CN105041782B - 基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵，该泵主体为定量泵，通过设计的多路电磁换向阀n个子模块的通断，将多余流量溢流实现流量调节；主油路安装有流量和压力传感器，输出端接信号处理电路，处理后的信号经过A/D转换器送入单片机，经过计算得到旁路溢流量并与最大溢流量作比；单片机将该比值换算为0～2n‑1之间的整数送入编码电路转化为n位二进制编码，作为多路电磁换向阀的控制信号；功率放大电路使相应子模块动作，调节主油路的压力或流量。本发明提供的基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵，通过不同模块的通断，调节旁路溢流量进而调节主油路的压力、流量，具有压力、流量波动低、环境适应性强、动态特性好等优点。

Description

基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵
技术领域：
本发明属于液压系统流量、压力控制应用领域，具体涉及一种基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵。
背景技术：
液压泵作为液压系统的动力源，其性能直接影响着液压系统的性能和效率。为了提高液压系统的能源利用效率和性能，目前多数液压系统采用变量泵作为液压系统的动力源。目前液压泵变流量技术主要分为变转速和变排量两种方式，变转速控制方式组成的液压系统，由于刚度低震荡大、响应速度差、跟踪性能不易保证等原因，仍处于理论研究阶段。
变流量技术使用较多的方式为调节泵的排量。按照变排量机构结构的不同，变量泵又可分为基于比例阀控变量机构、基于伺服阀控变量机构、基于高速阀控变量机构几种。对于这几种变量泵控制技术，国内外的许多研究机构和企业已经从理论和实际应用的角度进行了较多研究，并开始有较为成熟的产品出现。对于基于比例阀控变量机构的泵，其优点在于：成本相对较低，对于油液要求较低。但存在的死区、滞环、动态响应慢，精度低等特性，导致这种变量泵仅能用于性能要求较低的液压系统中。对于基于伺服阀控变量机构的泵，控制精度高，响应特性好，不存在死区、滞环等现象，但在制造时要求的精度过高，使用中对于油液的要求较高，导致了泵的使用成本较高，使用环境受限，同时这种泵的效率也较低。基于高速开关阀控变量机构的泵，其优点在于易于进行泵的数字控制，抗干扰能力强，对于油液要求低，不存在非线性。缺点在于：阀的特性导致出现零位死区及饱和区、阀的流量脉动大导致控制精度较差。因此如何在降低成本和环境要求的前提下，设计泵的排量控制方式，使得泵具有控制精度高、响应特性好、非线性程度低、不存在零位死区和滞环现象等优势，是变排量泵设计过程中需要考虑的关键问题。
发明内容：
本发明的目的在于针对以上技术问题，提供了一种基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵，其利用二进制编码的原理，设计具有n个子模块的多路电磁换向阀替代泵中的高速开关阀控变量机构，将输出流量离散化，降低非线性度，零位死区、滞环等现象，获得在不同工况下，性能、效率、成本较优的变量泵。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵，包括定量泵以及用于驱动定量泵的电机，定量泵的出油口分为两路，一路依次通过流量传感器、压力传感器与主油路相连通，另一路与基于二进制编码的多路电磁换向阀相连通，定量泵的另一路出油口和多路电磁换向阀组成一个旁路溢流回路，用于调节主油路的压力及流量；流量传感器、压力传感器均与控制系统中的信号处理电路相连，用于将主油路的压力及流量信号进行处理；信号处理电路与A/D转换器相连，用于将流量传感器、压力传感器采集的模拟量转化成数字量送至单片机；单片机根据接收的信号计算需要从多路电磁换向阀溢流的流量值，并按照与最大溢流量的比例，将流量值换算成0～2n-1之间的整数并转换为二进制数输出；单片机将得到的二进制数送入D/A转换器得到整数值输出，该整数值随后送入编码电路，得到一串n位的二进制编码作为多路电磁换向阀中各子模块的控制信号；多路电磁换向阀在功率放大电路作用下，根据控制信号导通多路电磁换向阀进行旁路溢流。
本发明进一步的改进在于：还包括单向阀，定量泵的出油口通过单向阀后分为两路。
