一种基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置

1.本发明涉及的是一种基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置，属于燃油流量计量控制技术领域。


背景技术：

2.流量的准确测量不仅是科学技术中重要的组成部分之一，也是现代社会前进发展的一种标志。它在液压系统、化工、工程机械、冶金、水利等行业被普遍应用。目前稳态流量的测量元件在应用市场上已逐渐趋于成熟化和标准化，而对于准确测量动态流量的问题在一直以来的研究工作中仍没有很好的得到解决。到目前为止，市场上对高频动态流量的测量还未出现较为理想的测量仪器或装置。
3.随着现代电力、电子技术的高速发展，新的多电化、全电化动力系统概念已经使现代动力系统的面貌发生了深刻变化。在航空发动机领域，多电发动机也已经成为先进航空发动机技术的重要发展方向之一。电动燃油泵作为主要控制部件，对多电发动机的性能有重要影响。电动燃油泵若要满足能够随时按照发动机的需求来提供燃油，则需要控制器对电动燃油泵进行流量闭环控制，使得电动燃油泵能够在大流量范围内快速响应，因此，需要一种高精度，动态性能良好的燃油计量方法对电动燃油泵的燃油流量进行精准快速的测量。
4.在现有公开的专利技术方案中，公开号为cn104583733b的发明专利提出了用于测量流体流量的齿轮流量计，该齿轮流量计具有齿轮室，至少两个测量齿轮彼此接合设置在齿轮室内，可以根据齿轮转速来确定通过齿轮室的流量，基于该测量原理，使用伺服电机主动控制的齿轮泵也能进行流量的计量。
5.公开号为cn107882786a的发明专利提出了一种闭式泵控单出杆液压缸静动态流量实时匹配系统，其提出的系统也进行了泵与液压缸的并联连接，控制器进行了液压缸活塞位置的采集和齿轮泵的控制，但该专利设计的是一种电液控制系统，不涉及流量计量方法。公开号为cn105952607b、cn109060057a的发明专利都对液压缸和计量泵进行了并联配合使用，但都并未提出将其用于电动燃油泵的流量计量当中。
6.由燕山大学的刘涛等学者于2015年12月发表的“泵一缸复合结构新型动态流量计”以及2022年4月发表的“复合型流量计的测量模型”中针对连续偏置的动态流量测量设计一种复合型动态流量计、建立了物理模型并进行了实验研究，该复合流量计仅由计量泵和无载液压缸并联，用以计量电液伺服阀的高频率脉动偏置流量。但该复合流量计的计量泵转速仅由无载液压缸活塞的位移控制，无法测量复杂的动态流量变化，在流量大范围变化时会发生液压缸的顶缸现象，且量程受限于液压缸的尺寸，无法进行大量程的测量。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有高频动态流量的测量的难点，解决电动燃油泵流量闭环控制问题，提供一种基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置，利用无载液
压缸的动态性能计量高频动态流量，计量泵可以连续往复计量的特性计量低频稳态流量，实现对电动燃油泵的复杂类型的高频动态流量精确计量。除此之外，对无载液压缸进行创新设计，增加流量计量过程中的超限保护，防止液压缸的顶缸；增加了双向回位弹簧，拓宽了燃油计量装置的计量量程。
8.本发明采用的技术方案如下：一种基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置，其特征包括电动燃油泵、计量泵、无载液压缸、超限保护旁通口、双向回位弹簧、lvdt、活塞；其中计量泵与液压缸并联连接，活塞置于液压缸内部，且与双向回位弹簧相连，超限保护旁通口一体化集成在液压缸外部，lvdt安装在活塞杆的端部，该燃油计量装置进口连接电动燃油泵，出口连接燃油喷嘴；该动态流量计量方法通过测量计量泵的转速与液压缸活塞的位移来对燃油流量进行动态计量。
9.进一步的，所述的计量泵主动控制，在对电动燃油泵的流量闭环控制的过程中，控制器通过转速传感器反馈得到电动燃油泵的转速，根据电动燃油泵和计量泵的排量计算得到计量泵的转速指令n1，在计量过程中，控制器通过lvdt得到液压缸活塞相对于中心位置的位移，将其作为pid控制的输入计算出转速指令n2，n1与n2的和作为计量泵主动控制的转速指令。基于这样的控制逻辑，可以提高计量泵响应速度，拓宽了流量计量的量程。
