一种可编程数字泵及控制方法与流程

本发明涉及轴向柱塞泵数字控制，具体涉及一种可编程数字泵及控制方法。

背景技术：

1、液压柱塞泵具有结构紧凑、功率密度大等特点，广泛应用于各类工程机械液压传动系统中。传统柱塞泵采用复杂的机械结构完成变排量控制、负载敏感控制、功率限制及压力切断等功能，存在制造成本高、工艺复杂、控制不精准不灵活等缺陷。随着液压零部件电控化的发展，柱塞泵采用电比例开环电流控制方式，通过控制斜盘摆角，改变输出流量。但是，电比例开环控制方式受比例电磁铁滞环、负载压力、泵转速等原因存在的输出流量不精准的问题，相关技术通过检测泵变量机构的斜盘角度、行程活塞位移等作为反馈信号，实现流量的闭环控制。但是，基于斜盘摆角和行程活塞位移传感器的闭环控制方法，仅能解决柱塞泵变量机构机械位置闭环控制，柱塞泵实际流量还受负载压力、转速等引起泄露因素的影响，无法准确输出理论流量。

2、中国发明专利cn116378943a公开了一种轴向柱塞泵和泵控马达的闭环控制系统和方法，其中，一种轴向柱塞泵的闭环控制方法，通过检测轴向柱塞泵活塞位移量或斜盘角度，生成排量变换量，根据排量变换量和第一控制指令生成第二控制模拟量，控制轴向柱塞泵的排量达到目标排量。具体地，排量控制模块可采用pid控制和前馈补偿相结合的控制方式，计算第一排量变换量和第一控制指令量的误差，进行pid调整，通过排量闭环控制的方式控制输出流量。该方法仅依据泵上的活塞位移量或斜盘角度作为反馈量，未提供pid闭环控制的具体实施方法，未明确pid控制和前馈补偿的具体结合方式。

3、中国发明专利cn113027741b公开了一种智能可编程式轴向柱塞本控制器和控制方法，基于arm芯片和risc-v芯片开发了一种智能可编程式轴向柱塞泵控制器和控制方法，实现对液压泵变量机构（泵内斜盘）的高精度控制。通过斜盘角度传感器获得斜盘的实时摆角，结合泵的转速得到泵的输出流量值。采用自适应pid算法输出pwm波占空比的大小，推动泵内斜盘，使流量值、压力值、和功率达到预设值。但是该专利未提供自适应pid控制的具体实施方法，且专利计算所述实际流量值未考虑负载压力、转速等因素造成的理论排量跟实际排量的误差，无法满足实际输出流量精准控制的目的。

4、上述现有技术仅提出采用pid闭环控制方式，未明确柱塞泵流量闭环控制的具体实施方法，未针对不同工况提出控制策略的对应调整方式，未考虑压力等因素造成的理论计算流量与实际流量的误差。针对前馈补偿策略，现有技术未提出具体实施方法，未明确前馈补偿与pid闭环控制的具体结合方式。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供一种可编程数字泵及控制方法，通过在泵上集成数字控制单元和传感器，实现柱塞泵的数字化信息交互和逻辑可编程流量精准控制。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种可编程数字泵，包括泵体，所述泵体上设置有主数字控制单元、从数字控制单元、第一主泵、第二主泵、第一控制阀、第二控制阀、第一电比例阀和第二电比例阀；

4、所述第一电比例阀与所述主数字控制单元相连；所述第一电比例阀和所述第一控制阀用于控制所述第一主泵流量；

5、所述第二电比例阀与所述从数字控制单元相连；所述第二电比例阀和所述第二控制阀用于控制所述第二主泵流量；

6、所述主数字控制单元用于，接收上层控制器发送的控制指令、所述第一主泵的检测信息、以及所述从数字控制单元发送的第二主泵的检测信息，计算双泵控制电流，控制双泵输出流量；所述双泵指第一主泵和第二主泵；

