DE102011121837B4

DE102011121837B4 - Verfahren zum Betreiben drehzalvariabler Pumpen und drehzalvariable Pumpe

Info

Publication number: DE102011121837B4
Application number: DE102011121837.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wahler; Emad El Din Ali
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: DE102011121837A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben drehzahlvariabler Pumpen, wobei die Pumpe eine Antriebseinrichtung (2) sowie eine Steuerungseinrichtung (4) zum Steuern dieser Antriebseinrichtung (2) aufweist, und diese Steuerungseinrichtung (4) die Antriebseinrichtung (2) mit einem vorgegebenen Drehzahlverlauf derart steuert, dass ein charakteristischer Pumpenausgangsdruckverlauf der Pumpe einem vorgegebenen Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf entspricht und wobei periodisch wiederkehrende Störungen den charakteristischen Pumpenausgangsdruckverlauf beeinflussen dadurch gekennzeichnet, dass diese periodisch wiederkehrenden Störungen durch eine vorab festgelegte Vorsteuerung des vorgegebenen Drehzahlverlaufs zumindest teilweise kompensiert werden, um so eine Abweichung des charakteristischen Pumpenausgangsdruckverlauf gegenüber dem Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf zu verringern, wobei die Vorsteuerung einen additiven Drehzahlverlauf (n) aufweist, der auf den vorgegebenen Drehzahlverlauf (n) additiv aufgeschaltet wird und zur Ermittlung der Vorsteuerdaten ein Drehzahlsollwert in Abhängigkeit von einem Lageistwert bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben drehzahlvariabler Pumpen sowie eine drehzahlvariable Pumpe. Derartige drehzahlvariable Pumpen sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. Für drehzahlvariable Pumpen ist ein Gütekriterium die möglichst hohe Konstanz des Drucks, daneben aber auch die Laufruhe, da sich Druckschwankungen beispielsweise in einem Geräusch bemerkbar machen können. Derartige Pumpen werden dabei üblicherweise über Umrichter angetrieben, deren Drehzahl variabel ist. Die Druckpulsation ergibt sich grundsätzlich durch den Aufbau der jeweiligen Pumpe und ist insbesondere bei Zahnradpumpen ausgeprägt vorhanden.
Die vorliegende Erfindung ist daher insbesondere auf Zahnradpumpen und insbesondere auf Innenzahnradpumpen und Aussenzahnradpumpen anwendbar. Es wäre jedoch darüber hinaus auch eine Anwendung auf andere Pumpenkonzepte möglich.
Die DE 10 2010 039 943 A1 offenbart ein Verfahren zur Ansteuerung einer Druckversorgungseinheit für ein Fluidaggregat, welche einen Antrieb und eine Pumpeneinheit umfasst, wobei der Antrieb über Ansteuersignale zur Umsetzung einer Druck- und/oder Fluidfördermengenvorgabe entsprechend angesteuert wird. Dabei werden die Ansteuersignale so verändert, dass betriebsbedingte Schwingungs- und/oder Druckpulsationsemissionen bei im Wesentlichen gleichbleibendem Wirkungsgrad einen vorgegebenen Grenzwert unterschreiten.
Die DE 10 2009 023 278 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung einer Kolbenpumpe, wobei die Winkelgeschwindigkeit der Kolbenpumpe in Abhängigkeit entweder vom Kurbelwellenwinkel oder der Kolbenposition, oder in Abhängigkeit vom Volumenstrom, der durch die Pumpe erzeugt wurde, oder vom Druck, der durch die Pumpe erzeugt wurde, in einer solchen Weise geändert werden, dass ein vorbestimmter Sollvolumenstrom bzw. Solldruck am Ausgang der Pumpe erhalten wird. Dieses geschieht vorzugsweise durch die Aufschaltung eines Kompensationssignals im Frequenzumrichter zur Ansteuerung eines Elektromotors, der die Pumpe antreibt.
Die DE 10 2008 061 828 A1 offenbart eine hydrostatische Pumpe, insbesondere Axialkolbenpumpe, mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Antriebswelle, bei der die von der hydrostatischen Pumpe erzeugte Volumenstrompulsation verringert wird, indem der Drehbewegung der Antriebswelle durch einen Aktor eine oszillierende Bewegung im Sinne einer Verminderung der Pulsation überlagert wird.
Die DE 697 29 772 T2 offenbart ein Pumpen-System umfassend eine Pumpe, einen rotierenden Motor, Mittel für das Abfragen der Druck-Kurve für jeden Pump-Zyklus; Mittel welche eine kompensierende Druck-Kurve aus dem Abfrage-Mittel berechnen; und Steuerungs/Regelungs-Mittel für den Motor, um die kompensierende Druck-Kurve anzuwenden; wobei es außerdem Mittel umfasst, welche die Phasen-Verzögerung zwischen einer Steuer-Eingabe an das Motor-Steuerungs/Regelungs-Mittel und dem durch das Abfrage-Mittel abgefragten Druck berechnen und für die Verzögerung kompensieren.
