DE102011010218A1

DE102011010218A1 - Verfahren zum Regeln des Drucks eines mittels einer drehzahlgeregelten Pumpe geförderten Fluids

Info

Publication number: DE102011010218A1
Application number: DE102011010218A
Authority: DE
Inventors: Volker Schüren; Bernd Spatz; Dr. Müller Karsten; Dieter Holl; Eberhard Schemm; Wolfgang Haug; Dirk-Walter Herold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2031-02-04
Also published as: CN102628436A; CN102628436B; DE102011010218B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Drucks eines mittels einer drehzahlgeregelten Pumpe geförderten Fluids, wobei durch entsprechende Ansteuerung des drehzahlgeregelten Antriebs der Pumpe ein Istdruck auf einen Solldruck geregelt wird, wobei der Istdruck aus einem Antriebsmoment und einer zeitlichen Veränderung der Rotorposition eines Elektromotors des Antriebs bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Drucks eines mittels einer drehzahlgeregelten Pumpe, insbesondere einer Servopumpe, geförderten Fluids sowie ein elektrohydraulisches Antriebssystem.
Stand der Technik
Bei zugrunde liegenden elektrohydraulischen Antriebssystemen treibt ein elektrischer, drehzahlvariabler Antrieb (meist drehzahlgeregelter Elektromotor, Servoantrieb) eine Fluidpumpe (Konstantpumpe oder Verstellpumpe) an, die den benötigten Druck und Durchfluss für die Hydraulikanlage, wie z. B. eine Spritzgießmaschine, liefert. Solche sog. Servopumpen kommen z. B. für Anwendungen zum Einsatz, bei denen hohe Stellkräfte bei kleinen Abmessungen der Stellorgane sowie eine präzise Steuerung des hydraulisch verstellten Maschinenteils gefordert sind.
Ein Konzept für die Ansteuerung der hydraulischen Verbraucher einer Spritzgießmaschine ist in der EP 0 403 041 A2 dargestellt. Eine Konstantpumpe ist mit einem hydraulischen Verbraucher nach Art einer hydraulischen Kraft-/Weg-Übersetzung direkt verbunden. Die Konstantpumpe wird mittels eines drehzahlvariablen, elektrischen Servoantriebs betätigt. Die Gesamtregelung umfasst einen Geschwindigkeitsregelkreis des Servoantriebs sowie eine Positionsregelung oder Druckregelung des Verbrauchers.
In der DE 10 2007 007 005 A1 wird eine elektrohydraulische Steueranordnung offenbart, die mit einer verstellbaren Fluidpumpe und mit einem drehzahlvariablen elektrischen Antrieb ausgestattet ist. Eine Druckerfassungseinrichtung erlaubt die Erfassung des Fluiddrucks. Der Hauptregelkreis dieser elektrohydraulischen Steueranordnung besitzt ein Drehzahlstellglied des elektrischen Antriebs als Stellglied. Mittels des Hauptregelkreises lässt sich der Fluiddruck und damit z. B. eine durch einen Zylinder ausgeübte Kraft oder eine nachgeordnete Stellgröße wie z. B. eine Position oder eine Geschwindigkeit regeln. Ein Verdrängungsvolumenstellglied der Fluidpumpe wird mittels einer Nebenstellkette in Abhängigkeit von dem erfassten Fluiddruck angesteuert.
Es ist wünschenswert, die Druckregelung zu vereinfachen und dabei insbesondere Druckerfassungseinrichtungen einzusparen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Regeln des Drucks eines mittels einer drehzahlgeregelten Pumpe, insbesondere einer Servopumpe, geförderten Fluids sowie ein elektrohydraulisches Antriebssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung basiert auf der Maßnahme, den Istdruck des von einer drehzahlgeregelten Pumpe geförderten Fluids nicht mehr messtechnisch zu erfassen, sondern zu berechnen. Dazu können besonders vorteilhaft Antriebsmoment und Rotorposition (Veränderung der Position, Beschleunigung) herangezogen werden, die in der Steuerung einer drehzahlgeregelten Pumpe ohnehin vorliegen oder leicht bestimmt werden können. Dadurch kann die Druckerfassungseinrichtung wegfallen. Die Kosten und die Anzahl möglicher Fehlerquellen werden reduziert. Zur Druckbestimmung wird insbesondere das Antriebsmoment um beschleunigungsabhängige Momentanteile korrigiert, um den Druck mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können.
Das Antriebsmoment kann relativ einfach basierend auf bekannten oder leicht bestimmbaren Größen bestimmt werden. Es kann bei einem bekannten Motorkennfeld bspw. aus dem Motorstrom abgeleitet werden. Diese Strommessung wiederum lässt sich kostengünstig in der Leistungselektronik realisieren. Prinzipiell bestimmt sich das Antriebsmoment aus dem drehmomentbildenden Anteil Iq des Motorstroms und der Drehmomentkonstante k_M [Nm/A] des Elektromotors. Da die Drehmomentkonstante temperaturabhängig sein kann, verbessert eine Berücksichtigung der Temperatur des Elektromotors das Berechnungsergebnis. Es bietet sich überdies an, die Drehmomentkonstante – vorzugsweise als temperaturabhängiges Kennfeld – in einer Speichereinrichtung des drehzahlgeregelten Antriebs zu hinterlegen, von wo sie besonders einfach von dem Regelungssystem ausgelesen werden kann. Drehzahlgeregelte Antriebe sind üblicherweise mit einem Winkelsensor ausgerüstet, der einen Speicher aufweist, in dem unterschiedliche Motorparameter abgelegt sind (sog. elektronisches Typenschild). Der Regler liest die Daten bei der Inbetriebnahme aus und benutzt sie zur Einstellung des Regelverhaltens. Es ist nun besonders vorteilhaft, die genaue, individuell dem Motor zugeordnete Drehmomentkonstante ebenfalls im Geberspeicher abzulegen.
Der Istdruck wird nicht direkt gemessen, sondern hier aus der drehmomentbildenden Komponente des Motorstroms und der Rotorbeschleunigung berechnet. Eine bevorzugte Methode zur Bestimmung des Istdrucks basiert dann auf folgender Gleichung:

Δp_M:: berechnete Druckdifferenz über die Fluidpumpe [Pa] zwischen Druck nach der Pumpe (Istdruck) und Druck vor der Pumpe (Vordruck)
V:: Fördervolumen/Umdrehung der Fluidpumpe [m³]
J:: gesamtes Trägheitsmoment, umgerechnet auf die Motorwelle [Nm]
f:: mechanischer Rotorwinkel (rad)
R:: Reibmoment (Nm)

Der zu regelnde Istdruck kann aus der Druckdifferenz durch Abzug des Vordrucks bestimmt werden. Für übliche Anwendungen reicht auch die Verwendung der Druckdifferenz als Istdruck aus, da der Vordruck im Vergleich zum Istdruck des geförderten Fluids meist vernachlässigt werden kann.
Die Erfindung ist sowohl für Konstantpumpen als auch für Verstellpumpen geeignet, da bei letzteren das aktuelle Fördervolumen üblicherweise in der Regelung bekannt ist oder bspw. mittels einer geeigneten Sensorik erfasst werden kann.
Der zweite, beschleunigungsabhängige Term wird subtrahiert, da die Beschleunigung keinen Beitrag zum Druck liefert. Auf die Berücksichtigung der Reibung kann in der Praxis meist verzichtet werden. Für das bevorzugte Modell werden im Wesentlichen nur das gesamte wirksame Trägheitsmoment J (Motor, Pumpe, Hydraulikflüssigkeit) und das Reibmoment R benötigt. Diese können vorab, beispielsweise durch eine Messung, ermittelt werden.
Die Bestimmung des Druckes aus Motorstrom und Winkellage bzw. Winkellagenveränderung ist dann besonders genau, wenn das Trägheitsmoment J korrekt parametriert ist. Diese Größe kann z. B. automatisch ermittelt werden, indem eine Testroutine im Antrieb gestartet wird, welche bspw. die Beschleunigung bei vorgegebenem Drehmoment ermittelt, wobei das Hydrauliksystem so konfiguriert ist, dass sich dabei kein nennenswerter Druck aufbaut (Neutralumlaufschaltung). Durch ein solches Verfahren werden auch alle weiteren Einflüsse, wie z. B. die Reibung des Systems mit erfasst. Auch Verfahren, die den ermittelten Druckaufbau mit einem erwarteten Verlauf vergleichen, sind bevorzugt.
Der Rotorwinkel wird zweckmäßigerweise gemessen, da in einem drehzahlgeregelten Antrieb meist entsprechende Drehgeber vorgesehen sind. Bei einer geberlosen Motorregelung kann jedoch der Rotorwinkel auch aus einem Modell bestimmt werden. Auch ist die Bestimmung des Rotorwinkels mittels (Hochfrequenz) HF-Injektionsverfahren möglich.
Vorteilhafterweise kann ein Überdruckventil für das geförderte Fluid entfallen, wenn der Motorstrom überwacht wird. Dafür ist insbesondere die übliche Stromüberwachung geeignet, wenn eine geeignete Abschaltschwelle definiert wird. Bei Überschreiten eines Stromschwellwerts kann eine Überdrucksituation erkannt und ein druckbegrenzender Eingriff, bspw. das Abschalten des Motors, vorgenommen werden.
Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem weist eine drehzahlgeregelte Pumpe, insbesondere eine Servopumpe, und eine Recheneinheit auf, die, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung des Drucks des geförderten Fluids durchzuführen.
Vorzugsweise ist die Recheneinheit neben der Druckbestimmung auch zur Druckregelung und/oder zur Drehzahlregelung des Antriebs eingerichtet, so dass zusätzliche Einheiten eingespart werden können.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Antriebssystems.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Antriebssystems schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Das Antriebssystem 100 verfügt über eine Servopumpe 200, welche von einem Druckregler 300 durch Vorgabe einer Drehzahl n angesteuert wird. Dem Druckregler 300 wird eine Regeldifferenz aus Solldruck p* und berechnetem Istdruck p_M zugeführt. Der Istdruck p_M wird von einem Rechenglied 400 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestimmt.
Die Servopumpe 200 verfügt über eine Fluidpumpe 210 mit einer Ansaugöffnung 211 und einer Ausgabeöffnung 212, über welche während des Betriebs eine Druckdifferenz Δp abfällt. Die Fluidpumpe 210 wird von einem Servoantrieb angetrieben, welcher einen Elektromotor 221 sowie einen Antriebsregler bzw. Servoverstärker 222 aufweist. Der Servoantrieb verfügt weiterhin über einen Winkelgeber bzw. Drehgeber 223, der den momentanen Rotorwinkel f des Elektromotors 221 an den Antriebsregler 222 liefert. Alternativ ist auch eine Bestimmung des Rotorwinkels f ohne Geber, bspw. modellbasiert, möglich.
