CN102165386B - 用于旋转流体装置的电子控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体装置系统(12)，其包括一流体泵(22)、一与流体泵相接合的电动马达(24)和一控制器(20)。电动马达适于响应于电信号旋转。控制器适于向电动马达发送所述电信号。控制器包括一查找表(120)，所述查找表包括与所述流体泵和所述电动马达相关的多个性能数据。由控制器使用来自查找表的性能数据从而设定向所述电动马达发送的所述电信号的因素以实现所述流体泵的希望属性。

Description

用于旋转流体装置的电子控制装置

背景技术

具有液压泵如轴向活塞泵的液压系统一般依靠机械压力补偿装置来控制液压泵的转矩和/或马力输出。机械压力补偿装置包括设置在液压系统中的支架(yoke)、弹簧和机械阀。尽管这种装置对于控制液压泵的转矩或马力输出的目的是有效的，这种装置增加了液压系统的复杂性、成本以及重量。在某些应用中，液压泵的复杂性、成本以及重量是至关重要的。因此，需要一种能够在无需机械压力补偿装置的情况下控制液压泵的转矩或马力的液压系统。

发明内容

本发明的一方面涉及一种流体装置系统，该流体装置系统包括流体泵、与流体泵相接合的电动马达以及与电动马达电连通的控制器。控制器包括一查找表，所述查找表包括流体泵和电动马达的性能特性。

本发明的另一方面涉及一种流体装置系统，该流体装置系统包括流体泵、与流体泵相接合的电动马达以及控制器。电动马达适于响应于电信号而旋转。控制器适于向电动马达发送电信号。控制器包括一查找表，所述查找表包括与流体泵和电动马达相关的多个性能数据。由控制器使用来自查找表的性能数据从而设定向电动马达发送的电信号的因素以实现流体泵的希望属性(特性)。

本发明的另一方面涉及一种具有旋转流体装置的流体装置系统。旋转流体装置包括一壳体，该壳体包括带第一端部和相对的第二端部的主体。第一端部限定第一腔，而第二端部限定第二腔。在第一端部的第一腔中设置有定排量泵送组件。在第二端部的第二腔中设置有电动马达。电动马达包括一联接到泵送组件的轴。流体装置系统还包括多个传感器和控制器，所述多个传感器适于检测旋转流体装置的运行参数。控制器与所述旋转流体装置的电动马达以及所述多个传感器电连通。控制器包括微处理器和存储介质。存储介质与所述微处理器连通并且包括至少一个查找表，所述至少一个查找表包括旋转流体装置的性能特性。查找表由所述控制器使用以实现所述旋转流体装置的希望属性。

本发明的另一方面涉及一种用于控制旋转流体装置的方法。该方法包括接收旋转流体装置的至少一个运行参数。旋转流体装置包括联接到流体泵的电动马达。该方法还包括确定将为所述电动马达供给的电压、相电流、相角或它们的组合，以基本上实现所述旋转流体装置的希望属性。所述确定基于所检测到的旋转流体装置运行参数和查找表，所述查找表包括用于旋转流体装置的多个性能数据。该方法还包括向所述电动马达输出电压、相电流、相角或它们的组合。

在以下说明中将提出本发明的多个另外的方面。这些方面可涉及单独的特征和特征的组合。应当理解，上面的一般性说明以及下面的具体说明是且仅是示例性的并且不对本文所述实施例所基于的宽泛概念形成限制。

附图说明

图1是一液压系统的示意图，该液压系统包括具有按照本发明原理的方面的示例性特征的流体装置系统。

图2是适于用在图1的流体装置系统中的旋转流体装置的剖视图。

图3是旋转流体装置沿图2的线3-3的剖视图。

图4是适于用在图1的流体装置系统中的控制器的示意图。

图5是适于用在图1的流体装置系统中的控制器的另一示意图。

具体实施方式

下面详细参照附图中示出的本发明的示例性方面。只要可能就在各附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的结构。

现在参照图1，示出了一简化的示例性液压系统的示意图，该液压系统整体上以“10”表示。液压系统10包括一整体上以“12”表示的流体装置系统，该流体装置系统与一流体存储器14和一致动器16(例如马达、缸等)流体连通。流体装置系统12包括一整体上以“18”表示的旋转流体装置和一整体上以“20”表示的控制器。