Die DE 601 14 756 T2 offenbart ein Steuerungsgerät, das insbesondere ein Gasverdichter-Steuergerät mit variablem Hubraum sein kann, mit Störungsabschätzung das umfasst: ein Steuerobjekt; ein Störungsabschätzungsmittel zum Abschätzen einer Störung, die zu einer Eingabe des Steuerobjekts basierend auf einem Eingangssignal, das dem Steuerobjekt einzugeben ist, und einem Detektionssignal addiert wird, das vom Steuerobjekt erfasst wird; ein Kompensationsmittel zum Kompensieren einer Differenz zwischen dem Detektionssignal und einem Zielwertsignal und Ausgeben eines Steuersignals und ein Berechnungsmittel zum Subtrahieren einer Störung, die vom Störungsabschätzungsmittel abgeschätzt wird, vom Steuersignal und zum Betrachten eines Subtraktionsergebnisses als das Eingangssignal; wobei das Steuergerät derart konfiguriert ist, dass ein Nominalmodell des Steuerobjekts, das eine Zustandsgleichung oder eine Übertragungsfunktion umfasst, von einem experimentbasierten Systemidentifikationsprozess erstellt ist und das Kompensationsmittel auf der Grundlage des Nominalmodells ausgelegt ist; und das Störungsabschätzungsmittel aus einer erweiterten Zustandsgleichung erstellt ist, die einem Erweiterungssystem entspricht, das ein mathematisches Erweiterungsmodell umfasst, das eine Störung bezüglich des Nominalmodells berücksichtigt.
Eine ideale Pumpe erzeugt einen drehzahlproportionalen Volumenstrom nach folgender Gleichung 1: $Q_{p u m p} = V_{H,0} \cdot n_{P u m p e}$
Dabei bezeichnet V_H,0 das Hubvolumen der Pumpe laut Datenblatt, n_Pumpe die Pumpendrehzahl und Q_pump den Volumenstrom.
In der Realität ist aber insbesondere zur berücksichtigen, dass Leckagen der Pumpe auftreten können, welche drehzahl- und druckabhängig sind und dass auch eine Druckpulsation durch den internen Aufbau mit den ineinandergreifenden Zähnen auftreten kann. Diese mechanisch bedingte Druckpulsation hängt dabei u. a. von der Anzahl der ineinander greifenden Zähne ab.
Der Leckagestrom Q_Leck läßt sich mit folgender Gleichung 2 darstellen: $Q_{L e c k} = (Q_{L e c k,0} + n \cdot k_{n, L e c k}) + k_{p, L e c k} \cdot p$
Näherungsweise lässt sich diese Pulsation mit der nachfolgenden Gleichung 3 beschreiben: $Q_{p u m p} = V_{H,0} \cdot n_{P u m p e} + V_{H, p l u s} \cdot sin (2 Π \cdot N \cdot n_{P u m p e} \cdot t) = Q_{0} + Q_{P u l s a t i o n}$
Man erkennt, dass hier die nominale Fördermenge Qo der Pumpe pro Umdrehung mit einer wechselnden Fördermenge der Pumpe O_Pulsation überlagert ist. N bezeichnet dabei die Zähnezahl, und V_H,Puls die Amplitude der Pulsation, das heißt, den Wechselanteil. Bei einer konstant drehenden Pumpe ergibt sich durch diesen Störeinfluss eine wechselnde Fördermenge, das heißt, ein wechselnder Volumenstrom, sodass sich in der Folge im hydraulischen System auch eine Druckschwankung ergibt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Druckverlauf trotz variabler Fördermenge konstant zu halten. Die variable Fördermenge wirkt sich am Ende genauso aus wie eine periodische drehzahlproportionale Belastung des hydraulischen Systems mit der oben erwähnten wechselnden Fördermenge der Pumpe, das heißt $Q_{P u l s a t i o n} = V_{H, p u l s} \cdot sin (2 Π \cdot N \cdot n_{P u m p e} \cdot t)$
Es könnte nunmehr versucht werden, diesen Anteil nach Ermittlung der Amplitude in Form einer Sinusschwingung dem Drehzahlsollwert zu überlagern. In diesem Falle müsste jedoch das periodische Lastprofil genau geschätzt werden, um daraus den Vorsteuerwert abzuleiten. Dies ist in der Praxis schwierig, da sich einerseits die Amplitude im Betrieb ändern kann und andererseits die Phasenlage zwischen der Pumpe und einem Motor nicht bekannt ist, da der Anbau beim Kunden beliebig ist.
Diese oben erwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben drehzahlvariabler Pumpen weist die Pumpe eine Antriebseinrichtung sowie eine Steuerungseinrichtung zum Steuern dieser Antriebseinrichtung auf. Dabei steuert diese Steuereinrichtung die Antriebseinrichtung mit einem vorgegebenen Drehzahlverlauf derart, dass ein charakteristischer Pumpenausgangsdruckverlauf der Pumpe einem vorgegebenen Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf (bzw. derart, dass ein charakteristischer Pumpenausgangsvolumenstrom einem vorgegebenen Soll-Pumpenausgangsvolumenstrom) entspricht. Weiterhin beeinflussen periodisch wiederkehrende Störungen den charakteristischen Pumpenausgangsdruckverlauf.
