本实用新型涉及液压技术领域，具体涉及一种双闭环脉动抑制微型高压泵控制系统。
背景技术：
现有的高压泵由于双凸轮泵的机械工作原理，可能由于凸轮曲线及安装位置误差，导致阿基米德螺旋线出现变异，以及由于压缩弹簧工作系数不匹配，均导致高压泵压力脉动。
凸轮曲线是依据阿基米德螺旋线加工，保证推杆匀速运动，两凸轮相位差180°，加工精度，弹簧弹性系数，安装精度满足情况下，电机每转动1°，出液量0.001ul，理论上电机扭矩大于负载扭矩，并匀速运动状况下恒流，并恒压，但是实际工作时高压泵对液体进行挤压加压，弹簧压缩和舒张过程由于压力不一样，如果液体压力过大会超过电机扭矩，会导致电机不是匀速转动，另外由于单向阀的周期性开闭，压力必然在某一个区间范围内周期性波动之外还会加上上述原因导致的扰动。
电机克服负载转矩过程中，只有电机的扭矩大于最大负载扭矩才能保证压力恒定，但是由于实际应用时压力是连续可设定的，不同压力对应负载扭矩不一样，常规做法是只要一运行就让电机工作在大于系统最大压力时的负载扭矩，对于开环的步进电机或者直流电机这种形式是不可控的，而且电机长期处于最大功率状态也会影响电机寿命。
技术实现要素：
本实用新型提供了一种双闭环脉动抑制微型高压泵控制系统，从电机扭矩上保证压缩弹簧工作的扭矩匹配，并降低对于机械安装的精度需求，从而给检测系统提供稳定的流量、以及更高的检测精度，减小对于机械双凸轮运动曲线的严格精确度的依赖度。
本实用新型采用如下技术方案：
一种双闭环脉动抑制微型高压泵控制系统，包括微型高压泵和控制系统，所述微型高压泵包括高压泵头、压力传感器、出液管、进液管、压缩弹簧、主动轮、从动轮、凸轮、同步带、直流电机、增量式光电编码器、光电开关、高压泵体、并连接头、第一柱塞杆、第二柱塞杆；所述高压泵头通过压缩弹簧连接所述高压泵体，所述并联接头连接所述高压泵头并设置在所述高压泵头上方，所述进液管与所述出液管均连接所述高压泵头，所述进液管与所述出液管均设置在所述高压泵头下方，所述出液管上设置有压力传感器，所述直流电机设置在所述高压泵体的远离所述高压泵头的一侧，所述直流电机的输出轴连接所述主动轮，所述主动轮通过同步带连接所述从动轮，所述从动轮设置在所述高压泵体的紧邻直流电机的一侧，所述直流电机远离输出轴的一侧设置增量式光电编码器，所述第一柱塞杆与第二柱塞杆设置在所述高压泵头内部，所述第一柱塞杆连接所述进液管，所述第二柱塞杆连接所述出液管，所述凸轮设置在所述高压泵体内部，所述凸轮同轴连接所述从动轮，所述压力传感器、光电开关、直流电机和增量式光电编码器均连接控制系统；
所述控制系统包括mcu、专用运动控制器、电机功率驱动器；所述光电开关与增量式光电编码器连接所述mcu，所述压力传感器通过压力采集电路连接所述mcu，所述mcu连接通过通讯接口连接所述专用运动控制器，所述专用运动控制器包含运动梯形发生器、闭环pid调节器和电机位置解码器，所述梯形运动发生器、闭环pid调节器和电机位置解码器集成在所述专用运动控制器上，所述专用运动控制器通过所述闭环pid控制器连接所述电机功率驱动器，所述专用运动控制器通过所述电机位置解码器连接所述增量式光电编码器，所述增量式光电编码器还连接所述直流电机，所述电机功率驱动器连接所述直流电机。
进一步地，所述出液管上还设置有第一单向阀。
进一步地，所述第一柱塞杆与第二柱塞杆之间设置有第二单向阀。在第一柱塞杆与第二柱塞杆之间设置第二单向阀可以防止回流。
进一步地，所述凸轮的数量为两个，所述两个凸轮同轴连接。
