通过非均匀间距模拟控制降低齿轮泵噪声的装置及其方法与流程

通过非均匀间距模拟控制降低齿轮泵噪声的装置及其方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年8月11日提交的韩国专利申请no.10-2020-0100525的利益，该专利申请通过引用结合于此。
技术领域
3.本发明涉及一种通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵噪声的装置。


背景技术：

4.通常，如果均匀地布置安装在叶轮外周的多个叶片，则存在在叶轮运行时在与叶片数量对应的频带中生成噪声的问题。
5.为了解决上述问题，传统上，提出了一种方法，在该方法中叶片以非均匀间距排列来布置，从而降低声压并且最小化由叶片非均匀布置生成的脉动声(例如，低频峰值)。
6.然而，在电动液压泵的情况下，由于两个齿轮啮合，齿轮的齿必须布置均匀。因此，非均匀间距齿轮不可能应用于电动液压泵。此外，当电动液压泵运行时存在在与齿数相对应的频带中生成噪声的问题。
7.在本背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景技术的理解，因此可以包含不构成本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
8.传统技术在韩国专利公开10-0872294(2008年12月5日)以及美国对应申请公开第2010/0054949号中所公开。


技术实现要素：

9.本发明涉及一种通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵噪声的装置。特定实施例涉及一种用于降低齿轮泵噪声的装置，该装置可以通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵的驱动噪声。
10.本发明的实施例提供了一种通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵噪声的装置，在该装置中，当齿轮泵运行时，通过控制驱动电机的电流值来模拟非均匀间距齿轮，从而有效地降低驱动噪声。
11.在通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵噪声的装置中，该装置可以包括：计算单元，通过将齿轮泵的齿数、齿序号、以及齿角应用于预定函数来针对每个所述齿序号的齿计算不同的控制电流值，在所述齿轮泵中多个齿均匀形成；存储单元，针对每个齿映射并存储齿序号和与齿序号相对应的不同控制电流值；以及电流控制器，当齿轮泵由电机旋转时，每当每个齿到达基准位置时，可变地生成对应于齿序号映射的控制电流值，其中，控制电流值被加到电机控制信号的基准电流值从而被施加到电机。
12.电流控制器可以在对应于齿序号的齿到达基准位置时瞬时生成由对应于齿序号的齿映射的控制电流值，并且在未生成控制电流值的其余时间内仅将基准电流值施加到电机。
13.电流控制器可以根据时间可变地生成与顺序地到达基准位置的所有齿相对应的控制电流值，并且控制电流根据时间的模式可以具有正弦函数形式。
14.与第n个齿序号相对应的第n个控制电流值从以下等式计算：
[0015][0016]
其中，n可以表示齿数，n可以表示齿序号(n＝1，2，...，n)，2π/n可以表示齿角，i
δθn
可以表示施加到第n个齿的基础电流值，e(
·
)可以表示用于调节i
δθn
的指数函数，并且bm可以表示由齿轮泵的类型确定的变量、并且值在10到90之间。
[0017]iδθn
根据非均匀间距生成函数计算：
[0018][0019]
其中，am可以表示电流基准值并且范围为5a
±
20％，0＜p1＜n以及0＜p2＜n。
[0020]
一种通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵噪声的方法，该方法可以包括：通过将齿轮泵的齿数、齿序号、以及齿角应用于预定函数，来针对每个齿序号的齿计算不同的控制电流值；针对每个齿映射并存储齿序号和与该齿序号相对应的控制电流值；以及每当齿顺序地到达基准位置时可变地生成与齿序号映射的控制电流值，其中，该控制电流值被加到电机控制信号的基准电流值从而被施加到电机。
[0021]
在可变地生成控制电流值时，可以在对应于齿序号的齿到达基准位置的时刻瞬时生成由对应于齿序号的齿映射的控制电流值，并且在未生成控制电流值的其余时间内，可以仅向电机施加基准电流值。