Erfindungsgemäß werden diese periodisch wiederkehrenden Störungen durch eine vorab festgelegte (insbesondere adaptive) Vorsteuerung des vorgegebenen Drehzahlverlaufs zumindest teilweise kompensiert, um so eine Abweichung des charakteristischen Pumpenausgangdruckverlaufs gegenüber dem Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf zu verringern.
Vorteilhaft weist daher die Steuerungseinrichtung eine Drehzahlregelung der Pumpe auf, um auf diese Weise durch eine Regelung der Drehzahl den vorgegebenen Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf zu erreichen. Vorteilhaft handelt es sich bei diesem Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf um einen konstanten (oder sich definiert ändernden) Druckverlauf, der nach Möglichkeit eingehalten werden soll. Bei der Antriebseinrichtung handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor. Dieser Elektromotor treibt dabei wenigstens ein Pumpenelement, beispielsweise ein Innenzahnrad, an. Damit findet vorteilhaft eine Druckregelung statt. Damit ist die Steuerungseinrichtung insbesondere eine Regelungseinrichtung. Diese Regelungseinrichtung kann dabei mehrere (z.B. hintereinander geschaltete) Komponenten wie etwa einen Druckregler und einen Drehzahlregelkreis aufweisen.
Unter der Vorsteuerung wird insbesondere verstanden, dass der Regelungseinrichtung zugeführte und/oder von der Regelungseinrichtung ausgegebene Werte durch die sich aus der Vorsteuerung ergebenden Werte (z.B: Drehzahlwerte) angepasst werden, wobei dies insbesondere durch eine Addition dieser Vorsteuerwerte erfolgen kann. Beispielsweise wäre es möglich, dass die Regelungseinrichtung einen Druckregler aufweist, der Drehzahlwerte an einen nachgeschalteten Drehzahlregelkreis ausgibt und die Vorsteuerwerte (insbesondere als additive) Drehzahlwerte auf diese von dem Druckregler ausgegebenen Drehzahlwerte aufgeschaltet bzw. aufaddiert werden. Vorteilhaft ist damit wenigstens ein Additionselement vorgesehen, welches eine Addition von Werten durchführt.
Unter den periodisch wiederkehrenden Störungen werden insbesondere solche Störungen verstanden, welche durch die Pumpenmechanik, insbesondere durch ineinandergreifende Zahnräder, verursacht werden. Diese Störungen sind dabei üblicherweise hochfrequent und könnten daher mit üblichen Regelungen nicht mehr ausgeregelt werden.
Mit anderen Worten hat sich im Rahmen einer drehzahlvariablen Pumpenlösung gezeigt, dass die Pulsation einer Pumpe mit einer reinen Druckregelung nicht beseitigt werden kann. Daher wird erfindungsgemäß eine Vorsteuerung vorgeschlagen, das heißt, eine Steuerungsmöglichkeit, die diese Störungen gewissermaßen antizipiert, was jedoch voraussetzt, dass diese Störungen periodisch und daher vorhersehbar auftreten. Damit lässt sich die Erfindung grundsätzlich für alle drehzahlvariablen Pumpenlösungen einsetzen, bei denen es insbesondere darum geht, periodische Störgrößen, das heißt, insbesondere Störgrößen des Volumenstroms, durch eine Drehzahlvorsteuerung zu kompensieren.
Dies kann besonders bevorzugt - wie oben erwähnt - bei Innenzahnradpumpen angewandt werden. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise auch eine Optimierung bzw. Verringerung des Geräuschpegels und auch des Druckverlaufs für drehzahlvariable Pumpen mit periodischen Lastgrößen erreicht werden, indem man, wie vorgeschlagen, den Volumenstrom über eine adaptive Drehzahlvorsteuerung aufschaltet und besonders bevorzugt nicht regelt.
Es werden daher mittels einer adaptiven Drehzahlvorsteuerung periodische, sich verändernde Laststöße für einen Antrieb ausgeglichen und damit kann der Gleichlauf deutlich verbessert werden.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren findet auch eine Druckregelung statt. Diese Druckregelung kann dabei insbesondere über eine weitere, im Stand der Technik an sich bekannte, Regelung erfolgen.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren treibt die Antriebseinrichtung ein Pumpenelement rotativ an. Bei dem Pumpenelement kann es sich beispielsweise um ein von der Antriebseinrichtung angetriebenes erstes Zahnrad handeln. Dieses erste Zahnrad kann dabei vorteilhaft ein zweites Zahnrad antreiben. Dabei ist vorteilhaft wenigstens eines der beiden Zahnräder um eine vorgegebene feste geometrische Drehachse drehbar.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird wiederholt ein Lage-Ist-Wert des Pumpenelements erfasst. Dabei kann beispielsweise ein Drehgeber vorgesehen sein, der bei derartigen Antriebseinrichtungen üblicherweise vorhanden ist und aus dessen Werten kann jeweils der Lage-Ist-Wert, beispielsweise eines Pumpenelements oder Antriebselements erfasst werden.
