CN106286435A - 一种数字式变量柱塞泵及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式变量柱塞泵，所述数字式变量柱塞泵包括一泵体组件以及一控制组件，控制组件与泵体组件结合在一起组成一数字式变量柱塞泵，泵的变量受所述控制组件的控制，即对泵的排量、流量以及功率等进行无级调节。一种数字式变量柱塞泵的控制方法，基于对控制组件中一系统控制器的编程，再发送控制信号至控制组件中的一电比例减压阀直接控制泵的变量，并在位移传感器的配合下完成对数字式变量柱塞泵的闭环控制。

Description

一种数字式变量柱塞泵及控制方法

技术领域

本发明涉及柱塞泵领域，特别是涉及一种数字式变量柱塞泵及控制方法。

背景技术

变量柱塞泵是液压系统的一个重要组成部分，它依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、排油。柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和排量调节方便等优点，被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合，诸如工业机械、工程机械、农业机械等机械设备。

变量柱塞泵有多种变量控制方式，例如排量、流量、功率等，为了实现这些控制方式，变量柱塞泵含有一个控制系统，现有的变量柱塞泵控制系统大多采用液控比例控制、电控比例控制以及手动伺服控制的方式，采用上述方式的变量柱塞泵控制系统均基于机械反馈来实现比例变量，基于机械反馈的变量柱塞泵控制系统准确度较低，且调节时延迟较为严重，从而导致调节的准度也较低。基于机械反馈的变量柱塞泵调节过程较为复杂，包含的零件很多，导致其可靠性不高。

为了克服基于机械反馈的变量柱塞泵所存在的各种问题，现在市场上出现了数字式变量柱塞泵。现有的数字式变量柱塞泵通常基于比例阀或者伺服阀来控制多种变量，同时通过位移传感器对柱塞泵的排量进行实时监测，数字式变量柱塞泵还包括一总控制器，总控制器采集位移传感器的信号，控制器对采集到的信号进行处理计算后，再向比例阀或者伺服阀传递信号，控制比例阀或者伺服阀的工作状态，监测、反馈及控制的过程完全数字化，采用数字化的方式实现了对变量柱塞泵的闭环控制。

现有的数字式变量柱塞泵的比例阀和伺服阀均具有独立的控制器，比例阀控制器、伺服阀控制器和总控制器之间需要进行数据信号的传递及拟合，由于各个控制器之间的规格以及编程方面的区别，将各个控制器进行整合的过程较为复杂，在适配过程中对比例阀和伺服阀的型号要求较为苛刻。同时，由于比例阀和伺服阀均具有独立的控制器，这就造成了比例阀和伺服阀的价格很高，从而采用比例阀和伺服阀的柱塞泵数字式控制系统的制造成本也很高，在大部分应用场合中，客户很难接受如此高的价格。由于比例控制阀和伺服控制阀均具有独立的控制器，且数字式变量柱塞泵还包括一个总控制器，从而数字式变量柱塞泵在数据处理过程中容易出现重复计算的问题，重复计算导致系统流程复杂化，从而导致数字式变量柱塞泵控制排量、流量、功率等变量过程复杂化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种数字式变量柱塞泵，所述数字式变量柱塞泵包括一泵体组件以及一控制组件，所述控制组件与所述泵体组件结合在一起组成数字式变量柱塞泵，泵的变量受所述控制组件的控制，即对泵的排量、流量以及功率等进行无级调节，其中所述控制组件包括一系统控制器以及一电比例减压阀，所述电比例减压阀直接控制泵变量活塞腔的油液压力，且电比例减压阀受到所述系统控制器的控制，通过对所述系统控制器的编程即可控制所述电比例减压阀对所述数字式变量柱塞泵的排量，流量及功率等变量进行控制，对所述数字式变量柱塞泵的控制集成于系统控制器，电比例减压阀直接控制泵的变量。

本发明的另一个目的在于提供一种数字式变量柱塞泵，所述数字式柱塞泵中的控制组件还包括一角位移传感器以及一压力传感器，所述角位移传感器和所述压力传感器均与所述系统控制器电连接，所述角位移传感器和所述压力传感器采集到的数据直接传递至所述系统控制器，所述系统控制器对数据进行处理后再向所述电比例减压阀发出指令，实现闭环控制。

本发明的另一个目的在于提供一种数字式变量柱塞泵的变量控制方法，所述数字式变量柱塞泵的控制方法以所述系统控制器为核心，采用所述电比例减压阀控制变量，通过所述系统控制器控制所述电比例减压阀并配合所述角位移传感器和所述压力传感器形成一套闭环控制系统，方法操作简单，控制策略简单易行。

