[发明专利]基于变频器的泵的控制系统和方法以及泵系统

说明书

技术领域

本发明涉及泵，具体涉及一种基于变频器（VFD）的泵的控制系统和方法以及泵系统。

背景技术

由液压泵产生的流速波动或压力波动（脉动）是液压系统中的系统振动和噪声的来源。压力波动也是对运动控制的扰动，其影响到运动的精度和可重复性。

图1示意性地示出了不同类型的液压泵的结构及流速波动模式。如图所示，对于外齿轮泵、轴向柱塞泵和叶轮泵来说，尽管所要求的流速是恒定的，但实际流速却是随着泵的转动而波动的。这是由于泵的机械结构造成的。

噪声影响到人类的听觉健康；振动降低了整个系统的可靠性；且降低的精度直接影响到液压机械生产的产品的质量。从各方面来看，压力波动减少了向客户提供的价值。因此，减少压力波动已成为学术界和工业界试图解决的核心问题之一。

目前用于减少流速和压力波动的大多数方法基于新颖的机械设计或者额外的诸如消声器或蓄能器等波动补偿器。这些方法通常不得不在成本、能量效率和系统动态响应之间进行权衡。例如，修改阀板设计的方法降低了能量效率；增加预压缩室增加了制造和部件成本，且降低了效率；在泵出口处增加蓄能器或消声器增加了部件成本和空间，降低了泵的动态性能。

可见，本领域中需要一种能够更有效和低成本地降低泵的噪声和振动的解决方案。

发明内容

在本发明的一个方面，提供了一种基于变频器的泵的控制系统，该控制系统通过变频器控制电机，该电机驱动泵，该控制系统包括：抵消波动注入模块，其向控制路径注入抵消波动信号，该抵消波动信号使得泵输出中的压力波动至少部分地被抵消。

在本发明的另一个方面，提供了一种基于变频器的泵的控制方法，该控制方法通过变频器控制电机，该电机驱动泵，该控制方法包括：向控制路径注入抵消波动信号，该抵消波动信号使得泵输出中的压力波动至少部分地被抵消。

在本发明的又一个方面，提供了一种泵系统，包括：变频器；电机；以及泵，其中，所述变频器包括本发明的上述控制系统。

本发明的优点包括以下各项中的至少一项：有效地降低泵系统的噪声和振动，增加了系统的控制精度、稳定性、可重复性和工作寿命，提升了客户价值；是一种低成本的解决方案；不会损害系统的动态性能；不需要附加的部件和额外的空间。

附图说明

图1示意性地示出了不同类型的液压泵的结构及流速波动模式；

图2示意性地示出了本发明的基本思想；

图3示意性地示出了由柱塞泵产生流速波动的原理；

图4示出了根据本发明的实施例的液压泵系统的示意图；

图5示出了根据本发明的一个实施例的控制系统的示意图；

图6示出了根据本发明的另一个实施例的控制系统的示意图；以及

图7示出了在测试演示液压泵系统中来自压力传感器的测量数据的图示。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解和实现本发明。但是，对所属技术领域的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本发明并不局限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面所述的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的方面、特征、实施例和优点仅作说明之用，而不应看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。

考虑到目前越来越多的液压泵使用变频器来驱动，以实现灵活的速度或转矩控制，本发明提出了一种通过应用于变频器的控制方案来减轻液压泵的噪声和振动的解决方案，其不需要额外的硬件成本。图2示意性地示出了本发明的基本思想。如图所示，液压泵系统接收恒定转速信号，但产生了带有波动的液体流速。本发明的解决方案通过向液压泵的控制系统注入抵消波动信号，从而使液压泵输出的流速中的波动被显著抵消。

图3示意性地示出了由柱塞泵产生流速波动的原理。如图所示，当柱塞泵以恒定速度转动时，其产生的瞬时流速并不是恒定的，而是具有显著变化。这是由柱塞泵的配流盘结构的机械特性造成的。如图所示，当柱塞通过配流盘上的阻尼槽时，将产生显著的回流，从而造成流速波动。这种流速波动转而产生压力波动，并沿整个液压路径传播。流速波动是更为基础的，但不易被传感器捕获。相反，压力传感器很常见，容易获得且容易安装。

液压泵出口处的瞬时流速可由下式表示：