專利名稱：用于活塞泵的電子凸輪軸電機控制的制作方法
技術領域：
本申請要求2006年9月26日提交的、美國申請序列號為60/826,997的專利申請的優先權。
背景技術：
這些年來利用各種各樣的泵使涂料和類似材料通過系統進行循環。盡管用于此用途的空氣操作的往復活塞泵已經流行很久，但是對采用效率更高的由電提供動力的方案的需要已日益增強。電動離心泵、螺桿泵和螺旋傳動往復式活塞泵(US專利no.5,725，358)都已經商業化了。無論采用哪一種技術，都需要使脈動最小化，以表現恒定的系統壓力。已經制造了多種往復式活塞泵系統(GracoInc.'sGM10000無空氣噴霧器，已公布的PCT申請WO02/46612A1和US專利no.5,145,339)，其中泵在相位上被偏置以使脈動最小化。
發明內容
在優選實施例中，雙(或多)活塞泵系統設有兩個泵，該兩個泵是曲柄驅動的，所述曲柄彼此偏置約84°。該系統不具有機械凸輪軸，但具有作用象機械凸輪軸的軟件算法。該算法將學習并產生唯一的將模擬機械凸輪軸的速度曲線。出于實際考慮，在軟件起假想凸輪軸的作用時，輸出齒輪的速度曲線稱為凸輪曲線。所述算法利用曲柄角度估算(Crank Angle Estimation )、 學習曲線生成(Learn CurveGeneration)、濾波和提前定時計算(Advance Timing Calculation)。
通過以下三個步驟建立平滑的凸輪速度曲線(1)獲得理論凸輪速度曲線；(2)學習唯一泵曲線；(3)建立實際凸輪曲線。理論凸輪速度曲線由360個點(每一度一個點)構成。獲得理論凸輪速度曲線以通過系統歧管的出口傳送恒定的流量和壓力。下列參數用于計算活塞位移度數、活塞桿體積、轉換持續時間、以及連桿和泵孔的幾何結構，其中，所述活塞桿體積影響上行程上的真實泵體積，在所述轉換持續時間期間沒有液體泵送。
利用唯一的一組公式來實際建立用于給定系統的理想凸輪曲線，這確保了來自泵的恒定的壓力和流量。學習算法還允許泵在運行的同時學習壓力變化。
一旦建立學習凸輪(Learned Cam)，該學習凸輪覆蓋理論凸輪(Theoretical Cam)并建立實際凸輪(Practical Cam)。注意，理論凸輪建模僅僅是近似，這是因為模擬閥門球(check balls)的影響以及齒輪箱和泵組件的總體撓曲是非常困難的。學習凸輪考慮了 100%的變量，因此它是系統特有的。根據學習凸輪校對理論凸輪的球形閥門(ballchecks)和轉換定時。根據理論值校對學習凸輪的加速和減速，并將學習凸輪的加速和減速限定在±30%。去除由未描述的快速壓力變化引起的小的、尖銳的尖峰速度。
通過下面結合附圖的詳細描述將使得本發明的這些和其它目的以及優點變得更加顯而易見，在幾幅視圖中相同的符號表示相同或相似的部件。
圖1是利用本發明的泵系統的總體視圖。
圖2示出了作為轉動角度的函數的當前壓力、平均壓力、瞬時壓力差和當前壓力。
圖3示出了應用于輸出齒輪轉動的提前定時技術。圖4是泵傳動的分解視圖。
具體實施例方式
圖1總體上示出了一個雙(或多)活塞泵系統10。在優選實施例中系統IO設有兩個泵12，該兩個泵是曲柄14驅動的，該兩個泵相應
的曲柄14彼此偏置約84°。電機16驅動齒輪減速單元18，齒輪減速單元18反過來驅動曲柄14。該系統IO不具有機械凸輪軸，但具有象機械凸輪軸那樣作用的軟件算法。該算法將學習并產生唯一的將模擬機械凸輪軸的速度曲線。出于實際考慮，在軟件起假想凸輪軸的作用時，輸出齒輪的速度曲線稱為凸輪曲線。所述算法利用曲柄角度估算、學習曲線生成、濾波和提前定時計算(Advance Timing Calculation)。
通過以下三個步驟建立平滑的凸輪速度曲線(l)獲得理論凸輪速度曲線；(2)學習唯一泵曲線；(3)建立實際凸輪曲線。
理論凸輪速度曲線由360個點(每一度一個點)構成。獲得理論凸輪速度曲線以通過系統歧管的出口傳送恒定的流量和壓力。下列參數用于計算活塞位移度數、活塞桿體積、轉換持續時間、以及連桿和泵孔的幾何結構。其中，所述活塞桿體積影響上行程上的真實泵體積，在所述轉換持續時間期間沒有液體泵送。