本发明进一步的改进在于：多路电磁换向阀由n个子模块组成，每个子模块均能够通过功率放大电路和控制信号单独调节，实现电磁换向阀的功能；当为多路电磁换向阀输送n位二进编码的控制信号时，能够分别控制多路电磁换向阀的n个子模块处于不同的工作状态。
本发明进一步的改进在于：若定量泵输出流量为Q0，设多路电磁换向阀的最大溢流量表示为Qamax，多路电磁换向阀的子模块个数为n，当前需要的溢流量为Qa；将多路电磁换向阀的最大溢流量离散成2n-1份；每份的溢流量ΔQa＝Qamax/2n-1；模拟二进制运算法则，n个子模块的通过流量按2为比例从右至左依次递增，即右数第1位子模块通过流量为20·ΔQa，第二位子模块通过流量为21·ΔQa，第n位子模块通过流量为2n-1·ΔQa；在单片机计算出需要的溢流量Qa后，将该溢流量转换为的整数，则此时主油路流量为Q＝Q0-N·ΔQa；由于N用n位二进制数表示为则其中的N0～Nn-1即为多路电磁换向阀中各个子模块相应的控制信号；其中，[]表示取整。
本发明进一步的改进在于：单片机集成于定量泵，用于计算多路电磁换向阀需要的旁路溢流量。
本发明进一步的改进在于：信号处理电路集成于定量泵，用于对压力、流量信号进行滤波、放大、信号转换及整流。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点：
本发明提供的多路电磁换向阀的子模块采用换向阀技术，放弃了比例阀或伺服阀控变量机构中节流口的使用，降低了对油液清洁度的要求，恶劣环境下工作的可靠性提高；每个子模块只有通、断两个状态，消除了死区、滞环现象，提高了动态响应速度和精度；由于本发明所用多路电磁换向阀采用基于二进制原理的方式进行旁路溢流，通过n位二进制控制指令使各个子模块同时动作，避免PWM波作用下高速开关阀控变量机构的流量波动，提高了响应精度。
进一步，通过在定量泵的出油口设置单向阀，进而起到保压作用。
进一步，通过一次发送n位二进制控制指令即可控制多路电磁阀动作，避免了PWM波发生电路设计，简化了系统。
附图说明：
图1是本发明基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵的工作原理图；
图中：1为多路电磁换向阀，2为定量泵，3为电机，4为单向阀，5为流量传感器，6为压力传感器。
图2是本发明控制系统原理图。
图3是本发明多路电磁换向阀工作原理图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵，泵体结构如图1所示，包括多路电磁换向阀1、定量泵2、电机3、单向阀4、流量传感器5、压力传感器6、电源、功率放大电路、编码电路、单片机、A/D转换器、D/A转换器和信号处理电路。其中，所述流量传感器5、压力传感器6、电源、功率放大电路、编码电路、单片机系统、A/D转换器、D/A转换器、信号处理电路构成控制部分。所述数字变量泵主体为定量泵2，变量泵的变量机构包括一个多路电磁换向阀1和控制模块。多路电磁换向阀1由若干子模块组成，每一模块相当于一个电磁换向阀。仿照二进制数计数的方式，将n个子模块的最大输出流量Qi按从左至右的顺序依次与n位二进制数中的位对应。将多路高速电磁阀可以溢流的最大流量Qamax平均分成2n-1份(n为子功能模块的个数)，每份溢流量为ΔQa＝Qamax/2n-1。
按照二进制数计数规则，从右数第n位为最高位，其代表的十进制数值为2n-1。与该规则相对应，多路电磁换向阀左边模块的流量大小应为2n-1·ΔQa，其他子模块，按照从左到右的方向依次为2n-2·ΔQa、2n-3·ΔQa……20·ΔQa。多路电磁换向阀溢流的总流量为所有导通的子模块通过流量的和
所述数字变量泵在工作时，流量传感器5和压力传感器6采集液压主回路的流量和压力信号并将其转换为微弱的电信号。信号处理电路与流量传感器5和压力传感器6直接相连，对二者产生的微弱电信号进行滤波、整流、放大、转换，送入A/D转换器。A/D转换器将处理后的模拟信号转换为单片机系统可接收的数字量信号。单片机系统内存有预先写入的控制程序，以实现不同的工作模式。在获得数字量信号后，单片机系统内控制程序根据工作模式的要求，计算需要从旁路的多路电磁换向阀1溢流的流量Qa，按照公式将其转化、取整为0～2n-1之间的整数，单片机将该整数离散化输出后，经过D/A转换器转换为功率放大的模拟量，该模拟量送入编码电路后得出n位二进制数作为多路电磁换向阀1各自模块的选通地址，在功率放大电路作用下，使指定的子模块导通，完成溢流操作，调节主回路的压力或流量。
