CN111379693B - 电动泵 - Google Patents

Abstract

一种电动泵，包括泵单元(1)、电动机(2)和控制器(10)。泵单元(1)被配置为通过旋转操作泵送流体。电动机(2)为无刷直流电动机，其被配置为旋转地驱动泵单元(1)。控制器(10)被配置为控制要供应至电动机(2)的电流。控制器(10)被配置为在电压控制和电流控制之间切换，所述电压控制为基于目标电压，控制要供应给电动机(2)的电流；所述电流控制为基于目标电流，控制要供应给电动机(2)的电流。

Description

电动泵

技术领域

本发明涉及一种电动泵。

背景技术

未经审查的日本专利申请公开No.2015-175290(JP 2015-175290A)公开了一种电动泵，其包括控制器，该控制器能够将电动机在恒定电流控制和恒定电压控制之间切换。

此外，未经审查的日本专利申请公开No.2004-166436(JP 2004-166436 A)公开了一种通过电流反馈控制和转速控制中的任何一种来控制无刷直流(DC)电动机的控制装置。

发明内容

JP 2015-175290A中所公开的恒定电压控制执行控制，以使得供应给电动机的电的电压值保持恒定。结果，当负载增加时，提供给电动机的电流值增加，并且在某些情况下，可能超过包括电动机在内的系统所允许的电流值。

另外，在JP 2004-166436 A中公开的电流反馈控制中，由于当电动机以高负载驱动时，电流消耗被抑制到一定值，因此电动机的转速更低，因此，电动机可能会失步(stepout)。

本发明提供一种电动泵，该电动泵能够在电动机的负载增加的情况下抑制提供过量电流的不便，而不牺牲电压控制的效力。

本发明的一个方面涉及一种电动泵。该电动泵包括：泵单元、电动机和控制器。所述泵单元被配置为通过旋转操作泵送流体。所述电动机为无刷直流(DC)电动机，其被配置为旋转地驱动所述泵单元。所述控制器被配置为控制要供应至所述电动机的电流。所述控制器被配置为在电压控制和电流控制之间切换，所述电压控制为基于目标电压控制要供应给所述电动机的电流；所述电流控制为基于目标电流控制要供应给所述电动机的电流。

利用根据本发明的该方面的电动泵，可以通过例电压控制容易地控制无刷直流电动机的转速(每单位时间的转数)；所述电压控制例如通过脉宽调制(PWM)将来自电源的电流转换为目标电压，并将转换后的目标电压提供给无刷直流电动机。此外，例如，当作用在泵单元上的负载增加时，可以通过电流控制来控制向电动机提供的电流，从而抑制向电动机提供过量电流的不便。因此，可以在电动机的负载增加的情况下抑制过量电流的供给，而不牺牲电压控制的效力。

根据本发明的该方面的电动泵，所述控制器可被配置为选择限制可能模式和非限制模式之一作为操作模式，所述限制可能模式通过在所述电压控制和所述电流控制之间切换来执行控制，所述非限制模式仅执行电压控制。

利用根据本发明的该方面的电动泵，当确定选择限制可能模式作为操作模式时，可以在作用在电动机上的负载增加时，例如通过将控制切换到电流控制来抑制向电动机的过量电流供应。另一方面，通过确定选择非限制模式作为操作模式，例如即使在作用在电动机上的负载稍微变化的情况下，也可以连续地向电动机供应电流。这样，可以抑制泵单元中的流体的排出量的大幅减少和电动机的失步。

根据本发明的该方面的电动泵，所述控制器可在所述限制可能模式中将要提供给所述电动机的上限电流值设为限制值。在所述限制可能模式中，所述控制器可被配置为在所述要供应给所述电动机的电流小于所述限制值的情况下执行所述电压控制。在所述限制可能模式中，所述控制器可被配置为在所述要供应给所述电动机的电流等于或大于所述限制值的情况下，通过所述电流控制而非所述电压控制，将小于所述限制值的电流供应给所述电动机。

根据本发明的该方面的电动泵，通过预先设定限制值，使得在向电动机供应的电流小于限制值的情况下能够进行电压控制，并且在要提供应电动机的电流等于或大于限制值的情况下，通过电流控制而非电压控制来供应小于限制值的电流。即，仅通过将供应给电动机的上限电流值设置为限制值，就可以自动执行从电压控制到电流控制的切换，并且在电流控制中，不将超过限制值的电流提供给电动机。

