现有技术的许多泵包括机械压力开关，或半导体霍尔传感器，或者测压元件，或者任何其他形式的电子压力传感装置，它在超过一定压力(即关闭压力)时关闭该泵。该压力开关、霍尔传感器或者测压元件典型的处于与泵内流体物理连通的位置。当该流体的压力超过该关闭压力时，该流体的力推动机械开关断开该泵的电源电路或者产生相应的电信号以跟踪该设定压力。机械开关有一定的局限性。例如，在重复断开和闭合泵的电源电路的过程中，在开关的触点之间经常会发生电弧放电和烧焦。该压力由于非重复和/或非线性的特性而不能保持恒定。所以，完全依靠该压力开关或传感器总是会给出不一致的控制环。
有鉴于此，在本领域中有必要改进泵控制器，以解决在已知的泵设计中与机械压力开关或传感器相关的问题。

为了克服机械压力开关和压力传感器的上述问题，本发明提供一种不直接感测压力而使用电流感测以将压力控制在恒定水平的新技术。这种新技术将有助于降低仅仅依赖于压力开关或传感器及它们的非线性，以及其他相关问题，如非重复的特性，以及其他已知的与受电磁干扰(EMI)影响相关的问题，等等。
根据一些实施方式，本发明可以是设备的形式，如泵控制器，其特征在于一个或多个模块被构造成：响应于包含与泵提供的电流相关的信息的一个或多个输入信号；并且还构造成提供包含用于不直接感测泵压力而控制泵在基本恒定压力下运行的信息的一个或多个输出信号。
本发明的实施方式还包括以下特征中的一个或多个：
例如，该一个或多个模块可以被构造成至少部分地基于为各泵校正的、关于电压和电流特性的表格来控制泵的运行，其中所述特性可以由下列方程确定：
I＝Vm+C，
其中，m＝(I1-I2)/(V1-V2)，
C＝(V1*I2-V2*I1)/(V1-V2)，
(V1，I1)：曲线的低点，及
(V2，I2)：曲线的高点。
该一个或多个输入信号可以包含有关感测到的用于运行泵的实际电机电流的信息，并且该一个或多个输出信号可以包含有关从表格中读出的与该感测到的实际电机电流相对应的电压的信息。该一个或多个输入信号可以还包含有关该感测到的实际电机电流与设定电流的比较的信息。该一个或多个模块还可以被构造成提供修正项以控制该泵在基本恒定压力下运行。
该一个或多个模块或者作为整体的该设备均可以被构造成用于控制泵运行的PID控制器。
该设备还可以采用控制器的形式，其特征表现为一个或多个信号处理模块，该一个或多个信号处理模块被构造成响应于包含与泵提供的电流相关的信息的一个或多个输入信号；及被构造成提供一个或多个包含用于不直接感测泵压力而控制泵在基本恒定压力下运行的信息的输出信号。该控制器的实施方式可以包括在这里描述的特征中的一个或多个。该控制器还可以形成泵系统或具有泵的装置的一部分。
本发明还可以采用其特征表现为控制泵的方法步骤的形式，该方法包括响应于包含与泵提供的电流相关的信息的一个或多个输入信号；及提供一个或多个包含用于不直接感测泵压力而控制泵在基本恒定压力下运行的信息的输出信号。该方法的实施方式可以包括用以实现一个或多个在此描述的特征的步骤。
本发明还可以采取计算机程序产品的形式，其具有计算机可读介质，该计算机可读介质内置了用于在信号处理装置上运行时执行该方法的步骤的计算机可执行代码，该信号处理装置形成这种泵控制器的一部分如元件10。通过举例的方式，计算机程序产品的形式可以是CD，软盘，记忆棒，存储器卡，以及其他类型或种类的存储器装置，其可以在现在已知的或在以后的将来开发出来的这种计算机可读介质上存储这种计算机可执行代码。

附图包括以下图，其未按比例绘制：
图1包括图1a和图1b，其中图1a是设备的方框图，包括根据本发明的一些实施方式的泵控制器；及图1b是用于根据本发明的一些实施方式执行图1a中设备的方法的流程方框图。
图2是膜片泵的扬程流量(head-flow)特性曲线。
图3是示出在恒定压力如30磅每平方英寸(PSI)下膜片泵的V-I特性的电流与电压关系的曲线。