旋转流体装置18包括一流体泵22和一电动马达24。流体泵22是一与电动马达24接合或联接的定排量式泵。

在图1所示的实施例中，流体泵22与流体存储器14和致动器16流体连通。尽管所示的流体泵22与流体存储器14和致动器16直接流体连通，但应当理解本发明的范围不限于流体泵22与流体存储器14和致动器16直接流体连通，因为可在流体泵22与流体存储器14和/或致动器16之间设置任意数量的阀或其它流体部件。

在当前实施例中，电动马达24与控制器20电连通。如下文中将更详细说明的，控制器20向电动马达24输出电信号25。响应于该电信号25，电动马达24的轴26旋转。由于流体泵22是固定排量泵以及由于流体泵22与电动马达24的轴26相接合，所以轴26的旋转使得流体泵22将流体从流体存储器14输送到致动器16。

现在参照图2，示出了旋转流体装置18。旋转流体装置18包括一整体上以“28”表示的壳体。壳体28包括一流体入口30和一流体出口32。壳体28还包括一整体上以“34”表示的主体、整体上以“40”表示的第一端部组件和整体上以“42”表示的第二端部组件，该主体包括第一端部36和相对的第二端部38，该第一端部组件适于与主体34的第一端部36相接合，该第二端部组件适于与第二端部38相接合。

主体34的第一端部36限定一具有第一开口46的第一腔44，而第二端部38限定一具有第二开口50的第二腔48。在当前实施例中，第一开口46和第二开口50沿主体34的纵轴线52相对设置。一通路54穿过主体34将第一腔44连接到第二腔48。

在当前实施例中，第一腔44适于穿过第一开口46接纳流体泵22，而第二腔48适于穿过第二开口50接纳电动马达24。电动马达24的轴26延伸穿过通路54，并且与流体泵22接合。

一整体上以“56”表示的泵送组件设置在主体34的第一腔44中。尽管所示的泵送组件56是轴向活塞组件，但应当理解本发明的范围不限于泵送组件56是轴向活塞组件，因为泵送组件56可以是叶片组件、齿轮泵组件、凸轮(cam lobe)组件等。在当前实施例中，泵送组件56包括一筒组件58和一弯板60。

筒组件58包括一限定出内孔的柱形筒62。在当前实施例中，柱形筒62的内孔包括适于与轴26接合的多个内齿。

柱形筒62还限定出多个轴向定向的柱形孔64。在每个柱形孔64中设有可沿轴向往复运动的活塞66，所述活塞66包括大致为球形的头部，该头部由一滑动件68可枢转地接纳。滑动件68沿固定弯板60的倾斜表面滑动。

柱形孔64和活塞66共同地限定多个容积腔70。响应于轴26的旋转，柱形筒62绕旋转轴线的旋转引起所述多个容积腔70膨胀和收缩。在当前实施例中，旋转轴线大致与纵轴线52对准。在柱形筒62旋转期间，从流体源(例如流体存储器14)将流体抽入膨胀的容积腔70，而从收缩的容积腔70将流体排出到流体目的地(例如致动器16)。

第一端部组件40与主体34的第一端部36相接合。第一端部组件40包括一阀调部(valving portion)72，该阀调部具有入口通路74和出口通路76(在图3中示出)。在当前实施例中，入口通路74和出口通路76是弓形的流体通路。入口通路74和出口通路76适于与筒组件58的容积腔70流体连通。膨胀的容积腔70与入口通路74流体连通，而收缩的容积腔70与出口通路76流体连通。入口通路74与流体入口30流体连通，而出口通路76与流体出口32流体连通。在当前实施例中，流体出口32由第一端部组件40限定。

电动马达24设置在主体34的第二腔48中。电动马达24是三相不带电刷的直流马达。但应当理解，本发明的范围不限于电动马达24是三相不带电刷的直流马达。电动马达24包括转子80和定子82。

