DE102013005774B4 - USE OF A VARIABLE SPEED HYDRAULIC PUMP DRIVEN BY A MOTOR AS A HYDROSTATIC TRANSMISSION - Google Patents

USE OF A VARIABLE SPEED HYDRAULIC PUMP DRIVEN BY A MOTOR AS A HYDROSTATIC TRANSMISSION Download PDF

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Abstract

Regelvorrichtung (30) zur Regelung einer von einem Motor (10) angetriebenen drehzahlvariablen Hydraulikpumpe (20), mit einer Anpasseinrichtung (35) zur Anpassung der Drehzahl (n) und des Hubvolumens (Vh) der Hydraulikpumpe (20), um damit ein elektrohydraulisches Getriebe zu realisieren.Control device (30) for controlling a variable-speed hydraulic pump (20) driven by a motor (10), with an adapter (35) for adapting the speed (n) and the stroke volume (Vh) of the hydraulic pump (20), in order to create an electrohydraulic transmission to realize.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung und ein Regelverfahren zur Regelung einer von einem Motor angetriebenen drehzahlvariablen Hydraulikpumpe, wobei die Motor-Pumpenbaugruppe als hydrostatisches Getriebe mit variabler und adaptiv nachgeführter Übersetzung zum Einsatz kommt. Das Übersetzungsverhältnis wird dabei abhängig vom Betriebspunkt und Optimierungsziel, insbesondere Dynamik, Energieffizienz, usw., definiert und automatisch vom System eingestellt.The present invention relates to a control device and a control method for controlling a variable-speed hydraulic pump driven by a motor, the motor-pump assembly being used as a hydrostatic transmission with a variable and adaptively tracked transmission ratio. The transmission ratio is defined depending on the operating point and optimization target, in particular dynamics, energy efficiency, etc., and is automatically set by the system.

Drehzahlvariable Hydraulikmaschinen kommen in vielen Anwendungsgebieten der Technik zum Einsatz. Hier wird in der Regel eine hohe Positioniergenauigkeit der Hydraulikmaschine sowie minimaler Energieverbrauch gefordert. DE 10 2011 010 218 A1 zeigt ein Verfahren zum Regeln des Drucks eines mittels einer drehzahlgeregelten Pumpe, insbesondere einer Servopumpe, geförderten Fluids sowie ein elektrohydraulisches Antriebssystem. DE 10 2007 007 005 A1 zeigt eine elektrohydraulische Steueranordnung zur Ansteuerung eines hydraulischen Verbrauchers. DE 10 2005 012 586 A1 zeigt eine elektrohydraulische Getriebesteuervorrichtung, mit welcher Schaltelemente eines Getriebes mit dem jeweils zur Darstellung eines angeforderten Betriebszustandes des Getriebes erforderlichen Ansteuerdrucks ansteuerbar sind. DE 696 12 072 T2 zeigt ein Regelsystem für das Drehmoment einer Pumpe, die bei einem Hydraulik-Arbeitsfahrzeug einsetzbar ist. DE 199 30 648 A1 zeigt eine elektrohydraulische Druckversorgung mit verstellbarer Pumpe und regelbarem elektrischen Antrieb. EP 2 199 623 A2 zeigt ein Hydrauliksystem für den Einsatz in landwirtschaftlichen Maschinen.Variable-speed hydraulic machines are used in many areas of technology. As a rule, high positioning accuracy of the hydraulic machine and minimal energy consumption are required here. DE 10 2011 010 218 A1 shows a method for regulating the pressure of a fluid conveyed by means of a speed-regulated pump, in particular a servo pump, and an electrohydraulic drive system. DE 10 2007 007 005 A1 shows an electrohydraulic control arrangement for controlling a hydraulic consumer. DE 10 2005 012 586 A1 shows an electrohydraulic transmission control device with which shift elements of a transmission can be controlled with the control pressure required to represent a required operating state of the transmission. DE 696 12 072 T2 shows a control system for the torque of a pump, which can be used in a hydraulic work vehicle. DE 199 30 648 A1 shows an electro-hydraulic pressure supply with an adjustable pump and controllable electric drive. EP 2 199 623 A2 shows a hydraulic system for use in agricultural machinery.

Zudem ist, vor allem in ruhigen Arbeitsumgebungen, oft eine geringe Geräuschentwicklung durch die Hydraulikmaschine vorgegeben, so dass die Lärmbelastung für die Umgebung so gering wie möglich gehalten wird. In addition, especially in quiet working environments, there is often a low level of noise generated by the hydraulic machine, so that the noise pollution for the environment is kept as low as possible.

Problematisch ist hier, wenn bei einer reduzierten Motordynamik eine hinreichende Dynamik im Hydrauliksystem erzielt werden soll, welches vom Motor angetrieben wird. Insbesondere ist die Dynamik in einem solchen Fall im oberen Leistungsbereich einer herkömmlichen Hydraulikmaschine noch nicht ausreichend.The problem here is if, with reduced motor dynamics, sufficient dynamics are to be achieved in the hydraulic system that is driven by the motor. In particular, the dynamics in such a case in the upper power range of a conventional hydraulic machine are not yet sufficient.