为了达到上述目的，本发明提供一种数字式变量柱塞泵，具有一斜盘组件和一泵出口，包括：

一泵体组件，所述泵体组件包括一泵基体组件、一回位活塞、一变量活塞，所述变量活塞和回位活塞均与斜盘组件相连接，回位活塞与所述变量活塞相互作用于所述斜盘组件，斜盘根据两端作用力的大小而处于不同的摆角位置，从而改变所述数字式变量柱塞泵的排量；

一控制组件，所述控制组件包括一系统控制器和一电比例减压阀，所述电比例减压阀与所述系统控制器电连接，所述电比例减压阀具有一进油口和一工作油口，且所述进油口与所述泵出口连通，所述工作油口与所述变量活塞连通，所述变量活塞腔的油液压力受到所述电比例减压阀的控制，所述电比例减压阀受所述系统控制器控制。

优选的，所述电比例减压阀包括一回油口以及一电控接口，所述工作油口与所述变量活塞腔连通，所述进油口与所述泵出口连通，所述回油口直接流入泵容腔内，所述电控接口与所述系统控制器电联，所述系统控制器通过所述电控接口向所述电比例减压阀传递指令。

优选的，所述电比例减压阀通过所述电控接口接收到所述系统控制器的指令，使得工作油口与进油口连通，压力油进入变量活塞，泵排量发生变化。

优选的，所述电比例减压阀通过所述电控接口接收到所述系统控制器的指令，所述工作油口的油液压力发生变化，所述电比例减压阀为正控制电比例减压阀，所述工作油口的油液压力与输入电流成正比。

优选的，所述控制组件包括一角位移传感器，所述角位移传感器与所述系统控制器电连接，所述角位移传感器与所述斜盘组件连接，所述角位移传感器对所述数字式变量柱塞泵的斜盘摆角进行实时监测，且所述角位移传感器将其监测到的斜盘摆角以电信号的形式传递至所述系统控制器。

优选的，所述控制组件包括一压力传感器，所述压力传感器与所述系统控制器电连接，所述压力传感器与所述泵出口连通，从而所述压力传感器能对负载压力进行实时监测，且所述压力传感器将其监测到的负载压力以电信号的形式传递至所述系统控制器。

一种数字式变量柱塞泵的控制方法，其特征在于，包括步骤：

(A)通过系统控制器设定泵的控制方式；

(B)系统控制器发送指令至电比例减压阀；

(C)电比例减压阀改变工作油口油液压力，从而改变泵的排量；

(D)传感器实时监测数据并传送至系统控制器；

(E)系统控制器计算得到实时数值并与设定数值进行比对；

(F)重复步骤(B)至(E)直至实时变量等于设定数值。

优选的，当实时数值大于设定数值时，通过控制器计算并比对，控制器发出新的指令至电比例减压阀，从而改变电比例减压阀工作油口的油液压力，以减小实时数值，即重复步骤(B)至(E)。

优选的，当实时数值小于设定数值时，通过控制器计算并比对，控制器发出新的指令至电比例减压阀，从而改变电比例减压阀工作油口的油液压力，以增大实时数值，即重复步骤(B)至(E)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示为本发明的一种数字式变量柱塞泵的控制原理图。

如图2所示为本发明的一种数字式变量柱塞泵的电比例减压阀的示意图。

如图3所示为本发明的一种数字式变量柱塞泵的排量控制流程图。

如图4所示为本发明的一种数字式变量柱塞泵的流量控制流程图。

如图5所示为本发明的一种数字式变量柱塞泵的功率控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，所述数字式变量柱塞泵包括一泵体组件10以及一控制组件20，所述控制组件20与所述泵体组件10结合在一起，且所述泵体组件10受到所述控制组件20的控制对所述数字式变量柱塞泵的排量、流量以及功率等进行无级调节。

所述泵体组件10包括一泵基体组件11、一回位活塞12、一变量活塞13、一斜盘组件14、一吸油口15、一排油口16、一回油口17。所述吸油口15与油箱连接，所述排油口16向执行结构传递能量(如液压马达、液压缸等)，所述回油口17与油箱连接。