Vorteilhaft wird dabei dieser Lage-Ist-Wert des Pumpenelements mit einem Drehzahl-Soll-Wert, der bevorzugt diesem Lage-Ist-Wert entspricht (bzw. diesem zugeordnet ist), bzw. der zum Zeitpunkt dieses Lage-Ist-Werts aufgenommen wird, abgespeichert werden.
Wie oben erwähnt, handelt es sich bei den Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf um einen konstanten Druckverlauf, das heißt es wird hier konkret ein konstanter Druckverlauf gewünscht. Es wäre jedoch auch möglich, die Erfindung auf solche Fälle anzuwenden, in denen kein konstanter Druckverlauf gewünscht wird, sondern ein bestimmter vorgegebener (sich definiert ändernder) Druckverlauf und dieser möglichst genau einzuhalten ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren weist die Vorsteuerung einen additiven Drehzahlverlauf auf, der auf den vorgegebenen Drehzahlverlauf, der beispielsweise aus der Druckregelung stammen kann, additiv aufgeschaltet wird. Auch wäre es möglich, dass ein additiver Antriebsmomentenverlauf auf einen vorgegebenen Antriebsmomentenverlauf additiv aufgeschaltet wird.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird zur Ermittlung der Vorsteuerdaten jeweils auf vorangegangene Zyklen des Antriebes zurückgegriffen. So kann beispielsweise zur Ermittlung des additiven Drehzahlmomentenverlaufs zu einem bestimmen Betriebs(zeit)punkt auf Antriebsparameter aus einer Vielzahl von Betriebs(zeit)punkten zurückgegriffen werden, die diesen Betriebspunkt zyklisch vorangegangen sind. Bei diesem bevorzugten Verfahren wird eine selbstlernende Regelung beschrieben. Grundsätzlich wäre es möglich, beispielsweise im Rahmen eines Kalibrierbetriebes eine Vielzahl von Lage-Ist-Werten und Drehzahl-Sollwerten abzuspeichern und mit diesen abgespeicherten Werten, bevorzugt mittels Tabellen oder mittels Wertevorgaben den Antrieb zu regeln.
In diesem Falle könnte jedoch das Problem auftreten, dass sich die Antriebsparameter im Laufe der Zeit ändern und damit die Steuerung wieder ungenauer wird. Es wird daher hier ein lernendes Verfahren vorgeschlagen. Im Prinzip können dabei in einem bestimmten Betriebszyklus beispielsweise im Rahmen einer bestimmten Volldrehung eines Pumpenelementes die jeweiligen Lage-Ist-Werte gemeinsam mit den Drehzahl-Soll-Werten aufgenommen werden und diese so ermittelten Daten wiederum für die Vorsteuerung des nächsten Zyklus, das heißt, der nächsten Umdrehung des angetriebenen Elementes als Vorsteuerung verwendet werden. Bei diesem nächsten Zyklus werden wiederum die Lage und Drehzahl-Soll-Werte aufgenommen und wiederum bei der nächsten Periode, das heißt, dem nächsten Zyklus verwendet.
Vorteilhaft werden jedoch zur Vorsteuerung in einem bestimmten Betriebs(zeit)punkt nicht nur die Werte aus dem jeweils vorangegangenen Zyklus verwendet, sondern bevorzugt die Werte aus mehreren vorangegangenen Zyklen. Dadurch kann vorteilhaft über diese mehreren Werte gemittelt werden und diese Mittelung wiederum zur Vorsteuerung verwendet werden.
Bevorzugt wird daher auf diese Weise ein jeweils gleitender Mittelwert gebildet, der sich beispielsweise aus 10 oder 16 der vorangegangenen Zyklen zusammensetzt und der bevorzugt bei dem gerade aktuellen Zyklus additiv aufgeschaltet wird.
Auf diese Weise wird die Steuerung sich selbst einlernen. Damit wird ein adaptives selbstlernendes Vorsteuerverfahren vorgeschlagen. Dieses kann beispielsweise im Rahmen eines adaptiven selbstlernenden Vorsteueralgorithmus verwirklicht werden. Auf diese Weise kann durch die Verwendung eines relativ einfachen adaptiven selbstlernenden Algorithmus, der ohne Inbetriebnahmeaufwand sich an die jeweiligen Randbedingungen anpasst, sowohl die Geräuschentwicklung reduziert wird als auch die Druckschwankungen reduziert werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Ermittlung der Vorsteuerdaten ein Drehzahl-Soll-Wert und/oder ein Momentensollwert in Abhängigkeit von einem Lage-Ist-Wert bestimmt. Damit kann an den bestimmten Betriebspunkten, beispielsweise an bestimmten Drehstellungen jeweils der Dreh-zahl-Soll-Wert und der Lage-Ist-Wert bestimmt werden und diese beispielsweise in eine Tabelle eingetragen werden, die bei der späteren Korrektur bzw. Vorsteuerung verwendet wird.