Derzeit ist bei manchen Hydraulikmaschinen in diesem Zusammenhang oft ein Hydroakkumulator oder Hydro-Speicher erforderlich. Dieser verteuert zum einen die Hydraulikmaschine und hat noch dazu einen nicht unwesentlichen Einfluss auf die Höhe des Energieverbrauchs der Hydraulikmaschine.At present, a hydraulic accumulator or hydraulic accumulator is often required in this context in some hydraulic machines. On the one hand, this makes the hydraulic machine more expensive and, in addition, has a not insignificant influence on the amount of energy consumed by the hydraulic machine.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regelvorrichtung und ein Regelverfahren zur Regelung einer von einem Motorangetriebenen drehzahlvariablen Hydraulikpumpe bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere soll eine Regelvorrichtung und ein Regelverfahren zur Regelung einer von einem Motor angetriebenen drehzahlvariablen Hydraulikpumpe bereitgestellt werden, bei welchen kostengünstig die Energieverluste und Geräusche von Hydraulikpumpe und Motor reduziert werden können und eine Dynamiksteigerung insbesondere im oberen Leistungsbereich erzielt werden kann.It is therefore the object of the present invention to provide a regulating device and a regulating method for regulating a hydraulic pump which is driven by a motor and which is variable in speed, with which the aforementioned problems can be solved. In particular, a control device and a control method for controlling a variable-speed hydraulic pump driven by a motor are to be provided, in which the energy losses and noise from the hydraulic pump and motor can be reduced cost-effectively and an increase in dynamics can be achieved, especially in the upper performance range.

Diese Aufgabe wird durch eine Regelvorrichtung zur Regelung einer von einem Motor angetriebenen drehzahlvariablen Hydraulikpumpe nach Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by a control device for controlling a variable-speed hydraulic pump driven by a motor according to patent claim 1.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.Advantageous further refinements of the device are specified in the dependent claims.

Die Aufgabe wird zudem durch eine Hydraulikmaschine nach Patentanspruch 9 gelöst, wobei die in den Ansprüchen beschriebene Regelvorrichtung Teil der Hydraulikmaschine sein kann, welche zudem eine Hydraulikpumpe zum Antrieb eines Motors umfasst. Der Motor kann insbesondere ein Elektromotor sein, der von einem Frequenzumrichter oder Servoantriebsregler angesteuert wird.The object is also achieved by a hydraulic machine according to claim 9, wherein the control device described in the claims can be part of the hydraulic machine, which also includes a hydraulic pump for driving a motor. The motor can in particular be an electric motor that is controlled by a frequency converter or servo drive controller.

Die Aufgabe wird zudem durch ein Regelverfahren zur Regelung einer von einem Motor angetriebenen drehzahlvariablen Hydraulikpumpe nach Patentanspruch 10 gelöst.The object is also achieved by a control method for controlling a variable-speed hydraulic pump driven by a motor according to patent claim 10.

Mit der in den Patentansprüchen beschriebenen Regelvorrichtung und dem in den Patentansprüchen beschriebenen Regelverfahren wird bei einer drehzahlvariablen Hydraulikpumpe nicht nur die Drehzahl als Stellgröße für die Druckregelung der Hydraulikpumpe verwendet sondern auch das Hubvolumen der angeschlossenen Hydraulikpumpe verändert, so dass man zwei Stellgrößen zur Dynamik und Leistungsanpassung im System hat. Dabei werden folgende Grundprinzipien unterschieden:

  • • Mehrgrößenregelung: Dynamische Anpassung der Drehzahl und des Pumpen-Hubvolumens (Schwenkwinkel) im Regelungsbetrieb
  • • Leistungsanpassung: stationäre Anpassung der Drehzahl und des Pumpen-Hubvolumens (Schwenkwinkel) zur Leistungsanpassung und Systemoptimierung
With the control device described in the claims and the control method described in the claims, in a variable-speed hydraulic pump, not only the speed is used as a manipulated variable for the pressure control of the hydraulic pump, but also the stroke volume of the connected hydraulic pump is changed, so that two manipulated variables for dynamics and performance adjustment are used System has. The following basic principles are distinguished:
  • • Multi-variable control: Dynamic adaptation of the speed and the pump stroke volume (swivel angle) in control mode
  • • Performance adjustment: stationary adjustment of the speed and the pump stroke volume (swivel angle) for performance adjustment and system optimization

Die in den Patentansprüchen beschriebene Regelvorrichtung und das in den Patentansprüchen beschriebene Regelverfahren sind jeweils in der Lage, die Drehzahl des Motors zu reduzieren bzw. das Pumpen-Hubvolumen (Schwenkwinkel) zu reduzieren, wenn der Leistungsbedarf im hydraulischen System niedrig ist. Dies ist besonders bei langen Druckhaltezeiten oder Stillstand der Hydraulikmaschine sinnvoll.The control device described in the claims and the control method described in the claims are each in the Ability to reduce the speed of the motor or the pump stroke volume (swivel angle) if the power requirement in the hydraulic system is low. This is particularly useful with long pressure holding times or when the hydraulic machine is at a standstill.

Zudem ist es damit möglich, mit einer niedrigeren Drehzahl im Teillastbetrieb die Energieverluste und Geräusche der Hydraulikpumpe und des Motors zu reduzieren. Als Teillastbetrieb wird ein Betrieb der Hydraulikmaschine verstanden, bei welchem im Druckhaltebetrieb der Hydraulikpumpe die Leistung des Motors reduziert ist, also nur eine geringe hydraulische Ausgangsleistung benötigt wird. Hierbei können im Teillastbetrieb die Ist-Drehzahl und der Schwenkwinkel gemäß einem Steuergesetz und anhand eines Motor-Pumpenmodells angepasst werden.It is also possible to reduce the energy losses and noise of the hydraulic pump and the motor at a lower speed in partial load operation. Partial load operation is understood to mean operation of the hydraulic machine in which the power of the motor is reduced in the pressure holding operation of the hydraulic pump, that is to say only a low hydraulic output power is required. In this case, in partial load operation, the actual speed and the swivel angle can be adjusted according to a control law and using a motor-pump model.

Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Further possible implementations of the invention also include combinations, not explicitly mentioned, of features or embodiments described above or below with regard to the exemplary embodiments.

Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.The person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the invention.

Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

  • 1 ein Blockschaltbild einer Hydraulikmaschine mit einer Regelvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
  • 2 ein Zeitverlaufdiagramm von Zustandsgrößen der Hydraulikmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
The invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawings and using exemplary embodiments. Show it:
  • 1 a block diagram of a hydraulic machine with a control device according to a first embodiment; and
  • 2 a timing diagram of state quantities of the hydraulic machine according to the first embodiment.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures, elements that are the same or have the same function are provided with the same reference symbols, unless otherwise specified.