本发明基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵采用以下主要部件：
(1)16位两通高速阀：自行设计图纸加工。
(2)定量泵：自行设计图纸加工。
(3)单向阀：结合定量泵泵体结构自行设计加工。
(4)流量传感器：FXP4000系列，美国ABB公司。
(5)压力传感器：Kavlico PT250系列，美国CST公司。
(6)功率放大器：采用IRF540和MUR820等器件，ST公司。
(7)A/D转换器：ADC0808，美国National Semiconductor公司。
(8)单片机：C8051F，Silicon Lab公司。
(9)D/A转换器：ADC0809，美国National Semiconductor公司。
(10)译码器：MK7A21P，芯睿科技股份有限公司。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵，其特征在于：包括定量泵(2)以及用于驱动定量泵(2)的电机(3)，定量泵(2)的出油口分为两路，一路依次通过流量传感器(5)、压力传感器(6)与主油路相连通，另一路与基于二进制编码的多路电磁换向阀(1)相连通，定量泵(2)的另一路出油口和多路电磁换向阀(1)组成一个旁路溢流回路，用于调节主油路的压力及流量；流量传感器(5)、压力传感器(6)均与控制系统中的信号处理电路相连，用于将主油路的压力及流量信号进行处理；信号处理电路与A/D转换器相连，用于将流量传感器(5)、压力传感器(6)采集的模拟量转化成数字量送至单片机；单片机根据接收的信号计算需要从多路电磁换向阀(1)溢流的流量值，并按照与最大溢流量的比例，将流量值换算成0～2n-1之间的整数并转换为二进制数输出；单片机将得到的二进制数送入D/A转换器得到整数值输出，该整数值随后送入编码电路，得到一串n位的二进制编码作为多路电磁换向阀(1)中各子模块的控制信号；多路电磁换向阀(1)在功率放大电路作用下，根据控制信号导通多路电磁换向阀(1)进行旁路溢流。
2.根据权利要求1所述的基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵，其特征在于：还包括单向阀(4)，定量泵(2)的出油口通过单向阀(4)后分为两路。
3.根据权利要求1所述的基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵，其特征在于：多路电磁换向阀(1)由n个子模块组成，每个子模块均能够通过功率放大电路和控制信号单独调节，实现电磁换向阀的功能；当为多路电磁换向阀(1)输送n位二进编码的控制信号时，能够分别控制多路电磁换向阀(1)的n个子模块处于不同的工作状态。
4.根据权利要求1所述的基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵，其特征在于：若定量泵(2)输出流量为Q0，设多路电磁换向阀(1)的最大溢流量表示为Qamax，多路电磁换向阀(1)的子模块个数为n，当前需要的溢流量为Qa；将多路电磁换向阀(1)的最大溢流量离散成2n-1份；每份的溢流量ΔQa＝Qamax/2n-1；模拟二进制运算法则，n个子模块的通过流量按2为比例从右至左依次递增，即右数第1位子模块通过流量为20·ΔQa，第二位子模块通过流量为21·ΔQa，第n位子模块通过流量为2n-1·ΔQa；在单片机计算出需要的溢流量Qa后，将该溢流量转换为的整数，则此时主油路流量为Q＝Q0-N·ΔQa；由于N用n位二进制数表示为则其中的N0～Nn-1即为多路电磁换向阀(1)中各个子模块相应的控制信号；其中，[]表示取整。
5.根据权利要求1所述的基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵，其特征在于：单片机集成于定量泵(2)，用于计算多路电磁换向阀(1)需要的旁路溢流量。
6.根据权利要求1所述的基于多路电磁换向阀二进制流量调控的数字变量泵，其特征在于：信号处理电路集成于定量泵(2)，用于对压力、流量信号进行滤波、放大、信号转换及整流。
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