CN106068389B - 用于负载感应泵的电子转矩及压力控制 - Google Patents

Abstract

一种泵控制系统，该泵控制系统包括：被配置成用于驱动泵(14)的马达(12)；与该泵(14)处于流体连通的压力释放阀(22)；被连接至该泵(14)的斜盘上并且与该压力释放阀(22)处于流体连通的转矩控制阀(32)；被连接至该斜盘(34)上的斜盘角度传感器(36)；以及连接该斜盘角度传感器(36)和该压力释放阀(22)的计算机(40)，其中该计算机(40)基于斜盘位移来控制该压力释放阀(22)，从而实现最大系统压力。还披露了对应的控制方法。

Description

用于负载感应泵的电子转矩及压力控制

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年9月30日提交的美国临时申请号61/884,318的权益。

发明背景

本发明针对用于负载感应泵的控制。使用机械转矩控制在现有技术中是众所周知的。在已知的系统中，斜盘角度机械地连接至释放阀，其中释放设定点随斜盘角度而改变。伴随这种系统的一个问题是无法迅速地改变转矩设定点，例如以将发动机上的附加负载或在低发动机速度时的减小转矩考虑在内。伴随已知系统的另一个问题是无法在高速运转中改变最大压力设定点。

例如，在图1中示出了传统的负载感应系统。传统的负载感应电路通过积分控制来使用可变排量开路泵，该积分控制使用反馈压力来维持系统中跨可变孔口的给定压降。这个给定压降是通过在泵处的控制中的设定值来表明的，在图1的实例中其被设定至20bar。该泵将提供所需要的流量直到其最大能力，从而试图并维持跨可变孔口的20bar压降。此20bar压降将被称为负载感应余量压力(LS压力)。

该泵的输出压力等于升高负载所需要的压力加上跨可变孔口的压降。如果升高一定负载所需要的压力等于180bar，则得到的该泵的输出压力在这个实例中将等于200bar。

必须由发动机供应的对泵的输入转矩是通过采用产生泵的输出压力以及维持跨孔口的LS压降所需要的排量来计算的。以下在实例1中示出了这种计算的样本。

当泵的压力或排量(流量)增加时，所需要的输入转矩将因此增加。通常，当泵需要高的流量或压力时，对于原动机的转矩需求超过该能力，从而导致发动机停机。附加于用于泵的输入转矩超过发动机驱动的转矩输出能力的停机，其结果是操作者的失望和/或不良的性能。具有双设定点的系统是已知的但是非常复杂并且昂贵。因此在现有技术中对解决这些缺陷的系统存在需要。

本发明的目的是提供用于负载感应泵的控制，该负载感应泵可以迅速地改变转矩设定值。

本发明的另一个目的是提供用于负载感应泵的控制，其中可以在高速运转中改变最大压力设定点。

本发明的又另一个目的是提供用于负载感应泵的控制，该负载感应泵减少了发动机停机的可能性。

基于以下书面描述、附图和权利要求书，本领域普通技术人员将清楚这些目的和其他目的。

发明概述

用于负载感应泵的电转矩和压力控制包括具有斜盘角度传感器的泵。该泵与压力补偿负载感应控制以管线连接，该压力补偿负载感应控制具有电动可变压力释放阀和孔口。与该回路连接的是发动机速度传感器和微控制器。该微控制器具有软件，该软件基于来自斜盘传感器和发动机速度传感器的信号来控制在压力感应控制中的电动可变压力释放阀的压力释放设定值。

附图简要说明

图1是现有技术的负载感应系统的示意图；

图2是电子转矩/压力控制回路的示意图；

图3是将泵排量与最大转矩压力进行对比的图表；

图4是将泵排量与通向阀门的电流进行对比的图表；

图5是将泵排量与压力进行对比的图表；

图6是将泵排量与系统排量进行对比的图表；

图7是电子转矩/压力控制回路的示意图；

图8是具有负载保持阀的转矩控制回路的示意图；

图9是具有压力补偿泵的转矩控制回路的示意图；

图10是通过将排量与压力进行对比来示出转矩控制中的余量分配的图表；并且

图11是通过将排量与压力进行对比来示出转矩控制中的余量分配的图表。

发明详细说明

参见附图，泵控制系统10的实例包括被配置成用于驱动泵14的马达12。在一个实施例中，马达12是来自发动机动力输出装置的齿轮箱传动装置，并且泵14是可变轴向活塞泵。泵14以穿过流动管线20的系统压力将来自储箱16的流体递送并加压至控制阀18和气缸19。