进一步地，所述压力采集电路包括第一连接器p1、第一放大器u1、第二放大器u2、第一到第六电阻r1-r6、第一到第六电容c1-c6；所述电机功率驱动器包括第七芯片u7、第二直流电机接口p2、第一三极管q1、第六电解电容e6、第十八到第二十一电容c18-c21、第二十二电容c22、第十九电阻r19、第二十二电阻r22、第二十四电阻r24、第二十七电阻r27、第二十九电阻r29；所述专用运动控制器包括第四芯片u4、第二有源晶振y2、第三电解电容e3、第一电容c1、第二电容c2、第十四电容c14、第十六电容c16、第二十三电阻r23、第十一电容组r11、第四电容组r4、第五电容组r5、第十电容组r10、第三增量式光电编码器接口p3、第二十八电阻r28、第三十到第三十五电阻r30-r35。
进一步地，所述专用运动控制器中第十一电容组r11、第四电容组r4、第五电容组r5、第十电容组r10均包含八个电阻。
本实用新型的有益效果为：
(1)通过运动专用控制器组成闭环系统，内部集成pid控制器，保证电机在一定扭矩下运动，即在双凸轮阿基米德曲线正确的状况下通过电控系统辅助曲线更精确的运动，避免单向阀切换(主要原因)，液体压力，安装误差，加工误差等对系统的扰动，并通过第二闭环进行补偿，进一步减小脉动。
(2)采用专用运动控制器，在一个芯片内集成了数字式运动控制器的全部功能，进而拥有一个快速、准确的运动控制系统。
(3)根据设定压力值大小改变电机扭矩，优化电机运行参数，有利于高压泵电机寿命延长，避免长电机期高负荷运行。
(4)通过压力传感器检测液路压力值，对异常压力进行报警。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种双闭环脉动抑制微型高压泵控制系统的整体结构示意图。
图2为本实用新型中高压泵的结构示意图。
图3为本实用新型中控制系统的结构示意图。
图4为本实用新型控制系统工作流程示意图。
图5为本实用新型中压力采集电路的放大电路连接图。
图6为本实用新型中电机功率驱动器的放大电路连接图。
图7为本实用新型中专用运动控制器的放大电路连接图。
附图中，高压泵头1、出液管2、压力传感器3、进液管4、压缩弹簧5、从动轮6、同步带7、主动轮8、直流电机9、增量式光电编码器10、高压泵体11、并联接头12。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1所示，一种双闭环脉动抑制微型高压泵控制系统，包括微型高压泵和控制系统。
如图2所示，所述微型高压泵包括高压泵头1、压力传感器3、出液管2、进液管4、压缩弹簧5、主动轮8、从动轮6、凸轮、同步带7、直流电机9、增量式光电编码器10、光电开关、高压泵体11、并连接头、第一柱塞杆、第二柱塞杆；所述高压泵头1通过压缩弹簧5连接所述高压泵体11，所述并联接头12连接所述高压泵头1并设置在所述高压泵头1上方，所述进液管4与所述出液管2均连接所述高压泵头1，所述进液管4与所述出液管2均设置在所述高压泵头1下方，所述出液管2上设置有压力传感器3和第一单向阀，所述直流电机9设置在所述高压泵体11的远离所述高压泵头1的一侧，所述直流电机9的输出轴连接所述主动轮8，所述主动轮8通过同步带7连接所述从动轮6，所述从动轮6设置在所述高压泵体11的紧邻直流电机9的一侧，所述直流电机9远离输出轴的一侧设置增量式光电编码器10，所述第一柱塞杆与第二柱塞杆设置在所述高压泵头1内部，所述第一柱塞杆连接所述进液管4，所述第二柱塞杆连接所述出液管2，所述第一柱塞杆与第二柱塞杆之间设置有第二单向阀，所述凸轮设置在所述高压泵体11内部，所述凸轮同轴连接所述从动轮6，所述凸轮的数量为两个，所述两个凸轮同轴连接，所述压力传感器3、光电开关、直流电机9和增量式光电编码器10均连接控制系统。
高压泵的工作原理为：第一柱塞杆后退形成真空吸液时，进液管上的第一单向阀打开，液体从第一柱塞杆与第二柱塞杆混合后阀流入泵体，此时第二柱塞杆向后端系统注射试剂，当第一柱塞杆吸完试剂后，向后端系统注射试剂同时第二柱塞杆后退留出的空间由第一柱塞杆推出的试剂填补，第一柱塞杆与第二柱塞杆之间设置一个第二单向阀隔开，以防止回流，直流电机驱动主动轮通过同步带带动从动轮，从动轮上同轴设置两个凸轮，凸轮带动第一柱塞杆与第二柱塞杆做往复直线运动，液体经过压力传感器进行数据采集并提供给控制系统反馈。