利用唯一的一組公式實際建立用于給定系統的理想凸輪曲線，這確保了來自泵的恒定的壓力和流量。學習算法還允許泵在運行的同時學習壓力變化。
一旦建立學習凸輪(LEARNED CAM)，該學習凸輪覆蓋理論凸輪(Theoretical CAM)并建立實際凸輪(Practical Cam)。注意，理論凸輪建模僅僅是近似，這是因為模擬閥門球(check balls)的影響以及齒輪箱和泵組件的總體撓曲是非常困難的。學習凸輪考慮了 100%的變量，因此它是系統特有的。根據學習凸輪校對理論凸輪的球形閥門(ba11checks)和轉換定時。根據理論值校對學習凸輪的加速和減速，并將學習凸輪的加速和減速限定在±30%。去除由未描述的快速壓力變化引起
6的小的、尖銳的尖峰速度。
該系統不具有機械凸輪軸，但具有作用象機械凸輪軸的軟件算法。該算法將學習并產生唯一的將模擬機械凸輪軸的速度曲線。出于實際
考慮，在軟件起假想凸輪軸的作用時，輸出齒輪的速度曲線稱為凸輪曲線。所述算法利用下列獨特的特征
曲柄角度估算
學習曲線生成
濾波
提前定時計算
學習凸輪算法通過執行角度估算來估算編碼器的需要。在齒輪箱
中安裝一個頂死點中心(TDC)傳感器。該傳感器檢査輸出齒輪上的標記。每轉一轉該標記觸發該傳感器一次。傳感器一被觸發，該算法就以如下方式開始計算齒輪轉動的度數
1. 首先得到每4ms時幀估算的電機轉數。
2. 基于估算的電機轉數得到估算的輸出齒輪轉動角度。
軟件代碼安裝在每4ms執行一次的4ms處理器任務中。這意味代碼以每4ms —次的頻率監測電機。注意，實際執行時間取決于任務中的代碼數量；因此我們不能假定時幀正好是4ms長。軟件需要提供調整誤差的時間。
下列公式描述了用于計算轉動角度的技術:
120*尸
i5
轉數'麗
其中Ns——速度，F——頻率，P——數或極(Poles)
轉換為每秒轉數:120 *F「轉數1
4
轉數'
IT
60秒
得到每一個4ms時幀轉數
轉數—F:4附H壬務2 ，
因此估算的電機轉數=^*4肌任務
2
齒輪箱速度比=75，這意味著電機每轉75轉，我們得到凸輪軸轉
.轉:
凸輪轉動1轉=電機轉動75轉
360'_凸輪75電機轉數
4.8
凸輪轉數的度數1電機轉數
這意味著電機轉動1轉使得輸出齒輪轉動4.8°。
基于時間(4ms任務時間)追蹤電機轉數，因此能夠獲得在任意給定的電機轉數時的凸輪軸角度。
凸輪360°=電機轉動75轉凸輪乂° =估算的電機轉數#
,匕x。= 360°*(估算的電機轉數' 75
=〉估算的凸輪角度=360°*(估麵鵬
75
該系統使用360個點的速度矩陣。每個點代表曲柄軸(輸出齒輪)轉動角度。在學習程序開始時，該矩陣是空的，所有的元素都用零填
8充。 一旦啟動學習程序，該學習程序激活閉環控制系統，該系統的輸入是正在被泵送的液體的壓力，輸出是電機速度。簡言之，該系統的作用是通過調節電機速度傳遞恒定的壓力，同時記錄每個轉動角度對應的速度值以便將來不學習時使用。
例如，假定當前轉動角度是18。，在這個角度時的測量壓力(當前
壓力)是180PSI。假定平均壓力是150PSI。當前壓力比平均壓力高20。/。。這是壓力波動，該壓力波動需要消除。然后，所述系統將對于18。的點以大約一20%調節電機速度消除壓力波動并使當前壓力接近平均壓力。該程序持續凸輪軸轉13轉，這實質上意味著每個點被調節13次。每次將使誤差變窄以使在18。角度時的壓力更接近平均壓力。
主要的控制系統要素是
當前壓力——每10ms更新流體壓力信號
平均壓力——利用具有2.4秒的時間常量的一階濾波函數獲得平均壓力。出于實用考慮，將濾波函數能夠指簡單平均函數
瞬時壓力差——瞬時壓力差=當前壓力_平均壓力
A壓力——A壓力是瞬時壓力差與平均壓力的百分數關系。參見圖2。
濾波——是一種緩慢消除誤差的方法。從圖2看到，在18°時的誤差是20%。為了防止過校正和電機的上過大應力，并不是通過簡單地將電機速度提高20%來校正誤差，這會造成電機泵送更多的流體并因此產生比20%更大的壓力來補償誤差。注意，壓力和流量之間存在平方根的關系。電機速度提高20%僅僅會使壓力增大20%的平方根。而是通過在B個學習轉數期間的小的速度增量逐步消除誤差。最先的四轉濾波因子等于5，接下來的四轉該因子是4，再接下來的四轉該因子是3，最后的一轉該因子是2。所述因子表示對轉動角度值的加權量。
