一种恒流量的水泵控制方法与流程

1.本发明涉及泵控制领域，具体涉及一种恒流量的水泵控制方法。


背景技术：

2.在常温下流量达标的水泵，在低温下运行，受到液体粘度变高的影响，流量可能会大大减损，某些特殊的行业(例如啤酒酿造等)，因为传送的液体粘度高，也会导致水泵流量不足。
3.现有技术中，通常通过流量传感器进行流量检测并反馈从而进行流量调节，此种方式需要额外安装流量传感器，并且针对特殊应用场景，例如，流量传感器在用来测量粘性液体时，粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上，极易造成测量误差的逐渐偏大，从而造成流量输出存在误差。
4.综上所述，急需一种恒流量的水泵控制方法以解决现有技术中流量输出不稳定的问题。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种恒流量的水泵控制方法，以解决现有技术中流量输出不稳定的问题，具体技术方案如下：
6.一种恒流量的水泵控制方法，包括如下步骤：
7.步骤s1：水泵收到启动信号，水泵给定初始功率p0运行；
8.步骤s2：检测当前水泵的转速n0，并通过转速n0计算当前被输送液体的粘度μ；
9.步骤s3：根据粘度μ计算达到目标流量所需的功率p1，并控制水泵以功率p1运行；
10.步骤s4：检测水泵以功率p1运行时的转速n1；
11.步骤s5：判断水泵的转速n1变化量是否在设定范围内；
12.当转速n1变化量不在设定范围内时，以功率p1为给定初始功率并返回步骤s1；
13.当转速n1变化量在设定范围内时，返回步骤s4继续检测转速n1。
14.以上技术方案优选的，所述步骤s2中，粘度μ的计算如式1)所示：
15.μ＝((t
max-n0k2)*c)
12 1)；
16.其中，t
max
表示水泵的电机的最大扭矩；k2表示反比例常数；c表示被输送液体的粘度和转速之间关系的常数值。
17.以上技术方案优选的，k1表示电机功率的常数；k1＝9.55。
18.以上技术方案优选的，步骤s3中，功率p1如式2)所示；
19.p1＝p
motor
＝p
hf
pu p
ir 2)；
20.其中，p
motor
表示水泵电机的输入电功率；p
hf
表示水泵电机搬运液体的功率；pu表示水泵电机克服液体变形的功率；p
ir
表示电机的热损功率。
21.以上技术方案优选的，式2)中，
[0022][0023]
其中，p
shaft
表示水泵电机轴功率。
[0024]
以上技术方案优选的，式2)中，p
ir
＝ir2；其中，i表示水泵电机电流；r表示水泵电机绕组电阻。
[0025]
以上技术方案优选的，所述步骤s5中，转速n1变化量是否在设定范围内的判定规则如下式3)所示：
[0026][0027]
δn表示水泵在δt时刻内的转速变化量；表示水泵在时刻ti以功率p1运行时的转速；表示水泵在时刻t
i-1
以功率p1运行时的转速；δt＝t
i-t
i-1
；
[0028]
当δn大于5％时，判定转速n1变化量不在设定范围内，反之，则判定转速n1变化量在设定范围内。
[0029]
以上技术方案优选的，δt选取为80-1000毫秒。
[0030]
以上技术方案优选的，还包括用于选取δt具体范围的步骤s6：
[0031]
判定δn是否连续m次在设定范围内，
[0032]
如果δn连续m次在设定范围内，则选取δt为500-1000毫秒并返回步骤s5以功率p1持续运行，反之，则选取δt为80-100毫秒并返回步骤s5以功率p1持续运行。
[0033]
以上技术方案优选的，m为800-1000。
[0034]
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
[0035]
(1)本发明的恒流量的水泵控制方法与传统的恒流量水泵控制方式不同，传统的恒流量控制需要流量传感器检测流量作为反馈，本发明直接利用水泵的转速，经过一系列数学转换，得出实时的流量变化，从而进行流量恒定的控制，节省了流量传感器的成本，能缩小设备体积，还能应用在特殊液体的工况，并且本发明通过检测转速的变化范围，间接监测输出流量是否在目标范围内，具有良好的适用性，也避免了流量的短暂波动引起的系统流量反馈，从而避免造成系统计算负担过大的问题。
