CN117307469A - 用于调节转速可变的流体泵的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及调节具有转速可变的驱动器的泵的方法，包括：将额定压力值(p_cmd)输入到包括压力调节回路(210、212、214、216)的级联调节器结构中，压力调节回路的调节段包括转速调节回路(220、222、224)，其中额定转速作为压力调节回路的压力调节器(210)的调节变量被输入到转速调节回路中；其中转速调节回路的调节段包括驱动调节回路(230、232)，其中额定驱动力矩作为转速调节回路的转速调节器(220)的调节变量被输入到驱动调节回路中；作为额定压力的时间微分方程结果形成(250)用于驱动力矩的预控制值(M^ff _cmd.)；和将预控制值相加到被输入到转速调节回路的调节段中的额定驱动力矩。

Description

用于调节转速可变的流体泵的方法

技术领域

本发明涉及一种用于调节转速可变的流体泵的方法，以及用于执行该方法的计算机程序和计算单元。

背景技术

在液压系统(Hydraulik)中，流体泵通常与具有固定输送体积的输送机构一起使用，该输送机构由转速可变的驱动器驱动(所谓的转速可变的定量泵)。当运行此类泵时，通常通过相应适配转速来调节体积流量和/或输送压力。这种泵例如用于液压装置(Hydraulikaggregate)、泵驱动器或伺服液压执行器，例如在机床或塑料加工中，例如要求高输送压力的注塑机、吹塑机、压力机等。

对这种转速可变的泵的调节例如可以通过级联调节器结构来实现，在所述级联调节器结构中预先给定额定压力，并且所述级联调节器结构包括用于驱动电机的电流调节回路、压力调节回路和转速调节回路。然而，转速调节回路受到负载力矩ML的干扰，所述负载力矩M_L取决于当前压力通过泵排量(Pumpenschluckvolumen)而产生。压力调节回路也受到泵泄漏体积流量的干扰。这些干扰会损害驱动系统的调节质量。

因此而值的期望的是：改进转速可变的流体泵的调节。

发明内容

根据本发明，提出了一种具有独立专利权利要求的特征的用于调节具有转速可变的驱动器的泵的方法。有利的设计方案是从属权利要求和以下描述的主题。

特别地，提出了一种方法，其中首先将额定压力值输入到级联调节器结构中，其中该调节器结构包括压力调节回路并且其中压力调节回路的调节段(Regelstrecke)包括转速调节回路，其中额定转速作为压力调节回路的压力调节器的调节变量被输入。转速调节回路的调节段还包括驱动调节回路，额定驱动力矩作为转速调节回路的转速调节器的调节变量被输入到该驱动调节回路中。此外，作为额定压力的时间微分方程的结果形成用于驱动力矩的预控制值(Vorsteuerwert)，并且该预控制值被相加到额定驱动力矩，其中该而定驱动力矩被输入到转速调节回路的调节段中。

在示例性实施方式中，额定值压力的时间微分方程可以优选地包括级联调节器结构的调节段的逆系统模型(inverses Streckenmodell)。

该逆系统模型例如可以根据其中压力被调节的负载体积中的压力动力学和驱动器的转矩动力学来形成。

在示例性实施方式中，针对驱动力矩的预控制值可以通过以下方程式而确定：

还可能的是：针对所述转速而形成预控制值，其中针对所述转速的预控制值由下式确定：

然后可以将该预控制值相加到额定转速，该额定转速由压力调节器作为调节变量输出。因此可以避免：转速调节回路与转矩预控制(Drehmoment-Vorsteuerung)相反地工作。

可选地，可以将额定压力值输入额定值滤波器，该额定值滤波器被设置为，输出针对额定压力值的额定轨迹和额定压力值的导数，然后可以将该额定轨迹输入微分方程用于形成预控制值。

这样的额定值滤波器例如可以包括二阶状态变量二项式滤波器(Binomialfilter)。

总体上，通过这里提出的基于平坦度的预控制而动态补偿了负载力矩和干扰体积流量。由此改善了系统的引导行为(Führungsverhalten)和稳定性储备驱动调节器可以设计成抗干扰的，因为通过预控制显著改善了后续行为。由此，转速和压力调节器被减轻负载(entlasten)。同时，预控制对传感器噪声不敏感。

根据本发明的计算单元、例如液压系统的控制设备特别是在编程技术上被设置为执行根据本发明的方法。

以具有用于执行所有方法步骤的程序代码的计算机程序或计算机程序产品的形式实现根据本发明的方法也是有利的，因为这导致特别低的成本，特别是在进行执行的控制设备还用于其他任务并且因此无论如何都存在的情况下。用于提供所述计算机程序的适合的数据载体特别是磁的、光的和电的存储器，例如硬盘、闪存、EEPROM、DVD等。还可以通过计算机网络(互联网、内联网等)下载程序。

本发明的进一步优点和改进由说明书和附图得出。

当然，上面提到的特征和下面还要解释的特征不仅可以以分别说明的组合的方式，而是还可以以其他组合的方式或者可以单独使用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