10.进一步的，所述的双向回位弹簧安装于活塞两侧与液压缸侧面连接，当活塞运动时，产生的位移与收到的弹性力始终成正比。双向回位弹簧首先确定动平衡位置始终为液压缸中心不会改变，方便进行控制计划的制定，同时，在计量过程中可以通过双向回位弹簧的刚度和活塞的加速度计算得到液压缸两侧的压差，用于通过泄漏模型计算液压缸与计量泵的泄漏流量，使得计量更准确，除此之外，当出现控制超限的情况时，活塞运动至旁通口打开，此时旁通口两侧的压差力即活塞受到的弹性力，当计量泵解除超限后，弹簧力能提供关闭旁通口的外力，恢复正常计量状态。
11.进一步的，所述的超限保护旁通口集成在液压缸上，与液压缸中心的距离即为活塞运动的最大行程，当计量泵与液压缸正常计量时，活塞运动在最大行程内，不会打开超限保护旁通口，流量可以实现精确的动态计量。当出现控制错误或设备问题，无法实现正常计量时，液压缸两侧产生过大的压差，推动活塞打开超限保护旁通口，使液压缸两侧流体通过旁通口流动，避免液压缸的顶缸现象，为计量控制设置超限保护。
12.与现有技术相比，本发明的优点在于：
13.1)由于绝大多数的流量计产品主要是为了测量各种工况条件下的稳态流量而设计的，因而难以具有较好的动态流量计量性能，无法满足电动燃油泵的闭环控制要求，但通过本装置的无载液压缸计量高频动态流量，计量泵计量低频稳态流量的方法，可以实现对电动燃油泵大量程的精确动态计量，实现电动燃油泵的高精度燃油流量闭环控制，极大的提升电动燃油泵实际使用效果。
14.2)通过电动燃油泵伺服电机与计量泵伺服电机的协同控制，以及计量泵与无载液压缸构成的闭环控制可以有效的提高计量泵响应速度，拓宽了流量计量的量程。
15.3)通过设计超限保护旁通口与双向回位弹簧，可以将液压缸的中心位置设置为动平衡位置，为计量控制设置超限保护，避免液压缸的顶缸现象。在计量过程中可以通过双向回位弹簧的刚度和活塞的加速度计算得到液压缸两侧的压差，用于通过泄漏模型计算液压缸与计量泵的泄漏流量，使得计量更准确。
16.4)燃油经过该动态燃油计量装置后产生的压力损失较小，并且可以通过行程计算出最大压损。
17.5)计量过程中无需压差传感器，极大地减少了燃油计量装置对传感器数量及性能的依赖，显著提高了燃油计量的可靠性。
附图说明
18.附图1是本发明基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置的结构设计图；
19.附图2是本发明基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置的电动燃油泵燃油流量闭环控制框图；
20.附图3是本发明基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置的液压系统amesim模型；
21.附图4是本发明基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置的控制器simulink模型；
22.附图5是本发明基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置的计量泵控制仿真结果
23.附图6是本发明基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置燃油流量计量结果与误差。
24.图1中1为电动燃油泵、2为计量泵、3为无载液压缸、4为超限保护旁通口、5为双向回位弹簧、6为lvdt、7为活塞、8为喷嘴。
具体实施方式
25.下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.在本发明的描述中需要理解的是，各种指示方位或位置关系的术语均基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或直接一体化组合连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.如图1所示的基于电动燃油泵的动态燃油计量装置，其特征包括电动燃油泵1、计量泵2、无载液压缸3、超限保护旁通口4、双向回位弹簧5、lvdt 6、活塞7、喷嘴8；其中计量泵2与无载液压缸3并联连接，活塞7置于无载液压缸(3)内部，且与双向回位弹簧5相连，超限保护旁通口4一体化集成在液压缸3外部，lvdt 6安装在活塞7杆的端部，该燃油计量装置进口连接电动燃油泵1，出口连接燃油喷嘴8；