如图3所示，所述控制系统包括mcu、专用运动控制器、运动梯形图发生器、闭环pid调节器、电机位置解码器、电机功率驱动器；所述光电开关与增量式光电编码器10连接所述mcu，所述压力传感器3通过压力采集电路连接所述mcu，所述mcu连接通过通讯接口连接所述专用运动控制器，所述运动梯形发生器、闭环pid调节器、电机位置解码器分别连接专用运动控制器，所述闭环pid控制器还连接所述电机功率驱动器，所述电机位置解码器通过所述增量式光电编码器10连接所述直流电机9，所述电机功率驱动器连接所述直流电机9。
运动专用控制器组成的闭环系统，内部集成pid控制器，保证电机在一定扭矩下运动，即在双凸轮阿基米德曲线正确的状况下通过电控系统辅助曲线更精确的运动。lm629用一个数字比例微积分滤波器kauai补偿控制环，电机被“与电机位置误差成正比例 积分 微分”的恢复力保持在期望的位置。离散-时间方程式阐述了控制流程：
其中，u(n)是采样周期的电机控制信号输出，e(n)是采样周期n的位置误差，e(n')对应采样率的微分，kpkikd是装载离散时间滤波器参数。比例环节：提供一个与位置误差成比例的恢复力；积分环节：提供随时间增长的恢复力，这样保证静态位置零误差，如果是恒定力矩负载，电机仍能达到位置零误差；微分环节：提供一个位置误差变化率的比例阻尼。
双凸轮交替供液和吸液，经过两次加压流出，整个循环经过了两次加压。单向阀周期性开闭，周期信号需要将扰动去除，扰动去除后将周期型号进行有效值处理，即可得出比较稳定的压力值。而流量经过严格标定，流入后端层析柱，压力越稳定，压力脉动越小，物质之间化学反应越均匀、充分，但是在应用时压力变化是一个瞬时值，流量是一个时间积累过程，比如在空载时在规定时间20s内我们精确转动1000转，进入后端的流量就是精确的1000*0.001ul*360＝360ul，但是压力越大，液体密度会产生变化，流量就会出现误差，比如在1m压力时出360ul的液体需要1000转，但2m是就需要1024转，3m时需要1060转，故系统需要通过标定将常用的压力单位转数存入数组表中，一旦压力设定，根据标定压力表提取相对应的转数进行驱动才能得出准确的流量值。
通过直流闭环控制系统可以将pid参数调整电机扭矩大小，那么通过pid控制算法可以改变pid参数电机的扭矩和改变pid参数来改变扭矩的大小，为了适应不同压力状态下的负载扭矩的不同，并考虑电机的最佳运行状态电机扭矩根据下面公式计算：(空载转矩 液体压力转矩)*(1 k)＝电机转矩，其中，系数k一般取经验值0.5～1.0，液体压力转矩与液体压力成正比关系，换算电机转矩跟液体压力成一次线性关系，设定不同压力值计算出电机的扭矩对应的pid参数，利用临界稳定测量法进行pid参数值标定--设置方法：设定一压力、流量值，然后检测压力实时参数，不断增大比例参数，在压力比较稳定的状态下，确定下来，其他压力状态按照比例计算，那么电机工作就总是在满足系统要求状态下以最优系数工作。
在保证了流量精度和压力基本恒定的状况下，由于还是存在着压力周期脉动的情况，所以需要根据压力周期性波动，在mcu内部构建第二pid闭环，根据pid在转动转数(流量)精确的前提下通过微分环节调节速度，对压力脉动进一步补偿，减小脉动。
如图5所示，所述压力采集电路包括第一连接器p1、第一放大器u1、第二放大器u2、第一到第六电阻r1-r6、第一到第六电容c1-c6。本实施例中，第一连接器p1采用header4，第一放大器u1采用ad620cn，第二放大器u2采用lm358，第二电阻r2大小为510r，第五电阻r5大小为1k，第二电容c2、第三电容c3、第五电容c5、第六电容c6大小均为0.1uf。