转子80包括与轴26相接合的永磁体84。在一个实施例中，永磁体86与轴26通过键相连接，使得永磁体86随轴26旋转。

定子82与主体34的第二端部38相接合。定子82包括多个线圈，所述多个线圈在电流流过线圈时产生电磁场。通过给定子82的线圈通电，永磁体86旋转引起轴26也旋转。

第二端部组件42与主体34的第二端部38相接合。在当前实施例中，第二端部组件42包括板组件88和盖组件90。

板组件88与主体34的第二端部38的第二开口50相接合。板组件88限定一中央通路92和多个流动通路94(在图3中示出)。中央通路92适于接纳轴26的一端部96。在当前实施例中，一常规的轴承组件98接合在中央通路92中，使得轴承组件98的内圈紧配合地与轴26相接合，而轴承组件98的外圈紧配合地与中央通路92相接合。

盖组件90限定用于旋转流体装置18的流体入口30。在当前实施例中，盖组件90和板组件共同地限定出旋转流体装置18的第三腔100。

在第三腔100中设有多个传感器102。所述多个传感器102包括速度传感器102a、位置传感器102b和流体温度传感器102c。在当前实施例中，为速度传感器102a和位置传感器102b使用常规的旋转变压器(resolver)。旋转变压器包括定子部分和转子部分。定子部分包括多个电流流过其中的线绕组。当转子部分旋转时，测量和使用经线绕组的电压的相对幅值来确定转子部分的速度和位置。在当前实施例中，转子部分设置在轴26的端部96上。

流体温度传感器102c测量旋转流体装置18中的流体温度。在当前实施例中，流体温度传感器102c与板组件88相接合并设置成邻近所述多个流动通路94中的一个。在一优选实施例中，流体温度传感器102c是常规的电阻式温度检测器(RTD)。RTD包括一当温度变化时改变其电阻值的电阻器。

现在参照图2和图3说明经过旋转流体装置18的流体流动。当电动马达24的轴26旋转时，流体进入第二端部组件42的流体入口30。流体进入第三腔100并穿过板组件88中的流动通路94。然后，流体进入主体34的第二腔48。在第二腔48中，流体与电动马达24相接触。这种流体接触可能是有利的，因为其为电动马达24提供了润滑。

流体穿过流体路径104从第二腔48流到第一腔44。流体路径104与入口通路74流体连通。然后，流体进入膨胀的容积腔70。当筒组件58绕旋转轴线旋转时，活塞66沿轴向从柱形孔64伸出和缩回。当活塞66伸出时，容积腔70膨胀从而将流体从入口通路74抽入膨胀的容积腔。当活塞66缩回时，容积腔70收缩从而通过出口通路76以及通过流体出口32将流体从收缩的容积腔70排出。

现在参照图4，示出了控制器20的示意图。控制器20将电信号25提供给电动马达24以从旋转流体装置18获得希望的特性(例如恒定马力、压力补偿等)。控制器20使用用于电动马达24和流体泵22的预定性能数据以及控制算法来控制或调节旋转流体装置18。在一个实施例中，控制算法是磁场定向控制和空间矢量脉宽调制控制算法。通过使用预定的性能数据，可控制旋转流体装置18以便在不使用通常的机械压力补偿装置(例如支架、弹簧、阀等)的情况下提供恒定的马力特性或压力补偿特性。

在当前实施例中，控制器20将直流电压输入转换成交变电流输出，该交变电流输出被输送给电动马达24用以驱动泵送组件56。控制器20包括多个输入110。在当前实施例中，仅以示例的方式，所述多个输入110包括电压输入110a、轴速度输入110b、轴位置输入110c和流体温度输入110d。

通过电压入口110a由电源为控制器20提供电压。在当前实施例中，电源是直流(DC)电源。设置在旋转流体装置18的第三腔100中的速度传感器102a和位置传感器102b通过轴速度输入110b和轴位置输入110c为控制器20提供关于轴26的速度和位置的信息。设置在旋转流体装置18的第三腔100中的流体温度传感器102c为控制器20提供关于旋转流体装置18中的流体温度的信息。在一个实施例中，所述多个传感器102连续地为控制器20提供所检测到的旋转流体装置18的运行参数。在另一实施例中，所述多个传感器102在断续的基础上为控制器20提供所检测到的操作条件。在另一实施例中，当所检测到的操作条件与预先规定的操作条件不同时，所述多个传感器102为控制器20提供所检测到的操作条件。

