一种数字变量径向柱塞泵的实验平台及测试方法

本发明涉及数字泵实验测试，具体为一种数字变量径向柱塞泵的实验平台及测试方法。

背景技术：

1、现有发明专利公开号为cn109236595a公开了一种多排多作用内曲线转子驱动数字变量径向柱塞泵以及公开号cn109139590a公开了基于切换配流及编列策略的开式数字泵变排量配流系统，其数字泵中每一柱塞单元的配流系统由一个二位二通常闭高速开关阀、一个吸油单向阀和一个排油单向阀组成。当柱塞单元处于工作状态时常闭高速开关阀关闭，由吸、排油单向阀完成吸排油配流功能，当需要使该柱塞单元置于卸载状态时，驱动高速开关阀打开。在一个控制周期内根据排量需求生成数子码流，控制高速开关阀的得电顺序，以调节泵的排量。

2、此新型数字泵处于理论阶段，缺少实验阶段需要的测试平台和以及相应控制器。由于受到压力、温度、泄漏等因素的影响，使用先前提出的控制策略得到的实际排量与理论排量存在差异，没有获得数字泵的实时排油状态，从而对排油流量做出进一步的修正。数字泵实验平台需要实时获得数字泵柱塞容腔正常工作状态及卸载状态时的压力，以及数字泵的输出流量及流量脉动情况，以验证数字泵设计是否符合预期。数字泵要求控制器体积小、重量轻、可通过上位机设置数字泵排量，并能实时获得泵轴转速以及泵的排量，及时调整控制高速开关阀阀芯开闭的数字码流，将控制信号转换为高速开关阀阀芯的机械运动，使数字泵压力范围内输出压力稳定，达到理想排量。因此针对此新型数字泵设计相应的实验平台和测试方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于为了解决上述背景技术提出的问题，而提出一种数字变量径向柱塞泵的实验平台及测试方法，能够检验数字变量径向柱塞泵的压力及流量脉动情况，验证泵的设计是否符合预期。同时该控制器能实现对数字变量径向柱塞泵排量的实时控制，使其获得更为理想的配流特性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一方面，本发明提供一种新型数字变量径向柱塞泵的实验平台，包括数字泵的柱塞单元、压力传感器三、蓄能器、流量计一、流量计二、控制器、上位机、编码器。

4、所述数字泵含有若干柱塞单元，所述柱塞单元包括柱塞、压力传感器一、常闭高速开关阀、压力传感器二、吸油单向阀、排油单向阀；所述压力传感器一插入泵壳体直到泵的吸油管路；所述常闭高速开关阀、吸油单向阀一端分别与对应柱塞单元内的容腔连接，另一端通过泵的吸油管路和低压吸油口连接低压油箱；所述压力传感器二插入泵壳体直到柱塞单元内的容腔；所述排油单向阀阀口一端与柱塞单元内的容腔连接，另一端通过泵的排油管路和高压排油口连接负载回路；所述负载回路上安装有蓄能器，并在蓄能器前，泵的高压排油口后安装有压力传感器三和流量计一；所述流量计二安装在蓄能器后的负载回路上；所述控制器通过控制线与常闭高速开关阀连接，并通过信号线与压力传感器一、压力传感器二、压力传感器三、流量计一、流量计二、上位机、编码器连接。

5、所述控制器包括控制单元、编码器接口电路、上位机接口电路、开关阀驱动电路、电源转换电路和接口电路模块；所述电源转换电路分别与外部供电、控制单元、开关阀驱动电路、接口电路模块、编码器接口电路、上位机接口电路连接。所述控制单元分别与编码器接口电路、上位机接口电路、接口电路模块连接，同时经过光电隔离后连接开关阀驱动电路。所述开关阀驱动电路通过控制线与常闭高速开关阀连接；所述接口电路模块与压力传感器一、压力传感器二、压力传感器三、流量计一、流量计二连接；所述编码器接口电路与编码器连接；所述上位机接口电路与上位机连接。

6、所述电源转换电路连接外部直流24v的供电电源，电源转换电路一路直接将24v电压直流电供给到开关阀驱动电路和接口电路模块，另一路经过24v转5v电路之后生成5v直流电供给到编码器接口电路以及上位机接口电路使用。生成的5v直流电一路经过5v转-5v电路之后生成-5v直流电供给接口电路模块，另一路又经过5v转3.3v电路生成3.3v直流电供给到开关阀驱动电路前的光电隔离模块和控制单元。其中24v转5v电路用lm2674mx-5.0芯片搭建，5v转-5v电路用ilc7660芯片搭建，5v转3.3v电路用rt9193-33gb芯片搭建。

7、作为本发明优选的方案，所述的控制单元采用st公司的stm32f103ret6作为主芯片，所述的主芯片具备多个adc和uart接口，用于满足与上位机的实时通讯和系统数据采集的需求。

8、所述的开关阀驱动电路实现3.3v控制信号驱动24v高速开关阀，该部分电路主要由场效应管irf540ns搭建而成，并由光电耦合器tlp521实现光电隔离。

9、所述的接口电路模块接收传感器的4～20ma模拟信号，并将其转换成控制单元能接收0-3.3v模拟信号，该部分电路主要由运算放大器lm324搭建而成。

10、作为本发明优选的方案，所述的编码器接口电路将所选编码器的自然二进制rs485信号转换为控制单元能接收的uart串行数据，泵轴位置信息由此传递给控制单元，该部分电路主要采用maxim公司的rs485协议芯片max485esa搭建而成。

11、所述的上位机接口电路利用usb与上位机连接，然后采用usb接口芯片ch341t完成usb到uart的协议转换，实现控制单元与上位机的实时通讯，并对控制单元进行参数设置。

12、另一方面，本发明提供一种数字变量径向柱塞泵的测试方法，该方法包括：

13、控制器通过上位机接口电路接收上位机设定的恒定排量需求，通过编码器接口电路接收编码器测得的泵轴转速信息；

14、控制单元通过泵轴转速计算此时泵的排量，调整输出01数字码流的比例；将数字码流输送至开关阀驱动电路，产生驱动电流，驱动柱塞单元中的高速开关阀开闭，改变数字变量径向柱塞泵若干柱塞腔中高速开关阀的开闭比例，调整数字变量径向柱塞泵的排量，从而实现开环控制；

15、控制器通过接口电路模块获取流量计二测得的泵排油流量和输出油液的流量脉动情况，将反馈的泵排油流量与恒定排量需求比对，当与恒定排量需求不符时，对先前生成的01数字码流进行补偿，调整常闭高速开关阀开闭的比例，对输出流量进行再平衡，完成控制闭环。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1、本发明的实验平台为研究新型数字泵所设计，实验平台可以实时获得数字泵柱塞容腔正常工作状态及卸载状态时的压力，以及数字泵的输出流量及流量脉动情况，验证数字泵设计是否符合预期。

18、2、本发明设计的控制器体积小、重量轻、集成度高。控制器的控制单元通过编码器接口电路获得泵轴转速，计算当前泵的理论排量，发送数字码流使开关阀驱动电路调整高速开关阀阀芯开闭，使数字泵的排量初步达到上位机设定排量，实现开环控制；

19、3、本发明压力传感器获得柱塞容腔正常工作状态及卸载状态时的压力，流量计对数字泵的输出流量及流量脉动情况进行监测，将监测排量信息通过接口电路模块实时反馈给控制器。控制器获得反馈数据后改变数字码流比例，实现对排量的修正，从而完成闭环控制。