图4是设备的方框图，包括根据本发明的一些实施方式的带控制器的泵系统。
图5示出了电流与电压关系曲线，其中有根据本发明的一些实施方式的膜片泵在恒定压力下的期望电流和获得电流的V-I特性。
图6包括图6a到图6h，示出了显示实现根据本发明的一些实施方式的设备的步骤的功能流程图。
图7示出的曲线图具有形成为根据本发明的一些实施方式的PSI与加仑每分钟(GPM)的关系的一部分的流量曲线/运行包络线。
图8示出显示根据本发明的一些实施方式的发光二极管(LED)指示器代码的流程图表。

图1a示出大致用附图标记10表示的特征为一个或多个模块12和14的泵控制器形式的设备。该一个或多个模块12被构造成响应于包含与泵(见元件30(图4))提供的电流相关的信息的一个或多个输入信号；及还被构造成提供一个或多个包含用于不直接感测泵压力而控制泵30(图4)在基本恒定压力下运行的信息的输出信号。
根据本发明的一些实施方式，该一个或多个模块12可以被构造成至少部分地基于为各泵校正的与电压和电流相关的特性的表格来控制泵30(图4)的运行，其中所述特性可以由下列方程决定：
I＝Vm+C，
其中，m＝(I1-I2)/(V1-V2)，
C＝(V1*I2-V2*I1)/(V1-V2)，
(V1，I1)：曲线的低点，及
(V2，I2)：曲线的高点。
该一个或多个输入信号可以包含有关感测到的用于运行该泵的实际电机电流的信息，并且该一个或多个输出信号可以包含有关从校正表格中读出的与该感测到的实际电机电流相对应的电压的信息。该一个或多个输入信号还可以包含有关该感测到的实际电机电流与设定电流的比较的信息。该一个或多个模块12还可以被构造成提供修正项以控制该泵在基本恒定压力下运行。
该一个或多个模块12或者作为一个整体的装置10均可以被构造成模块(见元件40(图4))或形成为其中的一部分，该模块具有一个与下面所描述的其他部件或模块42、44、46、48一起控制泵30的运行的PID控制器41。如图所示，模块40包括例如被构造成执行信号处理过程以实现本发明的功能的一个或多个信号处理模块。该PID控制器40还可以形成为图4中大致用50表示的泵系统或装置的一部分，用于控制泵30的运行。
该一个或多个模块14可以包括可以形成为该泵控制器的一部分的其他模块，用于执行不成为下面的发明的一部分的其他控制器功能，例如，包括处理向或从泵/马达、传感装置等的信号传送的输入/输出功能，以及与其他装置或部件相关联的功能，所述其他装置或部件例如包括随机存取存储器(RAM)类装置、只读存储器(ROM)类装置、控制和数据总线类装置等。
校正表格可以形成为例如存储器存储装置的一部分。该存储器存储装置本身可以形成为该一个或多个模块12、该一个或多个其它模块14或它们的某种结合的一部分。存储器存储装置是已知技术，并且本发明的范围意图并不是限制于现在已知的或将来以后会发展的它们的任何特殊类型或种类。
本发明还可以是图1b示出的方法的形式，该方法具有步骤22、24，它们构成用于控制泵30(图4)的大致用20表示的流程图的组成部分，包括响应于包含与泵30例如沿着信号路径42a(图4)所提供的电流相关的信息的一个或多个输入信号；及例如沿着信号路径41a(图4)提供一个或多个包含用于不直接感测泵压力而控制泵30在基本恒定压力下运行的信息的输出信号。
基本泵原理和表格的构造
根据本发明的电流和压力之间的上述间接关系至少部分是基于与下述一致的一般膜片泵的组装和工作原理：
正如本领域技术人员应当理解的，在典型的膜片泵中，电压施加于电机，然后电机使转子转动。该旋转运动将由凸轮传导给活塞。该活塞随后将该旋转运动转换为线性运动。该活塞朝向膜片的线性运动将驱动流体从泵的入口流向它的出口。在出口区域的这种驱动力，将在流出出口的流体中产生压力。