控制器20还包括多个输出112，其包括电压输出112a、相电流输出112b和相角输出112c。在当前实施例中，所述多个输出112中的每一个都与电动马达24电连通。

控制器20还包括一电路114，该电路具有微处理器116和存储介质118。在当前实施例中，微处理器116是现场可编程门阵列(FPGA)。FPGA116是半导体装置，该半导体装置具有可编程的逻辑部件，如逻辑门(例如AND，OR，NOT，XOR等)或更复杂的组合功能(例如解码器、数学功能等)，还具有可编程的互联装置，所述互联装置允许逻辑块互相联接。在当前实施例中，FPGA 116被编程成为旋转流体装置18的电动马达24提供电压和电流，使得旋转流体装置18按照希望性能特性(例如恒定的马力、压力补偿、恒定的速度等)进行响应。在一个实施例中，FPGA 116是由Actel公司生产的以产品识别码A42MX24销售的商售产品。

存储介质118可以是易失存储器(例如RAM)、非易失存储器(例如ROM、闪存等)、或二者的组合。在当前实施例中，存储介质118是非易失存储器。存储介质118包括用于FPGA 116的程序代码和查找表120。

在当前实施例中，查找表120包括用于旋转流体装置18的性能数据。在一个实施例中，仅以示例的方式，查找表120包括提供给电动马达24的相电流与旋转流体装置18的轴26的速度之间的关系。由于查找表120提供了旋转流体装置18的性能特性，查找表120表明泵送组件56和电动马达24的性能损失。这种性能损失包括但不限于泄漏。在当前实施例中，查找表120还提供了为电动马达24提供的电压与电流间的相角和电动马达24的转矩输出之间的关系。

在当前实施例中，查找表120是一多维表。在当前实施例中，仅以示例的方式，查找表120的变量包括为电动马达24提供的相电流、为电动马达24提供的电压与电流间的相角、旋转流体装置18的轴26的速度、电动马达24的转矩输出、以及流体温度。查找表120包括温度变量以表明相电流与轴速度间以及相角与转矩间的关系由于流体温度波动引起的变化。

现在参照图5，示出了控制器20的另一示意图。在该替代实施例中，存储介质118包括第一查找表120a和第二查找表120b。第一查找表120a和第二查找表120b中的每一个提供用于旋转流体装置18的性能数据。在一个实施例中，仅以示例的方式，第一查找表120a提供为电动马达24供给的相电流与旋转流体装置18的轴26的速度之间的关系，而第二查找表120b提供为电动马达24供给的电压与电流间的相角和电动马达24的转矩输出之间的关系。

现在参照图1和图4说明流体装置系统12的运行。从电源(例如电池、发电机等)为控制器20的电路114供给电压。在电路114处于通电状态的情况下，FPGA 116从所述多个传感器102接收所检测到的旋转流体装置18的运行参数。经所述多个输入110接收所检测到的运行参数。FPGA 116利用这些所检测到的运行参数和查找表120来确定与旋转流体装置的希望属性(例如恒定马力、恒定转矩等)相关的电信号25的参数(例如电压、相电流、相角等)。控制器20向电动马达24输出具有所确定的参数的电信号25。

在一个实例中，通过响应于查找表120中提供的信息控制为电动马达24供给的电压和电流，控制器20被用于保持来自泵送组件56的基本恒定的马力。例如，可通过将来自控制器20的电压与来自控制器20的电流相乘，来计算由控制器20提供给电动马达的马力(即HP_马达-入)。可通过将为电动马达24供给的马力(即HP_马达-入)与电动马达24的效率相乘，来计算电动马达24的马力输出(即HP_马达-出)。在当前实施例中，电动马达24的马力输出(即HP_马达-出)基本上等于为泵送组件56供给的马力(即HP_泵-入)。可通过将为泵送组件56供给的马力(即HP_泵-入)与泵送组件56的效率相乘，来计算泵送组件56的马力输出(即HP_泵-出)。因此，在当前实例中，旋转流体装置18输出的马力(即HP_出)等于由控制器20供给的电压乘以由控制器20供给的电流乘以旋转流体装置18的效率(即电动马达24的效率乘以泵送组件56的效率)。在一实施例中，响应于来自控制器20的所述多个输入110中的至少一个的信息，控制器20从查找表120接收旋转流体装置18的效率。在另一实施例中，基于来自控制器20的所述多个输入110中的至少一个的信息，控制器从由查找表120提供的信息计算出旋转流体装置18的效率。基于该效率，控制器20可相应地修改、调节或调整电压、电流和相角以保持来自旋转流体装置18的基本恒定的马力。