所述回位活塞12、变量活塞13与所述斜盘组件14连接，所述回位活塞12与所述变量活塞13相互作用于斜盘组件，斜盘根据两端作用力的大小而处于不同的摆角位置，从而改变泵的排量。所述回位活塞12进一步包括一回位弹簧121，且所述回位活塞12与所述排油口16直接连通，即所述回位活塞12始终是与泵出口高压油连通的，并在所述回位弹簧121作用下，使得泵在变量活塞13未通油的状态下始终处于最大排量。进一步的，所述变量活塞13通油后的运动位置决定所述数字式变量柱塞泵的排量，所述数字式柱塞泵能够通过向所述变量活塞13中通油来推动所述斜盘组件14而减小排量，在推动所述变量活塞13的同时也会推动所述回位活塞12并压缩所述回位弹簧121，直至作用在斜盘组件14两侧的力达到平衡。所述变量活塞13容腔的油液压力受到所述控制组件20的控制。所述数字式变量柱塞泵的排量改变时，其斜盘摆角也会发生相应的变化，通过测量所述数字式变量柱塞泵的斜盘摆角并进行计算即可得到所述数字式柱塞泵的实时排量，所述控制组件20能够监测斜盘摆角并进行计算，所述控制组件20还能够通过将计算得出的实时排量与设定排量进行比较，并根据比较结果对所述变量活塞13进行调节控制，直到实时排量与设定排量相同。

所述控制组件20包括一系统控制器21、一电比例减压阀22、一角位移传感器23、一压力传感器24。所述电比例减压阀22与所述系统控制器21电连接，所述角位移传感器23与所述系统控制器21电连接，所述压力传感器24与所述系统控制器21电连接。其中所述角位移传感器23与所述斜盘组件14连接，所述角位移传感器23对所述数字式变量柱塞泵的斜盘摆角进行实时监测，且所述角位移传感器23将其监测到的斜盘摆角以电信号的形式传递至所述系统控制器21。其中所述压力传感器24与所述排油口16连通，所述排油口16与负载连接，从而所述压力传感器24对负载压力进行实时监测，且所述压力传感器24将其监测到的负载压力以电信号的形式传递至所述系统控制器21。所述电比例减压阀22连通所述排油口116与所述变量活塞13，所述电比例减压阀22受到所述系统控制器21的控制。所述电比例减压阀22通过所述回油口17连通进行泄油。

所述电比例减压阀22连通所述排油口16与所述变量活塞13，所述电比例减压阀22受到所述系统控制器21的控制，且所述电比例减压阀22控制所述变量活塞13容腔的油液压力，即所述变量活塞13容腔的油液压力由所述系统控制器21进行控制，又通过对所述变量活塞13通油后可以改变所述数字式变量柱塞泵的排量，从而所述系统控制器21对所述数字式柱塞泵的排量进行控制。所述系统控制器21通过对所述角位移传感器23所传入的斜盘摆角进行计算后得到所述数字式变量柱塞泵的实时排量，且所述系统控制器21中有设定排量信息，所述系统控制器21将实时排量与设定排量进行比对，当实时排量大于设定排量时，所述系统控制器21控制所述电比例减压阀22增大所述变量活塞13的供油压力，从而减小所述数字式变量柱塞泵的排量，当实时排量小于设定排量时，所述系统控制器21控制所述电比例减压阀22减小所述变量活塞13中的供油压力，从而增大所述数字式变量柱塞泵的排量，直到所述系统控制器21检测到实时排量等于设定排量，即实现了所述数字式变量柱塞泵的排量无极闭环控制。

如图2所示为所述电比例减压阀22的结构图，所述电比例减压阀22包括一工作油口221、一进油口222、一回油口223以及一电控接口224。其中，所述工作油口221与所述变量活塞13连通，所述进油口222与所述排油口16连通，所述回油口223流入泵容腔后通过回油口17流回油箱，所述电控接口224与所述系统控制器21电联，所述系统控制器21通过所述电控接口224向所述电比例减压阀22传递指令。所述电比例减压阀22的所述工作油口221与所述进油口222接通时，所述电比例减压阀221处于通油状态，压力油流入所述变量活塞13；所述工作油口221与所述回流口223接通时，所述电比例减压阀22处于回油状态，所述变量活塞13中的油通过所述回流口223流入所述泵容腔内再通过回油口17流回油箱。所述电比例减压阀22中所述工作油口221的供油压力由所述系统控制器21控制，当所述电比例减压阀22通过所述电控接口224收到来自所述系统控制器21的指令之后，所述工作油口221会改变或保持其现有的油液压力。例如，当所述系统控制器21通过计算所述角位移传感器23传送的斜盘摆角而得到实时排量，且实时排量大于所述系统控制器21中存储的设定排量信息时，所述系统控制器21会向所述电比例减压阀22发出指令，所述电比例减压阀22通过所述电控接口224收到指令后，减小所述工作油口221与所述进油口222的压差，从而增大向所述变量活塞13的供油压力，继而推动所述斜盘组件14向小摆角运动，以减小排量；当所述系统控制器21通过计算所述角位移传感器23传送的斜盘摆角而得到实时排量，且实时排量小于所述系统控制器21中存储的设定排量信息时，所述系统控制器21会向所述电比例减压阀22发出指令，所述电比例减压阀22通过所述电控接口224收到指令后，增大所述工作油口221与所述进油口222的压差，从而减小向所述变量活塞13的供油压力，由于变量活塞13容腔的供油压力减小，斜盘组件14在回位活塞12和回位弹簧121的作用下向大摆角运动，从而增大排量。所述系统控制器21通过改变所述电比例减压阀22中所述工作口221的油液压力来改变排量。