[0036]
(2)本发明中，在恒定功率运行下，通过计算转速变化量是否连续m次在设定范围内，从而判定工作状态是否稳定，如若工作状态稳定，则相应的降低转速的采样频率(降低系统负担)，反之，则保持高的采样频率(即此时保证高频率的转速检测和反馈)，以快速将输出流量调整反馈至目标流量，实用性好。
[0037]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0038]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0039]
在附图中：
[0040]
图1是本实施例的恒流量的水泵控制方法的流程图。
具体实施方式
[0041]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0042]
实施例：
[0043]
本实施例公开一种恒流量的水泵控制方法，首先，本实施例先通过相关测试实验获取相关的参数，如下：
[0044]
一：测试不同粘稠度的液体在叶轮(即水泵叶轮)中的轴功率消耗表(如下表1所示)：
[0045]
通过实验测试得到不同粘度的液体，在获得恒定转速的情况下，在水泵泵头内部随运转的功率变化规律；
[0046]
分析原理是：粘稠度可以看作是液体反抗变形的能力，只有在液体产生相对运行时才会产生，液体在离心叶轮中心流向叶轮内部和离开叶轮内部流向叶轮边缘，去向叶轮周边时都会产生形变，变形过程很复杂，但是根据复杂系统分析方法，可以将此过程等效为一种消耗电机轴功率的力；故，粘稠度的大小与水泵电机轴功率的损耗成正比，根据能量守恒的理论：电机输出的轴功率分别变成了水泵将液体搬运往高处做的功和使有黏度的液体变形做的功，公式表达为：p
shaft
＝p
hf
p
u a1)，其中：
[0047]
p
shaft
表示水泵电机轴功率；p
hf
表示水泵电机搬运液体的功率(在测试时，液体不产生相对于海平面垂直方向的上升和下降，水泵将液体搬运往高处做的功为0)；pu表示水泵电机克服液体变形的功率，即，上述公式a1)可以简化表达为公式a2)：p
shaft
＝pu；
[0048]
进行试验，测算不同粘稠度在不同转速下的功率消耗，得到下表1：
[0049]
表1转速、粘度对应的轴功率消耗
[0050]
[0051][0052]
结合上表1，利用计算机多项式拟合计算可得公式a3)：
[0053]
其中，根据电机轴功率计算公式a4)：p
shaft
＝t*n/k1；
[0054]
t：轴扭矩；n：轴转速；k1：常数9.55(电机功率的常数，为已知常数)；
[0055]
在电机(水泵电机)设计固化后，t和n与电流的关系是一定的，直流电机的特性曲线中，转速随扭矩增加线性降低，可得电机设计固化后得到两者之间的计算公式a5)：t＝t
max-nk2，其中，t
max
表示电机最大扭矩(堵转扭矩)，t
max
为已知数；k2表示反比例常数，k2为已知数；
[0056]
公式a3)和a4)可表达为，可得式a)：
[0057]
μ＝(t*4.2
×
107/k1)
1/2
a)；
[0058]
二、维持恒流量的输入功率值公式推导：
[0059]
p
motor
＝p
hf
pu p
ir
b)；
[0060]
其中，p
motor
表示水泵电机的输入电功率；p
hf
表示水泵电机搬运液体的功率；pu表示水泵电机克服液体变形的功率；p
ir
表示电机的热损功率；
[0061]
式b)中，p
ir
＝ir2，i表示水泵电机电流；r表示水泵电机绕组电阻；
[0062]
上述式b)可表达为：
[0063]
通过上述对式a)和式b)的原理说明，可推导出本实施例中的式1)和式2)，详后。
[0064]
本实施例的恒流量的水泵控制方法如下，具体包括步骤s1至步骤s6，如图1所示：
[0065]
步骤s1：外部给予水泵(即微型泵、无刷直流水泵等)电启动信号，水泵收到启动信号后，水泵给定初始功率p0运行；
[0066]
步骤s2：在初始功率p0运行后，通过现有技术手段(例如霍尔传感检测等)检测当前水泵的转速n0，并通过转速n0计算当前被输送液体的粘度μ，如式1)所示，式1)参照上述式a)和式a5)推导得到，式1)如下：