根据本发明的该方面的电动泵，所述控制器可被配置为当所述电动机的每单位时间的转速小于第一设定值时选择所述非限制模式。所述控制器可被配置为当转速等于或大于所述第一设定值时选择所述限制可能模式。

根据本发明的该方面的电动泵，当电动机每单位时间的转速小于第一设定值时，控制器选择非限制模式作为操作模式。因此，即使当电动机低速旋转时，也可以提供足够的电流并抑制电动机的速度降低和失步。相反，当电动机每单位时间的转速等于或大于第一设定值时，操作模式被确定为限制可能模式。为此，例如，当在执行电压控制期间要提供给电动机的电流上升到限制值时，可以通过切换到电流控制来抑制向电动机提供超过限制值的过量电流。尤其地，在以限制可能模式进行控制期间，当转速下降到第一设定值以下时，运转模式切换为非限制模式。这样，可以提供超过限制值的电流，从而抑制电动机的失步。

在根据本发明的该方面的电动泵中，所述控制器可被配置为在所述操作模式是所述非限制模式的情况下，当所述电动机的每单位时间的转速等于或大于第二设定值时，选择所述限制可能模式。所述控制器被配置为在所述操作模式是所述限制可能模式的情况下，当所述转速下降到比所述第二设定值小的第三设定值以下时，选择所述非限制模式。

根据本发明的该方面的电动泵，在非限制模式的情况下，当电动机的每单位时间的旋转速度等于或大于第二设定值时，运转模式切换为限制可能模式。以这种方式，可以在非限制模式和限制可能模式之间适当地进行切换。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点，及技术和工业上的意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1为示出了电动泵的结构的框图；

图2为泵控制的流程图；

图3为电动机控制程序的流程图；以及

图4为旋转控制程序的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。

基本构造

如图1所示，电动泵P构造为包括通过旋转操作泵送流体的泵单元1、旋转地驱动泵单元1的无刷直流(DC)电动机2，以及控制要供应至电动机2的电流的控制器10。

电动泵P可以例如用于供应储存在车辆的行驶驱动系统中的变速箱等中的油。电动泵P通过控制器10将从由设置在车辆中的电池形成的DC电源3供应的电流供应至电动机2。电动泵P供应的流体不限于油，并且可以是液体，例如冷却剂。

电动机2包括常见于三相电动机的配置中的励磁线圈(field coils)以及具有在励磁线圈作用的磁力下旋转的、具有永久磁铁的转子(未示出)，且泵单元1由该转子的驱动力驱动。另外，电动机2为不具有用于检测转子的旋转位置的传感器的无传感器型电动机。

控制器

如图1所示，控制器10包括驱动器单元11、电流控制单元12、旋转位置检测单元13和控制管理单元14。

驱动器单元11具有多个场效应晶体管(FET)，当将电流供应至电动机2时，这些场效应晶体管被控制为处于ON(开启)状态。电流控制单元12具有产生控制信号的驱动电路，该驱动电路通过脉冲宽度调制(PWM)技术，以与目标驱动电压相对应的目标占空比(targetduty ratio)产生控制信号，并且在与旋转位置检测单元13的检测信号同步的定时(timing)分别驱动驱动器单元11的FET。电流控制单元12被配置为执行矢量控制。

旋转位置检测单元13根据当转子旋转时由电动机2的每个线圈产生的感应电压来检测转子的旋转位置。

控制管理单元14配置为基于变速箱的温度信息、目标信息、电源电压、电源电流等，通过PWM来设置FET驱动占空比(driving duty ratio)的上限值Dmax和下限值Dmin，并且允许电动机2的控制在电压控制和电流控制之间切换。变速箱的温度信息由温度传感器4感测，且目标信息包括要供应的目标油量。

