DE102012020632A1

DE102012020632A1 - Verfahren und Steuergerät zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine

Info

Publication number: DE102012020632A1
Application number: DE201210020632
Authority: DE
Inventors: Rolf Springmann; Joern Howind
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-04-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine mit variablem Verdrängungsvolumen, wobei das Verfahren (200) einen Schritt (202) des Auslesens aufweist. Im Schritt (202) des Auslesens wird ein Sollwert für das Verdrängungsvolumen aus einem mehrdimensionalen Kennfeld der Hydraulikmaschine unter Verwendung eines Soll-Drehmoments oder eines Soll-Volumenstroms an einer Schnittstelle der Hydraulikmaschine, eines Drucks einer Hydraulikflüssigkeit, einer Drehzahl der Hydraulikmaschine und einer Temperatur der Hydraulikflüssigkeit ausgelesen, um die Hydraulikmaschine anzusteuern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine, auf ein Verfahren zum Auswerten eines Betriebszustands einer Hydraulikmaschine, auf ein Verfahren zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor, auf ein Steuergerät zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine, auf ein Steuergerät zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor sowie auf eine Hydraulikmaschine und auf eine Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor.
Eine Hydraulikmaschine kann mechanische Energie in hydraulische Energie umsetzen und umgekehrt. Dabei ist die mechanische Energie ein Produkt von Drehmoment und Drehzahl eines An- oder Abtriebs. Die hydraulische Energie ist ein Produkt von Volumenstrom und Druck eines Hydraulikfluids. Eine Hydraulikmaschine mit veränderbarem Verdrängungsvolumen kann bei einem konstanten Volumenstrom und konstantem Druckgefälle an der Maschine drehzahlvariabel betrieben werden. Dabei kann die Hydraulikmaschine in einem ersten Betriebspunkt mit hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment die gleiche mechanische und hydraulische Energie umsetzen, wie in einem zweiten Betriebspunkt mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment. Das Verhältnis von Drehzahl und Drehmoment kann stufenlos über das Verdrängungsvolumen der Hydraulikmaschine verändert werden. Beispielsweise kann das Verdrängungsvolumen je nach Bauart der Hydraulikmaschine über einen Anstellwinkel einer Schrägscheibe oder einer Schrägachse verstellt werden. Die gleiche Hydraulikmaschine kann in einem Pumpbetrieb oder einem Motorbetrieb betrieben werden. Wenn der Anstellwinkel negativ eingestellt werden kann, die Hydraulikmaschine also durchschwenkbar ist, kann eine Drehrichtung der Hydraulikmaschine bei gleicher Flussrichtung der Hydraulikflüssigkeit umgekehrt werden.
Alternativ kann bei negativ eingestellte Anstellwinkel und sich umkehrender Flussrichtung der Hydraulikflüssigkeit die Drehrichtung der Hydraulikmaschine beibehalten werden.
Die EP 0 329 860 A1 beschreibt eine Vorrichtung für eine Vorschub-, Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung eines Hydraulikmotors mit variabler Verdrängung bei konstantem Druck. Es wird eine Sekundärregelung eingesetzt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine, ein Verfahren zum Auswerten eines Betriebszustands einer Hydraulikmaschine, ein Verfahren zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor, ein Steuergerät zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine, ein Steuergerät zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor sowie eine Hydraulikmaschine und eine Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine, ein Verfahren zum Auswerten eines Betriebszustands einer Hydraulikmaschine, ein Verfahren zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor, ein Steuergerät zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine, ein Steuergerät zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor sowie eine Hydraulikmaschine und eine Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor gemäß den Hauptansprüchen gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Wirkungsgrad der Hydraulikmaschine bei unterschiedlichen Anstellwinkeln ungleich ist. Daher wird im Pumpbetrieb bei fallendem Wirkungsgrad mehr Energie aufgenommen, als abgegeben. Für den Motorbetrieb gilt, dass bei fallendem Wirkungsgrad weniger Energie aufgenommen bzw. bei steigendem Wirkungsgrad mehr Energie aufgenommen wird. Eine Energiedifferenz zwischen aufgenommener und abgegebener Energie wird beispielsweise in Wärmeenergie umgewandelt. Wenn die Wärmeenergie die Hydraulikflüssigkeit erwärmt, wird der Wirkungsgrad zusätzlich verändert. Um eine vorgegebene Energiemenge bereitzustellen, wird also eine Regelung des Anstellwinkels und damit des Verdrängungsvolumens benötigt.