Bei einem bevorzugten Verfahren handelt es sich bei der Pumpe um eine Innenzahnradpumpe oder eine Außenzahnradpumpe. Wie erwähnt, ist für derartige Pumpen die hier beschriebene Vorgehensweise besonders geeignet, da sehr hochfrequente Schwankungen aufgrund der Zahnradmechanik auftreten können.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren variiert die Fördermenge der Pumpe, es wird jedoch vorteilhaft gleichwohl der Druck beibehalten.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine drehzahlvariable Pumpe mit einer Antriebseinrichtung gerichtet, welche wenigstens ein Pumpenelement antreibt sowie mit einer Regelungseinrichtung zur Regelung dieser Antriebseinrichtung, wobei die Regelungseinrichtung eine Drehzahlregelungseinrichtung ist, welche die Antriebseinrichtung derart regelt, dass ein charakteristischer Pumpenausgangsdruckverlauf der Pumpe einem vorgegebenen Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf entspricht, und wobei periodisch wiederkehrende Störungen den charakteristischen Pumpenausgangsdruckverlauf beeinflussen.
Erfindungsgemäß weist die Pumpe eine Kompensationseinrichtung auf, welche die periodisch auftretenden Störungen durch eine Vorsteuerung der Drehzahlregelung bzw. der Regelungseinrichtung wenigstens teilweise kompensiert. Insbesondere handelt es sich bei der Pumpe um eine Hydraulikpumpe, d.h. eine Pumpe, welche geeignet und dazu bestimmt ist, ein flüssiges Hydraulikmittel zu pumpen.
Es wird daher auch vorrichtungsseitig vorgeschlagen, dass die Steuerung nicht wie bei einem herkömmlichen Druckregelmechanismus geregelt wird, sondern über die besagte Vorsteuerung, wobei jedoch hier auch vorausgesetzt wird, dass diese Störungen bzw. die Abweichungen periodisch wiederkehren und auf diese Weise antizipiert werden können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Kompensationseinrichtung eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Lage-Ist-Wertes des Pumpenelementes auf sowie bevorzugt auch eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Drehzahl-Soll-Wertes sowie bevorzugt auch eine Ermittlungseinrichtung, die auf Basis dieses Drehzahl-Soll-Wertes und des Lage-Ist-Wertes einen (insb. additiv) auf die Regelung aufschaltbaren Drehzahl-Soll-Wert ermittelt. Bei dieser Erfassungseinrichtung zur Erfassung des Lage-Ist-Wertes kann es sich beispielsweise um einen Drehgeber des Antriebes handeln. Bei der Erfassungseinrichtung zur Erfassung des Drehzahl-Soll-Wertes kann es sich beispielsweise um einen Drehzahl-Regelkreis handeln. Vorteilhaft weist die Vorrichtung daher auch einen Drehzahl-Regelkreis auf, auf den - wie erwähnt - die Kompensation aufgeschaltet werden kann.
Vorteilhaft handelt es sich bei der Pumpe um eine Innenzahnradpumpe oder eine Außenzahnradpumpe.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen:
Darin zeigen:

1a, 1b zwei schematische Darstellungen einer Innenzahnradpumpe;
2a bis 2c drei Darstellungen einer Außenzahnradpumpe;
3 eine Darstellung eines Steuerungssystems;
4 eine Darstellung für das Filtersystem für eine erfindungsgemäße Vorrichtung; und
5 eine Strukturübersicht für ein erfindungsgemäßes Verfahren.

Die 1a und 1b zeigen zwei schematische Darstellungen einer Innenzahnradpumpe. Diese Pumpen werden dabei über Umrichter angetrieben, deren Drehzahl variabel ist. Eine Druckpulsation ergibt sich damit grundsätzlich durch den Aufbau der Pumpe und diese ist bei Zahnradpumpen ausgeprägt vorhanden. Die in 1a gezeigte Innenzahnradpumpe weist ein Gehäuse 36 mit Lagerdeckeln 34 und 38 auf. Weiterhin ist ein in 1b gezeigtes Hohlrad 54 (mit Innenverzahnung) vorgesehen sowie Gleitlager 44 und 48, welche zur Lagerung einer Ritzelwelle 32 dienen. Das Bezugszeichen 46 bezieht sich auf Achsialscheiben. Das Bezugszeichen 42 kennzeichnet einen Abschlussdeckel der Pumpeneinrichtung 1. Die Zähne der Ritzelwelle 32 greifen in das Hohlrad 54 (genauer in dessen Verzahnung) ein und treiben dieses Hohlrad so zur Drehung an.