例如，如果學習處于其第三轉期間，濾波因子等于5。所述算法將會采用之前的5個角度值(13°、 14°、 15°、 16°和17°)和當前角度之后的角度值(19°、 20°、 21°、 22°和23°)。然后當前算法將得到所有這些值的平均值，同時加兩次當前角度18°，使其有更大的權重。計算得到的速度值分配給角度18°。
學習凸輪算法對與控制系統響應延遲和電機打滑有關的誤差提供調整。該算法計算延遲是基于電機頻率和特定常量，學習超前角度(LEARN LEAD ANGLE)。所述常量取決于電機打滑量并通過試驗獲得。
學習角度(Learn Angle)=當前角度(Current Angle) +學習超前(Learn Lead);
學習超前=學習超前角度*電，y率;
分頻器
分頻器=60;
例子假定估算角度(當前角度)是18°，響應于該角度的電機頻率是20Hz。假定學習超前是一6。
學習超前二18° + (-6)*:二16°
60Hz
當學習正處于計算誤差的過程中時，它將其添加到學習角度而不是當前角度中。如果輸出齒輪位于18°且誤差為+20%，學習算法通過其濾波將確定電機速度校正。假定得到的校正是一17.5%。沒有提前定時(ADVANCE TIMING)，當輸出齒輪轉動到達18°時，學習算法將會指令電機速度為一17.5%。這意味著電機速度會必須馬上調整一17.5%。實際當中這是不可能的。控制系統需要處理時間，電機需要對指令作出反應的時間。提前定時(ADVANCE TIMING)確保該指令提
10前發送給電機。在這個例子中提前一2。，所以所述算法在輸出齒輪到達
16°時而不是18°時指令速度改變一17.5°/。，從而給系統響應的時間。參見圖3。
在不背離如所附的權利要求所限定的本發明的精神和范圍的前提下可以對該泵控制作出各種變化和修改。
權利要求
1.一種控制泵系統的方法，該泵系統具有至少兩個曲柄驅動的往復泵，用于所述泵的曲柄被偏置，所述方法包括以下步驟考慮活塞位移度數、活塞桿體積、轉換持續時間以及連桿和泵孔的幾何結構的參數中的至少一些參數，形成用于所述泵的理論凸輪速度曲線；通過運行所述泵系統來形成唯一泵曲線，以產生學習凸輪；以及用所述學習凸輪覆蓋所述理論凸輪。
2. 如權利要求l所述的方法，其中所述偏置約為84。。
3. —種控制泵系統的方法，該泵系統具有至少兩個曲柄驅動的往 復泵，用于所述泵的曲柄被偏置，所述方法包括以下步驟在恒定速度下運行所述泵系統，并收集在選擇的曲柄角度位置處 的輸出壓力；從所述輸出壓力的收集，形成壓力曲線；轉換所述壓力曲線，以形成將降低壓力變化的電機速度曲線；以及以迭代過程重復上述步驟至少一次，直到壓力變化不超過預定量。
4. 如權利要求3所述的方法，還包括以下步驟 監測運行期間的壓力變化；以及在超過所述預定量的情況下，調整所述電機速度曲線以減小壓力 變化。
5. —種控制泵系統的方法，該泵系統具有至少兩個由電動機驅動 的曲柄驅動往復泵，用于所述泵的曲柄被偏置，所述方法包括以下步 驟提供用于所述曲柄中的至少一個曲柄的傳感器，以檢測所述曲柄的轉動中的特定位置并將該點指定為零點；當所述曲柄轉動通過所述零點時，監測所述電機的頻率，以預測 曲柄軸位置；以及在每個曲柄轉動結束時，探測所述零點和預測的零點之間的任何 差值并調整該預測。
全文摘要
雙(或多)活塞泵系統(10)設有兩個泵(12)，該兩個泵是曲柄(14)驅動的。該系統不具有機械凸輪軸，但具有在控制器(20)中作用象機械凸輪軸的軟件算法。該算法將學習并產生唯一的將模擬機械凸輪軸的速度曲線。出于實際考慮，在軟件起假想凸輪軸的作用時，輸出齒輪的速度曲線稱為凸輪曲線。所述算法利用曲柄角度估算、學習曲線生成、濾波和提前定時計算。
文檔編號F04B11/00GK101558240SQ200780035672
公開日2009年10月14日 申請日期2007年9月25日 優先權日2006年9月26日
發明者約翰·邁澤, 蒂莫西·塞得利亞里維奇, 詹姆斯·坎貝爾 申請人:格雷索明尼蘇達有限公司