将控制阀18的下游连接至流动管线20的是压力释放阀22。还通过流动管线24连接至流动管线20是压力限制补偿阀28，该压力限制补偿阀被连接至并且馈送压力限制补偿阀26。负载感应补偿阀28还连接至流动管线20，并且泵排放管线30被连接至转矩控制阀32，该转矩控制阀被连接至泵14的斜盘34并且控制该斜盘的位移。斜盘角度传感器36连接至斜盘34，并且发动机速度传感器38连接至马达12。角度传感器36和速度传感器38两者均连接至具有软件42的计算机40。计算机40连接至压力释放阀22并且对其进行控制。

在运行中，当在回路中遭受到使得液缸19上的力升高并且在回路中和在泵14处产生所得到的压力的阻力时，斜盘传感器36将信号提供给计算机40，从而提供在斜盘34的角度方面的信息。软件42计算出会在给定排量下导致发动机所能够产生的转矩水平的最大压力。计算机然后将信号发送至压力释放阀22，从而将对于实现最大压力而言正确的电流提供给压力释放阀22。压力释放阀22被调整成用于释放LS压力。

在转矩控制阀32的泵侧上的高压消减了泵14的冲程。当泵消减了冲程时，软件42减小给压力释放阀22的电流命令，从而增加LS压力。基于斜盘34的角度，泵14继续消减冲程并且LS压力继续增加，直到在泵输出与LS压力之间达到所希望的差。这允许系统10递送给定排量的最大压力，而没有发动机停机。

基本ETL回路运行

作为实例，负载感应开路系统经常伴随着要求由发动机供应的转矩超过发动机的能力。当发生这种情况时，操作者需要减小其命令，从而使机器变慢，这使其难以有效运行。可替代地，发动机简单地停机，这需要操作者重启机器。

在实例1中以发动机转矩计算来开始。

假设那个机器的操作者命令这个操作并且然后遭受了对于回路的使得液缸上的力增加的一些阻力，并且使回路中的所得到的压力升高至300bar(在泵处为320bar)。在阀命令中没有变化，则泵将在新的较高的压力处试图并维持相同的输出流量。在实例2中示出了对于发动机的得到的新的转矩需求。

如果在机器上的发动机只能够具有150Nm的输出转矩，这个新的负载和维持的流量命令将使发动机过载并且如果操作者继续该命令则导致停机状况。通过基本ETL，系统10可以通过调整在压力释放阀22中的LS压力来控制泵14的冲程，进而将转矩维持在或低于发动机所能提供的并且使发动机保持不停机的最大转矩上。

如在图3中示出的，作为实例存在泵14能够以其运行的、将导致发动机停机状况的大面积。线44示出了发动机所能够递送给泵12的最大转矩水平。线46示出了通常传统负载感应系统所采用的恒定最大压力极限。

在机器运行过程中，软件42持续监测在泵14中的斜盘的角度。软件42使用斜盘角度来计算出将在给定排量下引起发动机所能够产生的转矩水平的最大压力，并且将对于实现最大压力而言正确电流发送至泵控制件中的比例压力释放阀22。在图4中示出的，当斜盘角度增加时，给压力释放阀22的电流增加(降低其设定值)，从而限制泵14可以吸收的转矩的量。

