DE10031892A1 - Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrohydraulischen Hubantriebs - Google Patents

Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrohydraulischen Hubantriebs

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrohydraulischen Hubantriebs (10) vorgeschlagen, bei dem ein drehzahlveränderlicher Elektromotor (23) über eine Konstantpumpe (12) ein proportionales Heben des Hubzylinders (11) ermöglicht. Durch Erfassung von belastungsabhängigen Größen, wie Motorstrom, im Elektromotor (23) wird eine Mindestdrehzahlanpassung erreicht, so dass bei einem verschleißarmen Betrieb der Konstantpumpe (12) ein relativ großer, proportionaler Volumenstromstellbereich bis zur Maximaldrehzahl verbleibt und eine gute Feinsteuerung erreichbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrohydraulischen Hubantriebs nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher angegebenen Gattung.
Es ist schon ein solches Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrohydraulischen Hubantriebs aus der DE 42 39 321 A1 bekannt, das für den Hubzylinder eines Staplers vorgesehen ist. Bei diesem Hubantrieb treibt ein drehzahlveränderlicher Elektromotor abhängig von den Sollwerten eines Bedieners eine Konstantpumpe an, deren variabler Förderstrom beim Lastheben sich aus der veränderlichen Motordrehzahl ergibt und der über ein Ventil den Hubzylinder beaufschlagt. Zum Senken der Last wird bei abgeschaltetem Elektromotor parallel zur Zulaufleitung ein variabler Senkenölstrom über eine Drosselventileinrichtung geführt, deren Öffnungsquerschnitt abhängig vom Sollwert des Bedieners gesteuert wird, wobei ein Rückschlagventil den Rückfluss zur Konstantpumpe verhindert. Wird bei einem solchen. Hubantrieb als Konstantpumpe eine Verdrängerpumpe verwendet, so ist deren Drehzahl bei Förderbeginn stark abhängig vom Druck und von der Ölviskosität. Dies gilt ganz besonders für Außenzahnradpumpen mit axialer Spaltkompensation. Auch tritt bei solchen Verdrängermaschinen bei niedrigen Drehzahlen die Pulsation des Förderstromes unangenehm in Erscheinung. Ferner muss dieser Pumpentyp zur Vermeidung von Verschleiß in Drehzahlbereichen oberhalb des Förderbeginns betrieben werden. Aus diesem Grund wird nun die Mindestdrehzahl der Konstantpumpe relativ hoch angesetzt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass hierdurch ein sehr eingeschränkter Volumenstromsteuerbereich entsteht, und dies zudem zu einem druck- und ölviskositätsabhängigen Anfahrsprung führt.
Ferner ist aus der DE 196 31 804 A1 eine elektrohydraulische Einrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung eines hydraulischen Hubzylinders bekannt; bei der eine reversierbare Konstantpumpe über ein Rückschlagventil einen Hubzylinder beaufschlagen kann, wobei ein Teil der Förderung der Konstantpumpe wenigstens zeitweise über eine Verstelldrossel in einer Bypassleitung zum Tank zurückgeführt wird. Die Konstantpumpe wird hier von einem Drehstrom-Motor angetrieben, dessen Drehzahl und dessen Drehrichtung über einen Frequenzumrichter veränderbar ist, so dass zur Energieversorgung ein Gleichstromnetz erforderlich ist. Eine elektronische Steuerung steuert dabei die Verstelldrossel anfangs vollkommen auf und mit zunehmender Drehzahl der Konstantpumpe wird deren Durchflussquerschnitt zugesteuert; Dies hat einmal den Nachteil, dass in dem Bereich der Steuerung mit Teilförderung zum Tank keine lastdruckkompensierte Steuerung möglich ist. Dadurch, dass ein Teil der Fördermenge beim Heben über die Bypassleitung zum Tank zurückgeführt wird, kann bei kleineren Hubgeschwindigkeiten die Konstantpumpe mit relativ höherer Drehzahl betrieben werden. Auf diese Weise können störende Einflüsse wie ungleichförmige Hubbewegung durch Pulsation des Förderstromes sowie mangelnde Schmierung von Kolben und Steuerflächen in der Konstantpumpe verringert werden. Andererseits führt dies dazu, dass auch hier die Mindestdrehzahl der Konstantpumpe hoch angesetzt wird und somit nur ein eingeschränkter Volumenstromstellbereich zur Verfügung steht.