TWI411728B - 用於活塞泵的電子凸輪軸馬達控制 - Google Patents

用於活塞泵的電子凸輪軸馬達控制 Download PDF

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Description

用於活塞泵的電子凸輪軸馬達控制
本發明係關於控制泵浦系統之方法。
在過去數年來已利用各種泵浦，以使塗料及類似材料循環經過一系統。雖然用於此應用之空氣運轉往復式活塞泵長久以來已受歡迎，在此已有一增加之需求，以移往更有效率之供電解決方法。電力式離心泵、單軸螺旋泵浦、及螺桿驅動往復式活塞泵(美國專利第5,725,358號)已全部被商品化。任一技術被利用，其想要的是使脈動減至最小，以致一恆定之系統壓力被呈現。多數往復式活塞泵系統(Graco公司之GM10000無氣式噴灑器，已發表之PCT申請案第WO 02/46612 A1號及美國專利第5,145,339號)已被製造，其中該等泵浦係在相位中偏置，以便使脈動減至最小。
二(或更多)活塞泵系統係設有兩泵浦，其被曲柄所驅動，且在該較佳具體實施例中偏置達大約84度。該系統不具有一機械式凸輪軸，但具有一軟體演算法，其作用像該系統中之凸輪軸。該演算法將學習及建立一唯一之速率廓線，該速率廓線將模仿該機械式凸輪軸。用於實用之目的，輸出齒輪之速率廓線被稱為凸輪廓線，使軟體用作一假想的凸輪軸。該演算法利用曲柄角度估算、學習曲線產生、校平及提前定時計算。
以三步驟導出一平滑凸輪速率廓線：(1)導出理論之凸輪速率廓線；(2)學習泵浦－唯一的廓線；及(3)發展出實用之凸輪廓線。
理論之凸輪速率廓線包括360點(每度一點)。其係被導出，以運送恆定之流量及壓力經過該系統之歧管的出口。以下參數被用於計算：活塞之位移程度；該活塞桿之體積，其在該上昇衝程施行該真正之泵浦吐出量；轉換持續期間，在此時沒有泵吸任何液體；及連接桿與泵浦鑽孔之幾何形狀。
對於一給定之系統，唯一之公式組被實際地用於發展一完美之凸輪廓線，其確保來自該泵浦之恆定壓力及流量。該學習演算法亦允許該泵浦學習當操作時之壓力變化。
一旦通過學習獲得的凸輪被發展出，其被重疊在該理論的凸輪上方，並發展出實用的凸輪。注意該理論的凸輪模型化係僅只近似值，因其事實上極難以對檢查球狀體之效果及該齒輪箱與泵浦總成之一般撓曲作模型。通過學習獲得的凸輪考慮到百分之100的變數，且因此其係系統特有的。該理論的凸輪之轉換的時機及球狀體檢查係對照通過學習獲得的凸輪證實。該通過學習獲得的凸輪之加速及減速係亦對照理論值證實，且覆蓋在百分之±30之上。消除小速率、速率中之突然大增，其係藉由壓力中之未經解釋的快速變化所造成。
本發明之這些及其他目的與優點將由會同所附圖面所作成之以下敘述更充分地顯現，其中遍及該數個視圖之類似參考字母意指該等相同或類似之零件。
二(或更多)活塞泵系統10係大致上顯示在圖1中。系統10係設有二泵浦12，該等泵浦被曲柄14所驅動，其個別之曲柄14在該較佳具體實施例中係偏置達大約84度。一電動馬達16驅動一減速齒輪組18，其依序驅動曲柄14。該系統10不具有一機械式凸輪軸，但具有一作用像該凸輪軸之軟體演算法。該演算法將學習及建立一唯一之速率廓線，該速度廓線將模仿該機械式凸輪軸。用於實用之目的，輸出齒輪之速度廓線被稱為凸輪廓線，使軟體用作一假想的凸輪軸。該演算法利用曲柄角度估算、學習曲線產生、校平及提前定時計算。
以三步驟發展出一平滑凸輪速率廓線：(1)導出理論之凸輪速率廓線；(2)學習泵浦－唯一的廓線；及(3)發展出實用之凸輪廓線。
理論之凸輪速率廓線包括360點(每度一點)。其係被導出，以運送恆定之流量及壓力經過該系統之歧管的出口。以下參數被用於計算：活塞之位移程度；該活塞桿之體積，其在該上昇衝程施行該真正之泵浦吐出量；轉換持續期間，在此時沒有泵吸任何液體；及連接桿與泵浦鑽孔之幾何形狀。
對於一給定之系統，唯一之公式組被實際地用於發展出一完美之凸輪廓線，其確保來自該泵浦之恆定壓力及流量。該學習演算法亦允許該泵浦學習當操作時之壓力變化。
一旦通過學習獲得的凸輪被發展出，其被重疊在該理論的凸輪上方，並發展出實用的凸輪。注意該理論的凸輪模型化係僅只近似值，因其事實上極難以對檢查球狀體之效果及該齒輪箱與泵浦總成之一般撓曲作模型。通過學習獲得的凸輪考慮到百分之100的變數，且因此其係系統特有的。該理論的凸輪之轉換的時機及球狀體檢查係對照通過學習獲得的凸輪證實。該通過學習獲得的凸輪之加速及減速係亦對照理論值證實，且覆蓋在百分之±30之上。消除小速率、速率中之突然大增，其係藉由壓力中之未經解釋的快速變化所造成。
該系統不具有一機械式凸輪軸，但具有一作用像凸輪軸之軟體演算法。該演算法將學習及建立一唯一之速度廓線，該速度廓線將模仿該機械式凸輪軸。用於實用之目的，輸出齒輪之速度廓線被稱為凸輪廓線，使軟體用作一假想的凸輪軸。該演算法利用以下之唯一的特色：．曲柄角度估算．學習曲線產生．校平．提前定時計算
學習凸輪演算法藉由施行角度估算消除一編碼器之需求。一上死點(TDC)感測器被安裝在一齒輪箱中。該感測器正注視著一輸出齒輪上之記號。此記號每一迴轉即觸發該感測器一次。感測器一經被觸發，該演算法開始計算齒輪旋轉之程度如下：