1 zeigt eine Hydraulikmaschine 1 mit einem Motor 10, einer drehzahlvariablen Hydraulikpumpe 20, einer Regelvorrichtung 30 und einem Verstärker 40. Der Motor 10 treibt die Hydraulikpumpe 20 an, wobei die Hydraulikpumpe 20 von der Regelvorrichtung 30 geregelt wird. Beider Regelung findet der Verstärker 40 Verwendung. 1 shows a hydraulic machine 1 with an engine 10 , a variable-speed hydraulic pump 20th , a control device 30th and an amplifier 40 . The motor 10 drives the hydraulic pump 20th on, the hydraulic pump 20th from the control device 30th is regulated. The amplifier finds both control 40 Use.

Der Motor 10 ist insbesondere ein Elektromotor. Der Motor 10 ist mit der Hydraulikpumpe 20 über eine Antriebswelle 11 gekoppelt. Der Motor 10 dreht die Antriebswelle 11 mit einer tatsächlichen Drehzahl oder Ist-Drehzahl nIST. Die Ist-Drehzahl nIST kann mit einem Drehzahlsensor12 gemessen werden oder aber sie wird im geberlosen Betrieb mit einem Motormodell auf Basis der gemessenen Stromistwerte geschätzt. Das Messergebnis, also die Ist-Drehzahl nIST, wird in die Regelvorrichtung 30 eingegeben.The motor 10 is in particular an electric motor. The motor 10 is with the hydraulic pump 20th via a drive shaft 11 coupled. The motor 10 rotates the drive shaft 11 with an actual speed or actual speed n IST . The actual speed n IST can with a speed sensor 12 or it is estimated in encoderless operation with a motor model based on the measured current actual values. The measurement result, i.e. the actual speed n IST , is entered in the control device 30th entered.

Die Hydraulikpumpe 20 kann eine Last antreiben, beispielsweise in Form einer Spritzgießform, einer Presse, eines Stempels, einer Hebebühne, usw. Die Hydraulikpumpe 20 hat eine Schwenkscheibe 21, die mit Hilfe einer Verstelleinrichtung 22, wie beispielsweise einem Proportionalventil, usw., um einen einstellbaren Schwenkwinkel α schwenkbar ist. Durch das Verschwenken der Schwenkscheibe 21 ist der Volumenstrom Q und der Druck p eines Hydraulikmediums der Hydraulikpumpe 20 regelbar. Das Hydraulikmedium kann beispielsweise Hydrauliköl, usw. sein. Mit einem Schwenkwinkelsensor 23 kann der tatsächliche Schwenkwinkel oder Ist-Schwenkwinkel αIST der Schwenkscheibe 21 erfasst werden. Der Schwenkwinkelsensor 23 ist in 1 nur angedeutet. Alternativ kann bei einem System mit Drucksensor und einem Synchronmotor der Schwenkwinkel α auch auf Basis der Messwerte mit einer Modellrechnung ermittelt werden. Mit einem Drucksensor 24 kann der tatsächliche Druck oder Ist-Druck pIST des Hydraulikmediums der Hydraulikpumpe 20 erfasst werden.The hydraulic pump 20th can drive a load, for example in the form of an injection mold, a press, a ram, a lifting platform, etc. The hydraulic pump 20th has a swivel disc 21st with the help of an adjustment device 22nd , such as a proportional valve, etc., is pivotable by an adjustable pivot angle α. By pivoting the swivel plate 21st is the volume flow Q and the pressure p of a hydraulic medium of the hydraulic pump 20th adjustable. The hydraulic medium can be hydraulic oil, etc., for example. With a swivel angle sensor 23 can be the actual swivel angle or actual swivel angle α IST of the swivel plate 21st are recorded. The swivel angle sensor 23 is in 1 only hinted at. Alternatively, in a system with a pressure sensor and a synchronous motor, the swivel angle α can also be determined on the basis of the measured values using a model calculation. With a pressure sensor 24 can be the actual pressure or actual pressure p IST of the hydraulic medium of the hydraulic pump 20th are recorded.

Die Regelvorrichtung 30 weist drei Eingänge 31, 32, 33 für elektrische Signale auf. Die Eingänge 31, 32, können auch als Analogeingänge bezeichnet werden. Zudem hat die Regelvorrichtung 30 einen Ausgang 34 für ein analoges elektrisches Signal. Der Ausgang 34 kann auch als Analogausgang bezeichnet werden. Die Regelvorrichtung 30 hat zudem an jedem der Eingänge 31, 32 und gegebenenfalls an dem Eingang 33 einen Analog/Digitalwandler A/D. An dem Ausgang 34 hat die Regelvorrichtung 30 einen Digital/Analogwandler D/A. Dadurch kann die Regelvorrichtung 30 die Signale jeweils digital mit einer Anpasseinrichtung 35 verarbeiten, wie später noch in größerem Detail beschrieben.The control device 30th has three entrances 31 , 32 , 33 for electrical signals. The entrances 31 , 32 , can also be referred to as analog inputs. In addition, the control device has 30th an exit 34 for an analog electrical signal. The exit 34 can also be referred to as an analog output. The control device 30th also has at each of the entrances 31 , 32 and if necessary at the entrance 33 an analog / digital converter A / D. At the exit 34 has the control device 30th a digital / analog converter D / A. This allows the control device 30th the signals each digitally with an adapter 35 process, as described later in greater detail.

