DE102012009136A1

DE102012009136A1 - Verfahren zum Betreiben einer Fluidpumpe

Info

Publication number: DE102012009136A1
Application number: DE201210009136
Authority: DE
Inventors: Henno Buschmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-05
Filing date: 2012-05-05
Publication date: 2013-11-07
Also published as: WO2013167248A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidpumpe (10), bei der ein je Umdrehung ein Fördervolumen förderndes Förderwerk (20) von einem mit einer Drehzahl rotierenden Antrieb (30) angetrieben wird, wobei das Förderwerk (20) verstellbar und/oder der Antrieb (30) drehzahlvariabel ausgebildet ist, wobei ein Ist-Volumenstrom auf einen Soll-Volumenstrom (Q's) und/oder ein Ist-Förderdruck (p) auf einen Soll-Förderdruck (ps) geregelt wird, indem im Falle eines verstellbaren Förderwerks (20) ein Sollwert für das Fördervolumen (αs) des Förderwerks (20) und im Falle eines drehzahlvariablen Antriebs (30) ein Sollwert für die Drehzahl (ns) des Antriebs (30) vorgegeben werden, wobei wenigstens einer der vorgegebenen Sollwerte (αs, ns) mit einem von dem Ist-Förderdruck (p) abhängigen Vorsteuerwert (αV, nV) beaufschlagt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidpumpe, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie eine Fluidpumpe mit einer solchen Recheneinheit.
Stand der Technik
Der Erfindung zugrunde liegende Fluidpumpen bestehen aus einem Förderwerk mit festem oder variablem Fördervolumen (pro Hub bzw. Umdrehung), welches von einem Antrieb mit fester oder variabler Drehzahl angetrieben wird. Wenigstens eine der Größen Fördervolumen und Drehzahl ist variabel. Beim Betrieb solcher Pumpen werden üblicherweise der Volumenstrom und/oder der Förderdruck (d. h. Druckdifferenz zwischen Zulauf und Ablauf) durch entsprechende Anpassung des Fördervolumens des Förderwerks und/oder der Drehzahl geregelt, d. h. solche Pumpen besitzen bis zu zwei Freiheitsgrade bei der Regelung. Eingesetzte Verstellpumpen (d. h. mit variablem Fördervolumen) sind oftmals als Axialkolbenpumpen ausgebildet, bei denen das Fördervolumen über den sog. Schwenkwinkel eingestellt wird.
In der EP 2 192 309 A2 wird in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur Regelung einer Druckmittelzufuhr offenbart, um mit einer drehzahlvariablen Verstellpumpe einen hydraulischen Aktor einer zyklisch arbeitenden Maschine zu betreiben. Hierbei wird ein sich einstellender Schlupf zwischen Istdrehzahl und Solldrehzahl in einem Adaptionsvorgang bestimmt und für eine Vorsteuerung im späteren Betrieb verwendet. Diese Lösung ist insbesondere für nicht-zyklisch arbeitende Maschinen und/oder für nicht vorhersehbare Lastwechsel verbesserungswürdig.
Die EP 1 965 083 B1 zeigt ein Pumpenbetriebsverfahren, bei dem der Drehzahlregelung eine PI-Stromregelung unterlagert ist. In der Stromregelung ist eine lastabhängige Vorsteuerung vorgesehen. Diese Methode ist jedoch auf Pumpen ohne Stromregelung nicht anwendbar. Auch die Reaktion dieser Lösung auf druckabhängige Leckageverluste ist verbesserungswürdig.
Es stellt sich die Aufgabe, den Betrieb von drehzahlvariablen Verstellpumpen insbesondere in nicht zyklisch arbeitenden Maschinen zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidpumpe, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie eine Fluidpumpe aufweisend eine solche Recheneinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung verbessert den Betrieb einer Fluidpumpe, insbesondere einer drehzahlvariablen Verstellpumpe, bei Lastschwankungen, wobei auch lastabhängigen Leckageverlusten geeignet begegnet wird. Es wird eine förderdruckabhängige, d. h. lastabhängige Vorsteuerung implementiert, wobei ein Vorsteuerwert in Abhängigkeit vom Ist-Förderdruck berechnet und ein Sollwert für die Pumpendrehzahl und/oder das Fördervolumen damit (insbesondere additiv) beaufschlagt wird. Die Vorgabe bzw. Berechnung des Sollwerts für die Pumpendrehzahl und/oder des Sollwerts für das Fördervolumen kann gesteuert (d. h. im offenen Regelkreis) oder geregelt (d. h. im geschlossenen Regelkreis) erfolgen. Die Erfindung kommt ohne Stromregelung aus und ist auch bei Fluidpumpen mit Drehzahlregelung ohne unterlagerte Stromregelung oder mit Drehzahlsteuerung einsetzbar.