Vorteilhafterweise kann ein Wert des jeweils benötigten Verdrängungsvolumens aus einem mehrdimensionalen Kennfeld entnommen werden, in dem eine Änderung des Drehmoments abhängig von den Parametern der Hydraulikmaschine hinterlegt ist. Dadurch können zeitaufwendige Iterationsschritte unterbleiben und die benötigte Energie schnell und direkt bereitgestellt werden.
Ein darauf basierendes Verfahren zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine mit variablem Verdrängungsvolumen umfasst den folgenden Schritt:
Auslesen eines Sollwerts für das Verdrängungsvolumen aus einem mehrdimensionalen Kennfeld der Hydraulikmaschine unter Verwendung eines Soll-Drehmoments oder eines Soll-Volumenstroms an einer Schnittstelle der Hydraulikmaschine, einer Drehzahl der Hydraulikmaschine, einer Temperatur einer Hydraulikflüssigkeit der Hydraulikmaschine und eines Drucks der Hydraulikflüssigkeit, um die Hydraulikmaschine anzusteuern.
Ein Verfahren zum Auswerten eines Betriebszustands einer Hydraulikmaschine mit variablem Verdrängungsvolumen weist den folgenden Schritt auf:
Auslesen eines Istwerts eines Drehmoments der Hydraulikmaschine und/oder eines Istwerts eines Volumenstroms durch die Hydraulikmaschine aus einem mehrdimensionalen Kennfeld der Hydraulikmaschine unter Verwendung einer Drehzahl der Hydraulikmaschine, einer Temperatur einer Hydraulikflüssigkeit, eines Drucks der Hydraulikflüssigkeit und des Verdrängungsvolumens, um den Betriebszustand der Hydraulikmaschine auszuwerten.
Unter einer Hydraulikmaschine kann eine Hydraulikpumpe und/oder ein Hydraulikmotor verstanden werden. Beispielsweise kann die Hydraulikmaschine eine Axialkolbenmaschine sein. Ein variables Verdrängungsvolumen kann ein Volumen Hydraulikflüssigkeit sein, das die Hydraulikmaschine pro Umdrehung umsetzt. Das Verdrängungsvolumen kann durch einen Anstellwinkel bzw. Schwenkwinkel/Anstellwinkel beispielsweise einer Schrägscheibe oder einer Schrägachse der Hydraulikmaschine festgelegt werden. Ein mehrdimensionales Kennfeld kann einen Parameter, beispielsweise ein tatsächliches Drehmoment an einer Schnittstelle der Hydraulikmaschine abhängig von dem Anstellwinkel bzw. dem Verdrängungsvolumen, einer Drehzahl der Hydraulikmaschine, einer Temperatur einer Hydraulikflüssigkeit und einem Druck der Hydraulikflüssigkeit abbilden. Das Kennfeld kann beispielsweise in einer Matrix oder einer Tabelle hinterlegt sein. Der ausgelesene Sollwert kann eine Optimierung des Anstellwinkels bzw. Verdrängungsvolumens ermöglichen. Die Schnittstelle kann eine Antriebs- und/oder Abtriebsachse der Hydraulikmaschine sein. Das Auslesen kann wiederkehrend erfolgen.
Die Verfahren können jeweils einen Schritt des Erfassens aufweisen, in dem die Drehzahl, der Druck und die Temperatur erfasst werden. Durch ein Erfassen unmittelbar vor dem Auslesen kann sehr schnell auf Veränderungen der Parameter reagiert werden.
Ein Verfahren zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe mit variablem Pumpvolumen und einem Hydraulikmotor mit variablem Schluckvolumen umfasst die folgenden Schritte:
Bestimmen eines Soll-Übersetzungsverhältnisses der Kombination unter Verwendung einer Eingangsdrehzahl und/oder eines Eingangsmoments der Hydraulikpumpe und einer Soll-Abtriebsdrehzahl und/oder einem Soll-Abtriebsdrehmoment des Hydraulikmotors; und
Auslesen eines Sollwerts für das Pumpvolumen und eines Sollwerts für das Schluckvolumen aus einem mehrdimensionalen Kennfeld der Kombination unter Verwendung des Soll-Übersetzungsverhältnisses und einer Temperatur einer Hydraulikflüssigkeit, um die Kombination anzusteuern.
