法基于新颖的机械设计或者额外的诸如消声器或蓄能器等波动补偿器。这些方法通常不得不在成本、能量效率和系统动态响应之间进行权衡。例如，修改阀板设计的方法降低了能量效率；增加预压缩室增加了制造和部件成本，且降低了效率；在泵出口处增加蓄能器或消声器增加了部件成本和空间，降低了泵的动态性能。可见，本领域中需要一种能够更有效和低成本地降低泵的噪声和振动的解决方案。
技术实现思路
在本专利技术的一个方面，提供了一种抵消波动注入方法，其用于向泵的控制系统注入抵消波动信号，该控制系统通过电机驱动器控制电机，该电机驱动泵，该抵消波动信号使得泵输出中的压力波动至少部分地被抵消，该抵消波动注入方法包括：向控制系统注入任意波形的抵消波动信号，该抵消波动信号由下式表示：f(θ)＝∑mAmcos(mθ+θm)，其中，θ为电机轴的转角，m为抵消波动信号中的信号谐波的次数，Am和θm为针对m次信号谐波的参数。在本专利技术的另一个方面，提供了一种抵消波动注入装置，其用于向泵的控制系统注入抵消波动信号，该控制系统通过电机驱动器控制电机，该电机驱动泵，该抵消波动信号使得泵输出中的压力波动至少部分地被抵消，该抵消波动注入装置包括：注入模块，被配置为向控制系统注入任意波形的抵消波动信号，该抵消波动信号由下式表示：f(θ)＝∑mAmcos(mθ+θm)，其中，θ为电机轴的转角，m为抵消波动信号中的信号谐波的次数，Am和θm为针对m次信号谐波的参数。在本专利技术的又一个方面，提供了一种泵的控制系统，包括：上述抵消波动注入装置。在本专利技术的再一个方面，提供了一种泵系统，包括：电机驱动器；电机；以及泵，其中，所述电机驱动器包括上述控制系统。本专利技术的实施例的优点包括以下各项中的至少一项：有效地降低泵系统的噪声和振动，增加了系统的控制精度、稳定性、可重复性和工作寿命，提升了客户价值；是一种低成本的解决方案；不会损害系统的动态性能；不需要附加的部件和额外的空间。附图说明图1示意性地示出了不同类型的液压泵的结构及流速波动模式；图2示意性地示出了本专利技术的通过向液压泵的控制系统注入抵消波动信号而使液压泵输出的流速和压力波动被抵消的基本思想；图3示出了根据本专利技术的实施例的液压泵系统的示意图；图4示出了根据本专利技术的一个实施例的控制系统的示意图；图5示出了根据本专利技术的另一个实施例的控制系统的示意图；图6示出了在测试演示液压泵系统中来自压力传感器的测量数据的图示；以及图7示出了根据本专利技术的实施例的抵消波动注入装置的示意性结构框图。具体实施方式下面参照附图描述本专利技术的实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属
的技术人员更全面地了解和实现本专利技术。但是，对所属
的技术人员明显的是，本专利技术的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本专利技术并不局限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面所述的特征和要素的任意组合来实施本专利技术，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的方面、特征、实施例和优点仅作说明之用，而不应看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。考虑到目前越来越多的液压泵使用变频器来驱动，以实现灵活的速度或转矩控制，本专利技术提出了一种通过应用于变频器的控制方案来减轻液压泵的噪声和振动的解决方案，其不需要额外的硬件成本。图2示意性地示出了本专利技术的通过在控制系统中基本思想。如图所示，液压泵系统接收恒定转速信号，但产生了带有波动的液体流速。本专利技术的解决方案通过向液压泵的控制系统注入抵消波动信号，使液压泵输出的流速和压力中的波动被显著抵消。现参照图3，其示出了根据本专利技术的实施例的液压泵系统300的示意图。如图所示，该液压泵300系统包括：电机驱动器310，电机320，以及液压泵330，其中电机驱动器310控制电机320的运转，而电机320驱动液压泵330。所述液压泵330为应用任何场合的任何一种适当的液压泵，如柱塞泵、齿轮泵、叶轮泵等。所述电机320为适合于由变频器驱动的任何一种适当的电机，如永磁同步电机、三相交流异步电机等。所述电机驱动器310也可称为电机控制器，且在本专利技术的实施例中，为变频器，例如伺服驱动器等。如图所示且如本领域的技术人员所知的，变频器包括数字信号处理（DSP）控制器311和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）驱动电路312。DSP控制器根据用户输入的转速、压力等指令产生脉宽调制（PWM）信号，所述PWM信号控制IGBT驱动电路中各晶体管的通断，从而以适当的电流和/或电压驱动电机旋转。根据本专利技术的实施例的控制系统位于DSP控制器311中，且由DSP控制器中的软件代码来实现。当然，也可以考虑所述软件代码已被固化在DSP控制器硬件中，这样该控制系统将由硬件来实现。现参照图4，其示出了根据本专利技术的一个实施例的控制系统400的示意图。如图所示，该控制系统400包括压力控制器401、速度控制器402、电流控制器403、以及抵消波动注入装置404。