Bei einer herkömmlichen Regelung treten bei Laständerungen Regelabweichungen auf, die ausgeregelt werden müssen. Die Erfindung schafft hier eine Möglichkeit, negative Folgen, wie z. B. schlechtes Folgeverhalten eines gewünschten Druckverlaufes, von Lastwechseln sowie notwendige Regelungseingriffe deutlich zu reduzieren. Eine signifikante Änderung des Volumenstroms wird vermieden und die Genauigkeit und Störstabilität der Druck- oder Volumenstromregelung wird verbessert. Dies ermöglicht den nahezu einschränkungsfreien Einsatz solcher Pumpen auch in nicht zyklisch arbeitenden Maschinen durch eine verbesserte Regelgüte.
Die erfindungsgemäße Vorsteuerung wenigstens einer der Hauptstellgrößen Drehzahl und/oder Fördervolumen, welche zusammen den Volumenstrom der Pumpe definieren, ermöglicht einen Verzicht auf einen Integrator in der Steuerung bzw. Regelung (d. h. I-Anteil) der vorgesteuerten Hauptstellgröße. Drehzahl- bzw. Fördervolumenregler (in einer Recheneinheit implementiert) können im Rahmen der Erfindung ohne I-Anteil, z. B. als reine P-Regler, ausgebildet werden. Dies ist eigentlich nicht zu erwarten, da bei Reglern ohne I-Anteil normalerweise eine dauerhafte Regelabweichung auftritt, was nicht erwünscht ist. Diese dauerhafte Regelabweichung kann jedoch durch die erfindungsgemäße Vorsteuerung nahezu eliminiert werden. Die Nachteile, die mit einem normalerweise eingesetzten Regler mit Integralanteil (meist PI-Regler) verknüpft sind, wie deutliches Überschwingen, können so vermieden werden, ohne dass dies mit einer relevanten dauerhaften Regelabweichung erkauft wird. Auch der Vorsteuerwert wird vorzugsweise ohne Integrator bestimmt, d. h. z. B. proportional, anhand eines Kennfeldes u. ä.
Vorzugsweise wird der Vorsteuerwert durch Multiplikation des Ist-Förderdrucks mit einem (insbesondere vom Anwender vorgebbaren oder anlagenabhängigen) Proportionalitätsfaktor bestimmt. Im Regelkreis entspricht dies dem Einsatz eines Proportionalglieds mit Proportionalverstärkung K_p. Dies ist besonders einfach umzusetzen und führt dennoch zu sehr brauchbaren Ergebnissen.
Ebenso vorteilhaft kann der Vorsteuerwert durch Filterung (z. B. lineare Filterung) des Ist-Förderdrucks mit einem (insbesondere vom Anwender auswählbaren) Filter (z. B. Tiefpass zur Rauschfilterung bestimmt werden. Weiter vorzugsweise wird der Vorsteuerwert mittels einer Kennlinie bestimmt, welche einen (beliebigen) Zusammenhang zwischen dem Vorsteuerwert und dem Ist-Förderdruck beschreibt. Dies führt zu hohen Regelgüten. Die Vorsteuerung wird vorzugsweise so parametriert, dass Lasteinflüsse und druckabhängige Leckagen kompensiert werden.
Die Erfindung entfaltet besondere Vorteile im Bereich von Spritzgießmaschinen, Pressen, Maschinen für Holzbearbeitung, Prüfstände, usw., da hier eine hohe dynamische und statische Regelgüte besonders vorteilhaft ist. Der Einsatz bzw. die Verwendung der Erfindung in diesen Gebieten ist daher besonders zweckmäßig.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät einer drehzahlvariablen Verstellpumpe, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Die Recheneinheit ist beispielsweise eine integrierte Elektronik (z. B. ASIC) auf der Pumpe bzw. im Umrichter oder eine externe Steuerung.
Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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 von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen drehzahlvariablen Verstellpumpe.
2 zeigt ein Regelschema gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen drehzahlvariablen Verstellpumpe schematisch dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Verstellpumpe 10 verfügt überein verstellbares Förderwerk 20 (welches im vorliegenden Beispiel in zwei Richtungen fördern kann), einen drehzahlvariablen Antrieb 30 und eine Recheneinheit 40 zum Betrieb der Pumpe. Es sei betont, dass die Erfindung bereits eingesetzt werden kann, wenn nur eine der Größen Fördervolumen und Drehzahl variabel ist.
Das Förderwerk 20 ist als Axialkolbenpumpe mit verstellbarem Schwenkwinkel α für eine Schrägscheibe oder Schrägachse ausgebildet, bei der der Schwenkwinkel α zur Vorgabe eines Fördervolumens V pro Hub bzw. Umdrehung vorgegeben werden kann. Dazu wird ein Stellsignal von der Recheneinheit 40 an die Axialkolbenpumpe 20 vorgegeben und ein Ist-Schwenkwinkel wird rückgeführt. Das Stellsignal kann bspw. ein Sollwert für ein sog. Pilotventil auf der Pumpe sein.
Der Antrieb ist hier als sog. Normmotor ausgebildet, der einen Asynchronmotor 31 und einen Frequenzumrichter 32 aufweist. Im Prinzip können auch Synchron-Servomotoren eingesetzt werden. Die Drehzahl n des Asynchronmotors 31 ist variabel. Dazu wird eine Soll-Drehzahl von der Recheneinheit 40 an den Antrieb 30 vorgegeben. Die Ist-Drehzahl kann über einen Winkelgeber 33 (2) bestimmt werden. Bei der in der Figur dargestellten Pumpe werden Drehzahl und Fördervolumen bzw. Schwenkwinkel geregelt. Jedoch ist ebenso eine Steuerung ohne Rückkopplung möglich.
Für die Regelung der Pumpe 10 dient die Recheneinheit 40, der ein Soll-Förderdruck p_S und ein Soll-Volumenstrom Q_S zugeführt werden. Die Recheneinheit bestimmt daraus im Rahmen der Erfindung die zwei zur Verfügung stehenden Stellgrößen, Drehzahl n und ein Stellsignal für den Schwenkwinkel α der Regelpumpe. Eine bevorzugte Möglichkeit zur Bestimmung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 erläutert, in der schematisch eine Regelung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist, welche in der Recheneinheit 40 implementiert sein kann.
Der Soll-Förderdruck P_S wird einem Druckregelglied 401 zusammen mit einem Ist-Förderdruck p zugeführt. Der Ist-Förderdruck p wird im vorliegenden Beispiel von einer Messeinrichtung 402 erfasst. Das Druckregelglied 401 errechnet aus diesen Größen einen Volumenstrom Q_p zur Druckregelung, der einem Minimalglied 403 zusammen mit dem Soll-Volumenstrom Q_S zur Volumenstromregelung zugeführt wird. Das Minimalglied 403 bewirkt eine ablösende Regelung und führt das Minimum Q'_S der beiden Werte Q_p und Q_S einem Volumenstromregelglied 404 zu.
In dem Volumenstromregelglied 404 werden Sollwerte für das Fördervolumen sowie die Pumpendrehzahl berechnet, so dass deren Produkt dem Volumenstrom Q'_S entspricht. Als zugehörige Stellgrößen werden ein Soll-Schwenkwinkel an ein Glied 405 und eine Soll-Drehzahl an ein Glied 406 ausgegeben. Die Rechenglieder 405 und 406 sind vorzugsweise als Proportionalglieder ausgebildet, die den zugeführten Wert jeweils mit einem Proportionalitätsfaktor multiplizieren und Sollwerte α_s und n_s ausgeben.
Im Rahmen der Erfindung ist eine Berechnung von Vorsteuerwerten, welche vom Ist-Förderdruck p abhängen, in einem Bereich 500 ausgebildet. In der Vorsteuerung 500 sind dafür Berechnungsglieder 505, 506 implementiert, die aus dem Ist-Förderdruck p Vorsteuerwerte α_V bzw. n_V berechnen und ausgeben. Wenngleich hier für beide Stellgrößen Vorsteuerwerte berechnet werden, ist im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, nur einen einzigen Vorsteuerwert zu berechnen.