Genauer gesagt, hat die Regelvorrichtung 30 einen Ist-Schwenkwinkel-Analogeingang 31, in welchen der von dem Schwenkwinkelsensor23 erfasste Ist-Schwenkwinkel αIST der Schwenkscheibe 21 der Hydraulikpumpe 20 eingegeben wird. Darüber hinaus hat die Regelvorrichtung 30 einen Ist-Druck-Analogeingang 32, in welchen der von dem Drucksensor 24 erfasste Ist-Druck pIST des Hydraulikmediums der Hydraulikpumpe 10 eingegeben wird. In einen Ist-Drehzahl-Eingang 33 der Regelvorrichtung 30 wird der von dem Drehzahlsensor 14 erfasste Ist-Schwenkwinkel αIST der Schwenkscheibe 11 der Hydraulikpumpe 10 eingegeben. Aus einem Soll-Schwenkwinkel-Analogausgang 34 gibt die Regelvorrichtung 30 einen Sollschwenkwinkel αSOLL der Schwenkscheibe 11 der Hydraulikpumpe 10 aus.More precisely, the control device has 30th an actual swivel angle analog input 31 in which the swivel angle sensor 23 recorded actual swivel angle α IST of the swivel disk 21st the hydraulic pump 20th is entered. In addition, the control device has 30th an actual pressure analog input 32 in which the pressure sensor 24 recorded actual pressure p IST of the hydraulic medium of the hydraulic pump 10 is entered. In an actual speed input 33 the control device 30th becomes that of the speed sensor 14th recorded actual swivel angle α IST of the swivel disk 11 the hydraulic pump 10 entered. From a target swivel angle analog output 34 gives the control device 30th a nominal swivel angle α SOLL of the swivel plate 11 the hydraulic pump 10 out.

Wie aus 1 ersichtlich, wird der Sollschwenkwinkel αSOLL der Schwenkscheibe 11 der Hydraulikpumpe 20 in Form eines analogen elektrischen Signals in den Verstärker 40 eingegeben. Der Verstärker 40 gibt wiederum ein Verstellwert xIST, insbesondere in Form einer Spannung UAUS, usw., an die Verstelleinrichtung 22 aus. Aufgrund dessen kann die Verstelleinrichtung 22 die Schwenkscheibe 11 der Hydraulikpumpe 10 entsprechend dem vorgegebenen Sollschwenkwinkel αSOLL verschwenken oder verstellen. Als Folge davon kann ein Ist-Verstellwert, insbesondere in Form einer Ist-Spannung UIST, usw., der Verstelleinrichtung 22 wieder dem Verstärker 40 zugeführt werden.How out 1 can be seen, the target swivel angle α SOLL of the swivel plate 11 the hydraulic pump 20th in the form of an analog electrical signal into the amplifier 40 entered. The amplifier 40 in turn outputs an adjustment value x IST , in particular in the form of a voltage U AUS , etc., to the adjustment device 22nd out. Because of this, the adjusting device 22nd the swivel disk 11 the hydraulic pump 10 Pivot or adjust according to the specified target pivot angle α SOLL . As a result, an actual adjustment value, in particular in the form of an actual voltage U IST , etc., of the adjustment device 22nd back to the amplifier 40 are fed.

2 zeigt ein Diagramm der Verläufe des Ist-Drucks pIST, des Volumenstroms Qpumpe, des Verdrängungsvolumens Vpumpe, und des Drehmoments MPumpe der Hydraulikpumpe 20 in einem Druckhaltebetrieb der Hydraulikmaschine 1 von 1 über der Zeit t. In dem Druckhaltebetrieb ist der Ist-Drucks pIST konstant. Hierbei sind links von der Linie 50 in 2 die Verläufe des Ist-Drucks pIST, des Volumenstroms Qpumpe, des Verdrängungsvolumens Vpumpe, und des Drehmoments MPumpe der Hydraulikpumpe 20 bei einem Standardbetrieb der Hydraulikmaschine 1 von 1 dargestellt, also wenn die Regelvorrichtung 30 nicht arbeitet. Rechts von der Linie 50 in 2 sind die Verläufe des Ist-Drucks pIST, des Volumenstroms Qpumpe, des Verdrängungsvolumens Vpumpe, und des Drehmoments MPumpe der Hydraulikpumpe 20 bei einem Zielbetrieb der Hydraulikmaschine 1 von 1 dargestellt, welcher Betrieb bei einer Regelung mit der Regelvorrichtung 30 erzielt wird. 2 shows a diagram of the curves of the actual pressure p IST , the volume flow Q pump , the displacement volume V pump , and the torque M pump of the hydraulic pump 20th in a pressure holding operation of the hydraulic machine 1 of 1 over time t. In the pressure holding operation, the actual pressure p IST is constant. Here are to the left of the line 50 in 2 the curves of the actual pressure p IST , the volume flow Q pump , the displacement volume V pump , and the torque M pump of the hydraulic pump 20th with a standard operation of the hydraulic machine 1 of 1 shown, so if the control device 30th not working. Right of the line 50 in 2 are the curves of the actual pressure p IST , the volume flow Q pump , the displacement volume V pump , and the torque M pump of the hydraulic pump 20th at a target operation of the hydraulic machine 1 of 1 shown, which operation in a control with the control device 30th is achieved.

Bei der Hydraulikmaschine 1 erfolgt die Druckregelung und Volumenstromregelung der Hydraulikpumpe 20 mit der Regelvorrichtung 30, insbesondere mit ihrer Anpasseinrichtung 35, durch eine Anpassung des Schwenkwinkels α. Im Teillastbetrieb der Hydraulikmaschine 1, was einer reduzierten Leistung im Druckhaltebetrieb entspricht, wird die Drehzahl n des Motors 10 mit der Regelvorrichtung 30 angepasst. Damit werden Verluste im System der Hydraulikmaschine 1 minimiert sowie das Drehmoment M des Motors 10 zum Halten des Drucks p gesenkt. Somit wird bei der drehzahlvariablen Hydraulikpumpe 20 nicht nur die Drehzahl n als Stellgröße für die Druckregelung der Hydraulikpumpe 20 verwendet sondern auch das Hubvolumen der Hydraulikpumpe 20 verändert.With the hydraulic machine 1 the pressure control and volume flow control of the hydraulic pump takes place 20th with the control device 30th , especially with their adapter 35 , by adjusting the swivel angle α. In partial load operation of the hydraulic machine 1 , which corresponds to a reduced power in pressure holding operation, becomes the speed n of the motor 10 with the control device 30th customized. This eliminates losses in the hydraulic machine system 1 minimized as well as the torque M of the motor 10 lowered to hold the pressure p. Thus, with the variable-speed hydraulic pump 20th not only the speed n as a manipulated variable for the pressure control of the hydraulic pump 20th but also uses the stroke volume of the hydraulic pump 20th changed.