Eine Kombination aus einer Hydraulikpumpe mit variablem Pumpvolumen und einem Hydraulikmotor mit variablem Schluckvolumen kann als hydrostatisches Getriebe bezeichnet werden. In der Kombination kann mechanische Energie in hydraulische Energie und wieder in mechanische Energie gewandelt werden. Die Kombination kann eine erste Drehzahl mit einem ersten Drehmoment an einem Eingang aufnehmen und eine zweite Drehzahl mit einem zweiten Drehmoment an einem Ausgang abgeben. Ein Verhältnis von erster Drehzahl und zweiter Drehzahl kann als Übersetzungsverhältnis der Kombination bezeichnet werden. Ein Verhältnis von erstem Drehmoment und zweitem Drehmoment kann als alternatives Übersetzungsverhältnis der Kombination bezeichnet werden. Die Kombination kann einen großen Bereich von Übersetzungsverhältnissen aufweisen. Im Schritt des Auslesens können das Pumpvolumen und das Schluckvolumen ausgewählt werden, bei dem die Kombination den höchsten Wirkungsgrad aufweist.
Ein Steuergerät zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine mit variablem Verdrängungsvolumen weist das folgende Merkmal auf:
eine Einrichtung zum Auslesen eines Sollwerts für das Verdrängungsvolumen aus einem mehrdimensionalen Kennfeld der Hydraulikmaschine unter Verwendung eines Soll-Drehmoments oder eines Soll-Volumenstroms an einer Schnittstelle der Hydraulikmaschine, einer Drehzahl der Hydraulikmaschine, einer Temperatur einer Hydraulikflüssigkeit und eines Drucks der Hydraulikflüssigkeit, um die Hydraulikmaschine anzusteuern.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Das Steuergerät kann eine Einrichtung zum Speichern des Kennfelds aufweisen, wobei die Einrichtung zum Auslesen dazu ausgebildet ist, den Sollwert aus dem gespeicherten Kennfeld auszulesen. Die Einrichtung zum Speichern kann beispielsweise ein Speicherchip oder eine Festplatte sein.
Ein Steuergerät zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe mit variablem Pumpvolumen und einem Hydraulikmotor mit variablem Schluckvolumen weist die folgenden Merkmale auf:
eine Einrichtung zum Bestimmen eines Soll-Übersetzungsverhältnisses der Kombination unter Verwendung einer Eingangsdrehzahl der Hydraulikpumpe und einer Soll-Abtriebsdrehzahl des Hydraulikmotors; und
eine Einrichtung zum Auslesen eines Sollwerts für das Pumpvolumen und eines Sollwerts für das Schluckvolumen aus einem mehrdimensionalen Kennfeld der Kombination unter Verwendung des Soll-Übersetzungsverhältnisses und einer Temperatur einer Hydraulikflüssigkeit, um die Kombination anzusteuern.
Eine Hydraulikmaschine kann somit vorteilhaft mit einem Steuergerät gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ausgestattet werden.
Ferner kann eine Kombination aus einer Hydraulikpumpe mit variablem Pumpvolumen und einem Hydraulikmotor mit variablem Schluckvolumen mit einem Steuergerät gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ausgestattet werden.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Hydraulikmaschine mit einem Steuergerät zum Ansteuern der Hydraulikmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Auswerten einer Hydraulikmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine Darstellung eines iterativen Berechnens eines Anstellwinkels einer Hydraulikmaschine; und