传感器输出差分信号，经过ad620放大倍数计算公式：
如图6所示，所述电机功率驱动器包括第七芯片u7、第二直流电机接口p2、第一三极管q1、第六电解电容e6、第十八到第二十一电容c18-c21、第二十二电容c22、第十九电阻r19、第二十二电阻r22、第二十四电阻r24、第二十七电阻r27、第二十九电阻r29。本实施例中，第七芯片u7采用lmd18200，第一三极管q1采用s9013，第六电解电容e6大小为470uf/35v，第十八电容和第二十一电容大小均为0.1uf，第十九电容、第二十电容、第二十二电容c22大小均为0.01uf，第十九电阻r19、第二十二电阻r22大小为均为10k，第二十四电阻r24大小为100k，第二十七电阻r27大小为2.2k，第二十九电阻r29大小为3.9k。
采用集成驱动芯片lmd18200，内部集成了四个dmos管，组成一个标准的h型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路工作在一个300khz左右的工作频率。可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚2到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻r29，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10a，当超过该值时会自动关闭输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145°时引脚9有输出信号。其中刹车break信号低电平有效，可通过电流将电机抱死。使用专门的电机控制芯片lmd18200可以减轻单片机负担，工作更可靠。
如图7所示，所述专用运动控制器包括第四芯片u4、第二有源晶振y2、第三电解电容e3、第一电容c1、第二电容c2、第十四电容c14、第十六电容c16、第二十三电阻r23、第十一电容组r11、第四电容组r4、第五电容组r5、第十电容组r10、第三增量式光电编码器接口p3、第二十八电阻r28、第三十到第三十五电阻r30-r35。专用运动控制器中第十一电容组r11、第四电容组r4、第五电容组r5、第十电容组r10均包含八个电阻。本实施例中，第四芯片u4采用lm629m-8，第二有源晶振y2为8m有源晶振，第三电解电容e3大小为22uf，第一电容c1、第二电容c2、第十四电容c14、第十六电容c16大小均为0.1uf，第二十三电阻r23大小为10r，第十一电容组r11、第十电容组r10大小均为120r，第四电容组r4、第五电容组r5大小均为10k，第二十八电阻r28大小为0，第三十电阻r30大小为249r，第三十一到第三十四电阻r31-r34大小均为3.3k，第三十五电阻r35大小为1m。
采用lm629专用运动控制器，在一个芯片内集成了数字式运动控制器的全部功能。lm629通过通讯接口与mcu通讯，输入运动参数和控制参数，输出状态和信息，用增量式光电编码器来反馈电机的实际位置、增量式光电编码器的位置信号encoder-a、encoder-b经过lm629四倍频，使分辨率提高。encoder-a、encoder-b逻辑状态每变化一次，lm629内位置寄存器就会加(减)1，编码盘的a、b、z信号同时低电平时，就产生一个nin信号送入index寄存器，记录电机的绝对位置。
本实用新型的有益效果为：
(1)通过运动专用控制器组成闭环系统，内部集成pid控制器，保证电机在一定扭矩下运动，即在双凸轮阿基米德曲线正确的状况下通过电控系统辅助曲线更精确的运动，避免单向阀切换(主要原因)，液体压力，安装误差，加工误差等对系统的扰动，并通过第二闭环进行补偿，进一步减小脉动。