1.首先發現每一4微秒時段之估計馬達迴轉數。
2.基於估計之馬達迴轉數發現估計之輸出齒輪旋轉角度。
該軟體碼被安裝在4微秒處理器任務中，其每隔4微秒執行。其意指編碼每隔4微秒看到馬達頻率一次。注意該實際執行時間視該任務中之編碼的數量而定；因此我們不能假設我們的時段係正好4微秒長。軟體需要預備供調整該誤差。
以下之公式敘述用於計算旋轉角度之技術：
在此Ns-速度，F-頻率，P-次數或極點
轉換成迴轉/每秒： 發現每一個4微秒時段之迴轉： 因此：
齒輪箱速率比＝75，其意指該馬達之每一個75次迴轉，我們具有該凸輪軸之一次迴轉：1次凸輪迴轉＝75次馬達迴轉 這意指1次馬達迴轉導致4.8度之輸出齒輪迴轉。
基於時間(4微秒任務時間)追蹤馬達迴轉，因此能在任何給定之馬達轉數發現凸輪軸角度：凸輪之360度＝75次馬達迴轉凸輪之X度＝#次之估計的馬達迴轉 該系統使用360點之速率列陣。每一點代表凸輪軸(輸出齒輪)旋轉之角度。在該學習過程之最初，該列陣係空的，使其所有方格充滿零。一旦開始，該學習過程作動封閉迴圈控制系統，其輸入係待泵吸液體之壓力，且輸出係一馬達速率。於簡化之術語中，該系統運轉，以藉由調整該馬達之速率運送恆定之壓力，而當未在學習時，在每一旋轉角度記錄速率值供未來之使用。
譬如，假設目前之旋轉角度係18度，且在此角度之測量壓力(目前壓力)係每平方吋180磅。假設該平均壓力係每平方吋150磅。該目前壓力係百分之20高於平均值。這是需要被消除之壓力波動。用於18度之點，該系統接著將調整該馬達之速率達大約百分之－20，以消除壓力波動及將目前壓力帶至較接近於該平均壓力。該過程持續13次凸輪軸迴轉，其基本上意指每一點被調整13次。每一次該誤差將變窄，以將在18度之壓力帶至較接近於該平均壓力。
主要控制系統元素係：．目前壓力－每隔10微秒更新流體壓力信號．平均壓力－用2.4秒之時間常數以一階濾波函數之幫助導出平均壓力。用於實用之目的，該濾波器函數能被稱為一簡單之平均化函數。
．瞬時壓力差－瞬時壓力差＝目前壓力－平均壓力．△壓力－△壓力係瞬時壓力差對平均壓力的一百分比關係。參考圖2。
校平－係一緩慢之誤差消除過程。由圖2，其已看出在18度之誤差係百分之20。為防止在該馬達上之過矯正及額外的應力，該誤差未被校正藉由僅只增加馬達速率達百分之20，這將造成馬達泵吸更多流體，且因此發展出百分之20更多的壓力，以補償該誤差。
注意在此於壓力及流量之間有平方根關係。馬達速率中之百分之20的增加將僅只增加壓力達百分之20的平方根。代替之，於13次學習迴轉期間，藉由速率中之小增量逐漸地消除該誤差。第一組四次迴轉，該校平因數係等於5；下一組四次迴轉，該因數係4；該下一組四次迴轉，該因數係3；及該最後一次迴轉，該因數係2。該因數代表所增加之重量對迴轉程度之值的數量。
譬如，如果學習係在其第三迴轉，該校平因數係等於5。該演算法將取得先前5角度(13度、14度、15度、16度、及17度)之值與隨著該目前角度(19度、20度、21度、22度、及23度)之後的角度之值。該目前演算法將接著發現所有這些值之平均值，同時增加目前角度18度值兩倍，故其具有更多重量。該結果之速率值係分派給角度18度。
學習凸輪演算法已準備供調整與控制系統反應延遲及馬達轉差有關之誤差。該演算法將基於該馬達頻率及一特別之常數，即學習前置角(LEARN LEAD ANGLE)計算該延遲。該常數係馬達轉差相依的，且藉由測試所導出。
學習角度=現在目前角度+學習前置(Learn Lead)； 分頻率(Frequency Divider)=60；範例：假設該估計角度(目前角度)係18度，且對 應於此角度之馬達頻率係20赫茲。假設學習前置係-6。
當學習係在計算誤差之過程中時，其使該學習歸於一學習角度而非該目前角度。如果輸出齒輪係在18度，且誤差係在百分之+20，經過其校平之學習演算法將決定馬達速率校正。假設該校正被發現為百分之-17.5。沒有提前定時，當輸出齒輪將抵達18度之旋轉時，該學習演算法將命令馬達速率為百分之-17.5。這意指該馬達速率將必需被立即調整達百分之-17.5。於一真正的世界中，其係不可能的。控制系統需要處理時間，且馬達需要對該命令有反應時間。提前定時(ADVANCE TIMING)確保此命令預先被送至該馬達。於此範例中，提前係-2度，以致當輸出齒輪抵達16度、且非18度時，該演算法將命令速率中之百分之-17.5的變化，因此給與系統時間作反應。參考圖3。
其係意圖可對該泵浦控制作成各種變化及修改，卻未由本發明之精神及範圍脫離，如藉由以下申請專利範圍所界定者。
10．．．活塞泵系統
12．．．泵浦
14．．．曲柄
16．．．電動馬達
18．．．減速齒輪組
20．．．控制器
圖1係一利用本發明的泵浦系統之全景圖。
圖2說明目前壓力、平均壓力、瞬時壓力差與作為迴轉度之函數的目前壓力。
圖3顯示在施加至輸出齒輪旋轉時之提前定時技術。
圖4顯示該泵浦驅動器的一分解視圖。
10．．．活塞泵系統
12．．．泵浦
16．．．電動馬達
18．．．減速齒輪組
20．．．控制器