7、所述从数字控制单元用于，将所述第二主泵的检测信息发送给所述主数字控制单元，以及接收所述主数字控制单元发送的控制电流信号，控制所述第二主泵的输出流量。

8、可选的，所述主数字控制单元与所述从数字控制单元采用总线通讯方式，构成主从控制，所述从数字控制单元接收所述主数字控制单元的控制指令。

9、可选的，所述可编程数字泵还包括第一行程活塞和第二行程活塞，

10、所述第一比例阀连接至所述第一控制阀，控制所述第一控制阀阀芯端面的油液压力，驱动所述第一控制阀的阀芯运动；

11、所述第一控制阀连接至所述第一行程活塞，控制所述第一行程活塞端面的油液压力，驱动所述第一行程活塞运动；

12、所述第一行程活塞通过机械连杆机构与所述第一主泵的斜盘连接，当所述第一行程活塞运动时，带动所述第一主泵的斜盘，改变斜盘的摆动角度，对所述第一主泵进行流量控制；

13、所述第二电比例阀连接至所述第二控制阀，控制所述第二控制阀阀芯端面的油液压力，驱动所述第二控制阀的阀芯运动，

14、所述第二控制阀连接所述至第二行程活塞，控制所述第二行程活塞端面的油液压力，驱动所述第二行程活塞运动，

15、所述第二行程活塞通过机械连杆机构与所述第二主泵的斜盘连接，当所述第二行程活塞运动时，带动所述第二主泵的斜盘，改变斜盘的摆动角度，对所述第二主泵进行流量控制。

16、可选的，所述可编程数字泵还包括第一压力传感器、第二压力传感器、第一斜盘摆角传感器和第二斜盘摆角传感器，

17、所述第一主泵的出油口处设第一压力传感器，所述第一主泵的斜盘与所述第一斜盘摆角传感器机械连接；所述第二主泵的出油口处设第二压力传感器，所述第二主泵的斜盘与所述第二斜盘摆角传感器机械连接；

18、所述第一压力传感器和第一斜盘摆角传感器均连接至所述主数字控制单元；所述第二压力传感器和第二斜盘摆角传感器均连接至所述从数字控制单元。

19、可选的，所述可编程数字泵还包括齿轮泵，所述第一主泵、第二主泵和齿轮泵相连，所述齿轮泵用于为所述第一电比例阀、第二电比例阀、第一控制阀和第二控制阀提供先导控制油，所述先导控制油从所述齿轮泵的出油口连接至先导控制油入口；

20、所述齿轮泵通过溢流阀连接所述第一主泵的泄油口dr1。

21、第二方面，本发明提供一种可编程数字泵的控制方法，包括：

22、通过主机数字控制器发送控制指令给所述可编程数字泵；

23、通过所述主数字控制单元接收所述控制指令、所述第一主泵的传感器检测信息、以及所述从数字控制单元发送的第二主泵的传感器检测信息，计算双泵控制电流；所述双泵指第一主泵和第二主泵；

24、将计算的所述双泵控制电流输出至第一电比例阀和从数字控制单元，所述从数字控制单元将所述双泵控制电流输出至第二电比例阀；

25、所述第一电比例阀/第二电比例阀在所述控制电流驱动下运动输出先导油，驱动所述第一控制阀/第二控制阀运动，控制所述第一行程活塞/第二行程活塞运动，带动所述第一主泵/第二主泵斜盘摆动，控制所述第一主泵/第二主泵的实际流量。

