基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统及方法与流程

本发明属于液压马达转速测量领域，具体涉及基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统及方法。

背景技术：

径向柱塞马达具有体积尺寸小、排量大、低速稳定性好和输出扭矩大等一系列的优点，在矿山机械、工程机械、起重运输机械、卷扬机和船舰火炮驱动装置以及农业机械方面有着广泛应用，如车辆驱动、旋挖钻转头转动等等。衡量马达性能的参数有很多，工作转速是一个重要指标，可用于反馈工作装置的运行参数，也可为控制系统提供控制依据。在工程建设过程中，需要根据施工质量规范对马达的转速进行实时测量和控制，以确保工程的顺利开展和质量控制。

中国专利“一种径向柱塞马达转速测量装置”(专利号：201210081844.4)，采用的方法是通过螺纹副和键槽结构将测速杆与配油盘进行连接，通过测速仪来采集马达的转速信号。此方法测量的结果准确，但是实际的应用中，测速仪会受到空间限制而带来安装不便的问题。

中国专利“带测速功能的内曲线径向柱塞马达”(专利号：201710143344.1)中公布了一种带测速功能的内曲线径向柱塞马达，采用的技术方案是在马达转子的侧端面设置有一圈脉冲孔，在马达壳体中设置有转速传感器探测组件，通过传感器探测将转速信号采集进行处理，最终得出马达的转速。此方法主要针对内曲线马达的结构特点，径向柱塞式依靠内部柱塞缸的摆动改变排量来改变转速，因此这种方法无法应用于径向马达转速测量。

径向柱塞马达依靠偏心距的变化改变其内部各个柱塞摆动角度变化，改变马达排量变化，从而在相同的流量下实现变速，其转速n，与系统流量q和其马达排量v的关系为n＝q/v，而排量v与其偏心距e和柱塞数目n是正相关，v＝k·e·n(k为柱塞缸面积相关参数，马达型号确定后，其排量仅与偏心距e相关)。因此在一定的系统留下，只有马达偏心距e控制准确后，才能控制马达的转速，径向马达转速控制核心实际转为偏心距的实时控制。然而偏心距的位置在转动过程中受液压力、离心力的作用会来回摆动，因此需要对其控制的快速性、准确性要求更高。传统的转速检测需要装置运转后才能检测以及进行转速控制，无法提前预估转速大小，因为该方法不能检测到马达的偏心距。径向柱塞马达工作中常常进行正反转运动，以及频繁改变排量进行变速；在极端情况下，需要转非整数倍圈数，如转动1/4圈。这时马达的转速检测与控制需要同时进行，需要实时检测和控制马达排量，即控制偏心距的大小，因此依靠马达输出轴或者输出装置的形式来检测转速已无法满足径向变量马达的控制要求，需要新的检测方法和控制方法，以满足径向马达转速控制的应用需求。

技术实现要素：

本发明提供了基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统及方法，目的在于提供一种集成于马达壳体内、安装简单、基于双角度变化的马达转速测量和控制方法，实现径向柱塞马达的实时控制。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统，至少包括径向柱塞马达，还包括径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置、转速调整装置和控制器；所述的径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置与径向柱塞马达的柱塞连接，径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置、转速调整装置与控制器电连接。

所述的径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置是角度传感器；所述的角度传感器连接在径向柱塞马达柱塞的顶部，角度传感器与控制器之间电连接。

所述的角度传感器有两个，分别为第一角度传感器和第二角度传感器；径向柱塞马达设置有多个马达柱塞，第一角度传感器和第二角度传感器分别与其中的两个马达柱塞的顶部连接，连接第一角度传感器和第二角度传感器的两个马达柱塞之间至少间隔一个马达柱塞；第一角度传感器和第二角度传感器分别与控制器之间电连接。

所述的第一角度传感器和第二角度传感器分别连接在所连马达柱塞顶部的旋转中心。

所述的转速调整装置包括电磁阀、控制旋钮和控制油缸；所述的电磁阀连接在径向柱塞马达的外壳体上，控制油缸安装在径向柱塞马达壳体内部，控制旋钮和电磁阀均与控制器电连接，电磁阀与控制油缸连接。