6 eine Darstellung eines Auslesens eines Sollwerts für einen Anstellwinkel einer Hydraulikmaschine aus einem Kennfeld gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Hydraulikmaschine 100 mit einem Steuergerät 102 zum Ansteuern der Hydraulikmaschine 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Hydraulikmaschine 100 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauart ausgeführt. Die Hydraulikmaschine 100 weist einen drehbar gelagerten Kolbenträger auf. Der Kolbenträger weist mehrere, regelmäßig angeordnete Zylinderbohrungen auf, in denen mehrere Axialkolben beweglich angeordnet sind. Die Axialkolben stützen sich an einer Schrägscheibe 104 ab. Die Schrägscheibe 104 ist schwenkbar gelagert, wobei ein Winkel der Schrägscheibe 104 von einem Antrieb 106 verändert werden kann. Der Winkel der Schrägscheibe 104 bestimmt eine Amplitude einer Bewegung der Axialkolben pro Umdrehung des Kolbenträgers und damit ein Verdrängungsvolumen der Hydraulikmaschine. Beim axialen Bewegen vergrößern oder verkleinern die Axialkolben ein Arbeitsvolumen in den Zylinderbohrungen. Während die Axialkolben das Arbeitsvolumen vergrößern, strömt Hydraulikflüssigkeit aus einem Zulauf in die Zylinderbohrungen ein. Während die Axialkolben in umgekehrter Richtung das Arbeitsvolumen verkleinern, strömt die Hydraulikflüssigkeit aus den Zylinderbohrungen in einen Ablauf. Ablauf und Zulauf sind durch eine Trennwand getrennt, die dazu ausgebildet ist, die Zylinderbohrungen an den Punkten einer Bewegungsumkehr der Axialkolben kurzzeitig vollständig abzudichten. Das Verdrängungsvolumen ist ein pro Umdrehung des Kolbenträgers von allen Zylinderbohrungen vom Zulauf zum Ablauf umgesetztes Hydraulikfluid. Das Steuergerät 102 weist eine Einrichtung 108 zum Auslesen auf. Die Einrichtung 108 zum Auslesen ist dazu ausgebildet, einen Sollwert für das Verdrängungsvolumen aus einem mehrdimensionalen Kennfeld der Hydraulikmaschine 100 unter Verwendung eines Soll-Drehmoments oder eines Soll-Volumenstroms an einer Schnittstelle der Hydraulikmaschine 100, einer Drehzahl der Hydraulikmaschine 100, einer Temperatur des Hydraulikfluids und eines Drucks des Hydraulikfluids auszulesen, um die Hydraulikmaschine 100 anzusteuern. Der Sollwert wird an den Antrieb 106 weitergegeben und an der Schrägscheibe 104 über den Winkel der Schrägscheibe 104 eingestellt. Das Soll-Drehmoment wird von einem übergeordneten Steuergerät 110 empfangen. Ein Drehzahlmesser 112 misst die Drehzahl des Kolbenträgers, beispielsweise an einer mit dem Kolbenträger verbundenen Welle und überträgt die Drehzahl zum Steuergerät 102. Ein Druck- und Temperaturmessgerät 114 misst den Druck bzw. den Druckabfall sowie die Temperatur des Hydraulikfluids an der Hydraulikmaschine 100 und überträgt deren Werte an das Steuergerät 102.
Mit anderen Worten zeigt 1 einen Axialkolbenmotor 100 mit einer Drehmoment- und Volumenstromsteuerung des elektroproportional volumenstromverstellbaren Axialkolbenmotors 100 und/oder der elektroproportional volumenstromverstellbaren Pumpe-Motor-Axialkolbeneinheit 100 durch Ablegen eines mehrdimensionalen Wirkungsgrad-, Volumenstrom und/oder Drehmomentkennfeldes in der digitalen Ansteuerelektronik 102. Das Abtriebsmoment und damit die Lüfterdrehzahl des (elektroproportional) volumenstromverstellbaren Motors 100 können eingestellt werden. Zusätzlich kann ein definiertes Moment durch eine durchschwenkbare Pumpe-Motor-Axialkolbeneinheit 100 vom Dieselmotor aufgenommen und/oder an diesen wieder abgegeben werden. Die Hydraulikmaschine 100 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein elektroproportional volumenstromverstellbarer Axialkolbenmotor oder eine durchschwenkbare elektroproportional volumenstromverstellbare Axialkolbeneinheit wobei die Axialkolbeneinheit sowohl pumpenseitig als auch motorseitig schwenkbar ist.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren weist einen Schritt 202 des Auslesens auf. Im Schritt 202 des Auslesens wird ein Sollwert für ein Verdrängungsvolumen der Hydraulikmaschine aus einem mehrdimensionalen Kennfeld der Hydraulikmaschine unter Verwendung eines Soll-Drehmoments oder eines Soll-Volumenstroms an einer Schnittstelle der Hydraulikmaschine, einer Drehzahl der Hydraulikmaschine, einer Temperatur einer Hydraulikflüssigkeit und eines Drucks der Hydraulikflüssigkeit ausgelesen, um die Hydraulikmaschine anzusteuern. Das Verfahren 200 kann auf einer Hydraulikmaschine, wie sie in 1 dargestellt ist ausgeführt werden.