26、可选的，所述主机数字控制器的控制指令包括：工作模式、流量指令、功率限制值、发动机转速、负载压力值、主阀设定压差、泵数量和泵控制电流。

27、可选的，所述第一主泵的传感器检测信息包括第一主泵斜盘摆角和第一主泵出口油压；所述第二主泵的传感器检测信息包括第二主泵斜盘摆角和第二主泵出口油压。

28、可选的，所述计算双泵控制电流包括：

29、基于目标流量计算目标摆角；

30、根据目标摆角进行斜盘摆角闭环控制和开环控制，将闭环控制电流和开环控制电流累加，得到双泵控制电流。

31、可选的，所述基于目标流量计算目标摆角，包括：

32、将目标流量除以发动机转速得到目标排量；

33、将目标排量经自适应排量补偿后得到修正排量；所述自适应排量补偿是根据目标排量、负载压力值和发动机转速作修正计算得到的自适应补偿量，叠加目标排量得到修正排量；

34、将修正排量经排量-摆角转换插值表计算得到目标摆角；所述排量-摆角转换插值表通过实际测量得到排量和摆角的数值关系的方式获取。

35、可选的，所述根据目标摆角进行斜盘摆角闭环控制，包括：

36、采用增量式pid控制方法，通过比较反馈摆角和目标摆角的偏差，计算斜盘摆角闭环的控制量，如下：

37、 u(k)=k_p (e(k)-e(k-1))+k_i (e(k))+k_d (e(k)+e(k-2)-2e(k-1))；

38、其中，u(k)为增量式pid输出的控制电流，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，e(k)为当前k时刻反馈摆角和目标摆角的偏差，e(k-1)为k-1时刻反馈摆角和目标摆角的偏差，e(k-2)为k-2时刻反馈摆角和目标摆角的偏差；所述反馈摆角为斜盘摆角传感器测量的斜盘摆角；

39、进行斜盘摆角开环控制，包括：

40、将目标摆角按照摆角-电流数值关系曲线插值计算得到。

41、可选的，所述工作模式包括：

42、工作模式一，

43、该模式为主机液压系统提供负载压力和主阀设定压差值的工况，该工况下，所述主数字控制单元进行负载敏感控制和功率限制约束，得到目标流量，计算双泵控制电流；

44、工作模式二，

45、该模式为主机液压系统无法提供负载压力和主阀设定压差值的工况，该工况下，所述主数字控制单元获取主机数字控制器发送的流量指令，经功率限制约束后，得到目标流量，计算双泵控制电流；

46、工作模式三，

47、该模式下，所述主数字控制单元接收所述主机数字控制器发送的泵控制电流，作为双泵控制电流。

48、可选的，所述负载敏感控制如下：

49、根据第一主泵出口油压及负载压力的实际压差与主阀设定压差做比较，通过调节第一主泵流量维持主阀前后压差恒定，得到第一主泵流量需求；

50、所述功率限制约束如下：

51、将所述第一主泵/第二主泵的出口油压乘以流量需求得到功率需求；

52、将双泵功率需求相加得到双泵总功率需求；

53、通过分别调节双泵的流量需求，控制总功率维持恒定，输出双泵目标流量。

54、可选的，所述控制方法还包括，进行压力切断控制如下，

55、当负载压力过高时，降低双泵控制电流，降低双泵输出流量。

56、本发明技术方案带来的有益效果为：

57、（1）本发明采用双泵主从控制方式，双泵的控制单元分开布置，只需通过一根总线连接，传输数字信息，使得数字控制单元和多源传感器的安装布置更加灵活，避免由于泵体结构原因导致多个传感器与数字控制单元之前的导线过长，可有效控制单个数字控制单元的成本和尺寸。同时，泵上数字控制单元可适用于单泵结构。

58、（2）本发明采用斜盘摆角闭环控制、开环控制、自适应排量补偿控制相结合的方式，其中，自适应排量补偿控制通过直接调整目标排量，改变目标摆角，避免直接补偿控制电流，而目标摆角不作调整，存在部分工况下摆角闭环控制方向与补偿控制方向相悖的情况，提高流量控制精度。

59、（3）本方案通过流量闭环控制，提高了目标流量的控制精度，使得工程机械主机可以更精准请求流量，避免流量请求冗余，达到节能效果。

60、（4）本发明提供多模式工作方式，可满足不同液压系统工作需求。