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrohydraulischen Hubantriebs mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass es durch steuerungs- und regelungstechnische Maßnahmen in der Motorsteuerung eine Anpassung der Mindestdrehzahl der Konstantpumpe ermöglicht, so dass eine Feinsteuerbarkeit bis in kleinste Hubdurchflussbereiche sich erstreckt. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass eine Mindestdrehzahl des Elektromotors zuverlässig feststellbar ist, wenn beim Hochlaufen des Elektromotors dessen Motorstromverhalten bzw. das Verhalten einer vergleichbaren belastungsabhängigen Größe ausgewertet wird und danach der Förderbeginn der Konstantpumpe dort ermittelt wird, wo diese belastungsabhängige Größe am Elektromotor nicht mehr ansteigt. Nach dem Förderbeginn der Konstantpumpe steht der Strom am Elektromotor im wesentlichen in linearem Zusammenhang mit dem Lastdruck am Hubzylinder. Der an die Mindestdrehzahl anschließende, proportionale Arbeitsbereich bis zur Maximaldrehzahl des Elektromotors kann dann vom Bediener feinfühlig und genau ausgenutzt werden, unabhängig davon, wie groß die Last und davon abhängig die Mindestdrehzahl ist. Vor allem lässt sich auf diese Weise eine Anpassung der Mindestdrehzahl des Elektromotors an die jeweiligen Lastverhältnisse erreichen, so dass mit steigender Last eine höhere Mindestdrehzahl ermittelt wird, an die sich erst der proportionale Volumenstromstellbereich anschließt. Auf jeden Fall ist aber die dabei ermittelte Mindestdrehzahl immer noch wesentlich niedriger als die bisher in der Praxis verwendete, aus Erfahrungswerten abgeleitete, fest eingestellte Mindestdrehzahl, so dass auch stets ein relativ größerer Volumenstromstellbereich verbleibt. Zudem werden durch die sicher ansteuerbare Mindestdrehzahl auch thermische Probleme bei der Verdrängerpumpe sowie Verschleißerscheinungen erheblich verringert.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrohydraulischen Hubantriebs möglich. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen elektrohydraulischen Hubantrieb in stark vereinfachter Darstellung zur Durchführung des Verfahrens und Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Verfahrens zur Mindestdrehzahlerfassung bei dem Hubantrieb nach Fig. 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form einen elektrohydraulischen Hubantrieb 10 zur Geschwindigkeitssteuerung eines hydraulischen Hubzylinders 11, der hier als einfach wirkender Arbeitszylinder ausgebildet ist, wie er in Hubwerken zum Heben, Halten und Senken von Lasten, insbesondere in Staplern, verwendet wird. Der Hubantrieb weist eine hydraulische Konstantpumpe 12 auf, die hier als Verdrängerpumpe ausgeführt ist und die Druckmittel aus einem. Tank 13 ansaugt und deren Druckseite über eina Arbeitsleitung 14 mit dem Hubzylinder 11 verbunden ist. In die Arbeitsleitung 14 sind ein schaltendes 3/2- Magnetventil 15 für weitere Verbraucher sowie ein die Last am Hubzylinder 11 absicherndes Rückschlagventil 16 geschaltet. Ferner ist die Druckseite der Konstantpumpe 22 über ein Druckbegrenzungsventil 17 hydraulisch abgesichert. Von der Arbeitsleitung 14 im Bereich zwischen Rückschlagventil 16 und Hubzylinder 11 zweigt eine Ablaufleitung 28 ab, die über ein Proportionaldrosselventil 19 zum Tank 13 geführt ist. Dieses Proportionaldrosselventil 18 ist zum sicheren Absperren des Hubzylinders 11 in Sitzventilbauart ausgeführt und sichert in seiner federzentrierten Ausgangsstellung 21 die Last am Hubzylinder 11 ab. Für eine Volumenstrombegrenzung ist ferner in die Ablaufleitung 18 ein Stromregelventil 22 geschaltet.
