CN109952434B - 电动泵装置 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的电动泵装置(1)包括：油泵(10)，用于排出油；马达(20)，用于驱动所述油泵(10)；以及控制单元(30)，用于控制被供给至所述马达(20)的电流值以控制所述马达(20)的转动，从而控制从所述油泵(10)排出的流体的流量。在所述马达(20)起动时，直到所述马达(20)的转动速度达到预先设置的目标转动速度附近为止，通过用于将被供给至所述马达(20)的电流值限制为预定上限以下的开环控制来驱动所述马达(20)。在所述马达(20)的转动速度已经达到所述目标转动速度附近的情况下，通过用于使所述转动速度保持在稳定转动速度的反馈控制来驱动所述马达(20)。

Description

电动泵装置
技术领域
本发明涉及由电动马达驱动的电动泵装置。
背景技术
传统上，已知一种电动泵，其通过使电动马达转动来向引擎部(进行冷却的部分、进行润滑的部分、或者进行操作的部分)供给诸如冷却水、润滑油或操作油等的介质。该电动泵的排出速率根据马达的转动速度(转动频率)而变化。这里，实际广泛地使用通过反馈控制来驱动马达的技术，该技术在电动泵稳定运转时将马达的实际转动速度控制为收敛于稳定的转动速度，以将马达控制为稳定地转动(参见例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-241657
发明内容
发明要解决的问题
然而，如果在流体粘度高的情况下(诸如在冷起动时)起动电动泵，则由于流体的粘性阻抗，过大的负荷可能作用在马达上。因此，如果在电动泵起动时对马达进行反馈控制，则被供给至马达的电流与相对于目标转动速度的偏差成比例地增加，因此出现如下的问题：马达中出现过电流，并且超过额定输出。
鉴于该问题，作出了本发明，并且本发明的目的是提供一种能够抑制马达的过输出的电动泵装置。
用于解决问题的方案
为了解决以上问题，根据本发明的电动泵装置包括：包括：流体泵，用于排出流体；马达，用于驱动所述流体泵；以及控制单元，用于控制被供给至所述马达的电流值以控制所述马达的转动，从而控制从所述泵排出的流体的流量。在所述马达起动时，直到所述马达的转动速度接近预先设置的目标转动速度为止，所述控制单元通过用于将被供给至所述马达的电流值限制为低于预定上限的开环控制来驱动所述马达，以及在所述马达的转动速度已经接近所述目标转动速度的情况下，所述控制单元通过用于使所述转动速度保持在稳定转动速度的反馈控制来驱动所述马达。
此外，根据本发明的电动泵装置优选地被构造为使得：在所述控制单元中预先设置所述马达的指定转动速度；以及在所述开环控制中，所述马达的指定转动速度逐步增加以向所述马达供给与所述指定转动速度相对应的电流值。
此外，根据本发明的电动泵装置优选地被构造为包括用于检测流体的温度的温度检测器，并且使得：在所述马达起动时，在所述温度检测器所检测到的流体的温度低于指定温度的情况下，进行相对长时间的开环控制，以及在所述温度检测器所检测到的流体的温度高于或等于所述指定温度的情况下，进行相对短时间的开环控制。
发明的有益效果
根据本发明，在所述马达起动时，直到马达的转动速度接近目标转动速度为止，通过用于将被供给至马达的电流值限制为低于预定上限的开环控制来驱动马达，因此可以减少马达在起动时的负荷，使得可以抑制马达的输出。结果，即使在流体的粘度相对高的情况下(诸如在冷起动时等)，电动泵也可以在不超过额定输出的状态下稳定地起动。
此外，在本发明中，在开环控制中，通过使马达的指定转动速度逐步增加，流体的温度可以在流体泵的负荷不会快速增加的情况下随时间逐渐升高(流体的粘性阻抗可以逐渐降低)，使得电动泵装置可以高效地起动。
此外，在本发明中，在流体的温度低于指定温度的情况下，在进行相对长时间的开环控制之后，进行向反馈控制的转变，以及在流体的温度高于或等于该指定温度的情况下，在进行相对短时间的开环控制之后，进行向反馈控制的转变，因此可以进行根据流体的物理性质(粘性阻抗)的最佳控制，使得马达可以在不浪费电力的情况下快速达到稳定转动。