Weiterhin ist in 1b ein Anlagestift 52 dargestellt. Das Bezugszeichen 58 kennzeichnet einen Befestigungsflansch und das Bezugszeichen 56 ein hydrostatisches Lager. Das zu pumpende Mittel wird, wie durch den Pfeil S gezeigt, zugeführt und, wie durch den Pfeil P gezeigt, wieder abgeführt. Die Ritzelwelle 32 ist damit hier das von einer (nicht gezeigten) Antriebseinrichtung angetriebene Pumpenelement. Das Bezugszeichen D1 kennzeichnet eine Drehachse, um die die Ritzelwelle 32 drehbar ist.
Bei der hier dargestellten Verzahnung handelt es sich um eine Evolventenverzahnung. Die entsprechend große Eingriffslänge führt zu einer geringen Strom- und Druckpulsation. Gleichwohl treten jedoch, wie oben erwähnt, Pulsationen auf. Bei einer konstant drehenden Pumpe ergibt sich durch diesen Störeinfluss, d.h. die Pulsation, eine wechselnde Fördermenge hinsichtlich des Volumenstroms, sodass sich in Folge in dem hydraulischen System auch eine Druckschwankung ergibt. Über ein sichelförmiges Segmentfüllstück 62 werden Saug- und der Druckraum getrennt. Im Druckraum tauchen die Zähne der Ritzenwelle wieder in die Zahnlücken des Hohlrades 54 und die Flüssigkeit wird über den Druckkanal (Pfeil P) verdrängt.
Die 2a bis 2c zeigen drei schematische Ansichten einer Außenzahnradpumpe. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 72 auf einen Deckel und das Bezugszeichen 74 auf einen Flansch. Das Bezugszeichen 75 bezieht sich hier auf eine achsiale Abdichtung.
Eine Antriebswelle 76 treibt ein Zahnrad 82 an und dieses ist wiederum mit einem Zahnrad 84 verzahnt, welches es antreibt. Durch diese Bewegung wird eine Förderung der zu pumpenden Flüssigkeit entlang der Pfeile P1 erreicht. Das Zahnrad 82 stellt damit hier das angetriebene Pumpenelement dar. Das Zahnrad 82 wird hier ebenfalls bezüglich einer geometrischen Drehachse D1 rotativ angetrieben.
3 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Regelung einer entsprechenden Pumpe. Dabei bezeichnet p den jeweiligen Systemdruck in bar. Die Regelung erfolgt dabei unter Vorgabe eines Soll-Drucks p_soll, wobei, wie an sich bekannt, auch der Ist-Druck p ist zur Regelung berücksichtigt wird. Ein Druckregler 102 gibt dabei eine Soll-Drehzahl n-Soll an einen Drehzahlregler 104 vor, auf dem wiederum ein I-Regelkreis 106 folgt. Auf Basis dieser von diesen Regelkreisen geregelten Werten wird die Antriebseinrichtung 2 der Pumpe gesteuert. Der tatsächlich von der Pumpe ausgegebene Volumenstrom hängt dabei auch von dem Kompressionsmodul des Öls E_Öl ab sowie auch von einem Leckagestrom, der durch den Pfeil L veranschaulicht ist. Der Leckagestrom Q-Leck ergibt sich nach obiger Gleichung 2.
Die Last der oben dargestellten Pumpe ist in diesem Fall periodisch und weist für eine einmal montierte Pumpe auch immer denselben Winkelbezug zur Antriebseinrichtung bzw. zum Motor auf. Auf diese Weise kann ein adaptiver selbstlernender Kompensationsalgorithmus zur Verfügung gestellt werden, der sich aus mehreren Teilfunktionen zusammensetzt.
Um eine Glättung für die geplante Adaption, das heißt insbesondere die dynamische Nachführung der Kompensationswerte zu erreichen, wird der Kompensationswert für jede Winkelposition über ein Mittelwertfilter N-ter Ordnung geglättet, sodass sich eine Kompensationsmatrix ergibt.
Diese Adaption erfolgt, wie oben erwähnt, auf jedem zu ermittelten Lage-Ist-Wert, der als Stützpunkt dient, wobei die Adaption bevorzugt durch einen Mittelwertfilter erfolgt. Die Filterordnung sowie die Anzahl der Stützpunkte sind dabei frei parametrierbar.
Es kann eine Filterübertragungsfunktion zugrunde gelegt werden, die auf folgender Gleichung basiert: $\frac{X_{o u t}}{X_{i n}} = \frac{z^{- 1} + z^{- 2} + z^{- 3}}{N}, N \leq 16$
X_out bezeichnet dabei die von der Funktion ausgegebenen Werte und X_in die eingegebenen Werte. Die Werte z^-1 ... z^-N veranschaulichen die in den jeweilgen Perioden des Maschinenlaufs (z.B. Drehungen) aufgenommenen Fehlerwerte, die aufsummiert werden und durch die Filterordnung geteilt werden, so dass hier ein Mittelwert gebildet wird.