使用这种控制逻辑，电子转矩限制就能够削去在图3中的引起发动机停机的面积48，并且替代地允许液压系统10总是递送对于给定排量而言的最大可能压力，而没有发动机停机。

再次重访实例，这次ETL激活；

1.)操作者命令的流量和排量等于我们第一个实例：45cc和200bar。

2.)机器遇到使系统压力升高至320bar的负载。

3.)ETL持续地激活，并且迅速地将泵14消减冲程至将允许发动机无停机地举升负载的角度上。

从机械的角度来看ETL运行

1.)操作者命令的流量和排量等于我们第一个实例：45cc和200bar

2.)机器遇到使负载压力升高至300bar(在泵处来看为320bar)的负载

3.)操作者维持相同的命令。300bar负载压力沿LS管线20向下传递至电子比例压力释放阀22。320bar压力穿过可变孔口传递至泵14并且传递至泵控制件32。

4.)LS压力是以由微控制器40基于斜盘34的角度计算出的设定值来释放的。这降低了在泵控制件32的LS侧上的压力。

5.)泵控制件32的泵侧上的高压将控制件切换成将油端口连接至伺服活塞，从而使泵14消减冲程。

6.)当泵14消减冲程时，软件42减小通向LS可变压力释放阀22的电流命令，从而允许泵控制件32上的LS压力增加。

7.)基于斜盘角度，泵14将继续消减冲程并且LS压力将继续增加，直到在泵输出与LS压力之间达到20bar增量。

具有负载保持阀的转矩控制

当泵输出压力被限制成低于可以举升这个“检查过的”负载的压力时，由具有多功能的传统机械转矩控制件和负载保持或负载下降止回阀构成的系统可能遭遇多种状况，并且当使能了该功能时，负载是不能移动的。连同电子控制阀、压力变换器和软件解决方案一起使用电子转矩控制可以缓解这种问题。

例如，在图8中，用于功能1的阀门22打开并且要求150bar的压力来举升这个负载并且要求在一起将超过ETL软件42的当前转矩极限设定值的流量。在这种情形下，ETL将调整泵14的排量。如果打开了用于功能2的阀门22，该阀门需要250bar的压力来举升该负载，则止回阀50将继续支撑该负载，并且所需要的压力将不被传达回到泵控制件32来允许ETL适当地运转和举升该负载。为了解决这种问题，添加了压力变换器52来监测当操作者发出命令时举升功能2所需要的压力。当下达了对于功能2的命令但泵14的当前转矩设定点不允许将负载举升时，软件42将收回功能1(或多个其他功能)的命令直到泵排量降低至将允许足够高的压力来以功能2举升该负载。在考虑这个功能时，我们必须记住的是，ETL软件42持续监测斜盘角度并且将随着泵排量的降低而增加泵14的压力极限，以便为发动机维持可接受的转矩水平。

在压力补偿泵上的转矩控制

在反铲系统中，通常使用具有转矩限制泵控制件的压力补偿泵和手动操作的开放中心阀组。之前在负载感应回路中列出的所有优点仍适用于压力补偿系统。此外，如在图9中示出的，通常具有特殊的倾泻阀54以在发动机曲柄摇动过程中减小PC泵14的设定点(主要在寒冷条件下)。问题是，当油冷时，推动油穿过开放中心阀需要大量压力。转矩限制系统无需任何额外的部件就可以在曲柄摇动过程中减小PC的压力设定点，从而减小出口压力和排量，因此减小在发动机的起动器上的负载。

转矩控制和跨阀门的余量侵蚀

在比例阀组中，尤其是补偿阀中，阀门的设计通常需要跨阀门的最小压降(或余量)来使其适当运行，并且适当地将负载感应压力传达回泵14。如之前讨论的，转矩控制通过将跨阀门的余量转移至位于泵控制件32中的孔口来起作用。当转矩控制进一步减小转矩时，跨阀门22的余量可能降低至其不能正确运行的水平。在其中转矩降低的水平非常高的低发动机RPM运行的过程中尤其可能注意到这种情况。

图10描绘了泵出口压力(P泵)、实际负载压力(PLS)(其为在负载上实际工作的压力)、以及在泵14的负载感应控制件处在释放阀22和孔口之后可见的压力(Pctrl)。

在箭头的末端处由X示出的启动条件需要147cc的排量来维持跨阀门22的余量以及75bar的压力以便举升负载。在这种条件下，该点不受转矩控制的影响，并且全部余量是由跨比例控制阀22的降低来满足的。如果对阀门的命令保持不变，当负载压力增加时，其将首先向上行进直到PLS线转向左边。就在该点处，转矩控制开始激活并且释放控制件处的压力。当压力继续增加(遵循PLS线)时，泵14继续消减冲程，这将减小穿过控制阀22的流量。如之前陈述的，这个阀门22仍然接收相同的命令，所以流量的降低使跨这个阀门22的压降下降。在泵出口(P泵)与(Pctrl)之间的总压降仍然是由跨LS控制件32中的孔口的增加的压降来满足的，由此满足了所需要的余量以使泵14保持不进入冲程。当压力继续升高时，我们可以看到的是，用于满足泵14的余量需求的压降继续转移离开控制阀22并且转移至在泵12上的LS控制件32处的孔口。其达到竖直线处的点是跨控制阀22的余量已经降低至其可能不再正确运行的点所在的点。就在该点处，机器性能可能开始受损，并且进一步的泵角度减小可能引起更恶劣的阀门性能。