Die abgebildete Druckregelung ist zur Regelung des Drucks des geförderten Fluids in der Ausgabeöffnung 212 vorgesehen. In der hier dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur Erfassung des Istdrucks p_M keine Druckerfassungseinrichtung vorgesehen. Vielmehr wird der Istdruck p_M von dem Rechenglied 400 auf Grundlage eines Antriebsstroms I und des Rotorwinkels f bestimmt. Insbesondere wird hierzu der drehmomentbildende Anteil Iq des Antriebsstroms I, welcher sich aus diesem drehmomentbildenden Anteil Iq und einem durch die Phasenlage bestimmten Anteil Id zusammensetzt, herangezogen. Einer oder beide Anteile können insbesondere durch eine sogenannte Vektorregelung geregelt werden, so dass in der Folge auch die Anteile selbst bekannt sind.
Als Istdruck p_M wird bei Vernachlässigung des Vordrucks in der Ansaugöffnung 211 die Druckdifferenz Δp_M bestimmt gemäß:
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind das Druckregelglied 300, das Antriebsregelglied 222 sowie das Berechnungsglied 400 in einer erfindungsgemäß eingerichteten Recheneinheit zusammengefasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0403041 A2 [0003]
DE 102007007005 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Regeln des Drucks eines mittels einer drehzahlgeregelten Pumpe (200) geförderten Fluids, wobei durch entsprechende Ansteuerung eines drehzahlgeregelten Antriebs (221, 222, 223) der Pumpe (200) ein Istdruck (p_M) auf einen Solldruck (p*) geregelt wird, wobei der Istdruck (p_M) aus einem Antriebsmoment und einer zeitlichen Veränderung der Rotorposition (f) eines Elektromotors (221) des Antriebs bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Antriebsmoment basierend auf einem Motorstrom (Iq) und einem Motormodell bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Antriebsmoment basierend auf dem drehmomentbildenden Anteil (Iq) des Motorstroms bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Antriebsmoment basierend auf einer Drehmomentkonstante und/oder Sättigungskennlinie des Elektromotors (221) des Antriebs bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei das Antriebsmoment unter Berücksichtigung einer Temperatur des Elektromotors (221) des Antriebs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Istdruck (p_M) unter Berücksichtigung eines Trägheitsmoments des Elektromotors (221) des Antriebs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Istdruck (p_M) unter Berücksichtigung eines Reibmoments des Elektromotors (221) des Antriebs (221) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Trägheitsmoment und/oder das Reibmoment automatisch ermittelt werden, indem eine Beschleunigung bei vorgegebenem Drehmoment ermittelt wird, wobei die drehzahlgeregelte Pumpe (200) in einer Neutralumlaufschaltung konfiguriert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Rotorposition gemessen oder rechnerisch aus einem Antriebsmodell ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein druckbegrenzender Eingriff vorgenommen wird, wenn der bestimmte Istdruck (p_M) einen Schwellwert überschreitet.
Elektrohydraulisches Antriebssystem (100) umfassend eine drehzahlgeregelte Pumpe (200) und eine Recheneinheit (400), die zur Bestimmung eines Istdrucks (p_M) nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 11, wobei die Recheneinheit gleichzeitig als Antriebsregler (222) für den Antrieb (221, 222, 223) der drehzahlgeregelten Pumpe eingerichtet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Recheneinheit gleichzeitig als Druckregler (300) für die drehzahlgeregelte Pumpe (200) eingerichtet ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei in einer Speichereinheit des Antriebs (221, 222, 223) der drehzahlgeregelten Pumpe eine Drehmomentkonstante des Elektromotors (221) des Antriebs (221, 222, 223) gespeichert ist.