DE102011010218B4 - Verfahren zum Regeln des Drucks eines mittels einer drehzahlgeregelten Pumpe geförderten Fluids - Google Patents
Verfahren zum Regeln des Drucks eines mittels einer drehzahlgeregelten Pumpe geförderten Fluids Download PDFInfo
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Abstract
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 (pM) auf einen Solldruck (p*) geregelt wird, wobei der Istdruck (pM) aus einem Antriebsmoment und einer zeitlichen Veränderung der Rotorposition (f) eines Elektromotors (221) 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.
- Bei herkömmlichen 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. - Die
DE 20 2005 001 746 U1 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern einer Strömungsarbeitsmaschine wie einer Vakuumpumpe oder eines Kompressors. Die Strömungsarbeitsmaschine wird von einem Drehstromasynchronmotor angetrieben, dessen Drehzahl mittels eines Frequenzumrichter verstellbar ist. Die Drehzahlvorgabe erhält der Frequenzumrichter von einem Reglerbaustein. Der Reglerbaustein ist dazu eingerichtet einen Istwert für Ausgangsgrößen wie Gastemperatur, Differenzdruck oder Volumenstrom aus Eingangsgrößen wie Ständerfrequenz oder Ständerspannung des Elektromotors zu errechnen und zwar mit Hilfe eines mathematischen Modells des Motors und der Strömungsarbeitsmaschine. - In der
DE 10 2008 062 054 A1 ist eine Anordnung mit einer Vakuumpumpe beschrieben. Die Drehzahl eines die Vakuumpumpe antreibenden Motors kann gesteuert, insbesondere abgesenkt werden. Mittels einer Messbaugruppe wird eine Leistung des Motors gemessen. Bei Unterschreiten einer Leistungsschwelle wird die Drehzahl des Motors abgesenkt. - Die
DE 693 12 183 T2 beschreibt ein Steuerungsverfahren eines Elektromotors, der zum Antrieb einer Kreiselpumpe eingesetzt wird. Zur Steuerung der Drehzahl des Elektromotors wird ein Frequenzumrichter verwendet. Anhand des vom Frequenzumrichter aufgenommenen Stroms oder des dem Elektromotor zugeführten Strom wird auf eine Druckänderung geschlossen, welche durch Veränderung der Drehzahl als Stellgröße ausgeglichen werden soll. - Es ist wünschenswert, die Druckregelung zu vereinfachen und dabei insbesondere Druckerfassungseinrichtungen einzusparen.
- 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.
- 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 kM [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.
-
- ΔpM:
- 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]
- φ:
- 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.
-
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 Antriebssystem100 verfügt über eine Servopumpe200 , welche von einem Druckregler300 durch Vorgabe einer Drehzahl n angesteuert wird. Dem Druckregler300 wird eine Regeldifferenz aus Solldruck p* und berechnetem IstdruckpM zugeführt. Der IstdruckpM wird von einem Rechenglied400 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestimmt. - Die Servopumpe
200 verfügt über eine Fluidpumpe210 mit einer Ansaugöffnung211 und einer Ausgabeöffnung212 , über welche während des Betriebs eine Druckdifferenz Δp abfällt. Die Fluidpumpe210 wird von einem Servoantrieb angetrieben, welcher einen Elektromotor221 sowie einen Antriebsregler bzw. Servoverstärker222 aufweist. Der Servoantrieb verfügt weiterhin über einen Winkelgeber bzw. Drehgeber223 , der den momentanen Rotorwinkel φ des Elektromotors221 an den Antriebsregler222 liefert. Alternativ ist auch eine Bestimmung des Rotorwinkels φ 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 IstdruckspM keine Druckerfassungseinrichtung vorgesehen. Vielmehr wird der IstdruckpM von dem Rechenglied400 auf Grundlage eines Antriebsstroms I und des Rotorwinkels φ 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. -
- In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind das Druckregelglied
300 , das Antriebsregelglied222 sowie das Berechnungsglied400 in einer erfindungsgemäß eingerichteten Recheneinheit zusammengefasst.
Claims (14)
- 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 (pM) auf einen Solldruck (p*) geregelt wird, wobei der Istdruck (pM) 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 oder3 , wobei das Antriebsmoment basierend auf einer Drehmomentkonstante und/oder Sättigungskennlinie des Elektromotors (221) des Antriebs bestimmt wird. - Verfahren nach
Anspruch 2 ,3 oder4 , wobei das Antriebsmoment unter Berücksichtigung einer Temperatur des Elektromotors (221) des Antriebs bestimmt wird. - Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Istdruck (pM) unter Berücksichtigung eines Trägheitsmoments des Elektromotors (221) des Antriebs bestimmt wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Istdruck (pM) unter Berücksichtigung eines Reibmoments des Elektromotors (221) des Antriebs (221) bestimmt wird.
- Verfahren nach
Anspruch 6 oder7 , 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 (pM) einen Schwellwert überschreitet.
- Elektrohydraulisches Antriebssystem (100) umfassend eine drehzahlgeregelte Pumpe (200) und eine Recheneinheit (400), die zur Bestimmung eines Istdrucks (pM) 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 oder12 , wobei die Recheneinheit gleichzeitig als Druckregler (300) für die drehzahlgeregelte Pumpe(200) eingerichtet ist. - Antriebssystem nach einem der
Ansprüche 11 bis13 , wobei in einer Speichereinheit des Antriebs (221, 222, 223) der drehzahlgeregelten Pumpe eine Drehmomentkonstante des Elektromotors (221) des Antriebs (221, 222, 223) gespeichert ist.
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