所述的角度传感器有两个，分别为第一角度传感器和第二角度传感器；径向柱塞马达设置有多个马达柱塞，第一角度传感器和第二角度传感器分别与其中的两个马达柱塞的顶部连接，连接第一角度传感器和第二角度传感器的两个马达柱塞之间至少间隔一个马达柱塞；第一角度传感器和第二角度传感器分别与控制器之间电连接；所述的第一角度传感器和第二角度传感器分别连接在所连接的马达柱塞顶部的旋转中心；所述的转速调整装置包括电磁阀、控制旋钮和控制油缸；所述的电磁阀连接在径向柱塞马达的外壳体上，控制油缸安装在径向柱塞马达壳体内部，控制旋钮和电磁阀均与控制器电连接，电磁阀与控制油缸连接。

基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统的测量控制方法，包括

获取待测径向柱塞马达实时旋转信息；所述的径向柱塞马达实时旋转信息是径向柱塞马达转速测量控制装置中的径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置所采集的径向柱塞马达柱塞的实时摆动角度信息；

向控制器发送获取的径向柱塞马达柱塞的实时摆动角度信息；所述的径向柱塞马达柱塞的摆动角度信息通过角度传感器传递给控制器，控制器分析运算得到柱塞缸体的摆动频率和摆动角度值；

调节转速调整装置；所述的转速调整装置中的控制旋钮通过旋转不同的角度输出不同的电压信号，从而控制径向柱塞马达的偏心距。

所述的转速调整装置是采用pid控制模型进行控制；即输入信号为控制旋钮电压值，来设定目标偏心距es，通过pid控制算法，来调节变量控制油缸，反馈信号为通过第一角度传感器和第二角度传感器采集到的信号计算得到的将实时偏心距em，将实时偏心距em与控制旋钮设定的目标偏心距es进行对比，最终使得实时偏心距稳定在误差范围之内。

有益效果：

(1)提出一种径向马达转速的内部检测方法，通过安装角度传感器采集径向柱塞马达柱塞的摆动角度，从而将径向马达内部柱塞摆动的摆动转为旋转角度变化，实现转速测量，不增加马达体积，且转速测量稳定、传感器安装便捷，不受空间限制。

(2)本发明的转速控制还可进一步分为单传感器法和双传感器法，若在马达上安装一个角度传感器，可获得马达的转速，也可以进行转速控制，但这种方法不适应马达变量控制以及非整数圈的旋转运动控制，属于滞后控制，响应慢，且不能检测马达转向；若采用两个角度传感器分别安装于间隔的两个柱塞(注意安装的两个柱塞之间需要隔一个柱塞间隔)，可实时检测马达的排量和转速，可以根据角度传感器采集到电压信号经过转化之后获得的角度值的正负，判断马达转向，还可在马达静止状态获得马达排量信息，实现马达转速的精确检测和控制。

(3)本发明的角度传感器可采用霍尔或者滑动变阻形式，其输出信号可为电压或者电流式的信号，信号类型为正弦信号，信号频率与马达转速相同，信号幅值与马达排量线性相关。

(4)基于角度传感器的幅值大小可以判断马达运行状态，还可用于传感器故障以及马达液压系统故障的分析，为智能马达提供基础。

(5)本发明给出了马达的pid控制算法，实现了径向柱塞马达转速的实时控制，控制响应速度快，稳定性好，可以满足工程上对径向柱塞马达转速的测量和控制要求。同时由于马达的排量、转速均可实时检测，为其他精确控制方法提供了准确的参数检测方法。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1转速测量控制系统组成图；

图2角度传感器安装示意图；

图3角度传感器采集到的电压值；

图4角度传感器采集到的角度值；

图5偏心距计算数学模型；

图6第一角度传感器采集的角度值符号示意图一；

图7第一角度传感器采集的角度值符号示意图二；

图8双角度传感器采集的角度值符号示意图；

图9控制系统接线关系图；

图10排量调节机构液压原理图；

图11径向柱塞马达转速pid控制模型。

图中：1-径向柱塞马达；2-第一角度传感器；3-第二角度传感器；4-柱塞1号；5-柱塞2号；6-电磁阀；7-控制旋钮；8-控制油缸；9-控制器；21-柱塞2号；22-柱塞4号；23-柱塞5号；24-柱塞6号；25-柱塞7号。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

根据图1所示的基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统，至少包括径向柱塞马达1，还包括径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置、转速调整装置和控制器9；所述的径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置与径向柱塞马达1的柱塞连接，径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置、转速调整装置与控制器9电连接。