附图说明
图1是示意性地示出根据本实施例的电动泵的结构的框图。
图2是示出电动泵在起动时的操作处理流程的流程图。
图3是示出电动泵的示例性控制表的示意图。
图4是示出指定转动速度和占空比相对于从电动泵起动起所经过的时间而变化的方式的图。
具体实施方式
以下将参考附图来说明本发明的优选实施例。图1示出根据本发明的一个实施例的电动泵1，并且首先将根据该图1来示意性地说明根据本发明的电动泵1的结构。
电动泵1主要包括排出油的油泵10、作为驱动油泵10的驱动源的马达20、以及控制马达20的转动的控制单元(也称为驱动器)30。电动泵1根据马达20的转动速度的上升和下降来使油泵10的排出速率(流量)增加或降低。即，随着马达20的转动速度上升，油泵10的排出速率增加，以及随着马达20的转动速度下降，油泵10的排出速率降低。
油泵10连接至马达20的转动轴，并且通过从马达20传递的驱动力(转动力)从油罐(未示出)吸取油以排出到外部(冷却系统、润滑系统或操作系统)。使从油泵10排出到外部的油返回到油罐以进行循环。例如，应用响应于彼此啮合的一对齿轮的转动而排出流体的齿轮泵、或者响应于叶轮的转动而排出流体的离心泵等作为油泵10。
马达20例如是三相无刷DC(直流)马达，并且包括三相(U相、V相、W相)线圈、以及由磁化有N极和S极的永磁体构成的转子。马达20被构造为使得转子通过顺次切换各相的线圈的通电而转动。注意，本示例的马达20是没有使用诸如霍尔元件等的位置检测元件的所谓的无传感器型无刷DC马达，并且通过使用在各线圈上发生的感应电压(逆电动势)来检测转子的转动位置，并且使用基于该转动位置而获得的磁极位置信息来切换针对各相的通电。这种DC无刷马达通常是众所周知的，因此这里省略其详细说明。
控制单元30被构造为包括用以驱动马达20的驱动电路31、以及用以控制驱动电路31的微计算机32。例如，控制单元30被构成为安装有各种电子和电气组件的控制板。注意，控制单元30或控制单元30的一部分可被构成为与电动泵1分离的实体。
驱动电路31是通过将与马达20的各相(U相、V相、W相)相对应的开关元件与电池(电源)40并联连接而构成的驱动器。基于从作为更高级单元的微计算机32发送的马达控制信号(PWM信号)来控制驱动电路31的开关元件的接通/断开，从而向马达20供给电流(三相励磁电流)以转动驱动马达20。作为开关元件，例如，适合使用MOSFET等，但是也可以使用其它晶体管。
微计算机32将根据控制表等中所设置的指定转动速度的马达控制信号(PWM信号)发送至驱动电路31，以控制驱动电路31的各相的开关元件的接通/断开，从而对马达20进行PWM控制。并且，微计算机32控制马达控制信号的占空比，以控制供给至马达20的各相的线圈的电流值(以通过伪方式来控制被施加给马达20的电压)，从而使马达20的转动速度增加/降低。即，微计算机32使用输出至驱动电路31的PWM信号的占空比作为控制量来控制供给至马达20的电流量(即，马达20的转动速度)。
已输入的马达20的各相的线圈上发生的以上感应电压(逆电动势)的微计算机32检测马达20的实际转动速度。用以检测油的温度的油温检测器(油温传感器)50电气连接至微计算机32，其中该微计算机32被构造为使得油温检测器50的检测信息被输入至该微计算机32。油的粘度根据其温度而变化，并且具有如下的性质：随着油温变低，粘度变高(粘性阻抗增加)。因此，本示例的油温检测器50用作用于基于油的温度来估计油的粘度(物理性质)的粘度估计部件。油温检测器50可以安装在电动泵1的内部。此外，油温检测器50可以是接触型和非接触型中的任一种。