Claims (4)

  1. 一種活塞泵系統，包含：至少二往復泵浦，其被曲柄所驅動，該等泵浦的曲柄係被偏置，一電動馬達，用於驅動該至少二泵浦，及一控制器，用於控制該等泵浦的操作，該控制藉由以下步驟：考慮活塞之位移程度、該活塞桿之體積、轉換持續期間、及連接桿與泵浦鑽孔之幾何形狀的至少某些參數，導出一用於該等泵浦之理論的凸輪(Theoretical Cam)速度廓線；藉由操作該泵浦系統導出一泵浦-唯一的廓線，以產生一通過學習獲得的凸輪(Learned Cam)；及重疊該理論的凸輪與該通過學習獲得的凸輪。
  2. 如申請專利範圍第1項之活塞泵系統，其中該等泵浦的曲柄係偏置約84度。
  3. 一種活塞泵系統，包含：至少二往復泵浦，其被曲柄所驅動，該等泵浦的曲柄係被偏置，一電動馬達，用於驅動該至少二泵浦，及一控制器，用於操作該泵系統在恆定速度，且收集在曲柄角度位置的選擇之輸出壓力；自該輸出壓力收集，形成一壓力廓線；倒置該壓力廓線以形成一馬達速度廓線，該馬達 速度廓線將減少壓力變化；及於反覆過程中，重複以上步驟至少一次，直到壓力變化未超過一預定量為止。
  4. 如申請專利範圍第3項之活塞泵系統，其中該控制器係進一步組構以監視在操作期間的壓力變化，以及調整該馬達速度廓線以在超過該預定量的情況下減少壓力變化。
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