在运行中，如果泵出口处的需求减少，那么出口处压力将会增加。然而，该泵仍然以与之前相同的速度旋转。由于这个原因，在电机中的电流将开始增大以响应所增加的压力。以同样的方式，如果泵的出口的压力降低到期望的压力，那么从电机流出的电流由于扭矩的需要将降低以产生更多的压力降。
通过例子的方式，提供图2来显示典型的膜片泵的一般扬程流量特性。在该特性中，将理解该电流和电压对于期望的扬程流量是基本唯一的。另外一个重要的结果是将理解两个不同流量下的压力在任何给定的时间不会大致具有相同的电压和电流。
为了支持上述原则的理解，提供图3来显示典型膜片泵的恒定压力下的V-I特性，其形成为根据本发明的表格或表格查找技术的基础。
该V-I特性可以这样决定，通过保持压力恒定，在泵的整个运行范围(例如对于+12V电机从8.5V到14.8V，并且不带任何控制电子器件，即可变速驱动(VSD))，改变施加于泵的电压并绘制电流，该恒定压力为当泵处于它的预期正常运行时该泵所需要被保持的期望恒定压力(例如30PSI)。
应当理解的是，决定给定泵的表格的图3中相应的V-I特性对于该给定泵是唯一的，因为V-I特性基本依赖于该给定泵的电机特性，其与另外的电机相比时典型的不同于另一电机。换句话说，根据本发明，每一个泵各自的V-I特性将被感测和确定，并且为每个泵形成对每一泵唯一的各自的表格，并用于控制每一个泵。
一旦给定泵的V-I特性确定，可用任何控制器或控制系统来采用根据本发明的表格查找技术，通过查找并遵循上述取得的趋势线(V-I特性)，控制泵处于恒定压力。
通过举例的方式，图4示出泵系统50的控制块的图表，其具有根据本发明的一些实施方式的简单但有效的方法。如所示，控制块或模块40包括装置、部件或者模块，如PI(D)控制器模块41，与其他部件或模块42、44、46、48一起用于控制泵30的运行。模块42沿信号路径42a感测来自电机的电流，并沿信号路径42b提供包含关于感测到的电机电流的信息的电流感测信号。模块44被构造成响应于沿信号路径42b的电流感测信号，测量一电机电压下的电流，并沿信号路径44a提供包含有关在该电机电压下测量的电流的信息的测量电流信号。包含与由泵30(图4)提供的电流相关信息的该一个或多个输入信号包括沿信号路径42b的电流感测信号。模块46被构造成响应于从该PI(D)控制器模块41沿信号路径41a提供到该泵30以控制泵30的运行的沿信号路径41a的电压输出信号E，在特定电压(校正)下设定电流，并沿信号路径46a提供包含与特定电压(校正)下的设定电流相关的信息的信号。节点模块48被构造成响应于沿信号路径44a的包含与电机电压下的测量电流相关的信息的信号和沿信号路径46a的包含与特定电压(校正)下的设定电流相关的信息的信号，并且沿信号路径48a提供包含与该两个信号相关的信息的信号e到PI(D)模块41。与下面进一步详细描述相一致，从节点模块48沿信号路径48a提供到该PI(D)模块41的该信号e包含有关设定电流和感测到的实际电机电流之间的误差的信息，该信息将被用作该PID控制器41的输入参数。该PI(D)模块41被构造成响应于一个或多个输入信号，包括沿信号路径48a的包含与从泵30提供的电流相关的信息的信号e，以及沿信号路径41a的由该PI(D)控制器模块41沿路径41a提供到泵30以控制泵30的运行的电压输出信号E。与下面进一步详细描述相一致，从该PI(D)模块41沿信号路径41a到泵30的电压信号E将包含对于电机电压的修正项，以获得期望压力。包含用于不直接感测泵压力而控制该泵30(图4)在基本恒定压力下运行的信息的该一个或多个输出信号包括沿信号路径41a的电压输出信号E。在运行中，沿信号路径41a的用于控制泵30的运行的电压输出信号E被至少部分基于图4中示出的控制反馈系统而有效校正或修改，该系统依赖于感测到的电机电流和包含在为相应的泵30校正的表格中的信息之间的关系，以便不直接感测泵压力而将相应的泵30运行在基本恒定压力下。