如图3所示为所述数字式变量柱塞泵的排量控制流程图，由于所述回位活塞12在初始情况下与泵出口高压油连通，所述数字式柱塞泵在所述回位活塞12以及所述回位弹簧121的共同作用下必然处于最大排量状态，因此在对所述系统控制器21进行排量控制的编程时，在设定所需排量之后，直接由所述系统控制器21向所述电比例减压阀22发送指令，导通所述工作油口221与所述进油口222，向所述变量活塞13供油，改变所述数字式柱塞泵的排量。当所述数字式变量柱塞泵的排量产生变化后，所述角位移传感器23会将其实时监测到的斜盘摆角传送至所述系统控制器21，所述系统控制器21经过对斜盘摆角的计算得到实时排量之后，所述系统控制器21将实时排量与设定排量进行比对，当实时排量大于设定排量时，所述系统控制器21通过计算再次向所述比例减压阀发出新的指令，以增大工作油口221的供油压力，从而减小所述数字式变量柱塞泵的排量；当实时排量小于设定排量时，所述系统控制器21通过计算再次向所述比例减压阀发出新的指令，以减小工作油口221的供油压力，从而增大所述数字式变量柱塞泵的排量。所述系统控制器21通过不断微调实时排量，最终调节至设定排量。

如图4所示为所述数字式变量柱塞泵的流量控制流程图，由于泵的流量＝泵转速×泵排量，在某些应用场合中，要求泵的输出流量保持恒定，为了保证所述数字式变量柱塞泵的输出流量恒定，在泵转速恒定的情况下，泵的流量与泵的排量成正比，并且当泵的转速发生变化时，通过闭环控制依然能够使泵的输出流量保持恒定，同时调节流量与调节排量的方式原理相同。为了保持所述数字式变量柱塞泵的输出流量恒定，首先在所述系统控制器21中设定所需的流量值，所述数字式变量柱塞泵的转速由所述系统控制器21收集并作为计算参数，所述系统控制器21将其所算出的实时排量与转速相乘得到实时流量，并将实时流量与设定流量进行比对，当所述数字式变量柱塞泵的排量产生变化后，所述角位移传感器23会将其实时监测到的斜盘摆角传送至所述系统控制器21，所述系统控制器21经过对斜盘摆角的计算并与转速相乘得到实时流量，之后所述系统控制器21将实时流量与设定流量进行比对，当实时流量大于设定流量时，所述系统控制器21向所述电比例减压阀22发送指令，，以增大工作油口221向所述变量活塞13供油的压力，从而减小所述数字式变量柱塞泵的流量，当实时流量小于设定流量时，所述系统控制器21向所述比例减压阀发出指令，以减小工作油口221向所述变量活塞13供油的压力，从而增大所述数字式变量柱塞泵的流量。所述系统控制器21通过不断微调实时流量，最终能够调节至设定流量。