[0022]
在可变地生成控制电流值时，可以根据时间可变地生成与顺序地到达基准位置的所有齿相对应的控制电流值，并且控制电流根据时间的模式可以具有正弦函数形式。
[0023]
根据本发明的一个实施例，通过根据时间控制操作齿轮泵的电机的电流值，可以以软件实现用于降噪的非均匀间距的效果，而无需对齿轮泵应用结构改变。
附图说明
[0024]
图1是示出根据本发明实施例的通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵的噪声的装置的图。
[0025]
图2是示出根据变量bm的变化的预定函数的曲线图。
[0026]
图3是示出根据本发明的实施例的与每个齿序号相对应生成的控制电流的曲线图。
[0027]
图4是示出应用于根据本发明的实施例的通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵的噪声的装置的泵控制系统的图。
[0028]
图5是示出根据本发明实施例的通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵的噪声的方法的流程图。
[0029]
图6是示出当根据本发明实施例的非均匀间距模拟控制应用于电动液压泵时的噪声测量结果以及当非均匀间距模拟控制未应用于电动液压泵时的传统技术的噪声测量结果的曲线图。
[0030]
图7是当根据本发明实施例的非均匀间距模拟控制应用于电动液压泵时的频谱
图，以及当非均匀间距模拟控制未应用于电动液压泵时的传统技术的频谱图。
[0031]
可以结合附图使用以下元件来描述本发明的实施例。
[0032]
10：齿轮泵
[0033]
20：电机
[0034]
100：用于降低齿轮泵噪声的装置
[0035]
110：计算单元
[0036]
120：存储单元
[0037]
130：电流控制器。
具体实施方式
[0038]
下面将参考附图更全面地描述本发明，在该附图中示出了本发明的实施例。如本领域技术人员将认识到的，可以以各种不同的方式修改所描述的实施例，所有这些都不脱离本发明的精神或范围。因此，附图和描述被视为说明性的，而不是限制性的。在整个说明书中，类似的参考数字表示类似的元素。
[0039]
在本说明书和随后的权利要求书中，当描述一个元件“耦接”到另一个元件时，该元件可以“直接耦接”到另一个元件或通过第三个元件“电耦接”到另一个元件。在本说明书和随后的权利要求书中，除非明确相反地描述，否则“包括”一词或诸如“包含”的变型例将被理解为暗示包括规定的元件，但不排除任何其他元件。
[0040]
图1是示出根据本发明实施例的通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵的噪声的装置的图。
[0041]
如图1所示，根据本发明实施例的通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵的噪声的装置100可以包括计算单元110、存储单元120、以及电流控制器130。
[0042]
装置100向驱动齿轮泵10(例如，电动液压泵)的电机20施加模拟非均匀间距的影响的控制电流，使得当齿轮泵10运行时生成的噪声最小化。
[0043]
在传统叶轮的情况下，通过应用使叶片之间的间隙不同的非均匀间距，来使驱动噪声最小化。然而，在齿轮泵10的情况下，由于两个齿轮彼此外部啮合并且齿之间的间隙必须恒定，因此不可能采用非均匀间距的结构。
[0044]
在本发明的实施例中，通过根据时间控制操作齿轮泵10的电机20的电流值、而不对齿轮泵10应用结构改变，可以以软件实现用于降噪的非均匀间距的效果。
[0045]
本文中，将参照图1详细描述根据本发明的实施例的用于降低齿轮泵的噪声的装置。
[0046]
计算单元110通过将齿轮泵10的齿数(n)、齿序号(n＝1、2、...、n)、以及齿角(2π/n)应用到预定函数来计算每个齿的不同控制值，在齿轮泵10中多个齿均匀地形成。
[0047]
在图1的情况下，是齿数(n)为11的示例。在这种情况下，齿角(2π/n)为32.7度(360/11)，并且齿序号存在于从1到11。
[0048]
预定函数可以定义为如下等式1。
[0049]
等式1
[0050]
等式1表示用于计算与第n个齿序号的齿相对应的第n个控制电流的函数，n表示齿
数，n表示齿序号，2π/n表示齿角。
[0051]iδθn