本发明的范围并不限制于在此示出和描述的用于部件或模块之间交换信号的信号路径的类型或种类。可以预见，实施例使用的信号路径是在此示出和描述的部件或模块之间的硬线连接，或者是在此示出和描述的部件或模块之间的无线通讯联接，或者是它们两者的结合，以及现在已知或将来以后发展的其他类型或种类的信号路径。
图5示出了电流与电压关系的曲线图，其具有根据本发明的一些实施方式的不直接感测泵压力来控制膜片泵运行的，在恒定压力下由D(以浅颜色函数表示)表示的期望电流和由A(以深颜色函数表示)表示的获得的电流的V-I特性。根据本发明的一些实施方式，在运行中，该一个或多个模块12(图1)或者41(图4)被构造成提供修正项，例如，以沿信号路径41a的修正电压信号的形式，来控制泵使得其在基本恒定压力下运行，这样该期望电流D和获得的电流A如图5中示出的在相似电机电压下具有相似值，以便不直接感测泵压力而控制膜片泵的运行。
根据这里描述的本发明的该控制的实现方式提供一种高度精确，无缝(seamless)且可容易实现的控制算法，其提供了容易校正的分段线性逼近(获得该V-I特性)并在控制器上有较少的计算负担。
用分段线性方法重新生成该V-I曲线。根据该分段线性方法，该曲线被分成一定数量(理想的为无穷大)的小直线。这里取两个点(校正点)，这两个连续点之间的关系将有线性关系。这种线性关系可由下面方程限定。
I＝Vm+C，
其中，m＝(I1-I2)/(V1-V2)，
C＝(V1*I2-V2*I1)/(V1-V2)，
(V1，I1)：曲线的低点，及
(V2，I2)：曲线的高点。
在正常情形下，该泵将感测实际的电机电流并将电压施加到电机上。同样的电压将被发送至设定电流预测逻辑单元，以获得现在的电机电压下的期望压力的设定电流。该感测到的实际电机电流将与该设定电流(在该电压下对应期望压力的期望电流-从校正表格中得到)相比较。该设定电流与感测到的实际电机电流之间的误差将用作该PID控制器的输入参数。该PID控制器将产生对于该电机电压的修正项(通过占空比的控制器)以获得期望压力。下次上述步骤以恒定和很快的速率重复。
一旦通过电子器件和信号处理与这里提出的一致地实施了该算法，通过根据本发明的预测算法方案可以提供沿信号路径41a的该一个或多个输出信号来得到这样的输出，其给出泵输出处的恒定期望压力。
V-I曲线方程
下面是关于该V-I曲线方程的描述：
从一般线性方程：
I＝Vm+C，
其中：(V1，V1)：曲线的低点，及
(V2，V2)：曲线的高点，
可以获得：
$\frac{I-I_2}{I_1-I_2}=\frac{V-V_2}{V_1-V_2}$
$I-I_2=(V-V_2)\frac{I_1-I_2}{V_1-V_2}$
$I=\frac{(I_1-I_2)V}{V_1-V_2}-\frac{V_2(I_1-I_2)}{V_1-V_2}+I_2$
因此：
$m=\frac{(I_1-I_2)}{V_1-V_2}$
$C=\frac{V_2(I_2-I_1)}{V_1-V_2}+I_2$
$C=\frac{V_2(I_2-I_1)+I_2(V_1-V_2)}{V_1-V_2}$
或
$C=\frac{V_1{I}_2-V_2{I}_1}{V_1-V_2}$
至少部分基于此，该V-I曲线为：
$I=\frac{(I_1-I_2)}{V_1-V_2}V+\frac{V_1{I}_2-V_2{I}_1}{V_1-V_2}$
模块12、41、42、44、46或48
以举例方式，该模块12、41、42、44、46或48的功能可用硬件、软件、固件或它们的结合来完成。在典型的软件实现方式中，该模块12、41、42、44、46或48包括一个或多个具有微处理器的基于微处理器的结构、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出装置和将上述连接的控制、数据及地址总线。本领域技术人员不用通过过度的实验就能够对这样的基于微控制器(或微处理器)的实现方式进行编程以实现这里描述的功能。本发明的范围并不试图限制于使用已知或将来以后发展的技术的任何特殊的实现方式。