附图中使用实施例示意性地示出了本发明，并且在下面结合附图进行详细描述，其中：

图1示意性地示出了具有转速可变的驱动器的流体泵；和

图2示出了根据可能的实施方式的示例性调节器结构。

具体实施方式

图1示意性地示出了这里描述的方法可应用于的转速可变的流体泵的组成部分。在该示例中，泵10具有可以在两个方向上进行输送的输送机构20、转速可变的驱动器30和用于运行该泵的计算单元40。

输送机构20可以例如被设计为定量泵，其实现每个冲程或每转的特定输送体积。驱动器30在此被设计为标准电机(Normmotor)，其具有异步电机31和变频器32。替代地，也可以使用同步伺服电机或其他驱动单元。异步电机31的转速n是可变的，其中，该转速例如通过施加到驱动电机31的电流来设定。

计算单元40可以用于调节泵10，将至少一个额定输送压力和可选地将额定体积流量供应到该计算单元。计算单元40可以包括以硬件技术或软件技术实现的驱动调节器，其确定所需的调节变量并将它们传送到电机30。可选地，可以通过传感器来确定实际压力。计算单元40可以例如通过监控电流和转速而进一步确定：当前由驱动器提供怎样的驱动力矩，并且然后例如可以将额定转速作为调整信号(Stellsignal)传送给驱动单元30。替代地，还可能的是：驱动单元30本身也可以包括既定的控制或调节元件，并且因此由计算单元40例如仅说明用于操控驱动器并因此操控泵的额定力矩，并将其作为调整信号传送到驱动器30。

应理解，这种泵-驱动系统仅是示例性地被描述的，下面描述的调节器变体不限于此系统。特别地，本发明还可以与任何其他泵一起应用并且不限于定量泵。同样可能的是，级联调节器结构的特定部分也在多个单独的计算单元中实现，使得特定传感器不存在于其他系统中或通过传感器测量附加参数，或者驱动单元的设计与此处描述的不同。

图2示出了根据一个可能实施方式的用于调节转速可变的流体泵的调节器结构。

在此设置了一种级联调节器结构，其相互嵌套地包括压力调节回路、转速调节回路和驱动调节回路，例如电流调节回路。用于泵驱动器的电流调节回路230在这里仅以简化的形式和作为示例示出并且可以以任何方式实现，例如作为PI调节器(PI-Regler)；在另一个驱动变体的情况下，此处也可以使用另一调节回路，其调节泵驱动器的驱动力矩。电流调节回路230获得额定驱动力矩M^R _cmd作为参考变量并且反馈232驱动力矩M_act的实际值。由此获得经调节的驱动力矩M_M。

额定驱动力矩M^R _cmd又是转速调节回路的调节变量。转速调节回路获得泵的额定转速n_cmd作为针对转速调节器220的参考变量并反馈222实际转速n_act，其中，电流调节回路230连同惯性力矩组件224一起构成转速调节回路的调节段，其中该惯性力矩组件根据泵和电机的驱动力矩M_M和惯性力矩而输出被调节的转速n。

额定转速n_cmd在此形成压力调节回路的调节变量，该压力调节回路的压力调节器210获得额定负载压力p_L ^d作为参考变量并反馈212负载压力的实际值p_L。压力调节回路的调节段因此包括转速调节回路220、222、224、电流调节回路230、232和其他调节组件。该段(Strecke)的其他调节组件包括比例组件214，以便通过考虑泵每转的预给定排量V_g将从转速调节回路获得的经调节的转速n转换成体积流量Q_p。然后，借助PI组件216通过考虑等效压缩模量和其中压力被调节的负载体积V_L根据体积流量Q_p而获得经调节的负载压力p_L。实际压力p_act又经由压力调节回路被反馈212到压力调节器210的输入端。

在此，转速调节回路由于负载力矩M_L而受干扰，该负载力矩M_L可以由当前负载压力p_L和泵的排量V_g作为比例组件240而被映射(abbilden)。产生的负载力矩ML相反于驱动力矩M_M而作用。

另外，压力调节回路由于泵的泄漏体积流量Q_L而受干扰，所述泄漏体积流量Q_L由负载压力p_L和泄漏系数(Leckagebeiwert)C_l而得出并且可以作为比例组件242而被建模。泄漏体积流量Q_L相反于泵的体积流量Q_p而作用。

为了均衡这些干扰，现在可以根据本发明而设置预控制250，所述预控制通过预控制值M^ff _cmd.而修整用于泵驱动器的所命令的(kommandiert)驱动力矩M^R _cmd，所述所命令的驱动力矩由转速调节器220作为调节变量输出并作为参考变量而输入到电流调节回路230。因此被输入到电流调节回路或转速调节回路的调节段中的实际值是驱动力矩M^R _cmd和先导控制值M^ff _cmd之和。