Mithilfe eines Einlernmoduls können folgende Schritte durchgeführt werden.
Zunächst wird (bevorzugt zyklisch) ein Lage-Ist-Wert (Lage_ist) mit dem entsprechenden Drehzahl-Soll-Wert (n_soll) ermittelt (siehe oben) und in einer Tabelle eingetragen. Der Drehzahl-Sollwert kann am Ausgang eines Geschwindigkeitsreglers ermittelt werden. Die Winkelauflösung kann damit aus der Anzahl der Stützpunkte ermittelt werden und zwar nach folgender Gleichung. $e = 360 / Anzahl_Stützpunkte .$
Vorrichtungsseitig ist damit bevorzugt eine Speichereinrichtung vorgesehen, welche zum Abspeichern der Lage-Ist-Werte und der Drehzahl-Soll-Werte geeignet ist und welche insbesondere auch geeignet ist, um diese Werte mit ihrer (paarweisen) Zuordnung abzuspeichern. Dabei kann die Speichereinrichtung derart ausgestaltet sein, dass bei Hinzukommen neuerer Werte ältere Werte aus vorangegangenen Zyklen wieder gelöscht bzw. überschrieben werden.
Weiterhin kann die Mittelwertfilterordnung (N) vorgegeben werden, die bei dem Einlernprozess auch gleichzeitig der Anzahl an Durchläufen bzw. Achsumdrehungen entspricht. Entsprechend ergibt sich folgende Tabelle:

Winkel e 2*e 3*e ... 360

nSoll[1]

nSoll[2]

...

nSoll[N]
Jeder der in der Tabelle gezeigten Reihen entspricht einer vollständigen Achsenumdrehung.
Es wird weiterhin zyklisch der Lage-Ist-Wert ermittelt und mithilfe obiger Tabelle (gegebenenfalls unter Verwendung von Interpolationen) der jeweilige Drehzahlwert berechnet. Dies erfolgt nach folgender Gleichung: $n S o l l_{V S (x)} = \frac{\sum_{i = 1}^{N} n S o l l [i]}{N}$
Dabei bedeutet x den Lage-Ist-Wert und N die Filterordnung. Es erfolgt daher, wie oben erwähnt, eine Mittelwertbildung.
Um die Ergebnisse weiter zu optimieren, wird bevorzugt der ermittelte Wert nSoll_VS aus der obigen Tabelle zeitlich negativ bzw. früher angesetzt. Dies bedeutet, er wird früher aufgeschaltet, um die Reglerdynamik zu berücksichtigen, die von der Systemeinstellung abhängig ist. Genauer wird die Totzeit berücksichtigt, welche sich durch die Regelung und die Aufzeichnung ergibt. Die Ermittlung dieses zeitlichen Versatzes kann in der Praxis manuell erfolgen, beispielsweise durch stetige Optimierung (Trial-and-Error-Prinzip).
Schließlich werden die so ermittelten Vorsteuerungswerte nSoll_VS als additive Sollwerte direkt auf den Eingang eines Momentenreglers aufaddiert.
Das in 4 gezeigte Schaltbild veranschaulicht die Ermittlung des Drehzahl-Soll-Werts N-Soll_VS. Dabei werden die aktuellen Drehzahl-Soll-Werte n-Soll_aktuell (beispielsweise im Rahmen des Einlernbetriebs) sowie die Lage-Ist-Werte (Lage_ist) vorgegeben und mithilfe der oben erwähnten Tabelle 90 werden die Drehzahl-Soll-Werte an den Bereich 92 ausgegeben. Die Tabelle berücksichtigt dabei sowohl die Filterordnung als auch die Anzahl der Stützpunkte sowie den oben erwähnten zeitlichen Versatz. Anschließend werden die ausgegebenen Werte wie erwähnt noch mit einem Tiefpassfilter 94 (insb. zum Glätten, um hochfrequente Störanteile zu eliminieren) sowie einem Sperrfilter 96 (insbesondere um eventuelle Resonanzfrequenzen im Vorsteuerwert zu eliminieren und um eine Mitkopplung zu vemeiden) bearbeitet und schließlich ausgegeben. Über eine Schalteinheit 98 kann die Vorsteuerung an -und ausgeschaltet werden.
5 zeigt eine weitere Darstellung des erfindungsgemäßen Systems. Dabei ist wiederum die Regelungseinrichtung 4 zum Regeln der Antriebseinrichtung 2 sowie der Pumpe 1 dargestellt. Daneben ist auch wieder der (zu der Regelungseinrichtung 4 gehörende) Druckregler 4a dargestellt sowie die Kompensationseinrichtung 6, welche die Vorsteuerung der Drehzahlregelung herbeiführt. Man erkennt, dass Lagewerte und Drehzahlsollwerte dieser Kompensationseinrichtung 6 zugeführt werden und diese die additive Drehzahlregelung n_Soll,add wiederum an den Drehzahlregelkreis aufschaltet. Damit wird dieser Wert n_Soll,add zu dem Ausgang des Druckreglers, der eine Drehzahlvorgabe ausgibt, hinzugeschaltet.