如图5所示为所述数字式变量柱塞泵的功率控制流程图。由于当负载压力发生变化时，为保证泵功率不超过发动机或电机的负荷，同时，也能节约发动机或电机电机的功率损失，因而泵的输出功率需要与发动机或电机功率进行实时匹配。由于泵的输出功率＝负载压力×泵输出流量，并且如上述泵的输出流量可以通过控制泵的排量来受到控制，而负载压力能够由所述压力传感器24监测并传递至所述系统控制器21，所述系统控制器21能够通过计算得到泵的实时功率，并将泵的实时功率与发动机或电机实时功率进行比对，进而向所述电比例减压阀22传送指令。为了保证泵的输出功率与发动机或电机的功率进行实时匹配，首先所述系统控制器21接收来自发动机或电机在此工况下的设定功率，所述系统控制器21收集所述数字式变量柱塞泵的转速并作为计算参数，所述系统控制器21同时收集来自所述角位移传感器23的斜盘摆角和来自所述压力传感器24的负载压力并进行计算，所述系统控制器将其所算出的实时功率与设定功率进行比对，当实时功率大于设定功率时，所述系统控制器21向所述电比例减压阀22发送指令，以增大工作油口221向所述变量活塞13供油的压力，从而减小所述数字式变量柱塞泵的功率，当实时功率小于设定功率时，所述系统控制器21向所述比例减压阀发出指令，以工作油口221向所述变量活塞13供油的压力，从而增大所述数字式变量柱塞泵的功率。所述系统控制器21通过不断调节实时功率，最终实现泵的输出功率与发动机或电机的功率匹配，从而达到节能、安全的目的。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种数字式变量柱塞泵，具有一斜盘组件和一泵出口，其特征在于，包括：

一泵体组件，所述泵体组件包括一泵基体组件、一回位活塞、一变量活塞，所述变量活塞和回位活塞均与斜盘组件相连接，回位活塞与所述变量活塞相互作用于所述斜盘组件，斜盘根据两端作用力的大小而处于不同的摆角位置，从而改变所述数字式变量柱塞泵的排量；

一控制组件，所述控制组件包括一系统控制器和一电比例减压阀，所述电比例减压阀与所述系统控制器电连接，所述电比例减压阀具有一进油口和一工作油口，且所述进油口与所述泵出口连通，所述工作油口与所述变量活塞连通，所述变量活塞腔的油液压力受到所述电比例减压阀的控制，所述电比例减压阀受所述系统控制器控制。

2.如权利要求1所述的数字式变量柱塞泵，其特征在于，所述电比例减压阀还包括一回油口以及一电控接口，所述工作油口与所述变量活塞腔连通，所述进油口与所述泵出口连通，所述回油口直接流入泵容腔内，所述电控接口与所述系统控制器电联，所述系统控制器通过所述电控接口向所述电比例减压阀传递指令。

3.如权利要求2所述的数字式变量柱塞泵，其特征在于，所述电比例减压阀通过所述电控接口接收到所述系统控制器的指令，使得工作油口与进油口连通，压力油进入变量活塞，泵排量发生变化。

4.如权利要求3所述的数字式变量柱塞泵，其特征在于，所述电比例减压阀通过所述电控接口接收到所述系统控制器的指令，所述工作油口的油液压力发生变化，所述电比例减压阀为正控制电比例减压阀，所述工作油口的油液压力与输入电流成正比。

5.如权利要求1或2所述的数字式变量柱塞泵，其特征在于，所述控制组件包括一角位移传感器，所述角位移传感器与所述系统控制器电连接，所述角位移传感器与所述斜盘组件连接，所述角位移传感器对所述数字式变量柱塞泵的斜盘摆角进行实时监测，且所述角位移传感器将其监测到的斜盘摆角以电信号的形式传递至所述系统控制器。

6.如权利要求1或2所述的数字式变量柱塞泵，其特征在于，所述控制组件包括一压力传感器，所述压力传感器与所述系统控制器电连接，所述压力传感器与所述泵出口连通，从而所述压力传感器能对负载压力进行实时监测，且所述压力传感器将其监测到的负载压力以电信号的形式传递至所述系统控制器。

7.一种数字式变量柱塞泵的控制方法，其特征在于，包括步骤：

(A)通过系统控制器设定泵的控制方式；

(B)系统控制器发送指令至电比例减压阀；

(C)电比例减压阀改变工作油口油液压力，从而改变泵的排量；

(D)传感器实时监测数据并传送至系统控制器；

(E)系统控制器计算得到实时数值并与设定值进行比对；

(F)重复步骤(B)至(E)直至实时数值等于设定值。

8.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，当实时数值大于设定数值时，通过控制器计算并比对，控制器发出新的指令至电比例减压阀，从而改变电比例减压阀工作油口的油液压力，以减小实时数值，即重复步骤(B)至(E)。

9.如权利要求8所述的变量控制方法，其特征在于，当实时数值小于设定数值时，通过控制器计算并比对，控制器发出新的指令至电比例减压阀，从而改变电比例减压阀工作油口的油液压力，以增大实时数值，即重复步骤(B)至(E)。