在这种情况下，预控制值尤其可以通过调节段的逆系统模型形成。根据图2所示的调节器结构，可以推导出该系统模型如下：

负载体积中的压力动态，即负载压力的变化得出：

其中是具有等效压缩模量/>和负载体积V_L的液压能力，V_g为泵的排量，ω_M是驱动器的转矩，C_l是与压力相关的泄漏系数。

通过根据时间而求导可得：

电机-泵轴处的转矩动态为：

其中J_eq是由泵的惯性力矩J_Pumpe和驱动电机的惯性力矩J_Motor得出的等效惯性力矩J_eq＝J_pumpe+J_Motor；

其中M_M为驱动力矩；

其中V_g是泵的排量，并且

其中d_M是泵的与转速相关的摩擦力矩。

将方程式(3)代入方程式(2)而得出：

由此得到反映系统模型的二阶微分方程。逆系统模型现在可以用作所需压力动态轨迹序列的附加转矩的基于平坦度的预控制250。为此，可以根据驱动力矩借助方程式(1)对方程式(4)进行转换(umstellen)，从而作为逆系统模型而得出预控制规则(Vorsteuergesetz)：

由于这是级联调节回路，因此可以可选地附加地将从中导出力矩预控制的预控制信号输送到叠加的转速调节回路。因此可以防止转速调节回路与转矩预控制相反地工作。相应的预控制信号可以经由其从方程式(1)计算出，其方式为，根据旋转频率或根据转速而分解方程式：

这个预控制值然后可以附加地被相加到转速调节回路的输入端。

为了实现预控制250，额定压力的时间导数变量可以由额定值滤波器260确定。为此，例如可以使用二阶状态变量二项式滤波器。作为示例可以根据以下微分方程而确定额定轨迹：

其中τ是额定值滤波器的时间常数。然而，原则上，额定压力值也可以不同地确定。其中p_cmd是所命令的额定压力值。

从方程式(7)获得的额定轨迹现在可以用于预控制规则，即方程式(5)，并且可以将由此计算的预控制力矩M^ff _cmd.以相加到电流调节回路230的输入端上的方式来计算。同样，额定轨迹可用于转速的预控制规则(6)。

针对驱动调节器的预控制的一个更简单的替代方案在于，仅对负载力矩M_L，240进行均衡，从而使此变体中驱动力矩的预控制值从所命令的额定压力值而得出为M^ff _cmd＝(V_g/2π)p_cmd。在这种情况下不需要额定值滤波器。然后将预控制值相加到转速调节器220的输出值或电流调节回路230的输入值，如先前实施例中那样。

通过根据本发明的基于模型的预控制的应用而改善了所述调节的引导行为，因为调节组件(即泵的驱动电机)立即以高度动态的方式作出反应，即使没有出现大的调节偏差。

通过预控制也显著改善了驱动调节(即电流调节回路)的后续行为。转速和压力调节器因此而被减轻负载。同时，所述预控制对传感器噪声不敏感。

此处描述的调节可用于所有转速可变的泵，特别是用于操控液压装置或液压执行器的泵。所描述的具有预控制的方法也可应用于伺服液压执行器的力调节；在这种情况下，压力也通过电机-泵单元进行调节，然后可以通过气缸表面将其换算为力值。

Claims (10)

1.一种用于调节具有转速可变的驱动器的泵的方法，所述方法包括：

将额定压力值(p_cmd)输入到级联调节器结构中，其中所述调节器结构包括压力调节回路(210、212、214、216)，

其中所述压力调节回路的调节段包括转速调节回路(220、222、224)，其中额定转速作为所述压力调节回路的压力调节器(210)的调节变量被输入到所述转速调节回路中；

其中所述转速调节回路的所述调节段包括驱动调节回路(230、232)，其中额定驱动力矩作为所述转速调节回路的转速调节器(220)的调节变量被输入到所述驱动调节回路中；

作为所述额定压力的时间微分方程的结果形成(250)用于驱动力矩的预控制值和

将所述预控制值相加到被输入到所述转速调节回路的所述调节段中的所述额定驱动力矩。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述额定压力的时间微分方程包括所述级联调节器结构的调节段的逆系统模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述逆系统模型根据其中压力被调节的负载体积中的压力动力学和所述驱动器的转矩动力学而形成。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中针对所述驱动力矩的预控制值通过以下方式而确定：

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：形成针对所述转速的预控制值，其中针对所述转速的预控制值通过以下方式而确定：

并且将所述预控制值相加到额定转速，其中所述额定转速由所述压力调节器(210)作为调节变量输出。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：

将所述额定压力值输入额定值滤波器，所述额定值滤波器被设置为，输出针对所述额定压力值的额定轨迹和所述额定压力值的导数，并且

将所述额定轨迹输入所述微分方程用于形成所述预控制值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述额定值滤波器包括二阶状态变量二项式滤波器。

8.一种计算单元，所述计算单元包括配置成执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的处理器。

9.一种计算机程序，所述计算机程序包括指令，当程序由计算机执行时，所述指令使所述计算机执行根据权利要求1至7所述的方法。

10.一种计算机可读数据载体，其上存储有根据权利要求9所述的计算机程序。