在控制器10中，驱动器单元11、电流控制单元12和旋转位置检测单元13由硬件实现，而控制管理单元14由硬件和软件的组合实现。

控制过程

如图2的流程图所示，控制管理单元14对泵单元1进行控制(下文称为“泵控制”)。在泵控制中，获取控制信息，并且计算FET驱动duty(步骤S101和S102)。

在该控制中，控制信息为每单位时间的目标油排油量、由温度传感器4获取的温度信息等。尤其地，在步骤S102中示出了图，在该图中，基于作为控制信息的输入信号，通过预定特性线L获取FET驱动占空比Dsig的值；其中，横轴表示输入值(单位为占空比(％))，纵轴表示FET驱动duty(单位为占空比(％))。

此外，FET驱动duty具有驱动信号，该驱动信号具有当驱动器单元11的FET被电流控制单元12所驱动，电动机2的励磁线圈被电流控制单元12实际驱动时的PWM的占空比。

接下来，基于来自旋转位置检测单元13的信号，当检测到转子的旋转位置时，获取转子的转速并计算出转子的大概转速(approximate rotation speed)；基于大概转速，执行确定操作模式的过程(步骤S103至S107)。

在步骤S104中，电动机2的转子必须处于旋转状态以检测转子的旋转。另外，在步骤S105中，计算每单位时间的转速，并且在步骤S106中计算大概转速。

假定大概转速是可不被实时获取的转速的变化所影响的值。例如，在设定时间内的平均转速的值(移动平均值)、通过四舍五入预定数字的数值而获得的值，或以预定间隔获取的转子的转速的平均值。

在确定模式(步骤S107)的过程中，例如，在大概转速小于作为第二设定值的800rpm的情况下，例如在电动机2的转子从静止状态开始旋转之后或转子继续以低转速旋转时，选择非限制模式Ma并将其确定为操作模式。与此相对，在转子的大概转速等于或大于800rpm之后，选择限制可能模式Mb并将其确定为操作模式。

在非限制模式Ma中，FET驱动duty的上限可被设置为100％并执行电压控制。在限制可能模式Mb中，FET驱动duty的上限被设为小于100％，执行电压控制，直到FET驱动duty达到上限，并且当FET驱动duty等于或大于上限时，通过电流控制将FET驱动duty保持在该上限。

尤其地，在该控制中，例如，在选择了限制可能模式Mb之后，维持限制可能模式Mb，直到例如大概转速降至作为第三设定值的500rpm以下为止。另外，当大概转速低于500rpm时，选择非限制模式Ma作为操作模式，并且维持非限制模式Ma直到大概转速达到800rpm或以上。通过以这种方式设置迟滞现象(hysteresis)，可以抑制频繁切换模式的不便。

500rpm(第三设定值)和800rpm(第二设定值)是在控制特定的电动泵P时设定的值，并且可以将用于确定操作模式的转速设定为任何值。例如，非限制模式Ma和限制可能模式Mb之间的切换可以全部以500rpm(第一设定值)执行。

接下来，当在步骤S104中未检测到转子的旋转，并且在执行了步骤S107中的确定模式的过程之后，获取关于驱动器单元11的信息(步骤S108)，执行电动机控制例程(步骤S200)，然后重复从步骤101开始的过程，除非整个控制被重置。

将电动机控制例程(步骤S200)设置为子例程，并且其控制过程在图3中以流程图示出。

FET控制信息是指当实际驱动电动机2的励磁线圈时，指示从电流控制单元12输出到驱动器单元11的驱动信号的输出状态的信息；如图3所示，当来自FET控制信息的FET驱动duty不大于0％时(步骤S201中的“否”)，电动机2保持在静止状态(步骤S201和S202)。

接下来，在步骤S201中，当FET驱动duty超过0％时(S201中的“是”)，进一步确定是否可以在电动机2中检测到转子的位置。如果确定未检测到转子的位置(S203中的“否”)，则电动机2被激活(步骤S203、S204)。

当在步骤S203中检测到转子的位置时(S203中的“是”)，由于转子已经处于旋转状态，因此执行旋转控制例程(步骤S300)。

将旋转控制例程(步骤S300)建立为电动机控制例程(步骤S200)中的子例程，其控制过程如图4的流程图所示。

如图4所示，在旋转控制例程中(步骤S300)，确定电动机2的操作模式。当操作模式是非限制模式Ma时，FET驱动duty的上限被设置为100％(步骤S301、S302)。与此相对，当操作模式是限制可能模式Mb时，通过计算获得FET驱动duty的上限(步骤S301、S303)。