Die Konstantpumpe 12 wird mechanisch von einem drehzahlveränderlichen Elektromotor 23 angetrieben, der seinerseits von einer elektrischen Steuereinrichtung 24 ansteuerbar ist. Die elektrische Steuereinrichtung 24 arbeitet hier als Umrichter und wird von einem Gleichspannungsbordnetz 25 mit Energie versorgt. Die elektrische Steuereinrichtung 24 steht ferner mit einem Sollwertsteller 26 in Verbindung, mit dem ein Sollwert für die Geschwindigkeit des Hubzylinders 11 bei seinem Heben und Senken vorgebbar ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Steuerung des Hebenvorgangs am Hubzylinder 11 über die Drehzahl der Konstantpumpe 12 praktisch von Null an entsprechend dem Befehl der Bedienungsperson an dem Sollwertsteller 26 vorgenommen wird. Dabei ist der drehzahlveränderliche Elektromotor 23 zweckmäßigerweise als Synchronmaschine mit Drei-Phasen-Kommutierung ausgeführt, wobei dessen drehmomentproportionale Belastung über den Motorstrom feststellbar ist.
Die grundsätzliche Funktion des elektrohydraulischen Hubantriebs 10 wird als an sich bekannt vorausgesetzt. Beim Hebenvorgang kann eine Bedienungsperson mit dem Sollwertsteller 26 die Geschwindigkeit des Hubzylinders 11 proportional einstellen. Dabei wird mit dem Sollwertsteller 26 die Drehzahl des Elektromotors 23 und damit auch der Pumpe 12 gesteuert, deren Volumenstrom vollständig über die Arbeitsleitung 14 mit dem Rückschlagventil 16 zum Hubzylinder 11 strömt. Beim Halten einer Last am Hubzylinder 11 ist die Konstantpumpe 12 abgeschaltet und das Rückschlagventil 16 sowie das Sitzventil in dem Proportionaldrosselventil 19 halten die Last. Beim Senkenvorgang am Hubzylinder 11 ist die Konstantpumpe 12 ebenfalls abgeschaltet und mit Hilfe des Sollwertstellers 26 lässt sich in nicht näher gezeichneter Weise das Proportionaldrosselventil 19 steuern, so dass der Volumenstrom beim Senken stetig steuerbar ist.
Bei einem Startvorgang zum Heben des Hubzylinders 11 treten nun einige Besonderheiten auf. So wird der Förderbeginn der Konstantpumpe 12 erst dann erreicht, wenn diese in der Lage ist, bei einer bestimmten Startdrehzahl den gewünschten Lastdruck im Hubzylinder 11 aufzubauen. Gerade bei Verwendung von Verdrängermaschinen als Konstantpumpe 12 muss darauf geachtet werden, dass die Konstantpumpe 12 beim Startvorgang in Drehzahlbereichen oberhalb des Förderbeginns betrieben wird; vor allem sollen dadurch Verschleißerscheinungen, Pulsation oder thermische Probleme vermieden werden. Aus diesem Grund war es bisher üblich, eine Mindestdrehzahl der Konstantpumpe 12 möglichst hoch pauschal anzusetzen, wobei dies aufgrund von erfahrungsgemäßen Werten bei Zahnradpumpen z. B. 500 Umdrehungen pro Minute sein konnte. Diese hohe Mindestdrehzahl hatte aber den Nachteil, dass der daran angrenzende proportionale Arbeitsbereich bis zur Maximaldrehzahl der Konstantpumpe 12 zu einem relativ eingeschränkten Volumenstromstellbereich führte, wobei zudem druck- bzw. ölviskositätsabhängige Anfahrsprünge auftraten. Oberhalb dieser erwähnten Startdrehzahl ergibt sich der Zusammenhang, dass dann der Volumenstrom der Konstantpumpe 12 in linearem Zusammenhang mit der Pumpendrehzahl steht, wobei eine gewisse Verschleißsicherheit gegeben ist. Zudem lässt sich für den Bereich nach dem Förderbeginn der Pumpe auch sagen, dass sich dann der Lastdruck und