微计算机32在开环控制和闭环控制(反馈控制)之间选择性地切换马达20的控制方法以驱动马达20。在电动泵1起动时，如果油的温度低于指定温度，则微计算机32通过开环控制来驱动马达20，直到马达20的转动速度达到预先设置的目标转动速度(以下称为转变为反馈转动速度)为止。开环控制是以预先设置的指定转动速度(占空比)来驱动马达20的控制方法。在该开环控制中，指定转动速度(马达控制信号的占空比)逐步(逐渐)增加以使马达20的转动速度逐渐上升，使得被供给至马达20的各相的线圈的电流值不超过预定上限(额定电流值)。开环控制中所使用的各种信息被存储在控制单元30的存储单元中所设置的控制表中。在本实施例中，作为以上控制表，准备了在油的温度(所检测到的油温)低于指定温度的情况下所设置的低温用控制表(参见图3)、以及在油的温度(所检测到的油温)高于或等于指定温度的情况下所设置的高温用控制表(未示出)。在设置低温用控制表的情况下，进行相对长时间的开环控制。与此相对，在设置高温用控制表的情况下，进行相对短时间的开环控制。即，与高温用控制表相比，在低温用控制表中，通过开环控制的马达20的驱动时间被设置为长时间(例如，约10倍)。
与此相对，在马达20的实际转动速度已经达到转变为反馈转动速度的情况下，微计算机32通过反馈控制来驱动马达20，以使实际转动速度保持在稳定转动速度(以将实际转动速度相对于稳定转动速度的偏差控制为零)。在电动泵1起动时，如果油的温度高于或等于指定温度，则微计算机32进行相对短时间的开环控制，并且响应于马达20的实际转动速度已经达到转变为反馈转动速度而转变为反馈控制。
接着，将进一步参考图2～4来说明根据本实施例的电动泵1在起动时的动作。图2是示出电动泵1在起动时的操作处理流程的流程图；图3是示出低温用控制表的示意图；以及图4是示出在设置低温用控制表的情况下、指定转动速度和占空比相对于从电动泵1起动起所经过的时间而变化的方式的图。以预定周期(例如，每10ms)重复进行该流程图的处理。
首先，控制单元30根据由油温检测器50所检测到的油温来设置控制表(低温用控制表或高温用控制表)(步骤S1)。具体地，控制单元30判断油温检测器50所检测到的油温是否低于指定温度，并且在油温低于指定温度的情况下设置低温用控制表，以及在油温高于或等于指定温度的情况下设置高温用控制表(未示出)。指定温度是基于电动泵1的特性、油的类型和使用环境等而设置的。以下说明将例示已经设置了低温用控制表(图3)的情况。
如果油的温度低于指定温度(步骤S1处为“是”)，则控制单元30参考控制表并在该控制表中设置初始指定转动速度(步骤S2)。在控制表中，如图3所示，指定了马达20的指定转动频率、该指定转动频率的占空比、以及该指定转动频率下的马达20的驱动时间(称为指定驱动时间)之间的对应关系。具体地，控制单元30从控制表读取初始指定转动速度(第一指定转动速度)，并设置50rpm作为当前指定转动速度。在该控制表中，将从初始转动速度(50rpm)到转变为反馈转动速度(1800rpm)的转动频率设置为指定转动频率。并且，占空比被设置为如下的值，使得被供给至马达20的电流值不超过额定电流值(最大额定电流值)。
然后，控制单元30参考控制表，并设置与当前指定转动速度相对应的占空比(步骤S3)。具体地，控制单元30从控制表读取与第一指定转动速度(50rpm)相对应的占空比，并设置18％作为马达控制信号的占空比。
然后，控制单元30基于具有以上步骤S3处所设置的占空比的PWM控制来驱动马达20(步骤S4)。如前面所提及的，占空比的大小与被供给至马达20的电流值的增加/降低(即，马达20的转动速度的增加/降低)相关。
随后，控制单元30参考控制表，并判断马达20是否已经以当前指定转动速度被驱动了指定驱动时间(步骤S5)。具体地，控制单元30判断马达20是否已经以当前指定转动速度(50rpm)被驱动了指定驱动时间(10ms)。在本实施例中，基本上对于各指定转动速度，设置10ms作为马达20的指定驱动时间。然而，如图3和4所示，对于预定的指定转动频率(1100rpm、1350rpm、1750rpm)，指定驱动时间被设置得相对长，以通过油的循环(周转)来促进油的温度上升。直到达到上述预定的指定转动速度为止，指定转动速度每隔微小时间(10ms)逐渐增加，并且当达到预定的指定转动速度时，马达20被驱动相对长的时间，使得在防止马达20的失步和过负荷的同时促进油的温度上升。