可能的应用
本发明的可能应用包括具有下列特征的某种结合的实现方式：
Ⅰ.概要说明：
以举例的方式，下面的说明书是针对五腔室泵的变速驱动泵控制器(VSD)的设计和研制。以举例的方式，本说明应用范围可从水系统到普通工业喷雾，虽然本发明的范围并不意图限于目前已知或将来以后发展的应用的类型。
Ⅱ.功能需求
1.应用规格
1.1在含盐和淡水环境中工作
1.2电压
1.2.1直流电单元-9.5VDC-28.0VDC
1.2.2交流电单元-85VAC-250VAC-该项目的第二阶段，要在完成DC版本后完成。
2.缩写&定义
2.1.缩写
2.1.1.#F-出口/阀/旋塞的数量
2.1.2.C#-在不同电压下的流量曲线
2.1.3.P#-在不同压力和流量下的额定点
2.1.4.GPM-加仑每分钟
2.1.5.VDC-直流电电压
2.1.6.VAC-交流电电压
2.1.7.MTBF-故障之间的平均时间
2.1.8.PSI-磅每平方英寸
2.2.定义
2.2.1.出口-系统的任何流量输出
2.2.2.空转-当供应到泵的液体或者被移开或者供应耗尽时发生
2.2.3.初期-泵吸水并开始泵送所花费的时间量
3.性能/期望寿命
3.1.性能
3.1.1功能操作(见图6-图8)
3.1.1.1VSD泵安装在容器/RV上并有合适的电源连接，该泵控制器，例如控制器10(图1)或者模块40(图4)，还可在每次该泵经历开启/关闭电源循环时运行如图6中提出并描述的那样的诊断测试。在正常运行模式中，水系统应当受压并保持在设计值直到有需求时(出口打开)。
3.1.1.2当有需求(P1)、(P2)或(P3)时，该泵控制器以满速度/电压开启泵，该泵将可能运行于工作包络范围(高安培/伏特)外，该泵控制器可检测这种情况并减慢该泵直到达到预设的安培/伏特值。可以保持泵在该值运行，直到新情况产生，这时该泵控制器将对这种新情况作出反应。所有这些动作通常发生在很短时间范围内，例如零点几秒。
3.1.1.3随着更多需求(P2)或(P3)或(P4)的出现，该水系统的压力下降，并且泵在负载/安培图中发生下降。该泵控制器可检测这种新情况并慢慢地使泵加速，直到达到预设值(安培/伏特)，可以保持泵在该值的运行，直到新的情况产生，这时该控制器将对这种新情况作出反应。这种技术可被应用在图7中示出的工作包络范围所限定的所有工作点。
3.1.1.4如果需要高需求(P4)，该泵控制器可保持满速度/电压以满足该需求，直到这个情形发生变化。
3.1.1.5当不再有需求时(出口关闭)，该泵经历高于工作压力的高压力，压力开关可断开连接到泵的电源。
3.1.1.6空转保护-如果储藏容器/泵的入口没有流体，该泵控制器可检测到这种情形并在一定预定时间，例如X分钟后关闭泵。该控制器有时还可开启泵预定次数以测试空/漏情形并发送错误信号至LED。
3.1.1.7学习-在所有工作模式期间，该泵控制器可“学习”伏特/安培的工作范围以备将来参考。这种学习可允许该单元在波动中平稳转换而少浪费时间。
3.1.1.8过流/低电流-控制器可监测所学习的范围外的极端安培数，在这种情形发生时，它应当关闭并使LED 1闪烁。见图6和图8。
3.1.1.9泄漏检测-该单元可监测随时间的慢慢泄漏，当该泵控制器检测到在一段不正常运行时间内的慢泄漏时，该单元可关闭该泵。慢泄漏通常使其本身表现为慢压力损失，接着该泵压力斜升并关闭。这在泄漏状态下随时间经常发生。该特征能够允许循环一预设时间，然后关闭并使LED 2闪烁。见图6和图8。
3.1.1.10数据存储
泵控制器还可被构造成在板载存储器上存储数据，例如板载存储器可形成该一个或多个其他模块14的一部分，包括下列事件：