在非限制模式Ma中，由于转子处于低速旋转的状态，因此在步骤S302中将FET驱动duty的上限设置为100％，从而使得转子可以以高速旋转。

与此相对，在步骤S303中，由于转子处于高速旋转的状态，因此当将要供应给电动机2的电流的目标电源电流值设定为例如5.9A时，通过计算以获得在PI控制中设置的FET驱动duty的值，并且将获得的duty作为上限值Dmax存储在控制管理单元14中，如步骤S303所示。

步骤S303是设置上限值Dmax的过程形式的示例，并且目标电源电流不限于5.9A，并且可以设置为任何值。另外，作为用于获得上限值Dmax的过程，上限值Dmax可以从存储有多份信息的表格数据中获得。

以这种方式设置的上限值Dmax是与在限制可能模式Mb中要提供给电动机2的电流值的限制值相对应的占空比；并且使得能够进行如下所述的、使提供给电动机2的电流不超过限制值的电流控制。

然后，在步骤S302、S303中设置FET驱动duty的上限值Dmax之后，通过计算来设置FET驱动duty的下限值Dmin(％)(步骤S304)。

在步骤S304中，将电源电压值(12V)除以预定电压值(BV)，并乘以30％，以获得下限值Dmin。作为计算结果，当下限值Dmin等于或小于25％(即，Dmin≤25(％))时，下限值Dmin被设定为25(％)。

步骤S304是设置下限值Dmin的过程形式的示例。该等式不限于S304中所示的等式，且用于计算的数字可以是任何数值。

接下来，当根据在步骤S102中计算出的Dsig值(FET驱动duty)与上限值Dmax之间的比较结果不满足Dsig＜Dmax时(S305中为“否”)，且当Dsig值与下限值Dmin之间的比较结果不满足Dsig＜Dmin时(S306中为“否”)，将上限值Dmax设定为FET驱动duty(步骤S305至S307)。

以这种方式，将在步骤S302或S303中设置的上限值Dmax作为FET驱动duty提供给电流控制单元12，并且以上限值Dmax的占空比驱动驱动器单元11。

另一方面，当在步骤S305中满足Dsig<Dmax时(S305中为“是”)，将Dsig值进一步与下限值Dmin进行比较。结果，当不满足Dsig＞Dmin时(在S308中为“否”)或者当在S306中满足Dsig＜Dmin时(在S306中为“是”)，将下限值Dmin设置为FET驱动duty(步骤S306、S308和S309)。

以这种方式，将在S304中设置的下限值Dmin作为FET驱动duty提供给电流控制单元12，并且以下限值Dmin驱动驱动器单元11。

此外，当在步骤S308中满足Dsig>Dmin时(S308中为“是”)，将Dsig值设置为FET驱动duty(步骤S310)。

以这种方式，将在步骤S102中计算出的Dsig值作为FET驱动duty提供给电流控制单元12，并且以Dsig值驱动驱动器单元11。

电压控制和电流控制

在电动泵P中，在控制管理单元14中，通过电压控制获得泵单元1所需的排油量；该电压控制基于从外部发送的目标信息或温度传感器4的测量值，将FET驱动duty设定为与目标电压相对应；该目标电压用于实现要提供给电动机2的电流。

当驱动模式处于非限制模式Ma时，控制管理单元14始终执行电压控制。另外，即使当驱动模式处于限制可能模式Mb时，当驱动信号的占空比不超过在图4所示的流程图的步骤S303中设置的上限值Dmax，且将该驱动信号设置为FET驱动duty时，执行电压控制。

另一方面，当在图2的流程图中所示的步骤S102中设置的值Dsig超过了在图4的流程图中所示的步骤S303中设置的上限值Dmax时，将FET驱动duty设置为上限值Dmax，该上限值Dmax等于与要提供给电动机2的电流的限制值相对应的占空比。此为电流控制。

也就是说，由于在图4的流程图所示的步骤S303中，为了向电动机2的励磁线圈提供目标电源电流(在本实施方式中为5.9A的电流)而实行PI控制时所设定的占空比被计算为上限值Dmax，不管Dsig值如何，FET驱动duty都不超过上限值Dmax，并且实行电流控制。