如果马达20已被驱动指定驱动时间(步骤S5处为“是”)，则控制单元30判断以上步骤S2处所设置的指定转动速度是否已经达到转变为反馈转动速度(步骤S6)。在该阶段，由于指定转动速度(初始转动速度：50rpm)低于转变为反馈转动速度(1800rpm)，因此处理返回到步骤S2。
在处理已再次返回到步骤S2的情况下，控制单元30参考控制表并在该控制表中设置下一指定转动速度(步骤S2)。具体地，控制单元30从控制表读取下一指定转动速度(第二指定转动速度)，并设置60rpm作为当前指定转动速度。
然后，控制单元30参考控制表，并设置与当前指定转动速度相对应的占空比(步骤S3)。具体地，控制单元30从控制表读取与第二指定转动速度(60rpm)相对应的占空比，并设置22.5％作为马达控制信号的占空比。
然后，控制单元30基于具有以上步骤S3处所设置的占空比的PWM控制来驱动马达20(步骤S4)。
随后，控制单元30参考控制表，并判断马达20是否已经以当前指定转动速度被驱动了指定时间(步骤S5)。具体地，控制单元30判断马达20是否已经以当前指定转动速度(60rpm)被驱动了指定驱动时间(10ms)。
如果马达20已被驱动指定驱动时间(步骤S5处为“是”)，则控制单元30判断以上步骤S2处所设置的指定转动速度是否已经达到转变为反馈转动速度(步骤S6)。在该阶段，由于指定转动速度(第二转动速度：60rpm)低于转变为反馈转动速度(1800rpm)，因此处理再次返回到步骤S2。
此后，直到指定转动速度变为等于转变为反馈转动速度为止，重复步骤S2～S6的处理(开环控制)，并且每次都通过具有与所设置的指定转动速度相对应的占空比的PWM控制来驱动马达20。在该处理期间，油循环，并且由于与油泵10的驱动部(诸如转子和叶轮等)的摩擦热、以及马达20、电池40和引擎的发热，油被加热，使得油温逐渐上升。随着油温以这种方式上升，油的粘度降低，使得泵的负荷降低。
在指定转动速度变得等于转变为反馈转动速度的情况下(步骤S6处为“是”)，控制单元30判断马达20的实际转动速度是否已经达到转变为反馈转动速度，即马达20的实际转动速度是否与指定转动速度一致(步骤S7)。另一方面，在马达20的实际转动速度尚未达到转变为反馈转动速度的情况下(步骤S6处为“否”)，则如上所述重复步骤S2～S7的处理(开环控制)，直到马达20的实际转动速度达到转变为反馈转动速度为止。
这里，在马达20的实际转动速度达到转变为反馈转动速度的情况下，开环控制被切换为反馈控制(闭环控制)，并且进行稳定转动处理(步骤S8)。在稳态转动处理中，基于马达20的实际转动速度相对于稳定转动速度(4500rpm)的偏差(转动偏差)来控制PWM信号的占空比(控制被供给至马达20的电流值)，使得马达20的实际转动速度保持在该稳定转动速度。在以上开环控制的执行期间，油被充分加热，因此即使在该阶段转变为反馈控制(稳定转动处理)，也不存在流过马达20的电流超过额定电流值的危险。
如上所述，根据本实施例，在电动泵1起动时，直到马达20的转动速度接近转变为反馈转动速度为止，通过用于将被供给至马达20的电流值限制为低于预定上限(额定电流值)的开环控制来驱动马达20，因此可以减少马达20在起动时的负荷，使得可以抑制马达20的输出。结果，即使在油的粘度相对高的情况下(诸如在冷起动时等)，电动泵1也可以在不超过额定输出的状态下稳定地起动。
此外，在本实施例中，在开环控制中，通过使马达20的指定转动速度(占空比)逐步增加，油的温度可以在油泵10的负荷不会快速增加的情况下随时间逐渐升高(油的粘性阻抗可以逐渐降低)，使得电动泵1可以高效地起动。
此外，在本实施例中，如果油的温度低于指定温度，则在进行相对长时间的开环控制之后，进行向反馈控制的转变，以及如果油的温度高于或等于指定温度，则在进行相对短时间的开环控制之后，进行向反馈控制的转变，因此可以进行根据油的物理性质(粘性阻抗)的最佳控制，使得马达20可以在不浪费电力的情况下快速达到稳定转动。