在另一实例中，通过响应于查找表120中提供的信息来控制为电动马达24供给的电压和电流，可将控制器20用作泵送组件56的压力补偿器。在该实施例中，控制器20通过调整电动马达24的速度来调整泵送组件56的出口压力，该电动马达控制旋转流体装置18的流量输出。

已知旋转流体装置18的轴26的速度以及为电动马达24供给的电流，控制器20可通过使用查找表120来确定旋转流体装置18的转矩输出。由于转矩与旋转流体装置18的压力和排量相关以及由于旋转流体装置18的排量是固定的，控制器20可基于该转矩确定来确定旋转流体装置18的压力。

在一实施例中，控制器20包括预定的压力和/或转矩上限。如果控制器20确定：旋转流体装置18的压力或转矩输出超出该限制，则控制器20可通过减小电动马达24的速度来降低压力或转矩。当电动马达24的速度降低时，旋转流体装置18的压力输出也降低。当旋转流体装置18的压力或转矩低于该限制时，控制器20可调整电动马达24的速度以保持旋转流体装置18的压力。

在另一实施例中，控制器20包括预定的压力和/或转矩上限和下速度阈值。在该实施例中，如果电动马达24的速度降低到该下速度阈值并且旋转流体装置18的压力和/或转矩尚未降低到低于该上限，则控制器20停止向电动马达24供给电流。一旦旋转流体装置18的压力和/或转矩落到低于所述上限，控制器20将向电动马达24供给电流。

在当前实施例中，用于FPGA 116的查找表120存储在存储介质118中。查找表120针对希望的运行输出(例如恒定马力、压力补偿、恒定速度等)提供旋转流体装置18的性能特性。在一实施例中，将旋转流体装置18控制成恒定马力装置可能是有利的，而在另一实施例中，将旋转流体装置18控制成压力补偿装置可能是有利的。流体装置系统12的一潜在优势在于，可通过改变查找表120将旋转流体装置18从一个希望的操作模式(例如恒定马力)转变到另一希望的操作模式(例如压力补偿)。在一个实施例中，可通过向存储介质118中上传新的查找表120来改变查找表120。

在另一实施例中，在存储介质118上存储多个查找表120。用户基于旋转流体装置18的希望运行模式来选择控制器20使用哪个查找表120。例如，控制器20可与一多位开关电连通。在所述开关处于第一位置的情况下，控制器20使用具有处于恒定马力模式中的旋转流体装置18性能特性的第一查找表120。在所述开关处于第二位置的情况下，控制器20使用具有处于压力补偿模式中的旋转流体装置18性能特性的第二查找表120。所述开关可被手动地或电动地操作。

在另一实施例中，基于所检测到的旋转流体装置18的参数来选择多个查找表120。例如，在一个实施例中，如果旋转流体装置18的轴26的速度高于某一阈值、如8,000rpm，则控制器20使用第一查找表120；而如果旋转流体装置18的轴26的速度低于某一阈值、如8,000rpm，则使用第二查找表120。但应当理解，可由单一的查找表120结合第一和第二查找表120的性能特性。

在另一实施例中，可基于电动马达24的电源来选择多个查找表120。例如，如果通过控制器24为电动马达24供给的动力来自具有有限储备的电源、如电池，则控制器使用第一查找表120，使得旋转流体装置18的马力输出被保持成基本恒定以保存能量。而如果通过控制器24为电动马达24供给的动力来自具有更大储备量的源，则控制器使用第二查找表120。

在另一实施例中，可更新包括旋转流体装置18的性能特性的查找表120。例如，如果旋转流体装置18被替换或者如果旋转流体装置18被重建，可为存储介质118上传或存储新的查找表120，该新的查找表具有替换或重建的旋转流体装置18的性能特性。