为了解决这种问题，已经利用了控制总阀门流量要求的方法。所采用的算法寻求限制阀门打开，从而使得转矩限制器不受余量侵蚀的影响，同时在转矩限制器非主动调整时避免对阀门输出进行不必要的限制。通过使用与泵角度传感器36和微控制器40结合的电子控制阀门，就可以操纵余量从控制阀22转移至孔口，进而允许进一步的使泵14消减冲程以满足负载和输出转矩需求。

再次看向图10，我们可以更近的看图表中的竖直线，其代表用于适当控制阀门运行的最小余量需求(对于这个实例我们假设为7bar)。这意味着在竖直线的交点处在中间曲线(PLS)与上曲线(P泵)之间的差为7bar。如果在这个实例中负载压力继续接受稳定阀门命令，则标准转矩控制将继续使泵14消减冲程至这条线的左边，并且控制阀性能将开始劣化。这些性能线的产生是基于阀门22、负载、和泵14的初始条件的。如果我们改变控制阀22的打开(流量要求)，则可能改变这些曲线的性质，并且允许泵14进一步的消减冲程而没有进一步的余量侵蚀。

继续这个实例，如果来自泵14的要求是从全部的147cc降低至115cc，则PLS曲线的特性被重新成形，并且进而改变以上所讨论的余量的转移。现在略微更限制性的阀门打开增加了跨其自身的相对余量，允许进一步的泵消减冲程，从而满足增加的负载命令。如在图11中可见的，对于这个实例，将阀门要求从147cc减小至115cc允许在跨该阀门的余量侵蚀变成问题之前达到全部的系统压力。

Claims (12)

1.一种泵控制系统，包括：

被配置成用于驱动一个泵的一个马达；

与该泵处于流体连通的一个压力释放阀；

被连接至该泵的一个斜盘上的并且与该压力释放阀处于流体连通的一个转矩控制阀；

被连接至该斜盘上的一个斜盘角度传感器；以及

连接该斜盘角度传感器和该压力释放阀的一个计算机，其中该计算机基于斜盘位移来控制该压力释放阀，从而实现最大系统压力，

其中该计算机计算出最大压力，该最大压力将引起马达在给定斜盘位移下能够产生的转矩水平，

其中该计算机将信号发送至该压力释放阀，从而提供电流以实现该最大压力。

2.如权利要求1所述的系统，进一步包括压力变换器，该压力变换器监测举升功能所需要的压力。

3.如权利要求1所述的系统，进一步包括倾泻阀，该倾泻阀用于产生该泵发动机曲柄摇动的设定点。

4.如权利要求1所述的系统，其中在发布了用于第二功能的命令时该计算机收回至少第一功能的命令，并且该泵的转矩设定点不允许将负载举升直到泵排量降低至会具有足够高的压力来以该第二功能举升该负载的点。

5.如权利要求4所述的系统，其中一个压力变换器监测该第二功能所需要的压力。

6.一种控制负载感应泵的方法，该方法包括以下步骤：

通过一个斜盘角度传感器和一个微控制器的软件来监测一个斜盘的角度；

通过该软件来计算出在一个给定排量下导致一个发动机所能产生的转矩水平的最大压力；并且

将对于实现最大压力而言正确电流发送至一个比例压力释放阀。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括通过压力变换器来监测举升负载所需要的压力的步骤。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：当转矩设定点不允许将负载举升时使泵排量降低至提供对于举升负载而言足够高的压力的点的步骤。

9.如权利要求6所述的方法，进一步包括：在曲柄摇动过程中减小用于该泵的压力设定点从而减少出口压力、排量、以及在发动机的起动器上的负载的步骤。

10.如权利要求6所述的方法，进一步包括限制控制阀打开从而使得转矩限制器不受余量侵蚀影响的步骤。

11.如权利要求6所述的方法，其中当高压消减泵冲程时，该计算机致使LS压力增加直到在泵输出与LS压力之间达到所希望的差。

12.一种泵控制系统，包括：

具有一个斜盘的一个泵；

与该泵处于流体连通的一个压力释放阀；

被连接至该斜盘上的一个斜盘角度传感器；以及

连接该压力释放阀和该斜盘角度传感器的一个计算机，该计算机基于斜盘角度来控制该压力释放阀，

其中该计算机计算出最大压力，该最大压力将引起在给定斜盘位移下能够递送给泵的最大转矩水平，

其中该计算机将信号发送至该压力释放阀，从而提供电流以实现该最大压力。