本发明不限于以上实施例，而是可以根据需要在不脱离本发明的精神的情况下进行更改。
尽管以上实施例示出并说明了无传感器三相无刷DC马达作为电动泵的驱动源，但是不限于该结构，例如，可以使用诸如两相无刷DC马达等的其它DC马达，或者可以根据需要使用包括诸如霍尔元件等的位置检测元件(转动检测部件)的DC马达。
尽管以上实施例示出并说明了在电动泵起动时根据油的温度(所检测到的油温)来设置控制表(低温用控制表或高温用控制表)的结构，但是不限于该结构，例如，电动泵可被构造为使得在电动泵起动时与油的温度无关地总是设置低温用控制表。或者，电动泵可被构造为使得：在电动泵的最初起动时与油的温度无关地总是设置低温用控制表，并且在电动泵的第二次及以后起动时根据油的温度来设置低温用控制表或高温用控制表。
尽管在以上实施例中、在稳定转动处理中进行基于实际转动速度相对于稳定转动速度的偏差的反馈控制，但是不限于该结构，电动泵可被构造为使得可以进行基于实际电流值相对于稳定电流值的偏差的反馈控制。
尽管在以上实施例中、在马达的实际转动速度已经达到了作为目标转动速度的转变为反馈转动速度的情况下进行从开环控制到反馈控制的转变，但是不限于该结构，可以根据需要来设置目标转动速度。例如，电动泵可被构造为使得：在马达的实际转动速度已经达到了比转变为反馈转动速度低或者高预定转动速度的转动速度的情况下，进行从开环控制到反馈控制的转变；或者在马达的转动速度已经进入以转变为反馈转动速度为中心的预定范围内的情况下，进行从开环控制到反馈控制的转变。或者，电动泵可被构造为使得：在从马达驱动开始起所经过的时间已经达到预定时间的情况下，进行从开环控制到反馈控制的转变。
尽管在以上实施例中、准备了低温用控制表和高温用控制表这两种类型，但是可以准备超过两种类型的控制表。
此外，以上实施例中所示的各种设置转动频率(转变为反馈转动速度、稳定转动速度和指定转动频率等)的值是示例，并且可以按照需要根据电动泵的类型、功能、所需规格和使用条件等而改变。
尽管在以上实施例中、基于油温来估计油的粘度，但是不限于该结构，电动泵可被构造为使得基于诸如负荷电流值或外部气温等的其它元素来估计油的粘度。
此外，以上实施例中所示的指定转动频率、占空比和指定驱动时间等的值完全是示例，并且可以按照需要根据电动泵的特性、油的类型和所需规格等而改变。
注意，电动泵不限于油泵，而是也可适用于诸如空气泵和水泵等的其它流体泵。
附图标记说明
1 电动泵
10 油泵
20 马达
30 控制单元
31 驱动电路
32 微计算机
40 电池
50 油温检测器

Claims (2)

1.一种电动流体泵装置，包括：
流体泵，用于排出流体；
电动马达，用于驱动所述流体泵；以及
控制单元，用于控制被供给至所述电动马达的电流值以控制所述电动马达的转动，从而控制从所述流体泵排出的流体的流量，
其中，在所述电动马达起动时，直到所述电动马达的转动速度达到预先设置的目标转动速度为止，所述控制单元通过开环控制来驱动所述电动马达，所述开环控制具有被供给至所述电动马达的电流的限制值，该限制值低于预定上限，
在所述电动马达的转动速度已经达到所述目标转动速度的情况下，所述控制单元通过用于使所述转动速度保持在稳定转动速度的反馈控制来驱动所述电动马达，
在所述控制单元中预先设置所述电动马达的指定转动速度，以及
在所述开环控制中，通过控制与所述电动马达逐步增加的转动速度相对应的供给电流来使所述电动马达的指定转动速度逐步增加。
2.根据权利要求1所述的电动流体泵装置，包括温度检测器，所述温度检测器用于检测流体的温度，
其中，在所述电动马达起动时，在所述温度检测器所检测到的流体的温度低于指定温度的情况下，进行相对长时间的开环控制，以及在所述温度检测器所检测到的流体的温度高于或等于所述指定温度的情况下，进行相对短时间的开环控制。
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