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Auswerten eines Betriebszustands einer Hydraulikmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren 300 weist einen Schritt 302 des Auslesens auf. Im Schritt 302 des Auslesens wird ein Istwert eines Drehmoments der Hydraulikmaschine und/oder ein Istwert eines Volumenstroms durch die Hydraulikmaschine aus einem mehrdimensionalen Kennfeld der Hydraulikmaschine unter Verwendung einer Drehzahl der Hydraulikmaschine, einer Temperatur einer Hydraulikflüssigkeit, eines Drucks der Hydraulikflüssigkeit und des Verdrängungsvolumens ausgelesen, um die Hydraulikmaschine auszuwerten. Das Verfahren 300 kann auf einer Hydraulikmaschine, wie sie in 1 dargestellt ist ausgeführt werden.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Hydraulikpumpe weist ein variables Pumpvolumen auf. Der Hydraulikmotor weist ein variables Schluckvolumen auf. Das Verfahren weist einen Schritt 402 des Bestimmens und einen Schritt 404 des Auslesens auf. Im Schritt 402 des Bestimmens wird ein Soll-Übersetzungsverhältnis der Kombination unter Verwendung einer Eingangsdrehzahl und/oder eines Eingangsmoments der Hydraulikpumpe und einer Soll-Abtriebsdrehzahl und/oder einem Soll-Abtriebsdrehmoment des Hydraulikmotors bestimmt. Im Schritt 404 des Auslesens werden ein Sollwert für das Pumpvolumen und ein Sollwert für das Schluckvolumen aus einem mehrdimensionalen Kennfeld der Kombination unter Verwendung des Soll-Übersetzungsverhältnisses und einer Temperatur einer Hydraulikflüssigkeit ausgelesen, um die Kombination anzusteuern. Das Verfahren 400 kann an einem hydrostatischen Getriebe, das aus zwei unmittelbar hydraulisch gekoppelten Hydraulikmaschinen, wie sie in 1 dargestellt sind ausgeführt werden.
Mit anderen Worten zeigen die 2 bis 4 Ablaufdiagramme von Verfahren 200, 300, 400 zur Drehmomentbestimmung sowie Drehmomentsteuerung und/oder Volumenstrombestimmung sowie Volumenstromsteuerung von volumenstrom-/schwenkwinkelgeregelten bzw. volumenstrom-/schwenkwinkelgesteuerten Pumpen und Motoren.
Unter einem schwenkwinkel- bzw. volumenstromgesteuerten System wird dabei eine Hydraulikmaschine verstanden, die mechanisch schwenkwinkel- bzw. volumenstromgeregelt, elektrisch jedoch nur gesteuert ist.
Unter einem schwenkwinkel- bzw. volumenstromgeregelten System wird dagegen eine Hydraulikmaschine verstanden, die mechanisch entweder schwenkwinkel- bzw. volumenstromgesteuert oder schwenkwinkel- bzw. volumenstromgeregelt ist. Elektrisch ist jedoch ein Regelkreis überlagert, sodass die Hydraulikmaschine elektrisch geregelt ist.
Durch diese Verfahren werden sowohl der mechanisch-hydraulische als auch der volumetrische Wirkungsgrad der Hydraulikmaschinen berücksichtigt, da diese bereits im Kennfeld inbegriffen sind. Größen wie Druck bzw. delta-p, Drehzahl, Temperatur und Schwenkwinkel/Anstellwinkel, die einen großen Einfluss auf die entsprechende Wirkungsgrade haben, haben somit keinen Einfluss mehr auf die Genauigkeit des Drehmoments bzw. des Volumenstroms.
Bei der Drehmoment- und Volumenstromsteuerung von Axialkolbenmaschinen mit einem in der digitalen Ansteuerelektronik als konstant angenommenem Wirkungsgrad η_mh stellen sich mit unterschiedlichen Drücken 504, Drehzahlen 506, Schwenkwinkel/Anstellwinkeln 500 und Temperaturen 508, bei einem konstanten Drehmoment- bzw. Volumenstromsollwert 502, völlig unterschiedliche Istmomente und Volumenströme ein. Ein Grund dafür ist, dass das Wirkungsgradkennfeld 510 von Axialkolbenmotoren stark abhängig von den Größen Druck 504, Drehzahl 506, Schwenkwinkel/Anstellwinkel 500 und Temperatur 508 ist.