Die Berechnungsvorschrift der Glieder 405 und 406 ist auf die Vorsteuerung 500 zweckmäßigerweise abgestimmt, so dass die von den Gliedern 405 und 406 berechneten Stellgrößen α_S und n_S mit den Vorsteuerwerten α_V bzw. n_V additiv beaufschlagt werden können, um die erwünschten Sollwerte zu erzeugen. Der sich ergebende Schwenkwinkelsollwert α' = α_S + α_V wird einer Schwenkwinkelregeleinheit 407 zugeführt, die sich ergebende Soll-Drehzahl n' = n_S + n_V wird einer Drehzahlregeleinheit 408 zugeführt. Die beiden Regeleinheiten 407, 408 regeln die genannten Größen im vorliegenden Beispiel mit einer Rückführung, welche gestrichelt gezeigt ist. Es kann sich jedoch ebenfalls um eine reine Steuerung ohne Rückführung handeln.
Die Berechnung der Stellgrößen α_S und n_S in den Gliedern 404, 405 und 406 erfolgt vorzugsweise ohne Einsatz eines Integralanteils (I-Anteils). Eine sich dann einstellende dauerhafte Regelabweichung der Regelgröße (Fördervolumen und/oder Druck) wird durch die Vorsteuerung 500 ausgeglichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2192309 A2 [0003]
EP 1965083 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Fluidpumpe (10), bei der ein je Umdrehung ein Fördervolumen förderndes Förderwerk (20) von einem mit einer Drehzahl rotierenden Antrieb (30) angetrieben wird, wobei das Förderwerk (20) verstellbar und/oder der Antrieb (30) drehzahlvariabel ausgebildet ist, wobei ein Ist-Volumenstrom auf einen Soll-Volumenstrom (Q'_s) und/oder ein Ist-Förderdruck (p) auf einen Soll-Förderdruck (p_s) geregelt wird, indem im Falle eines verstellbaren Förderwerks (20) ein Sollwert für das Fördervolumen (α_s) des Förderwerks (20) und im Falle eines drehzahlvariablen Antriebs (30) ein Sollwert für die Drehzahl (n_s) des Antriebs (30) vorgegeben werden, wobei wenigstens einer der vorgegebenen Sollwerte (α_s, n_s) mit einem von dem ist-Förderdruck (p) abhängigen Vorsteuerwert (α_V, n_V) beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine drehzahlvariable Verstellpumpe betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei beide vorgegebenen Sollwerte (α_s, n_s) jeweils mit einem, insbesondere anderen, von dem Ist-Förderdruck (p) abhängigen Vorsteuerwert (α_V, n_V) beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine der vorgegebenen Sollwerte (α_s, n_s), der mit dem von dem Ist-Förderdruck (p) abhängigen Vorsteuerwert (α_V, n_V) beaufschlagt wird, ohne Verwendung eines Integralanteils berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der von dem Ist-Förderdruck (p) abhängige Vorsteuerwert (α_V, n_V) durch Multiplikation des Ist-Förderdrucks (p) mit einem Proportionalitätsfaktor, durch insbesondere lineare Filterung des Ist-Förderdrucks (p) und/oder anhand einer Kennlinie, welche einen Zusammenhang zwischen dem Ist-Förderdruck (p) und dem Vorsteuerwert beschreibt, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Förderwerk (20) eine Axialkolbenpumpe, Schrägscheiben- oder Schrägachsenpumpe mit verstellbarem Schwenkwinkel oder eine Radialkolben oder Flügelzellenpumpe mit Hubringverstellung verwendet wird und das Fördervolumen des Förderwerks (20) entsprechend dem Stellsignal eines Druck- oder Förderstromreglers eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Sollwert für das Fördervolumen (α_s) ein Sollwert für den Schwenkwinkel vorgegeben wird.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Fluidpumpe mit einem Förderwerk (20), einem Antrieb (30) und einer Recheneinheit (40) nach Anspruch 8.
Fluidpumpe nach Anspruch 9, die als drehzahlvariable Verstellpumpe (10) ausgebildet ist.