somit auch die Motorstromaufnahme nicht mehr wesentlich ändern, da in an sich bekannter Weise der Motorstrom in linearem Zusammenhang mit dem Lastdruck des Hubzylinders 11 steht. Mit der elektrischen Steuereinrichtung 24 lassen sich unter anderem der Motorstrom und die Motordrehzahl erfassen und so auswerten, dass eine Mindestdrehzahl für die Konstantpumpe 12 ermittelbar ist, die an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst ist und dabei erheblich niedriger liegt als die bisher verwendete Mindestdrehzahl, so dass auch ein vergrößerter Volumenstromstellbereich zur Verfügung steht. Damit lässt sich eine erheblich verbesserte Feinsteuerung erzielen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung dieser gewünschten Mindestdrehzahl wird nun anhand von Fig. 2 näher erläutert, die in einem vereinfachten Diagramm den Verlauf mehrerer Parameter über der Zeitachse veranschaulicht. Dabei zeigt eine erste Kennlinie 31 den Verlauf der Drehzahl n des Elektromotors 23 über der Zeit, während in der zweiten Kennlinie 32 als belastungsabhängige Größe der Strom I des Elektromotors 23 aufgetragen ist. Eine dritte Kennlinie 33 veranschaulicht den Verlauf des Drucks pp am Ausgang der Konstantpumpe 12, während die vierte Kennlinie 34 den Lastdruck pz im Hubzylinder 11 aufzeigt. Ferner zeigt eine fünfte Kennlinie 35 den Verlauf des Volumenstroms Q von der Konstantpumpe 12 zum Hubzylinder 11.
Wie aus dem Diagramm nach Fig. 2 näher hervorgeht, wird der Elektromotor 23 mit konstanter, flacher Rampe gemäß der ersten Kennlinie 31 beschleunigt. Der Verlauf der zweiten Kennlinie 32 zeigt dabei, wie der Motorstrom I in dem Maße ansteigt, wie der Pumpendruck pp sich dem Lastdruck pz annähert. Der Pumpendruck pp beginnt dabei mit Verzögerung zum Startvorgang t0 von einem Zeitpunkt t1 hochzulaufen. Zu einem Zeitpunkt t2 erreicht schließlich der hochlaufende Pumpendruck den Lastdruck nach der vierten Kennlinie 34, so dass kurz danach zu einem Zeitpunkt t3 die Konstantpumpe 12 zu fördern beginnt und die fünfte Kennlinie 35 hochläuft. Die bis zum Zeitpunkt t2 horizontal verlaufende Kennlinie 34 besagt, dass sich die Last auf einem Lasthalteventil abstützt und somit der Zylinder 11 steht. Im Zeitpunkt t3 beginnt sich der Hubzylinder 11 zu bewegen. Dieser Bereich des Bewegungsbeginns des Hubzylinders 11 zeichnet sich in einer belästungsabhängigen Größe des Elektromotors 23 ab, nämlich in der zweiten Kennlinie für den Motorstrom I, da diese Kennlinie 32 bei genügend langsamer Rampe der Drehzahl-Kennlinie 31 einen Wendepunkt 36 aufweist, bei dem der Laststrom nicht mehr ansteigt. In diesem Zeitpunkt t4 wird nun die Initialrampe für die Drehzahl nach der Kennlinie 31 abgebrochen und die hier erreichte Drehzahl als Mindestdrehzahl für die weitere Hubsteuerung verwendet. Dieser Wendepunkt 36 kann von der elektronischen Steuereinrichtung 24 detektiert werden. Wegen der Trägheit des ganzen Systems, insbesondere dem großen Ölvolumen im Hubzylinder 11, liegt dieser Wendepunkt 36 nicht ganz exakt auf dem Förderbeginn der Konstantpumpe im Zeitpunkt t3, sondern bereits in einem Bereich, in dem die Konstantpumpe 12 sicher fördert. Jedoch ist diese zum Zeitpunkt t4 feststellbare Mindestdrehzahl stets erheblich niedriger als der bisher übliche, nach allgemeinen Erfahrungen festgesetzte Mindestdrehzahlpunkt.