5 zeigt eine Darstellung eines iterativen Berechnens eines Anstellwinkels 500 einer Hydraulikmaschine. Die Berechnung startet mit einem Sollmoment 502 und einem Druck 504 als Eingangsgrößen. Unter Verwendung eines mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrads η_mh und der Formel
Bei der Suche nach dem Anstellwinkel für den Drehmomentsollwert gilt:
Bei der Suche nach dem Anstellwinkel für den Volumenstromsollwert gilt:
Es ist hierbei:

T: das Drehmoment in Nm;
Q: der Volumenstrom in Liter pro Minute;
M: das Antriebsdrehmoment in Newtonmeter;
P: die Antriebsleistung in Kilowatt;
V_g: das geometrische Hubvolumen pro Umdrehung in Kubikzentimeter;
V_g _max: das maximale geometrische Hubvolumen pro Umdrehung in Kubikzentimeter;
n: die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute;
α_max: der maximale Schwenkwinkel, der je nach Bauart unterschiedlich ist;
α: der eingestellte Schwenkwinkel, der zwischen null und α_max liegen kann;
η_vol: der volumetrische Wirkungsgrad;
η_mh: der mechanisch-hydraulische Wirkungsgrad;
η_t: der Gesamtwirkungsgrad, der ein Produkt des volumetrischen und des mechanischhydraulischen Wirkungsgrads ist; und
Δp: der Differenzdruck in bar.

Wird der Anstellwinkel α 500 berechnet. Der Anstellwinkel 500 beeinflusst aber unmittelbar den Wirkungsgrad η_mh. Daher wird unter Verwendung eines Wirkungsgradkennfelds 510 und den Eingangsgrößen Anstellwinkel 500, Druck 504, Drehzahl 506 und Temperatur 508 ein neuer Wirkungsgrad η_mh ermittelt. Das Wirkungsgradkennfeld 510 repräsentiert den Wirkungsgrad η_mh als Funktion des Anstellwinkels 500, des Drucks 504, der Drehzahl 508 und der Temperatur 508. Da der Wirkungsgrad η_mh wieder in die Berechnung des Anstellwinkels 500 einfließt, wird der endgültige Anstellwinkel 500 iterativ gesucht, was zeitaufwendig ist.
6 zeigt eine Darstellung eines Auslesens eines Sollwerts für einen Anstellwinkel 500 einer Hydraulikmaschine aus einem mehrdimensionalen Kennfeld 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Als Vorgabewerte werden ein Sollmoment 502 an einer Schnittstelle der Hydraulikmaschine, ein Druck 504 einer Hydraulikflüssigkeit an der Hydraulikmaschine, eine Drehzahl 506 der Hydraulikmaschine und eine Temperatur 508 der Hydraulikflüssigkeit vorgegeben. Als Anstellwinkel 500 wird ein Wert ausgegeben, an dem die Vorgabewerte 502, 504, 506, 508 mit Werten des Kennfelds 600 übereinstimmen. Die Werte des Kennfelds 600 bilden das Drehmoment der Hydraulikmaschine als Funktion des Anstellwinkels, des Drucks 504, der Drehzahl 506 und der Temperatur 508 ab. Die Vorgabewerte 502, 504, 506, 508 können innerhalb eines Toleranzbereichs mit den Werten des Kennfelds 600 übereinstimmen. Jeweils zumindest zwei benachbarte Werte einer Größe des Kennfelds 600 können interpoliert werden, um eine Übereinstimmung mit einem Vorgabewert der Größe zu erhalten, wenn der Vorgabewert zwischen den benachbarten Werten liegt. Durch das Auslesen des Sollwerts für den Anstellwinkel aus dem Kennfeld 600 kann ohne großen Rechenaufwand bzw. Zeitaufwand und ohne zu wiederholende iterative Schleifen unmittelbar ein Ergebnis erhalten werden. Dabei ist es nicht erforderlich den Anstellwinkel iterativ zu suchen, sondern das Kennfeld kann messtechnisch aufgenommen werden. Die Optimierung des Anstellwinkels, wie in 5 beschrieben, ist damit lediglich einmalig, beispielsweise bei einem Testlauf oder während der Entwicklung der Hydraulikmaschine erforderlich.
Mit anderen Worten zeigt 6 ein Kennfeld 600 zur drehmomentgerechten Ansteuerung eines Axialkolbenmotors durch eine digitale Elektronik, in welcher das Drehmomentkennfeld 600 des Motors in Abhängigkeit der Größen Druck 504, Drehzahl 506, Schwenkwinkel/Anstellwinkel 500 und Temperatur 508 abgelegt ist. Zusätzlich kann das Kennfeld 600 zur drehmomentgerechten Ansteuerung einer Pumpe-Motor-Axialkolbeneinheit durch eine digitale Elektronik, in welcher das Drehmomentkennfeld in Abhängigkeit der Größen Druck 504, Drehzahl 506, Schwenkwinkel/Anstellwinkel 500 und Temperatur 508 abgelegt ist verwendet werden. Durch Vorgabe des Drehmomentsollwerts 502 kann das gewünschte Moment mit einer sehr kleinen Regelabweichung eingestellt werden (abhängig von der Güte des vermessenen und abgelegten Kennfeldes 600).