[0067]
μ＝((t
max-n0k2)*c)
12 1)；
[0068]
其中，t
max
表示水泵的电机的最大扭矩；k2表示反比例常数；c表示被输送液体的粘度和转速之间关系的常数值(恒功率输出时，水泵的转速与液体的粘稠度成反比)；
[0069]
进一步的，c的取值是：
[0070]
经过上述公式1)，可计算得出液体粘度；
[0071]
步骤s3：根据粘度μ计算达到目标流量所需的功率p1，并控制水泵以功率p1运行，即计算恒流量(目标流量)下的功率值(即p1)，参考上述的公式b)，将粘度μ和目标流量作为已知数代入式2)，可得：
[0072]
p1＝p
motor
＝p
hf
pu p
ir 2)；
[0073]
其中，p
motor
表示水泵电机的输入电功率；p
hf
表示水泵电机搬运液体的功率；pu表示水泵电机克服液体变形的功率；p
ir
表示电机的热损功率；
[0074]
在式2)中，需要说明的是：目标流量恒定时，p
hf
就恒定，即p
hf
是目标值，为已知数；上述式2)中，pu＝p
shaft
。
[0075]
通过上述步骤s3的式2)即可计算得出，不同粘度液体在恒流量下的功率(即p1)；
[0076]
步骤s4：水泵以功率p1持续运行，并检测水泵以功率p1运行时的转速n1，此处转速的检测采用现有技术手段，例如霍尔传感器检测；
[0077]
此处检测转速n1具体是：初始时，以初始的δt(即初始采样间隔，也即采样频率)采集转速n1，δt等于前后两个采样时刻的间隔值，即δt＝t
i-t
i-1
；而在步骤s6返回该步骤s4时，采用步骤s6选取的δt作为后续的转速采样间隔值，举例如下：
[0078]
以初始的δt等于80毫秒为例，在第一采样时刻t1(即使用功率p1运行后的第1毫秒)第一次采集转速n1，在第二采样时刻t2(也就是第81毫秒)第二次采集转速n1，在第三采样时刻t3(也就是第161毫秒)第三次采集转速n3，即以δt为间隔，依次采集转速n1；
[0079]
本实施例中，δt选取在80毫秒-1000毫秒内，初始的δt可选取为80或100毫秒。
[0080]
步骤s5：判断水泵的转速n1变化量是否在设定范围内；
[0081]
当转速n1变化量不在设定范围内时，以功率p1为给定初始功率并返回步骤s1，即返回步骤s1时，采用功率p1计算粘度；
[0082]
当转速n1变化量在设定范围内时，返回步骤s4继续检测转速n1，即保持当前的功率状态；
[0083]
对此步骤s5的解释是：通过转速n1变化量判断粘度是否发生变化(即粘度发生变化，转速随之变化)，如发生变化时，重新计算达到目标流量所需的功率(即p1)，保证粘度变化时能进行及时的反馈，保证输出流量的稳定；
[0084]
转速n1变化量是否在设定范围内的判定规则如下式3)所示：
[0085][0086]
δn表示水泵在δt时刻内的转速变化量；表示水泵在时刻ti以功率p1运行时的转速；表示水泵在时刻t
i-1
以功率p1运行时的转速；δt＝t
i-t
i-1
；
[0087]
当δn大于5％时，判定转速n1变化量不在设定范围内，反之如果δn小于等于5％时，则判定转速n1变化量在设定范围内，也即，当在两个相邻采样时刻采集的以功率p1运行时的转速的变化量大于5％时，则需要重新返回步骤s1；
[0088]
步骤s6：根据步骤s5中δn的判定结果来判定或选取δt的具体范围，即选择具体的转速采样间隔，如下：
[0089]
如果δn连续m次在设定范围内，则选取δt为500-1000毫秒并返回步骤s5以功率p1持续运行，反之如果δn没有连续m次在设定范围内，则选取δt为80-100毫秒并返回步骤s5以功率p1持续运行；
[0090]
即判断转速n1变化量是否连续m次(次数可根据实际情况调整，本实施例中优选m为800-1000次，进一步优选m为1000次)没有发生变化，如果是，说明水泵液体粘度已经稳定，调整转速的采样周期为500
‑‑
1000毫秒(例如800毫秒)，若不是，则说明水泵液体粘度还没有稳定，则选取采样间隔为80-100毫秒(例如80或90毫秒)。
[0091]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。