在不背离本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员可显见本发明的各种不同的修改方案和替代方案，应当理解，本发明的范围不应不当地限于本文中提到的示意性实施例。

Claims (9)

1.一种流体装置系统（12），包括：

具有流体入口（30）和流体出口（32）的流体泵（22）；

电动马达（24），该电动马达具有联接到所述流体泵的轴（26），所述电动马达适于响应于电信号（25）而旋转；

控制器（20），该控制器适于向所述电动马达发送所述电信号，所述控制器包括查找表（120），所述查找表包括与所述流体泵和所述电动马达相关的多个性能数据，其中，所述控制器使用来自所述查找表的所述多个性能数据来设定向所述电动马达发送的所述电信号的因素以实现所述流体泵的希望属性，

其中，所述查找表提供在为所述电动马达供给的电流与所述电动马达的速度之间的相关性，或者提供在所述电动马达的速度、所述电动马达中的流体温度及为所述电动马达供给的电压和电流间的相角之间的相关性。

2.根据权利要求1所述的流体装置系统，其特征在于，所述电信号的所述因素包括电压、相电流、相角、或它们的组合。

3.根据权利要求2所述的流体装置系统，其特征在于，所述流体泵所述希望属性选自以下属性：基本恒定的马力输出、压力补偿、和它们的组合。

4.根据权利要求1所述的流体装置系统，其特征在于，还包括与所述控制器电连通的至少一个传感器（102），所述至少一个传感器适于检测所述电动马达的所述轴的转速和所述轴的位置。

5.根据权利要求1所述的流体装置系统，其特征在于，还包括壳体（28），该壳体包括具有第一端部（36）和第二端部（38）的主体（34），其中，所述第一端部适于接纳所述流体泵，而所述第二端部适于接纳所述电动马达。

6.一种流体装置系统（12），包括：

旋转流体装置（18），该旋转流体装置包括：

壳体（28），该壳体包括带第一端部（36）和相对的第二端部（38）的主体（34），所述第一端部限定出第一腔（44），而所述第二端部限定出第二腔（48）；

设置在所述第一端部的所述第一腔中的定排量泵送组件（56）；

设置在所述第二端部的所述第二腔中的电动马达（24），其中所述电动马达包括联接到所述泵送组件的轴（26）；

多个传感器（102），所述多个传感器适于检测所述旋转流体装置的运行参数；

控制器（20），所述控制器与所述旋转流体装置的电动马达以及所述多个传感器电连通，所述控制器包括：

微处理器（116）；

与所述微处理器连通的存储介质（118），所述存储介质具有至少一个查找表（120），所述至少一个查找表包括所述旋转流体装置的性能特性；以及

其中，所述查找表由所述控制器使用以实现所述旋转流体装置的希望属性，

其中，所述查找表提供在为所述旋转流体装置供给的电流与所述旋转流体装置的速度之间的相关性，或者提供在所述旋转流体装置的速度、所述旋转流体装置内的流体温度与为所述旋转流体装置供给的电压和电流间的相角之间的相关性。

7.根据权利要求6所述的流体装置系统，其特征在于，所述旋转流体装置的所述希望属性是基本恒定的马力。

8.根据权利要求6所述的流体装置系统，其特征在于，所述多个传感器包括用于检测所述轴的转速的速度传感器（102a）、用于检测所述轴的旋转位置的位置传感器（102b）以及用于检测所述旋转流体装置内的流体温度的温度传感器（102c）。

9.一种用于控制旋转流体装置的方法，所述方法包括：

接收至少一个所检测到的旋转流体装置（18）运行参数，其中所述旋转流体装置包括联接到流体泵（22）的电动马达（24）；

确定将为所述电动马达供给的电压、相电流、相角或它们的组合，以基本上实现所述旋转流体装置的希望属性，其中所述确定基于所检测到的旋转流体装置运行参数和查找表（120），所述查找表包括用于所述旋转流体装置的多个性能数据；以及

向所述电动马达输出电压、相电流、相角或它们的组合，

其中，所述查找表提供在为所述电动马达供给的电流与所述流体泵的速度之间的相关性，以及在所述流体泵的速度、所述流体泵内的流体温度与为所述电动马达供给的电压和电流间的相角之间的相关性。

Images