压力控制器401接收第四控制信号（例如，来自于用户设定的液压泵出口处的目标压力值）以及来自液压泵出口处的压力传感器的压力反馈信号这两者的组合作为输入，并输出第三控制信号。所述压力控制器401可以为任何一种适当的现有的（或新开发的）压力控制器，例如PID（比例积分微分）控制器等。速度控制器402接收压力控制器401所输出的第三控制信号以及来自电机输出端的速度传感器的速度反馈信号这两者的组合作为输入，并输出第二控制信号。所述速度控制器402可以为任何一种适当的现有的（或新开发的）速度控制器，例如PI（比例积分）控制器等。电流控制器403接收速度控制器402输出的第二控制信号、来自电机输入端的电流传感器的电流反馈信号、以及来自抵消波动注入装置404的电流抵消波动信号这三者的组合作为输入，并输出第一控制信号。所述第一控制信号通过PWM驱动电路（即IGBT驱动电路）驱动电机旋转，进而驱动液压泵运转。所述电流控制器402可以为任何一种适当的现有的（或新开发的）电流控制器，例如PI控制器等。由于电机输入端的电流正比于电机的转矩，因此对电流的控制相当于对转矩的控制，且电流控制器也可称为转矩控制器。根据本专利技术的该实施例，所述抵消波动注入装置404根据电机轴的转角信号θ、电机转速信号ω以及液压泵的出口压力信号ｐ产生电流抵消波动抵消信号，并将该电流抵消波动信号注入到控制系统的电流回路中，即与电流控制器403输入端的第二控制信号、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抵消波动注入方法，其用于向泵的控制系统注入抵消波动信号，该控制系统通过电机驱动器控制电机，该电机驱动泵，该抵消波动信号使得泵输出中的压力波动至少部分地被抵消，该抵消波动注入方法包括：向控制系统注入任意波形的抵消波动信号，该抵消波动信号由下式表示：f(θ)＝∑mAmcos(mθ+θm)，其中，θ为电机轴的转角，m为抵消波动信号中的信号谐波的次数，Am和θm为针对m次信号谐波的参数。

【技术特征摘要】
1.一种抵消波动注入方法，其用于向泵的控制系统注入抵消波动信号，该控制系统通过电机驱动器控制电机，该电机驱动泵，该抵消波动信号使得泵输出中的压力波动至少部分地被抵消，该抵消波动注入方法包括：向控制系统注入任意波形的抵消波动信号，该抵消波动信号由下式表示：f(θ)＝∑mAmcos(mθ+θm)，其中，θ为电机轴的转角，m为抵消波动信号中的信号谐波的次数，Am和θm为针对m次信号谐波的参数。2.根据权利要求1的抵消波动注入方法，其中，所述抵消波动信号的参数是根据系统传感器的输出信号自动设定的，而不需要人工调节。3.根据权利要求2的抵消波动注入方法，其中，所述系统传感器包括以下各项中的任何一个或多个：压力传感器、角度传感器、速度传感器、电流传感器、电压传感器。4.根据权利要求1的抵消波动注入方法，还包括：通过提取压力波动信号中的m次信号谐波的相应参数确定所述Am和θm。5.根据权利要求4的抵消波动注入方法，其中，所述通过提取压力波动信号中的m次信号谐波的相应参数确定所述Am和θm包括：对压力波动信号中的m次信号谐波进行频谱分析以获得其幅度Bm和相位φm；基于(Bm.φm)以及控制系统中的相应节点到压力节点的增益Gm，向控制系统注入以Bm/Gmcos(mθ+φm)表示的抵消波动信号；使用频谱分析计算压力波动信号中的m次信号谐波，以获得其更新的幅度Cm和相位ψm；通过下式计算要注入的抵消波动信号针对m次信号谐波的参数Am和θm：其中，6.根据权利要求4的抵消波动注入方法，其中，所述通过提取压力波动信号中的m次信号谐波的相应参数确定所述Am和θm包括：对压力波动信号中的m次信号谐波进行频谱分析以获得其幅度Bm和相位φm；基于(Bm.φm)以及控制系统中的相应节点到压力节点的增益Gm，向控制系统注入以Bm/Gmcos(mθ+φm)表示的抵消波动信号；使用频谱分析计算压力波动信号中的m次信号谐波，以获得其更新的幅度Cm和相位ψm；通过下式计算要注入的抵消波动信号针对m次信号谐波的参数Am和θm：其中，其中∈为任意小的数。7.根据权利要求5或6的抵消波动注入方法，其中，所述通过提取压力波动信号中的m次信号谐波的相应参数确定所述Am和θm是针对压力波动信号中的一组不同m次信号谐波同时执行的。8.根据权利要求5或6的抵消波动注入方法，其中，所述频谱分析是通过快速付立叶变换实现的。9.根据权利要求5或6的抵消波动注入方法，其中，所述频谱分析是通过数字锁相环实现的。10.根据权利要求9的抵消波动注入方法，其中，所述数字锁相环基于以下公式：在该公式中，θ为电机轴的转角，f(θ)为作为θ的函数的压力波动信号，m为压力波动信号中的信号谐波的次数，Am为m次信号谐波的幅度，θm为m次信号谐波的相位。11.根据权利要求1的抵消波动注入方法，其中，所述抵消波动信号被注入到控制系统中的速度环路中。12.根据权利要求1的抵消波动注入方法，其中，所述抵消波动信号被注入到控制系统中的电流环路中。13.一种抵消波动注入装置，其用于向泵的控制系统注入抵消波动信号，该控制系统通过电机驱动器控制电机，该电机驱动泵，该抵消波动信号使得泵输出中的压力波动至少部分地被抵消，该抵消波动注入装置包括：注入模块，被配置为向控制系统注入任意波形的抵消波动信号，该抵消波动信号由下式表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：程小猛，陈亦伦，
申请(专利权)人：伊顿公司，
类型：发明
国别省市：美国;US