在实际使用时，径向柱塞马达的柱塞数量一般有五缸、七缸或九缸，柱塞数量越多(该数为奇数)，马达运行越稳定，本发明在七缸径向柱塞的径向柱塞马达1基础上进行说明。在径向柱塞马达1工作过程中，柱塞在径向柱塞马达1壳体中做往复摆动。径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置与径向柱塞马达柱塞连接，使柱塞底部的旋转运动传递到径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置上，通过径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置采集柱塞缸体的摆动频率和摆动角度。径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置再将获取的数据传递给控制器9，控制器9经过计算得出径向柱塞马达1的实时转速。将电压值作为调整信号通过调整转速调整装置的输入达到调整径向柱塞马达1转速的目的。

本发明测量简单方便，稳定可靠，安装不受空间限制，满足工程上对径向柱塞马达1转速的测量和控制要求。

实施例二：

根据图1、图9和图10所示的基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统，与实施例一不同之处在于：所述的径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置是角度传感器；所述的角度传感器连接在径向柱塞马达1柱塞的顶部，角度传感器与控制器9之间电连接。

在实际使用时，所述的径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置是角度传感器；所述的角度传感器连接在径向柱塞马达1柱塞的顶部，角度传感器与控制器9之间电连接的方案设置，能够方便、准确的采集径向柱塞马达1柱塞的摆动数据，并及时将采集的数据传递给控制器9。

实施例三：

根据图1、图2、图5-9和图11所示的基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统，与实施例二不同之处在于：所述的角度传感器有两个，分别为第一角度传感器2和第二角度传感器3；径向柱塞马达1设置有多个马达柱塞，第一角度传感器2和第二角度传感器3分别与其中的两个马达柱塞的顶部连接，连接第一角度传感器2和第二角度传感器3的两个马达柱塞之间至少间隔一个马达柱塞；第一角度传感器2和第二角度传感器3分别与控制器9之间电连接。

优选的是所述的第一角度传感器2和第二角度传感器3分别连接在所连接的马达柱塞顶部的旋转中心。

径向柱塞马达一般有五缸、七缸，本发明的实施例在七缸径向柱塞马达基础上进行说明。在径向柱塞马达工作过程中，柱塞在径向柱塞马达壳体内做往复摆动运动，柱塞缸体顶部的旋转中心轴位置是固定的。

如图2所示的是为第一角度传感器2和第二角度传感器3安装位置示意图。七缸径向柱塞马达一共有柱塞1号4、柱塞2号21、柱塞3号5、柱塞4号22、柱塞5号23、柱塞6号24和柱塞7号25七个柱塞，根据柱塞1号4和柱塞3号5缸体顶部旋转中心轴所在位置，在径向柱塞马达壳体对应处分别安装第一角度传感器2和第二角度传感器3，第一角度传感器2和第二角度传感器3与柱塞1号4和柱塞3号5顶部旋转中心固定连接，柱塞1号4和柱塞3号5底部的旋转运动，会传递到第一角度传感器2和第二角度传感器3的旋转轴上，通过第一角度传感器2和第二角度传感器3就可以方便的采集柱塞1号4和柱塞3号5缸体的摆动频率和摆动角度。

实施例四：

根据图1、图9、图10和图11所示的基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统，与实施例一不同之处在于：所述的转速调整控制装置包括电磁阀6、控制旋钮7和控制油缸8；所述的电磁阀6连接在径向柱塞马达1的外壳体上，控制油缸8安装在径向柱塞马达1壳体内部，控制旋钮7和电磁阀6均与控制器9电连接，电磁阀6与控制油缸8连接。

优选的是所述的控制旋钮7是电位计(电位计仅是提供一个马达排量参考信号，因此实际系统中可为一个控制数字信号，通过通信的方式传递给控制器9)。

在实际使用时，转速调整装置的方案设计，方便的将控制电压信号通过旋转控制旋钮7设定成不同的控制电压，电压值对应着马达排量大小。马达运动时，根据第一角度传感器2和第二角度传感器3来实时检测马达排量位置，从而控制电磁阀6的开口，电磁阀6对对控制油缸8进行控制，最终达到设定偏心距的目的，即实现通过手动旋转控制旋钮7来设定径向柱塞马达的目标偏心距，即实现设定马达转速的目的。控制旋钮7对应马达的偏心距大小，控制旋钮7处于不同的位置，对应排量不同，则需要实时根据第一角度传感器2和第二角度传感器3的反馈来调控电磁阀6的开口。电磁阀如图10所示，电磁阀6、控制油缸8为液压回路中的开关元件和执行元件，通过电磁阀6的通断动作来实现控制油缸的伸缩，完成径向柱塞马达偏心距的调整。控制旋钮7与控制器9电连接，控制旋钮7是从控制器9上引出之后方便操作者操作的。