Die Anpasseinrichtung 35 ist insbesondere ausgestaltet, im geregelten Betrieb der Hydraulikpumpe 20 den Schwenkwinkel α und die Motordrehzahl n zur Druck- Kraft- oder Positionsregelung eines Zylinders anzupassen, der von der Hydraulikmaschine 1 betätigt wirdThe adapter 35 is designed in particular in the regulated operation of the hydraulic pump 20th the swivel angle α and the engine speed n to adjust the pressure, force or position control of a cylinder by the hydraulic machine 1 is operated

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Anpassung des Schwenkwinkels α mit Hilfe der Anpasseinrichtung 35 abschnittsweise. Hierbei wird in einem Abschnitt „Druckaufbau“, der Schwenkwinkel α druckabhängig angesteuert, um das Moment M des Motors 10 konstant am maximal Möglichen zu fahren. In einem Abschnitt „Druck Halten“ wird der Schwenkwinkel α auf einen Minimalwert absenkt, um das Moment M des Motors 10 zu minimieren. Der Abschnitt „Druckaufbau“ entspricht einem Druckaufbaubetrieb der Hydraulikmaschine 1. Der Abschnitt „Druck Halten“ entspricht dem Druckhaltebetrieb der Hydraulikmaschine 1.In the first exemplary embodiment, the pivot angle α is adjusted with the aid of the adjustment device 35 in sections. Here, in a “pressure build-up” section, the swivel angle α is controlled as a function of the pressure by the torque M of the motor 10 to drive consistently at the maximum possible. In a “hold pressure” section, the swivel angle α is reduced to a minimum value by the torque M of the motor 10 to minimize. The "Pressure build-up" section corresponds to a pressure build-up operation of the hydraulic machine 1 . The “Pressure hold” section corresponds to the pressure hold mode of the hydraulic machine 1 .

Man kann den Ist-Schwenkwinkel αist auch ohne Sensor gemäß der folgenden Gleichung (1) auf Basis vorhandener Messwerte berechnen: α = M P u m p e 2 Π n p V h

Figure DE102013005774B4_0001
in welcher α für den Ist-Schwenkwinkel αIST steht, MPumpe für das Drehmoment der Hydraulikpumpe 20 steht, n für die Drehzahl der Antriebswelle 11 steht, p für den Druck steht, und Vh für das maximale Verdrängungsvolumen der Hydraulikpumpe 20 bei α = 100% steht.The actual swivel angle α act can also be calculated without a sensor according to the following equation (1) on the basis of existing measured values: α = M. P u m p e 2 Π n p V H
Figure DE102013005774B4_0001
in which α stands for the actual swivel angle α IST , M pump for the torque of the hydraulic pump 20th stands, n is the speed of the drive shaft 11 stands, p stands for the pressure, and V h stands for the maximum displacement of the hydraulic pump 20th at α = 100%.

In dem Druckhaltebetrieb errechnet sich das Drehmoment MPumpe der Hydraulikpumpe 20 durch Umstellen der Gleichung (1) in die folgende Gleichung (2) M P u m p e = p α V h 2 Π n

Figure DE102013005774B4_0002
In the pressure holding mode, the torque M pump of the hydraulic pump is calculated 20th by converting the equation (1) into the following equation (2) M. P u m p e = p α V H 2 Π n
Figure DE102013005774B4_0002

Somit wird zur Regelung des Schwenkwinkels α über den Analogausgang 34 der Schwenkwinkelsollwert αSOLL an die Hydraulikpumpe 20 übergeben und damit der Volumenstrom Q der Hydraulikpumpe 20 geregelt, der auch als Qpumpe bezeichnet werden kann. Der Volumenstrom Qpumpe errechnet sich aus Q P u m p e = n m o t α V p u m p e

Figure DE102013005774B4_0003
wobei nmot der Drehzahl nIST des Motors 10 entspricht und Vpumpe gleich Vh gilt. Die Drehzahl nmot oder nIST würde in dem Fall konstant bleiben und erst im Teillastbetrieb angepasst werden.Thus, the swivel angle α is controlled via the analog output 34 the swivel angle setpoint α SOLL to the hydraulic pump 20th and thus the volume flow Q of the hydraulic pump 20th regulated, which can also be referred to as Q pump . The volume flow Q pump is calculated from Q P u m p e = n m O t α V p u m p e
Figure DE102013005774B4_0003
where nmot is the engine speed n IST 10 and V pump is equal to V h . In this case, the speed n mot or n IST would remain constant and only be adjusted in partial load operation.

Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren einer Berechnung des aktuellen Schwenkwinkels α auf Basis der vorhandenen Messgrößen kann man von einer sensorlosen Regelung sprechen.With the previously described method of calculating the current swivel angle α on the basis of the existing measured variables, one can speak of sensorless control.

Die zuvor beschriebene abschnittsweise Anpassung des Pumpen-Hubvolumens Vh der drehzahlvariablen Hydraulikpumpe 20 bildet einen 2-Punkt Regler, mit welchem eine stationäre Anpassung des Pumpen-Hubvolumens Vh der drehzahlvariablen Hydraulikpumpe 20 durch Verstellung des Schwenkwinkels α der Hydraulikpumpe 20 erfolgt.The section-wise adaptation of the pump stroke volume V h described above variable speed hydraulic pump 20th forms a 2-point controller with which a stationary adjustment of the pump stroke volume V h of the variable-speed hydraulic pump 20th by adjusting the swivel angle α of the hydraulic pump 20th he follows.