(2)采用专用运动控制器，在一个芯片内集成了数字式运动控制器的全部功能，进而拥有一个快速、准确的运动控制系统。
(3)根据设定压力值大小改变电机扭矩，优化电机运行参数，有利于高压泵电机寿命延长，避免电机长期高负荷运行。
(4)通过压力传感器检测液路压力值，对异常压力进行报警。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。
1.一种双闭环脉动抑制微型高压泵控制系统，其特征在于，包括微型高压泵和控制系统，所述微型高压泵包括高压泵头、压力传感器、出液管、进液管、压缩弹簧、主动轮、从动轮、凸轮、同步带、直流电机、增量式光电编码器、光电开关、高压泵体、并连接头、第一柱塞杆、第二柱塞杆；所述高压泵头通过压缩弹簧连接所述高压泵体，并联接头连接所述高压泵头并设置在所述高压泵头上方，所述进液管与所述出液管均连接所述高压泵头，所述进液管与所述出液管均设置在所述高压泵头下方，所述出液管上设置有压力传感器，所述直流电机设置在所述高压泵体的远离所述高压泵头的一侧，所述直流电机的输出轴连接所述主动轮，所述主动轮通过同步带连接所述从动轮，所述从动轮设置在所述高压泵体的紧邻直流电机的一侧，所述直流电机远离输出轴的一侧设置增量式光电编码器，所述第一柱塞杆与第二柱塞杆设置在所述高压泵头内部，所述第一柱塞杆连接所述进液管，所述第二柱塞杆连接所述出液管，所述凸轮设置在所述高压泵体内部，所述凸轮同轴连接所述从动轮，所述压力传感器、光电开关、直流电机和增量式光电编码器均连接控制系统；
所述控制系统包括mcu、专用运动控制器、电机功率驱动器；所述光电开关与增量式光电编码器连接所述mcu，所述压力传感器通过压力采集电路连接所述mcu，所述mcu连接通过通讯接口连接所述专用运动控制器，所述专用运动控制器包含运动梯形发生器、闭环pid调节器和电机位置解码器，梯形运动发生器、闭环pid调节器和电机位置解码器集成在所述专用运动控制器上，所述专用运动控制器通过所述闭环pid控制器连接所述电机功率驱动器，所述专用运动控制器通过所述电机位置解码器连接所述增量式光电编码器，所述增量式光电编码器还连接所述直流电机，所述电机功率驱动器连接所述直流电机。
2.根据权利要求1所述的一种双闭环脉动抑制微型高压泵控制系统，其特征在于，所述出液管上还设置有第一单向阀。
3.根据权利要求1所述的一种双闭环脉动抑制微型高压泵控制系统，其特征在于，所述第一柱塞杆与第二柱塞杆之间设置有第二单向阀。
4.根据权利要求1所述的一种双闭环脉动抑制微型高压泵控制系统，其特征在于，所述凸轮的数量为两个，所述两个凸轮同轴连接。
5.根据权利要求1所述的一种双闭环脉动抑制微型高压泵控制系统，其特征在于，
所述压力采集电路包括第一连接器p1、第一放大器u1、第二放大器u2、第一到第六电阻r1-r6、第一到第六电容c1-c6；
所述电机功率驱动器包括第七芯片u7、第二直流电机接口p2、第一三极管q1、第六电解电容e6、第十八到第二十一电容c18-c21、第二十二电容c22、第十九电阻r19、第二十二电阻r22、第二十四电阻r24、第二十七电阻r27、第二十九电阻r29；
所述专用运动控制器包括第四芯片u4、第二有源晶振y2、第三电解电容e3、第一电容c1、第二电容c2、第十四电容c14、第十六电容c16、第二十三电阻r23、第十一电容组r11、第四电容组r4、第五电容组r5、第十电容组r10、第三增量式光电编码器接口p3、第二十八电阻r28、第三十到第三十五电阻r30-r35。
6.根据权利要求5所述的一种双闭环脉动抑制微型高压泵控制系统，其特征在于，所述专用运动控制器中第十一电容组r11、第四电容组r4、第五电容组r5、第十电容组r10均包含八个电阻。
技术总结