Bei einer schwenkwinkel- oder volumenstromgesteuerten Hydraulikmaschine, hierbei ist die Hydraulikmaschine ohne Schwenkwinkelsensor ausgestattet, kann auf einen bekannten Algorithmus zurückgegriffen werden.
Die Magnetstrom-Anstellwinkel-Kennlinie wird im Vorfeld vermessen, einmal mit Erhöhung des Magnetstromes und einmal bei Verringerung des Magnetstromes. Die steigende und die fallende Kennlinie werden anschließend ebenfalls in der digitalen Ansteuerelektronik abgelegt. Erfolgt nun eine Anforderung eines bestimmten Anstellwinkels wird bei einer Erhöhung des Sollwerts (Anstellwinkel) die steigende Kennlinie, bei einer Verringerung des Sollwerts die fallende Kennlinie herangezogen. Durch dieses Verfahren wird die Hysterese der Hydraulikmaschine nahezu eleminiert, da die Auswirkungen der Hysterese in der Elektronik bereits berücksichtigt werden.
Die Drehmomentsteuerung (Einstellung eines gewünschten Drehmoments 502) bzw. Volumenstromsteuerung (Einstellung eines gewünscht Volumenstrom 502) ist durch die Berücksichtigung der mehrdimensionalen Drehmoment- bzw. Volumenstromkennfeldes sehr genau. Die Genauigkeit ist allerdings abhängig von der Qualität des Kennfeldes 600, welches im Vorfeld in Abhängigkeit der Größen Druck 504, Drehzahl 506, Schwenkwinkel/Anstellwinkel 500 und Temperatur 508 vermessen bzw. z. B. aus vorhandenen Messungen durch bestimmte Verfahren abgeleitet wird. Ohne Kennfeld 600 ist eine ausreichend genaue Drehmoment- bzw. Volumenstromsteuerung nicht möglich.
Das einzustellende Drehmoment 502 sowie der einzustellende Volumenstrom der Hydraulikmaschine können zielgerechter und reproduzierbarer eingestellt werden. Aufgrund des abgelegten (mehrdimensionalen) Drehmoment- und/oder Volumenstromkennfeldes 600 wird bei jedem beliebigen Druck 504, Drehzahl 506 und Temperatur 508 das entsprechende Solldrehmoment 502 bzw. der Volumenstrom durch die Einstellung des ausgerechneten Anstellwinkels 500 angesteuert. Für die Drehmoment- und Volumenstrombestimmung wird das Kennfeld 600 ”umgekehrt” durchlaufen, in Abhängigkeit der Parameter Druck 504, Drehzahl 506, Schwenkwinkel/Anstellwinkel 500 und Temperatur 508 werden somit das Istmoment und der Istvolumenstrom bestimmt.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

100: Hydraulikmaschine
102: Steuergerät
104: Schrägscheibe
106: Antrieb
108: Einrichtung zum Auslesen
110: übergeordnetes Steuergerät
112: Drehzahlmesser
114: Druck- und Temperaturmessgerät
200: Verfahren zum Ansteuern
202: Schritt des Auslesens
300: Verfahren zum Auswerten
302: Schritt des Auslesens
400: Verfahren zum Ansteuern
402: Schritt des Bestimmens
404: Schritt des Auslesens
500: Sollwert des Verdrängungsvolumens
502: Soll-Drehmoment oder Soll-Volumenstrom
504: Druck
η_mh: mechanisch-hydraulischer Wirkungsgrad
506: Drehzahl
508: Temperatur
510: Wirkungsgradkennfeld
600: Drehmomentkennfeld

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0329860 A1 [0004]

Claims

Verfahren (200) zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine (100) mit variablem Verdrängungsvolumen, wobei das Verfahren (200) den folgenden Schritt aufweist: Auslesen (202) eines Sollwerts (500) für das Verdrängungsvolumen aus einem mehrdimensionalen Kennfeld (600) der Hydraulikmaschine (100) unter Verwendung eines Soll-Drehmoments oder eines Soll-Volumenstroms (502) an einer Schnittstelle der Hydraulikmaschine (100), eines Drucks (504) einer Hydraulikflüssigkeit der Hydraulikmaschine (100), einer Drehzahl (506) der Hydraulikmaschine (100) und einer Temperatur (508) der Hydraulikflüssigkeit, um die Hydraulikmaschine (100) anzusteuern.