Mit der Regelvorrichtung 30 sinkt bei der Hydraulikmaschine 1 von 1 das erforderliche Drehmoment des Motors 10. Damit sinken auch die Motorverluste im Teillastbetrieb. Dadurch hat die Hydraulikmaschine 1 eine höhere Energieeffizienz. Zudem kommt es zu einer Dynamiksteigerung im oberen Leistungsbereich. Für den Motor 10 ist dadurch nur ein Standardmotor mit geringerer Leistung als bei einer Hydraulikmaschine ohne die beschriebene Regelung mit der Regelvorrichtung 30 erforderlich. Dadurch können die Kosten für die Hydraulikmaschine 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel gering gehalten werden, weil man den Motor 10 und Antriebsregler, also die Regelvorrichtung 30, in vielen Anwendungsfällen kleiner auslegen kann. Die Umschaltung zwischen minimalem und maximalem Hubvolumen der Hydraulikpumpe 20 erfolgt dabei automatisch in Abhängigkeit der erforderlichen hydraulischen Leistung. Bei geringer hydraulischer Leistung d.h. geringer Pumpendrehzahl wird mit minimalem Hubvolumen gearbeitet und bei großer Leistung mit maximalem Hubvolumen.With the control device 30th decreases in the hydraulic machine 1 of 1 the required torque of the motor 10 . This also reduces engine losses in partial load operation. As a result, the hydraulic machine 1 higher energy efficiency. In addition, there is an increase in dynamics in the upper performance range. For the engine 10 is therefore only a standard motor with less power than a hydraulic machine without the described control with the control device 30th required. This can reduce the cost of the hydraulic machine 1 can be kept low according to this embodiment, because you the engine 10 and drive controller, i.e. the control device 30th , can be designed smaller in many applications. Switching between the minimum and maximum stroke volume of the hydraulic pump 20th takes place automatically depending on the required hydraulic power. In the case of low hydraulic power, that is to say a low pump speed, the minimum stroke volume is used and, in the case of high power, the maximum stroke volume is used.

Bei der Hydraulikmaschine 1 wird in Druckregelung als Umschaltkriterium die Druckregelabweichung dp oder die Istdrehzahl nIST der Hydraulikpumpe 20 verwendet. Ist dp_max die maximale Druckregelabweichung, gilt

  • • Druckregelabweichung > dp_max → maximales Hubvolumen aktiv
  • • Druckregelabweichung ≤ dp_max → minimales Hubvolumen aktiv
With the hydraulic machine 1 the pressure control deviation dp or the actual speed n IST of the hydraulic pump is used as the switchover criterion in pressure control 20th used. If dp_max is the maximum pressure regulation deviation, then applies
  • • Pressure regulation deviation> dp_max → maximum stroke volume active
  • • Pressure regulation deviation ≤ dp_max → minimum stroke volume active

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird bei der drehzahlvariablen Hydraulikpumpe 20 das Pumpen-Hubvolumen Vh im geregelten Betrieb der Hydraulikmaschine 1 von 1 mit Hilfe der Anpasseinrichtung 35 dynamisch angepasst. Somit wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrgrößenregelung durch dynamische Anpassung von Schwenkwinkel α der Hydraulikpumpe 20 und Drehzahl n des Motors 10 im Regelbetrieb ausgeführt. Ein Vorteil einer solchen Regelung liegt, gegenüber dem Stand der Technik, in einer höheren Regeldynamik durch schnelle Schwenkwinkelverstellung gleichzeitig zu einer parallel möglichen Drehzahlanpassung womit eine höhere Volumenstromänderung dQ/dt möglich ist. Dies ist vor allem bei großen Leistungen und damit eines großen Motors 10 vorteilhaft.According to a second exemplary embodiment, the variable-speed hydraulic pump 20th the pump stroke volume V h in the regulated operation of the hydraulic machine 1 of 1 with the help of the adapter 35 dynamically adjusted. In this exemplary embodiment, multivariable control is thus achieved by dynamically adapting the pivot angle α of the hydraulic pump 20th and speed n of the motor 10 executed in regular operation. One advantage of such a control, compared to the prior art, lies in a higher control dynamic due to rapid swivel angle adjustment at the same time as a speed adjustment that is possible in parallel, whereby a higher volume flow change dQ / dt is possible. This is especially the case with large powers and therefore a large engine 10 advantageous.

Ansonsten ist die Hydraulikmaschine 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf die gleiche Weise aufgebaut, wie in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben.Otherwise the hydraulic machine is 1 according to this embodiment is constructed in the same way as described with respect to the first embodiment.

Die in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel beschriebene Regelvorrichtung 30 dient zur Regelung einer von einem Motor 10 angetriebenen drehzahlvariablen Hydraulikpumpe 20 und umfasst eine Anpasseinrichtung 35 zur Anpassung der Drehzahl n und des Hubvolumens Vh der Hydraulikpumpe 20, um damit ein elektrohydraulisches Getriebe zu realisieren, für welches beispielsweise die zuvor beschriebenen zwei Ausführungen möglich sind

  1. A) Schaltgetriebe mit zwei verschiedenen Schaltstufen (minimales und maximales Pumpenhubvolumen)
  2. B) als stufenloses Automatikgetriebe mit stetiger Anpassung der Übersetzung.
The control device described in the first and second embodiments 30th is used to control one of a motor 10 driven variable speed hydraulic pump 20th and comprises an adapter 35 to adjust the speed n and the stroke volume V h of the hydraulic pump 20th in order to realize an electro-hydraulic transmission for which, for example, the two versions described above are possible
  1. A) Gearbox with two different switching stages (minimum and maximum pump stroke volume)
  2. B) as a continuously variable automatic transmission with constant adjustment of the translation.

Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass der Eingang 34 der Regelvorrichtung 30 entfällt, wenn die Eingabe des Ist-Schwenkwinkels αIST der Schwenkscheibe 11 der Hydraulikpumpe 10 in die Regelvorrichtung 30 nicht erforderlich ist. In diesem Fall kann auch der Schwenkwinkelsensor 23 entfallen. Dadurch entfällt auch die Anbindung des Schwenkwinkelsensors 23 an die Regelvorrichtung 30. Dadurch kann die Regelvorrichtung 30 noch kostengünstiger realisiert werden. Ansonsten ist das zweite Ausführungsbeispiel gleich dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut.According to a third exemplary embodiment, it is also possible that the input 34 the control device 30th Not applicable if the actual swivel angle α IST of the swivel disk is entered 11 the hydraulic pump 10 into the control device 30th is not required. In this case, the swivel angle sensor can also 23 omitted. This also means that the swivel angle sensor is not connected 23 to the control device 30th . This allows the control device 30th can be realized even more cost-effectively. Otherwise, the second embodiment is constructed in the same way as the first embodiment.

Zusammengefasst wird bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Regelvorrichtung 30 und ein Regelverfahren zur Regelung einer von einem Motor 10 angetriebenen Hydraulikpumpe 20 bereitgestellt. Die Regelvorrichtung 30 umfasst eine Anpasseinrichtung 35 zur Anpassung der Drehzahl n und des Hubvolumens Vh der Hydraulikpumpe 20 zur Druckregelung der Hydraulikpumpe 20 oder zur Kraftregelung oder Positionsregelung eines Hydraulikzylinders, der nicht dargestellt ist und insbesondere mit der Hydraulikmaschine 1 betätigbar ist. Hierbei kann das Hubvolumen Vh der Hydraulikpumpe 20 entweder stationär durch Verstellung des Schwenkwinkels α der Hydraulikpumpe 20 oder dynamisch im geregelten Betrieb durch dynamische Anpassung des Schwenkwinkels α der Hydraulikpumpe 20 und der Drehzahl n des Motors 10 im Regelbetrieb angepasst werden. Die Einheit bestehend aus Hydraulikpumpe 20, Motor 10 und Antriebsregler oder Regelvorrichtung 30 wird dabei als ein elektrohydraulisches Getriebe zur Optimierung des Systemwirkungsgrades eingesetzt.In summary, in the embodiments described above, a control device 30th and a control method for controlling one of an engine 10 driven hydraulic pump 20th provided. The control device 30th comprises an adapter 35 to adjust the speed n and the stroke volume V h of the hydraulic pump 20th for pressure control of the hydraulic pump 20th or for force control or position control of a hydraulic cylinder, which is not shown, and in particular with the hydraulic machine 1 is actuated. Here, the stroke volume V h of the hydraulic pump 20th either stationary by adjusting the swivel angle α of the hydraulic pump 20th or dynamically in controlled operation by dynamically adapting the swivel angle α of the hydraulic pump 20th and the speed n of the motor 10 can be adjusted in regular operation. The unit consists of a hydraulic pump 20th , Engine 10 and drive controller or control device 30th is used as an electro-hydraulic gear to optimize the system efficiency.

Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Hydraulikmaschine 1 mit ihrer Regelvorrichtung 30 und ihrem Regelverfahren können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.All the previously described configurations of the hydraulic machine 1 with their control device 30th and their control method can be used individually or in all possible combinations. In particular, all of the features and / or functions of the exemplary embodiments described above can be combined as desired. In addition, the following modifications in particular are conceivable.

Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.The parts shown in the figures are shown schematically and may differ in the exact configuration from the forms shown in the figures, as long as their functions described above are guaranteed.

Durch die Verbindung der Regelvorrichtung 30 mit einem Standard-Frequenzumrichter kann eine dynamische und wirtschaftliche Lösung zur Steuerung von Ölmenge und Druck der Hydraulikmaschine 1, insbesondere der Hydraulikpumpe 20, erreicht werden. Die Regelvorrichtung 30 kann insbesondere in einem Servoantrieb oder Frequenzumrichter angeordnet sein.By connecting the control device 30th With a standard frequency converter a dynamic and economical solution for controlling the oil quantity and pressure of the hydraulic machine can be achieved 1 , especially the hydraulic pump 20th can be achieved. The control device 30th can in particular be arranged in a servo drive or frequency converter.

Identische mechanische und elektrische Schnittstellen, insbesondere eine Datenbusschnittstelle (Businterface), der Hydraulikmaschine 1 erlauben den Ersatz von verschiedenen Aggregaten eines Herstellers.Identical mechanical and electrical interfaces, in particular a data bus interface (bus interface), of the hydraulic machine 1 allow the replacement of different units from one manufacturer.

Claims (10)