Mit der so erreichten Mindestdrehzahl zum Zeitpunkt t4 wird anschließend eine Aussteuerung der Motordrehzahl gemäß der Vorgabe am Sollwertsteller 26 vorgenommen nach der Formel
vorgenommen, wobei die Bedeutung der Größen wie folgt ist,
nmot = Sollwertmotordrehzahl;
nmax = maximale Motordrehzahl;
nmin = ermittelte Mindestdrehzahl;
Usoll = Sollwertspannung (zugleich Sollwertdrehzahl);
Usoll max = maximale Sollwertspannung (zugleich maximale Sollwertdrehzahl).
Mit dem vorliegenden Verfahren lässt sich somit eine Mindestdrehzahlanpassung erreichen, die bei niedrigen Lastdrücken auch zu niedrigen Mindestdrehzahlen und bei hohen Lastdrücken zu höheren Mindestdrehzahlen führt. Mit dem aufgezeigten Verfahren lässt sich auch eine Schwingungstilgung während des Hubvorgangs durchführen. So äußern sich Druckschwingungen als Schwingungen im Motorstrom und können dadurch mit einer der Motordrehzahlsteuerung überlagerten Motordrehzahlregelung gedämpft werden. Ferner lässt sich bei dem elektrohydraulischen Hubantrieb auch ein Abschalten des Elektromotors 23 bei Druckabfall während des Hubvorgangs erreichen, so dass ein Plantschbetrieb der Konstantpumpe 12 vermieden wird.
Selbstverständlich sind an dem gezeigten Verfahren Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So lässt sich die belastungsabhängige Größe am Elektromotor je nach dessen Bauart auf verschiedene Weise gewinnen. Während sich das drehmomentproportionale Signal bei der aufgezeigten Synchronmaschine mit Drei-Phasen- Kommutierung vorteilhaft vom Motorstrom ableiten lässt, kann bei einer asynchronen Maschine dieses Signal im Motorschlupf an einem Wendepunkt abgeleitet werden. Ebenso ist es möglich, als drehzahlveränderlichen Elektromotor einen impulsgesteuerten Gleichstrommotor zu verwenden und dabei ein entsprechendes drehmomentproportionales Signal abzuleiten zur Ermittlung der Mindestdrehzahl.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines elektrohydraulischen Hubantriebs, bei dem ein drehzahlveränderlicher Elektromotor eine Konstantpumpe antreibt, die zur Steuerung der Hubgeschwindigkeit des Hubzylinders Druckmittel über ein Rückschlagventil zum Hubzylinder fördert, der über eine parallele Ablaufleitung mit einer steuerbaren Drosselventileinrichtung zum Tank entlastbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantpumpe (12) eine Verdrängerpumpe ist, die bei einem rampenförmigen Beschleunigen des Elektromotors (23) nach dem Startvorgang diejenige Drehzahl als Mindestdrehzahl der Verdrängerpumpe ermittelt, bei welcher eine belastungsabhängige Größe am Elektromotor (23) nicht mehr ansteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlbereich zwischen Mindestdrehzahl (nmin) und Maximaldrehzahl (nmax) als proportionaler Arbeitsbereich für die Aussteuerung der Elektromotor-Drehzahl abhängig vom Bediener-Signal am Sollwertsteller (26) benutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussteuerung der Elektromotor-Drehzahl nach der Formel
erfolgt, wobei
nmot = Sollwertmotordrehzahl;
nmax = maximale Motordrehzahl;
nmin = ermittelte Mindestdrehzahl;
Usoll = Sollwertspannung (Sollwertdrehzahl);
Usoll max = maximale Sollwertspannung (zugleich maximale Sollwertdrehzahl).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdrängerpumpe eine außenverzahnte Zahnradpumpe benutzt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektromotor (23) eine Synchronmaschine und als belastungsabhängige Größe deren Motorstrom (I) verwendet werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektromotor (23) eine Asynchronmaschine und als belastungsabhängige Größe deren Motorschlupf verwendet werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektromotor ein Gleichstrommotor mit Impulssteuerung verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schwingungstilgung von Druckschwingungen beim Heben dem Elektromotor (23) eine Drehzahlregelung überlagert wird.
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