Verfahren (300) zum Auswerten eines Betriebszustands einer Hydraulikmaschine (100) mit variablem Verdrängungsvolumen, wobei das Verfahren (300) den folgenden Schritt aufweist: Auslesen (302) eines Istwerts eines Drehmoments der Hydraulikmaschine (100) und/oder eines Istwerts eines Volumenstroms durch die Hydraulikmaschine (100) aus einem mehrdimensionalen Kennfeld (600) der Hydraulikmaschine (100) unter Verwendung eines Drucks (504) einer Hydraulikflüssigkeit der Hydraulikmaschine (100), einer Drehzahl (506) der Hydraulikmaschine (100), einer Temperatur (508) der Hydraulikflüssigkeit und des Verdrängungsvolumens, um den Betriebszustand der Hydraulikmaschine (100) auszuwerten.
Verfahren (200; 300) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Schritt des Erfassens des Drucks (504), der Drehzahl (506) und der Temperatur (508).
Verfahren (400) zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe (100) mit variablem Pumpvolumen und einem Hydraulikmotor (100) mit variablem Schluckvolumen, wobei das Verfahren (400) die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen (402) eines Soll-Übersetzungsverhältnisses der Kombination unter Verwendung einer Eingangsdrehzahl und/oder eines Eingangsmoments der Hydraulikpumpe (100) und einer Soll-Abtriebsdrehzahl und/oder einem Soll-Abtriebsdrehmoment des Hydraulikmotors (100); und Auslesen (404) eines Sollwerts (500) für das Pumpvolumen und eines Sollwerts (500) für das Schluckvolumen aus einem mehrdimensionalen Kennfeld (600) der Kombination unter Verwendung des Soll-Übersetzungsverhältnisses und einer Temperatur (508) einer Hydraulikflüssigkeit, um die Kombination anzusteuern.
Steuergerät (102) zum Ansteuern einer Hydraulikmaschine (100) mit variablem Verdrängungsvolumen, wobei das Steuergerät (102) das folgende Merkmal aufweist: eine Einrichtung (108) zum Auslesen eines Sollwerts für das Verdrängungsvolumen aus einem mehrdimensionalen Kennfeld (600) der Hydraulikmaschine (100) unter Verwendung eines Soll-Drehmoments oder eines Soll-Volumenstroms (502) an einer Schnittstelle der Hydraulikmaschine (100), eines Drucks (504) einer Hydraulikflüssigkeit der Hydraulikmaschine (100), einer Drehzahl (506) der Hydraulikmaschine (100) und einer Temperatur (508) der Hydraulikflüssigkeit, um die Hydraulikmaschine (100) anzusteuern.
Steuergerät (102) gemäß Anspruch 5, mit einer Einrichtung zum Speichern des Kennfelds (600), wobei die Einrichtung (108) zum Auslesen dazu ausgebildet ist, den Sollwert (500) aus dem gespeicherten Kennfeld (500) auszulesen.
Hydraulikmaschine (100) mit einem Steuergerät (102) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6.
Steuergerät (102) zum Ansteuern einer Kombination aus einer Hydraulikpumpe (100) mit variablem Pumpvolumen und einem Hydraulikmotor (100) mit variablem Schluckvolumen, wobei das Steuergerät (102) die folgenden Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Bestimmen eines Soll-Übersetzungsverhältnisses der Kombination unter Verwendung einer Eingangsdrehzahl der Hydraulikpumpe (100) und einer Soll-Abtriebsdrehzahl des Hydraulikmotors (100); und eine Einrichtung zum Auslesen eines Sollwerts (500) für das Pumpvolumen und eines Sollwerts (500) für das Schluckvolumen aus einem mehrdimensionalen Kennfeld (600) der Kombination unter Verwendung des Soll-Übersetzungsverhältnisses und einer Temperatur (508) einer Hydraulikflüssigkeit, um die Kombination anzusteuern.
Kombination aus einer Hydraulikpumpe (100) mit variablem Pumpvolumen und einem Hydraulikmotor (100) mit variablem Schluckvolumen mit einem Steuergerät (102) gemäß Anspruch 8.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung ausgeführt wird.