实施例五：

根据图1、图2、图9、图10和图11所示的基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统，与实施例一不同之处在于：所述的角度传感器有两个，分别为第一角度传感器2和第二角度传感器3；径向柱塞马达1设置有多个马达柱塞，第一角度传感器2和第二角度传感器3分别与其中的两个马达柱塞的顶部连接，连接第一角度传感器2和第二角度传感器3的两个马达柱塞之间至少间隔一个马达柱塞；第一角度传感器2和第二角度传感器3分别与控制器9之间电连接；所述的第一角度传感器2和第二角度传感器3分别连接在所连接的马达柱塞顶部的旋转中心；所述的转速调整装置包括电磁阀6、控制旋钮7和控制油缸8；所述的电磁阀6连接在径向柱塞马达1的外壳体上，控制油缸8安装在径向柱塞马达1壳体内部，控制旋钮7和电磁阀6均与控制器9电连接，电磁阀6与控制油缸8连接。

本发明的实施例采用的是七缸径向柱塞马达，在实际使用时，第一角度传感器2和第二角度传感器3分别将与其连接的马达柱塞底部的旋转运动，传递到第一角度传感器2和第二角度传感器3旋转轴上，通过第一角度传感器2和第二角度传感器3就可以采集与其连接的马达柱塞缸体的摆动频率和摆动角度。第一角度传感器2和第二角度传感器3将获取的数据传递给控制器9，控制器9获取并计算得出径向柱塞马达的实时偏心距em，通过手动旋转控制旋钮7，设定不同的控制电压，控制旋钮7对应马达的偏心距大小，控制旋钮7处于不同的位置，对应排量不同，则需要实时根据第一角度传感器2和第二角度传感器3的反馈来调控电磁阀6的开口。电磁阀6对控制油缸8进行控制，最终达到设定偏心距的目的，即通过手动旋转控制旋钮7来设定径向柱塞马达的目标偏心距。

实施例六：

根据图3-图11所示的基于双角度感应的径向柱塞马达转速测量控制系统的测量控制方法，包括

获取待测径向柱塞马达1实时旋转信息；所述的径向柱塞马达1实时旋转信息是径向柱塞马达1转速测量控制装置中的径向柱塞马达柱塞摆动角度获取装置所采集的径向柱塞马达柱塞的实时摆动角度信息；

向控制器9发送获取的径向柱塞马达柱塞的实时摆动角度信息；所述的径向柱塞马达柱塞的摆动角度信息通过角度传感器传递给控制器9，控制器9分析运算得到柱塞缸体的摆动频率和摆动角度值；

调节转速调整装置；所述的转速调整装置中的控制旋钮7通过旋转不同的角度输出不同的电压信号，从而控制径向柱塞马达1的偏心距。

优选的是所述的转速调整装置是采用pid控制模型进行控制；即输入信号为控制旋钮7电压值，来设定目标偏心距es，通过pid控制算法，来调节变量控制油缸8，反馈信号为通过第一角度传感器2和第二角度传感器3采集到的信号计算得到的将实时偏心距em，将实时偏心距em与控制旋钮7设定的目标偏心距es进行对比，最终使得实时偏心距稳定在误差范围之内。

本发明的实施例采用的是七缸径向柱塞马达，在实际使用时，七缸径向柱塞马达一共有柱塞1号4、柱塞2号21、柱塞3号5、柱塞4号22、柱塞5号23、柱塞6号24和柱塞7号25七个柱塞，根据柱塞1号4和柱塞3号5缸体顶部旋转中心轴所在位置，在径向柱塞马达壳体对应处第一角度传感器2和第二角度传感器3，第一角度传感器2和第二角度传感器3的旋转轴与柱塞1号4和柱塞3号5顶部旋转中心固定连接，柱塞1号4和柱塞3号5底部的旋转运动，会传递到第一角度传感器2和第二角度传感器3旋转轴上，通过第一角度传感器2和第二角度传感器3就可以采集柱塞1号4和柱塞3号5缸体的摆动频率和摆动角度。