Regelvorrichtung (30) zur Regelung einer von einem Motor (10) angetriebenen drehzahlvariablen Hydraulikpumpe (20), mit einer Anpasseinrichtung (35) zur Anpassung der Drehzahl (n) und des Hubvolumens (Vh) der Hydraulikpumpe (20), um damit ein elektrohydraulisches Getriebe zu realisieren.Control device (30) for controlling a variable-speed hydraulic pump (20) driven by a motor (10), with an adapter (35) for adapting the speed (n) and the stroke volume (Vh) of the hydraulic pump (20), in order to create an electrohydraulic transmission to realize. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anpasseinrichtung (35) zur Anpassung eines Schwenkwinkels (α) der Hydraulikpumpe (20) auf der Grundlage einer gemessenen Ist-Drehzahl (nIST) des Motors (10), eines gemessenen Ist-Drehmoments (MIST) der Hydraulikpumpe (20) und eines gemessenen Ist-Drucks (pIST) der Hydraulikpumpe (20) ausgestaltet ist, und wobei die Anpasseinrichtung (35) ausgestaltet ist, im geregelten Betrieb der Hydraulikpumpe (20) den Schwenkwinkel (α) und die Motordrehzahl (n) zur Druck- Kraft oder Positionsregelung eines Zylinders anzupassen.Control device according to Claim 1 , wherein the adaptation device (35) for adapting a swivel angle (α) of the hydraulic pump (20) on the basis of a measured actual speed (n IST ) of the motor (10), a measured actual torque (M IST ) of the hydraulic pump (20 ) and a measured actual pressure (p IST ) of the hydraulic pump (20) is designed, and wherein the adapter (35) is designed in the controlled operation of the hydraulic pump (20) the pivot angle (α) and the engine speed (n) for pressure - Adjust the force or position control of a cylinder. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Anpasseinrichtung (35) ausgestaltet ist, in dem Druckhaltebetrieb der Hydraulikpumpe (20) den Schwenkwinkel (α) auf einen Minimalwert abzusenken, um das Ist-Drehmoment (MIST) des Motors (10) und damit die Systemverluste zu minimieren.Control device according to Claim 2 , wherein the adapter (35) is designed to lower the swivel angle (α) to a minimum value in the pressure holding operation of the hydraulic pump (20) in order to minimize the actual torque (M IST ) of the motor (10) and thus the system losses. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anpasseinrichtung (35) ausgestaltet ist, in einem Druckaufbaubetrieb der Hydraulikpumpe (20) den Schwenkwinkel (α) druckabhängig zu berechnen, um das Ist-Drehmoment (MIST) des Motors (10) konstant auf dem maximal möglichen Wert zu halten.Control device according to one of the Claims 1 to 3 , wherein the adapter (35) is designed to calculate the swivel angle (α) as a function of pressure in a pressure build-up mode of the hydraulic pump (20) in order to keep the actual torque (M IST ) of the motor (10) constant at the maximum possible value. Regelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anpasseinrichtung (35) ausgestaltet ist, den Schwenkwinkel (α) in einem Teillastbetrieb, bei welchem im Druckhaltebetrieb der Hydraulikpumpe (20) die Leistung des Motors (10) reduziert ist, derart zu ändern, dass die Ist-Drehzahl und der Schwenkwinkel (α) gemäß einem Steuergesetz und anhand eines Motor-Pumpenmodells angepasst wird.Control device according to one of the preceding claims, wherein the adapter (35) is designed to change the swivel angle (α) in a partial load operation, in which the power of the motor (10) is reduced in the pressure holding operation of the hydraulic pump (20), so that the Actual speed and the swivel angle (α) is adjusted according to a control law and based on a motor-pump model. Regelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anpasseinrichtung (35) ausgestaltet ist zur Anpassung des Hubvolumens (Vh) der Hydraulikpumpe (20) entweder stationär durch Verstellung des Schwenkwinkels (α) der Hydraulikpumpe (20) oder dynamisch im geregelten Betrieb durch dynamische Anpassung des Schwenkwinkels (α) der Hydraulikpumpe (20) und der Drehzahl (n) des Motors (10) im Regelbetrieb.Control device according to one of the preceding claims, wherein the adapter (35) is designed to adapt the stroke volume (V h ) of the hydraulic pump (20) either in a stationary manner by adjusting the swivel angle (α) of the hydraulic pump (20) or dynamically in controlled operation by dynamic adaptation the swivel angle (α) of the hydraulic pump (20) and the speed (n) of the motor (10) in normal operation. Regelvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Anpasseinrichtung (35) bei der stationären Anpassung des Hubvolumens (Vh) der Hydraulikpumpe (20) als 2-Punkt-Regler arbeitet.Control device according to Claim 6 , the adaptation device (35) operating as a 2-point controller for the stationary adaptation of the stroke volume (Vh) of the hydraulic pump (20). Regelvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit einem Analogausgang (34) zur Ausgabe des Schwenkwinkels (α) als analoges Signal an die Hydraulikpumpe (20), und/oder einem Ist-Schwenkwinkel-Analogeingang (31) zur Eingabe des Ist-Schwenkwinkels (αIST) als analoges Signal von der Hydraulikpumpe (20), und/oder einem Ist-Druck-Analogeingang (32) zur Eingabe des Ist-Drucks (pIST) als analoges Signal von der Hydraulikpumpe (20), und/oder einem Ist-Drehzahl-Eingang (33) zur Eingabe der Ist-Drehzahl (nIST) als Signal von der Hydraulikpumpe (20) oder dem antreibenden Motor (10).Control device according to one of the preceding claims, also with an analog output (34) for outputting the swivel angle (α) as an analog signal to the hydraulic pump (20), and / or an actual swivel angle analog input (31) for inputting the actual swivel angle ( α IST ) as an analog signal from the hydraulic pump (20), and / or an actual pressure analog input (32) for entering the actual pressure (p IST ) as an analog signal from the hydraulic pump (20), and / or an actual -Speed input (33) for entering the actual speed (n IST ) as a signal from the hydraulic pump (20) or the driving motor (10). Hydraulikmaschine (1), mit einer Hydraulikpumpe (20), die von einem Motor (10) antreibbar ist, und einer Regelvorrichtung (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regelvorrichtung (30) im Servoantrieb oder Frequenzumrichter angeordnet ist.Hydraulic machine (1) with a hydraulic pump (20) which can be driven by a motor (10) and a control device (30) according to one of the preceding claims, wherein the control device (30) is arranged in the servo drive or frequency converter. Regelverfahren zur Regelung einer von einem Motor (10) angetriebenen drehzahlvariablen Hydraulikpumpe (20), mit den Schritten Anpassen, mit einer Anpasseinrichtung (35), der Drehzahl (n) und des Hubvolumens (Vh) der Hydraulikpumpe (20) zur Druck-, Kraft- und Positionsregelung eines hydraulischen Systems.Control method for controlling a variable-speed hydraulic pump (20) driven by a motor (10), with the steps of adapting, with an adapter (35), the speed (n) and the displacement (Vh) of the hydraulic pump (20) for pressure, force - and position control of a hydraulic system.
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