实施例的操作效果

通过电压控制，例如，通过脉宽调制(PWM)将来自直流电源3的电流转换为目标电压，并将其提供给无刷直流电动机2的电压控制，可以容易地控制无刷直流电动机2的转速。

此外，例如，在作用在泵单元1上的负载增加并且要提供给电动机2的励磁线圈的电流值增加的情况下，通过执行电流控制来确定将要供应给电动机2的电流值的上限，从而可以抑制向电动机供应过大电流的不便。

在电动泵P中，由于基于电动机2的转子的旋转速度在非限制模式Ma和限制可能模式Mb之间进行切换，因此即使在作用在电动机2上的负载稍微变化的情况下也可通过电压控制将电流连续地提供给电动机2，并抑制电动机的失步。

其它实施方式

除了上述实施例之外，本发明可以如下配置(具有与上述实施例相同功能的组件具有与该实施例相同的附图标记)。

在实施例中，设置用于设定上限值Dmax的电流控制的控制过程，以使得要提供给电动机2的电流不超过限制值。但是，例如，也可以设置用于检测提供给电动机2的励磁线圈的电流值的电流传感器，并设置电流控制的控制过程，以基于电流传感器的检测值控制向励磁线圈供给的电流。

在如上所述的、使用电流传感器的配置中，由于可以获得实际供应给电动机2的励磁线圈的电流值，因此可以提高控制精度。

作为另一种改进，例如，当如实施例中所述，在不使用电流传感器的情况下执行电流控制时，可以通过对应输入信号的值设置上限值Dmax和下限值Dmin，将控制过程设置为实行电流控制，使得当输入信号的值超过预设值时执行电流控制。

作为又一种改进，当在图4所示的步骤S303中计算上限值Dmax时，也可以考虑在计算中通过电动机2的励磁线圈的温度反映出励磁线圈的电阻。即，由于励磁线圈的电阻根据温度而变化，例如，通过设定在表格数据等中参照与温度相对应的电阻的过程形式，从而能够提高上限值Dmax的精度。

本发明可以用于包括由电动机驱动的泵单元的电动泵。

Claims (3)

1.一种电动泵，包括：

泵单元(1)，其被配置为通过旋转操作泵送流体；

无刷直流电动机(2)，其被配置为旋转地驱动所述泵单元(1)；以及

控制器(10)，其被配置为控制要供应至所述电动机(2)的电流，所述控制器(10)被配置为在电压控制和电流控制之间切换；所述电压控制为基于目标电压，控制要供应给所述电动机(2)的电流；所述电流控制为基于目标电流，控制要供应给所述电动机(2)的电流，

所述控制器(10)被配置为选择限制可能模式和非限制模式之一作为操作模式，所述限制可能模式通过在所述电压控制和所述电流控制之间切换来执行控制，所述非限制模式仅执行电压控制，

所述控制器(10)在所述限制可能模式中将要提供给所述电动机(2)的上限电流值设为限制值；

在所述限制可能模式中，所述控制器(10)被配置为在所述要供应给所述电动机(2)的电流小于所述限制值的情况下执行所述电压控制；以及

在所述限制可能模式中，所述控制器(10)被配置为在所述要供应给所述电动机(2)的电流等于或大于所述限制值的情况下，通过所述电流控制而非所述电压控制，将小于所述限制值的电流供应给所述电动机(2)。

2.根据权利要求1所述的电动泵，其中：

所述控制器(10)被配置为当所述电动机(2)的每单位时间的转速小于第一设定值时选择所述非限制模式；以及

所述控制器(10)被配置为当所述转速等于或大于所述第一设定值时选择所述限制可能模式。

3.根据权利要求1所述的电动泵，其中：

所述控制器(10)被配置为在所述操作模式是所述非限制模式的情况下，当所述电动机(2)的每单位时间的转速等于或大于第二设定值时，选择所述限制可能模式；以及

所述控制器(10)被配置为在所述操作模式是所述限制可能模式的情况下，当所述转速下降到比所述第二设定值小的第三设定值以下时，选择所述非限制模式。

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