a.空转/低电流-记录空转事件的次数
b.过流/电机停转-记录事件次数
c.正常运行的工作小时
e.每次事件时的工作小时
f.低电压/超电压-记录事件次数
g.泄漏检测-记录事件次数
h.超时-记录事件次数
3.2期望寿命-包括运行和水进入的盒子的推荐使用寿命(MTBF)＞500小时。
4物理特征和尺寸
4.1VSD壳体应该被限定作为电机的基体而安装。
4.2电源连接可以是有足够直径以承受28安培并允许从线束可靠地连接足够的连线的12”抽头。
4.3连接。
4.3.1泵连接可基于8插头Molex MX150连接器或被模铸于其中的等同物。
4.3.1.2：2个插头用于电源输入+1个接地插头连接。
4.3.1.3：2个插头用于为电机提供电源。
4.3.1.4：2个插头用于压力开关输入。
4.3.1.5：2个插头用于LED指示器及开启/关闭开关选择。这些插头是塞紧的，除非需要时可不必如此。
5一些附加特征
5.1过热保护。
5.2除了软件过流保护，单元还应该利用硬件冗余进行过流保护。
5.3在软件过流保护失效时应该具有硬件过流保护。
5.4应该与由ITT流量控制提供的PCB外形相一致。
5.5SMT/THT结构。
5.6工作温度范围-10℉至150℉。
5.7保护使不受安培/伏特尖峰的影响。
上述实施的优势是很多的，并通过举例方式，可以包括下列中的一些。
·通用方程。
·扩充并适合任何膜片泵特性和规格(相同软件用于30PSI、60PSI、80PSI等泵)。
·软件调整到特定电机特性。
·功能主要依赖于校正。
·容易校正。
·还容易移植至AC工作。
·能够给出更多数量的自我诊断特征(大部分的误差是电流的函数)。
·使用一般先进算法(ecumenical advance algorithm)。
·算法使用预测逻辑。
·只要硬件满足电流处理容量，对于任何膜片泵特性和规格一般软件可适合(相同软件用于从1PSI至250PSI)。
·软件可自我校正或外部校正。
·软件不使用任何压力“传感器”用于其主计算算法，并且所有计算都基于电机电流；所以是“无传感器”的。
·软件用它的高度先进算法为满足它的输出压力控制需要而在电机电流和输出压力之间建立关系。
·输出处的平滑和温和的流量。
·排放压力在扩大范围的流量需求内保持恒定(接近全部流量范围的大约85％)。
·随输入电压的变化的出口流量波动最小。
·具有先进和精密的板载电子控制的快速敏捷响应软件算法。
·由于先进的软件吸收并吸取给电机的比额定电压更高的所有电压，泵的寿命延长。
·没有比额定电压更高的电压作用到泵，结果导致电机中产生的热量得到抑制。
·在硬件和软件较好的结合的帮助下，提供了大量的指示性的自我诊断特征；自我诊断特征如空转、锁住转子、泄漏检测、超时、过电压、低电压、过电流等。
·泵的空转，系统中的泄漏检测，超时，过电压，低电压。这些被归类为系统问题。
·过电流，无电流(低电流)，外壳的过热被归类为泵问题。
·这些诊断是通过使在输出处的LED闪烁的可见指示。
·LED输出码被宽泛地积累为“系统”或“泵”问题/错误。
·还可以通过改变软件中的错误码模块而单独对于每个诊断特征给出LED输出。
·板载的过温切断加强了电子装置的寿命并保护产品的安全。
·通过先进的泄漏检测特征来节约水。
本发明的范围
应当理解的是，除非进行了另外的说明，否则，文中结合特定实施方式描述的任何特征、特性、变化或者修改，均可以应用、运用、或结合到文中描述的任何其他实施方式。另外，这里的图并不是按比例绘制的。
虽然本发明是通过以膜片泵为例的方式来描述的，但是本发明的范围包括将其用于已知的或将来以后会发展的其他类型或种类的泵。
虽然本发明通过示例性的实施方式而被描述和示出，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出前述及各种其他的添加和省略。