是施加到第n个齿的基础电流值，并且基于非均匀间距生成函数而计算。e(
·
)表示用于调整i
δθn
的指数函数。
[0052]bm
是由齿轮泵的类型确定的变量，并且其值在10到90之间。bm可以根据齿轮泵10的类型而变化。
[0053]
mod(a，b)是已知函数，该函数计算a除以b的余数。
[0054]
图2是示出根据变量bm的变化的预定函数的曲线图。
[0055]
参照图2，等式1可以简单地表示为此时，考虑到mod函数，x被设置为-1≤x≤1的范围。
[0056]
参照图2，可以看出预定函数的模式根据bm的调整(例如bm＝10，30，90)而改变。随着bm值从10增加到90，钟形模式变窄。因此，当基于齿轮泵的类型而不同地施加bm值时，可以调整预定功能的模式。
[0057]
可以基于以下等式2的非均匀间距生成函数来计算等式1的i
δθn
。
[0058]
等式2
[0059]
在等式2中，am表示电流基准值，该电流基准值具有5a
±
20％的范围，p1和p2是影响周期的因素，p1为0＜p1＜n，p2为0＜p2＜n。
[0060]
由于齿序号(n)存在于1到11之间，因此对于每个齿计算等式2的i
δθn
，并且使用i
δθn
计算等式1的则。即，对应于齿数，导出总共11个等式1。
[0061]
存储单元120从计算单元接收计算结果，并且存储该计算结果。此时，存储单元120将针对每个齿导出的控制电流值与齿序号映射并且存储。电流控制器130基于电机20被驱动时每个齿的位置和存储在存储单元120中的信息来改变控制电流值。
[0062]
具体地，当齿轮泵10通过电机20旋转时，每当每个齿到达基准位置时，电流控制器130可变地生成与该齿序号的齿相对应的所映射的控制电流值。
[0063]
每当齿轮泵10旋转32.7度时，各个齿到达基准位置。这里，基准位置可以对应于例如虚线(-·-)点。可以通过电机20的轴的旋转角度来容易地检查每个齿的位置。
[0064]
参照图1，将电流控制器130生成的控制电流值添加到作为电机控制信号的基准电流值(i
s_ref
)，并从而施加到电机20。
[0065]
齿轮泵10与电机20的轴啮合并且由电机20旋转，并且随着齿轮泵10的旋转，齿轮泵10的齿顺序地到达预定基准位置。
[0066]
每当第一至第十一个齿顺序地到达基准位置时，电流控制器130通过参考映射在存储单元120中的信息来生成与该齿序号的齿相对应的控制电流值。因此，电流控制器130在适当的时间生成与该齿序号的齿相对应的控制电流值。
[0067]
本文中，当对应于齿序号的齿到达基准位置的定时可以从电机的旋转轴的角度容易地确定。例如，电机的旋转轴每旋转32.7度，到达基准位置的齿序号就顺序地改变。
[0068]
在本发明的实施例中，当对应于齿序号的齿到达基准位置时，电流控制器130瞬时生成与对应于该齿序号的齿相对应的控制电流值。因此，在未生成控制电流值的其余时间
内，仅将基准电流值施加到电机20。
[0069]
图3是示出根据本发明的实施例的与每个齿序号相对应生成的控制电流的曲线图。
[0070]
在图3中，横轴表示齿轮泵的角度并且表示0～360度的范围，并且纵轴表示针对每个齿序号的齿生成的控制电流值。由于齿轮泵的角度随时间变化，因此图3的纵轴可以对应于时间轴。
[0071]
电流控制器130根据时间可变地生成与顺序地到达基准位置的所有齿相对应的控制电流值。此时，每当齿到达基准位置时，电流控制器130通过就等式1瞬时生成控制电流值。
[0072]
本文中，可以看出控制电流随时间的模式具有正弦函数形式。即，控制电流值可以具有周期为360度的正弦函数形式。
[0073]
此外，由于控制电流值被加到基准电流值(i
s_ref
)并从而作为输入电流被施加到电机20(参见图1)，因此在未生成控制电流时(控制电流为零时)，仅基准电流(i
s_ref
)被施加到电机20。
[0074]
图4是示出泵控制系统的图，该泵控制系统应用有根据本发明实施例的通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵的噪声的装置。
[0075]
图4示出了用于操作电机20的电机驱动单元。参照图4，电机驱动单元可以包括速度控制器21、电流控制器22、以及脉冲宽度调制(pwm)逆变器23。电机驱动单元可以嵌入在电机20中，或者连接到电机20。
[0076]
电机驱动单元基于与控制值相对应生成的pwm信号，通过pwm控制来控制电机20，并且电机20通过pwm控制被驱动并且被速度控制。