第一角度传感器2和第二角度传感器3为霍尔元件，角度传感器旋转轴转动的角度值与输出电压值成正比关系，需要进行标定。标定的过程如下：

如图3所示，图中的曲线是径向柱塞马达工作过程中第一角度传感器2和第二角度传感器3采集到的电压信号。启动径向柱塞马达，调节控制旋钮7的旋钮在零位，径向柱塞马达1处于怠速状态，根据径向柱塞马达的工作特性，此时径向柱塞马达1的转速最低，偏心距为最大值，记为emax，设定径向柱塞马达1缸体摆动角度的最大值为θmax，最小值为θmin，角度传感器采集到的电压信号的波峰值为vmax，波谷值为vmin。从径向柱塞马达1的技术说明书中可以查到查到emax、θmax和θmin。通过筛选角度传感器采集到的电压值曲线中的特殊点：波峰值vmax和波谷值vmin，分别对应径向柱塞马达手册中查询到的径向柱塞马达缸体摆动角度的最大值θmax和最小值θmin，即可获得缸体摆动角度值与传感器电压值之间的换算关系。

θ＝kv+b

如图4所示，为标定后第一角度传感器2和第二角度传感器3采集到的角度值随时间变化的曲线图。根据图中角度的变化规律，可在控制器中通过分析运算得到柱塞缸体的摆动角度值和摆动频率f。

根据径向柱塞马达转速n与径向柱塞马达柱塞缸体角度变化频率f之间的关系，可以得到径向柱塞马达转速：

n＝f

图5所示的是径向柱塞马达偏心距计算数学模型示意图，其中a点代表第一角度传感器2安装的位置，b点代表第二角度传感器3安装的位置，o点为径向柱塞马达轴轴心，柱塞缸体底部旋转中心到径向柱塞马达轴轴心距离为r，即圆o的直径为r，c点为偏心轴圆弧上一点，oc为偏心距e。径向柱塞马达工作过程中，点c在圆o上运动，设第一角度传感器2和第二角度传感器3采集到的角度值为α、β。

图6和图7所示的是第一角度传感器2采集的角度值符号示意图。α角有正负之分，设定ac在oa顺时针方向的右侧时所成角为正值，反之则为负值，如图6中α的值为负，图7中α的值为正。同理，第二角度传感器3所成的β角也有同样的规律。

图8所示的是第一角度传感器2和第二角度传感器3采集的角度值符号示意图，整个区域被oa、ob延长线分割成一、二、三、四4个不同的区域，c1、c2、c3、c4分别为落在第一、二、三、四区域内的c点，因此，在第一区域内，α角为负值，β角为正值；在第二区域内，α角为正值，β角为正值；在第一区域内，α角为正值，β角为负值；在第一区域内，α角为负值，β角为负值。通过对α、β角正负值的组合，即可判断出此时c点所在的区域，根据c点所在区域的变换规律，例如c点所在的区域随着时间变化规律为一、二、三、四、一，即可判断出径向柱塞马达输出轴的旋转方向为逆时针(从径向柱塞马达输出轴端方向观察)，反之，如果c点所在的区域随着时间变化规律为一、四、三、二、一，即可判断出径向柱塞马达输出轴的旋转方向为顺时针(从径向柱塞马达输出轴端方向观察)。

根据图5、图6、图7和图8，通过三角函数变换关系，即可计算得到此时的偏心距e的值：

其中a1、θ1、θ2均为常数，是与径向柱塞马达的半径、活塞数目相关的常数。

图9为控制系统接线关系图，控制旋钮7的作用是给电磁阀6施加控制信号，当控制旋钮7本质上是一个电位计，通过旋转不同的角度有输出不同的电压信号。

图10为排量调节机构液压原理图，通过手动旋转控制旋钮7，设定不同的控制电压，从而设定电磁阀6的开口，电磁阀6对控制油缸8进行控制，最终达到设定偏心距的目的，即通过手动旋转控制旋钮7来设定径向柱塞马达的目标偏心距。

图11所示的是径向柱塞马达转速pid控制模型，输入信号为调节旋钮电压值，来设定目标偏心距es，通过pid控制算法，来调节变量伺服控制油缸8，反馈信号为通过两个角度传感器采集到的信号计算得到的将实时偏心距em，将实时偏心距em与控制旋钮设定的目标偏心距es进行对比，最终使得实时偏心距稳定在允许误差范围之内，在系统流量稳定的情况下，径向柱塞马达转速即可达到稳定，实现了径向柱塞马达转速控制目标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

以上所述，近视本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。