29.如图2所示的电动燃油泵燃油流量闭环控制、计量泵主动控制，在电机转速的闭环外增加流量闭环，以计量泵、无载液压缸的计算流量以及泄漏补偿流量作为反馈量，提升电动燃油泵实际使用效果。在对电动燃油泵的流量闭环控制的过程中，控制器通过电动泵编码器反馈得到电动燃油泵的转速，根据电动燃油泵和计量泵的排量计算得到计量泵的转速指令n1，在计量过程中，控制器通过lvdt得到液压缸活塞相对于中心位置的位移，将其作为pid控制的输入计算出计量泵转速指令n2，n1与n2的和作为计量泵主动控制的转速指令。计量泵的控制闭环中，控制目的是使得液压缸两侧的压力相同，活塞回到无载液压缸的中心位置。基于这样的控制逻辑，可以提高计量泵响应速度，拓宽了流量计量的量程。
30.所述的双向回位弹簧安装于活塞两侧与液压缸侧面连接，当活塞运动时，产生的位移与收到的弹性力始终成正比。由于活塞产生位移通过控制器对计量泵转速进行调节，在计量泵和双向回位弹簧的共同作用下，液压缸中心成为活塞的平衡位置。通过选择双向回位弹簧的刚度可以得到该燃油计量装置的最大压差损失：
[0031][0032]
其中k为双向回位弹簧的刚度，l为旁通口与活塞中心的距离，即活塞的行程，d为活塞的直径，d为活塞杆的直径。同样的，该压差也是在计量过程中不超限情况下液压缸两侧的最大压差。计量过程中的压差：
[0033][0034]
其中x为活塞的位移，m为活塞的总质量，a为活塞的加速度。通过对压差的计算，再根据计量泵和无载液压缸的结构参数和测试建立精确的泄漏模型，可以精确的计算出计量过程中的泄漏量进行补偿，使得计量结果更加的精确。当出现控制超限或设备错误的情况时，活塞运动至旁通口打开，此时旁通口两侧的压差力即活塞受到的弹性力，当燃油计量装置解除超限后，弹簧力能提供关闭旁通口的外力，恢复正常计量状态，如果没有双向回位弹簧，旁通口打开后无法单独通过对计量泵的控制使得旁通口关闭。
[0035]
所述的超限保护旁通口集成在液压缸上，与液压缸中心的距离即为活塞运动的最大行程，当计量泵与液压缸正常计量时，活塞运动在最大行程内，不会打开超限保护旁通口，流量可以实现精确的动态计量。当出现控制错误或设备问题，无法实现正常计量时，液压缸两侧产生过大的压差，推动活塞打开超限保护旁通口，使旁通口产生一定的开度，此开度可以通过lvdt进行反馈，使液压缸两侧流体通过旁通口流动，形成类似节流口导通，产生的压差力即弹簧力。超限保护旁通口的设计避免了液压缸的顶缸和流路堵死的现象，为计量控制设置超限保护。
[0036]
为了进一步说明本实施例在设计方面的可靠性与流量计量方面的有效性，进行了如图3所述的基于amesim软件对泵控缸液压回路建模，可以表现出泵控缸回路具体的物理结构形式，还能反映出被测流量在系统内部的流动情况。计量泵、传感器以及油源等元件从液压库及机械库中直接获取，液压缸则利用hcd库以及机械库中的部分模块进行搭建，用以模拟缸体内部的泄漏情况。同时选用可压缩性压力体模块，将计量泵的进出油口与液压缸油腔连接在一起，模拟计量泵在液压缸腔体内部进行吸油与排油的过程。此外，计量泵的转速在实际测量过程中不能直接获取，在仿真模型中也遵循这一事实，在计算测试流量时利用了电机转速进行替代，同时考虑到惯性对转速变化的影响，在计量泵与电机之间添加了
转动惯量及阻尼模型。本实例针对的电动燃油泵流量闭环控制，所采用的上述部件几何参数如表1所示：
[0037]
表1液压系统主要参数
[0038][0039]
如图4所述的基于simulink的控制器建模，使用一阶惯性系统模拟电机模型，并在计量泵与燃油泵之间加入一个延时系统表示系统读取跟随的延迟，通过读取计量泵的转速和无载液压缸的位移进行流量计算。如图5图6所示的为amesim与simulink联合仿真结果，其中图5可以看出燃油计量装置的具体调节过程，当燃油指令变化，电动燃油泵转速变化，计量泵跟随电动燃油泵的转速变化进行调节，此时，由于计量泵与电动燃油泵通过的流量不同，无载液压缸两侧产生压差，使得活塞位移，进而调节计量泵转速使得无载液压缸两侧压力平衡。由图6可以看出虽然未进行惯性滤波和泄漏补偿，在压差较大时会计量结果会有一定的误差，但是可以看出该动态复合燃油计量装置可以精确测量电动燃油泵的流量，并且动态性能良好。
[0040]