[0077]
电机驱动单元电连接在装置100和电机20之间，将由装置100生成的控制电流值和从速度控制器21输出的基准电流值相加、并且将它们(控制电流值和基准电流值)施加到电流控制器22。当控制电流为零时，仅将基准电流值施加到电流控制器22。
[0078]
电流控制器22将电流值转换为电压值，并且将电压值输出到pwm逆变器23。pwm逆变器23基于从电流控制器22输入的电压值生成pwm信号，并且将pwm信号施加到电机20。电机20的轴的操作和速度根据pwm信号来控制，并且因此，与电机20的轴连接的齿轮泵10的操作和速度被控制。
[0079]
电机可以设置有位置传感器，以检测电机20的轴的旋转位置或旋转角度。由位置传感器检测到的轴的旋转位置或旋转角度被传送到速度控制器21，并且速度控制器21可以补偿反馈角(ω
m_beedback
)(例如，由位置传感器检测到的电机的轴的旋转角度)和参考角(ω
m_ref
)之间的误差。此外，可以将从pwm逆变器23输出的pwm信号反馈到基准电流值。
[0080]
如上所述，可以看出，由装置100生成的控制电流值被用作控制电机20的输入信号。装置100可以像图4中那样电连接到电机20，但是装置100可以嵌入到电机驱动单元中。
[0081]
由于电机驱动单元通过反映电机20的轴的旋转角来生成用于控制电机20的速度的控制电流值，因此可以稳定地控制电机20。
[0082]
图5是示出根据本发明实施例的通过非均匀间距模拟控制来降低齿轮泵的噪声的方法的流程图。
[0083]
如图5所示，在步骤s510中，用于降低齿轮泵的噪声的装置100通过将齿轮泵10的
齿数、齿序号、以及齿角应用于预定函数，来针对每个齿序号的齿计算不同的控制电流值。此时，装置100可以基于非均匀间距生成函数，通过等式1计算与该齿序号的齿相对应的控制电流值。
[0084]
在步骤s520，装置100针对每个齿映射并存储齿序号和与齿序号相对应的控制电流值。然后，装置100基于映射的信息操作齿轮泵10，从而最小化齿轮泵10的操作噪声。
[0085]
为此，当齿轮泵10由电机20操作时，装置100基于每个齿的位置生成控制电流值。具体地，在步骤s530，装置100通过使齿轮泵10的每个齿顺序地到达基准位置的定时同步来生成由齿序号映射的控制电流值。
[0086]
在步骤s540，控制电流值与基准电流值相加，并且作为控制信号施加到电机20。
[0087]
在本发明的实施例中，齿轮泵10可以是电动液压泵。当根据本发明实施例的方法应用于电动液压泵时，电机速度和转矩瞬时改变，以启动类似于在非均匀间距下应用的模拟控制。
[0088]
也就是说，通过改变施加到外部齿轮的齿的每个位置的电流(或转矩)，其中非均匀间距不能机械地施加到外部齿轮的齿，可以实现模拟非均匀间距的控制。
[0089]
图6是示出当根据本发明的实施例的非均匀间距模拟控制应用于电动液压泵时的噪声测量结果和当非均匀间距模拟控制未应用于电动液压泵时的传统技术的噪声测量结果的曲线图。
[0090]
此时，作为降低噪声的测试条件，将外齿轮的齿数设为11，齿轮转速设为1500rpm，齿轮泵内的液压设为1bar。
[0091]
参考图6，本发明的整个噪声值几乎与传统技术相同，但是可以看到噪声值的峰值减小，并且峰值周围的频带在旋转速度和齿数的混合频率(例如，275hz＝25hz
×
11)的多个频率(例如，550hz，825hz)处是分散的。特别地，与传统技术相比，本发明实施例的最大峰值降低了约4-5db。
[0092]
图7是当根据本发明实施例的非均匀间距模拟控制应用于电动液压泵时的频谱图，以及当非均匀间距模拟控制未应用于电动液压泵时的传统技术的频谱图。图7是在频率-时间域中显示彩色噪声电平的频谱图。在图7中，越接近深色，噪声越大。
[0093]
参照图7，可以看出，与传统技术相比，本发明的实施例的噪声在550hz和825hz频带中被降低，并且噪声频带被分散。如果将本发明的实施例应用于避免共振频率的特定旋转速度，则可以使降噪效果最大化。
[0094]
根据如上所述的本发明的实施例，当操作在齿轮泵中齿均匀设置的齿轮泵时，由于基于施加到电机的电流值由软件执行非均匀间距模拟控制，因此可以有效地降低齿轮泵的驱动噪声。
[0095]
尽管本发明已经结合目前认为是实用的实施例进行了描述，但应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种变型例和等效布置。