Wie oben erwähnt, sind die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei periodischer und positionsbezogener Last anwendbar, was insbesondere bei Pumpenpulsationen in Konstantdrucksystemen der Fall ist.
Die Anzahl der Stützpunkte sowie die jeweilige Filterordnung ist speicherbedingt begrenzt, wobei dies dazu führt, dass bei sehr komplexen Lastprofilen die Genauigkeit abweichen kann.
Um weiterhin die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, kann eine Achse auch mit mehreren Umdrehungen fahren, um auf diese Weise Einfluss auf die Filterordnung zu gewinnen. Weiterhin kann eine Gewichtung des Lage-Ist-Werts über mehrere Umdrehungen erfolgen.
Vorteilhaft wird die vorliegende Erfindung bei Drehantrieben mit Achsengeschwindigkeiten von weniger als 30 Umdrehungen pro Minute realisiert. Wird z. B. eine Anzahl von Stützpunkten von 1080 und eine Filterordnung von 16 vorgegeben, kann eine Reduzierung der Druckschwankung um einen Faktor von 3 bis 4 erreicht werden.
Bezugszeichenliste

1: Pumpe
2: Antriebseinrichtung
4: Regelungseinrichtung
4a: Druckregler
6: Kompensationseinrichtung
32: Ritzelwelle
34, 38: Lagerdeckel
36: Gehäuse
42: Abschlussdeckel
44,48: Gleitlager
46: Achsialscheiben
52: Anlagestift
54: Hohlrad
54a: Kurve
56: hydrostatisches Lager
58: Befestigungsflansch
62: Segmentfüllstück
72: Deckel
74: Flansch
75: achsiale Abdichtung
76: Antriebswelle
82: Zahnrad
84: Zahnrad
90: Tabelle
92: Bereich
94: Tiefpassfilter
96: Sperrfilter
98: Schalteinheit
102: Druckregler
104: Drehzahlregler
106: I-Regelkreis
L: Pfeil
S: Pfeil
P: Druckkanal
D1: Drehachse
P1: Pfeil

Claims

Verfahren zum Betreiben drehzahlvariabler Pumpen, wobei die Pumpe eine Antriebseinrichtung (2) sowie eine Steuerungseinrichtung (4) zum Steuern dieser Antriebseinrichtung (2) aufweist, und diese Steuerungseinrichtung (4) die Antriebseinrichtung (2) mit einem vorgegebenen Drehzahlverlauf derart steuert, dass ein charakteristischer Pumpenausgangsdruckverlauf der Pumpe einem vorgegebenen Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf entspricht und wobei periodisch wiederkehrende Störungen den charakteristischen Pumpenausgangsdruckverlauf beeinflussen dadurch gekennzeichnet, dass diese periodisch wiederkehrenden Störungen durch eine vorab festgelegte Vorsteuerung des vorgegebenen Drehzahlverlaufs zumindest teilweise kompensiert werden, um so eine Abweichung des charakteristischen Pumpenausgangsdruckverlauf gegenüber dem Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf zu verringern, wobei die Vorsteuerung einen additiven Drehzahlverlauf (n_add) aufweist, der auf den vorgegebenen Drehzahlverlauf (n) additiv aufgeschaltet wird und zur Ermittlung der Vorsteuerdaten ein Drehzahlsollwert in Abhängigkeit von einem Lageistwert bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (2) ein Pumpenelement (32, 82) rotativ antreibt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wiederholt ein Lageistwert des Pumpenelements (32, 82) erfasst wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf ein konstanter Druckverlauf ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe eine Innenzahnradpumpe oder eine Aussenzahnradpumpe ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge der Pumpe zeitlich variiert.
Drehzahlvariable Pumpe (1) mit einer Antriebseinrichtung (2), welche wenigstens ein Pumpenelement antreibt, mit einer Regelungseinrichtung (4) zur Regelung der Antriebseinrichtung (2), wobei die Regelungseinrichtung (4) eine Drehzahlregelungseinrichtung ist, welche die Antriebseinrichtung (2) derart regelt, dass ein charakteristischer Pumpenausgangsdruckverlauf der Pumpe einem vorgegebenen Soll-Pumpenausgangsdruckverlauf entspricht und wobei periodisch wiederkehrende Störungen den charakteristischen Pumpenausgangsdruckverlauf beeinflussen dadurch gekennzeichnet dass die Pumpe eine Kompensationseinrichtung (6) aufweist, welche die periodisch auftretenden Störungen durch eine Vorsteuerung der Drehzahlregelung wenigstens teilweise kompensiert, wobei die Kompensationseinrichtung (6) auf Basis eines Lageistwerts eines Pumpenelements und auf Basis eines Drehzahlsollwerts einen additiv auf die Regelung aufschaltbaren Drehzahlsollwert ermittelt.