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置，其特征包括电动燃油泵(1)、计量泵(2)、无载液压缸(3)、超限保护旁通口(4)、双向回位弹簧(5)、lvdt(6)、活塞(7)、喷嘴(8)；其中计量泵(2)与无载液压缸(3)并联连接，活塞(7)置于无载液压缸(3)内部，且与双向回位弹簧(5)相连，超限保护旁通口(4)一体化集成在液压缸(3)外部，lvdt(6)安装在活塞(7)杆的端部，该燃油计量装置进口连接电动燃油泵(1)，出口连接燃油喷嘴(8)；所述的燃油流量动态计量方法与装置基于电动燃油泵(1)的转速和活塞(7)的位移对计量泵(2)的转速进行主动控制，确保测量燃油流量的准确性和实时性。通过测量计量泵的转速与无载液压缸活塞的位移，并建立泄漏模型，根据一下公式(1)进行流量的计算，公式(2)进行泄漏量的计算：(2)进行泄漏量的计算：其中l为计量泵的排量，n为计量泵的转速，v为液压缸中活塞的速度，π为圆周率，d为活塞的直径，d为活塞杆的直径，γ为泄漏系数，δp为液压缸两侧的压差，k为双向回位弹簧的刚度，x为活塞的位移，m为活塞的总质量，a为活塞的加速度。2.根据权利要求1所述的一种基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置，其特征是以电动燃油泵(1)伺服电机的转速作为前馈量，活塞(7)的位移作为反馈量对计量泵(2)的转速进行闭环控制，提高计量泵响应速度，降低计量过程中对液压缸尺寸的要求的同时能够显著拓宽燃油计量的量程，更好地满足电动燃油泵(1)闭环控制的要求。3.根据权利要求1所述的一种基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置，其特征是无载液压缸(3)上集成了超限保护旁通口(4)，在流量计量的过程中，即使计量泵(2)控制错误，也可以使流体通过旁通口(4)流出，防止活塞顶缸和流路堵死的情况。4.根据权利要求1所述的一种基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置，其特征是无载液压缸(3)内部活塞(7)上安装双向回位弹簧(5)，即活塞(7)两侧均与无载液压缸(3)左右内壁通过机械弹簧进行连接，其压缩长度与所受压力成正比，其功能是始终将无载液压缸(3)中心位置作为活塞(7)的平衡位置，拓宽燃油计量装置的量程，并且可以提供关闭超限保护旁通口(4)的外力。5.根据权利要求1所述的一种基于电动燃油泵流量协同控制的动态计量方法与装置，所述的动态计量方法的具体调节过程如下：1)当电动燃油泵(1)启动，开始供油，由控制器通过转速传感器读取到电动燃油泵(1)的转速，基于燃油泵(1)和计量泵(2)的排量，得到计量泵(2)的转速指令1，同时，读取无载液压缸(3)中活塞(7)上的lvdt(6)测量的位移通过pid控制得到计量泵(2)的转速指令2，控制器将转速指令1和转速指令2的和作为计量泵(2)的转速指令输出，再通过转速传感器反馈真实的计量泵(2)转速，基于双向回位弹簧(5)的刚度和活塞(7)的加速度可以计算得到无载液压缸(3)两侧的压差，通过构建的泄漏模型计算出泄漏流量，使得计量更加准确。在不超限的情况下，整个调节过程中都可以基于计量泵(2)的转速与排量，活塞(7)的位移与速度进行动态流量的计算，对燃油流量进行动态计量。
2)当计量泵的控制错误或设备问题，当电动燃油泵(1)启动时，计量泵(2)无法进行转速流量跟随，无载液压缸(3)会出现超限情况，活塞(7)运动直至打开超限保护旁通口(4)，使得无法通过的流量由超限保护旁通口排出，避免无载液压缸(3)堵死或活塞(7)顶缸的情况，当控制器检测到活塞位移超限，会进行错误报警，需要对设备进行排查，当问题被解决后，由于超限保护旁通口(4)平衡了两端压差，双向回位弹簧(5)会主动关闭旁通口，进行正确计量泵控制与燃油计量。

技术总结
本发明公开了一种用于电动燃油泵燃油量闭环控制的泵-缸复合动态计量方法与装置，属于燃油计量控制领域。包括计量装置控制器、计量泵及其伺服电机、无载液压缸、超限保护旁通口、双向回位弹簧等。在充分利用泵-缸复合计量所具有的高频动态流量测量能力的基础上，通过超行程保护旁通口和双向回位弹簧，避免了无载液压缸的顶缸现象的发生，并通过计量泵伺服电机与电动泵电机转速的协同控制，将电动泵电机转速作为计量泵伺服电机前馈量，提高计量泵响应速度，拓宽了流量计量的量程。相较于现有技术，本发明的方法与装置具有更好的动态计量特性，结构更加可靠，可以更好地满足电动燃油泵流量闭环控制的需求。流量闭环控制的需求。流量闭环控制的需求。


技术研发人员：高山 张天宏 张家铭 方鋆
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/6/7