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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Regeln eines Drucks eines hydrostatischen Fahrantriebs, der eine primärseitige Axialkolbenmaschine und eine sekundärseitige Axialkolbenmaschine umfasst, die insbesondere in Schrägscheibenbauweise mit jeweils einer Schrägscheibe ausgeführt sind, deren Schwenkwinkel verstellbar ist.
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Stand der Technik
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Für einen hydrostatischen Fahrantrieb werden zum Beispiel eine primärseitige Axialkolbenmaschine und eine sekundärseitige Axialkolbenmaschine in Reihe geschaltet. Bei Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise kann über eine Verstellung des Schwenkwinkels der Schrägscheibe der Fördervolumenstrom verstellt werden. Daher wird eine derartige Axialkolbenmaschine auch als Verstellmaschine bezeichnet. Je nach dem, ob die Axialkolbenmaschine als Pumpe oder als Motor arbeitet, wird sie auch als Verstellpumpe oder Verstellmotor bezeichnet. Die zum Beispiel von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebene primärseitige Axialkolbenmaschine wandelt, wenn sie als Pumpe, insbesondere Verstellpumpe, arbeitet, auf einer Antriebsseite mechanische in hydraulische Energie um. Auf einer Abtriebsseite wandelt die sekundärseitige Axialkolbenmaschine, wenn sie als Motor, insbesondere als Verstellmotor, arbeitet, hydraulische in mechanische Energie um. Der Vorgang kann auch umgekehrt werden, so dass durch die sekundärseitige Axialkolbenmaschine auf der Abtriebsseite gebremst wird. Die Verschaltung der primärseitigen Axialkolbenmaschine und der sekundärseitigen Axialkolbenmaschine kann sowohl in einem offenen Kreis geschehen, wobei Niederdruckseiten der beiden Axialkolbenmaschinen mit einem druckausgeglichenen Tank verbunden sind, als auch in einem geschlossenen Kreis, wobei die Niederdruckseiten der Axialkolbenmaschinen direkt miteinander verbunden sind. Beide Schaltungen können über Druckbegrenzungsventile gegen zu hohe Drücke abgesichert werden. Im Betrieb werden die primärseitige Axialkolbenmaschine und die sekundärseitige Axialkolbenmaschine entweder separat oder gekoppelt verstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, das dynamische Fahrverhalten eines hydrostatischen Fahrantriebs, der eine primärseitige und eine sekundärseitige Axialkolbenmaschine umfasst, die in Schrägscheibenbauweise mit jeweils einer Schrägscheibe ausgeführt sind, deren Schwenkwinkel verstellbar ist, zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Regeln eines Drucks eines hydrostatischen Fahrantriebs, der eine primärseitige Axialkolbenmaschine und eine sekundärseitige Axialkolbenmaschine umfasst, die in Schrägscheibenbauweise mit jeweils einer Schrägscheibe ausgeführt sind, deren Schwenkwinkel verstellbar ist, dadurch gelöst, dass ein sekundärseitiges Abtriebsmoment vorgegeben und geregelt wird, wobei zusätzlich ein Druck in einem Verbindungsvolumen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite geregelt wird. Bei dem Verbindungsvolumen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite handelt es sich vorzugsweise um ein Hochdruckvolumen. Über das Hochdruckvolumen ist ein Ausgang der primärseitigen Axialkolbenmaschine mit einem Ausgang der sekundärseitigen Axialkolbenmaschine verbunden. Dem Verbindungsvolumen kann ein hydraulischer Hochdruckspeicher zugeordnet sein. Im Betrieb des hydrostatischen Fahrantriebs ergibt sich eine zum Volumenstrom proportionale Drehzahl auf der Sekundärseite. Der Druck in dem Verbindungsvolumen stellt sich entsprechend dem Lastmoment ein und ist nach oben zum Beispiel durch ein Druckbegrenzungsventil begrenzt. Für ein dynamisches Fahrverhalten wird das sekundärseitige Abtriebsmoment vorgegeben und geregelt. Für einen möglichst energieoptimalen Betrieb wird zusätzlich der Druck in dem Verbindungsvolumen, zum Beispiel in einer Verbindungsleitung, zwischen der primärseitigen und der sekundärseitigen Axialkolbenmaschine geregelt. Der Druck in dem Verbindungsvolumen, insbesondere in der Verbindungsleitung, zwischen der primärseitigen und der sekundärseitigen Axialkolbenmaschine kann zum Beispiel entsprechend einem Wirkungsgradkennfeld geregelt werden. Als Stellgrößen werden vorzugsweise die Schwenkwinkel der primärseitigen und der sekundärseitigen Axialkolbenmaschine verwendet.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine sekundärseitige Momentenforderung in Verbindung mit einem Solldruck in dem Verbindungsvolumen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite auf einen Schwenkwinkel der Sekundärseite umgerechnet und eingeregelt wird. Die sekundärseitige Momentenforderung entspricht zum Beispiel einem Fahrerwunschmoment. Für den Entwurf der Druckregelung wird vorteilhaft angenommen, dass Änderungen der Drehzahl auf der Primärseite und der Sekundärseite durch die angehängten Massen, zum Beispiel vom Fahrzeug und einem Verbrennungsmotor, vergleichsweise langsam erfolgen. Darüber hinaus wird vorzugsweise angenommen, dass der Druck auf einer Niederdruckseite annähernd konstant ist. Somit können eine Dynamik der Drehzahlen und des Niederdrucks vernachlässigt werden und als zeitvariante Parameter in die Regelung eingehen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem Schwenkwinkel und einer Drehzahl der Sekundärseite vorgegebener Volumenstrom durch die Primärseite eingestellt wird. Die gewünschten Schwenkwinkel werden vorzugsweise von einer unterlagerten Schwenkwinkelregelung eingeregelt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der sekundärseitig vorgegebene Volumenstrom auf einen Schwenkwinkel der Primärseite umgerechnet und vorgesteuert wird. Dabei finden die in der folgenden Figurenbeschreibung offenbarten Gleichungen Anwendung.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerung ein Regler überlagert wird, um den Druck im Verbindungsvolumen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite einem geforderten Solldruck nachzuführen. Dabei finden ebenfalls die in der folgenden Figurenbeschreibung offenbarten Gleichungen Anwendung.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgrößen die Schwenkwinkel auf der Primärseite und der Sekundärseite verwendet werden. In Abhängigkeit von einer Veränderung der Schwenkwinkel ändert sich der Fördervolumenstrom der zugehörigen Axialkolbenmaschine.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkwinkel der Primärseite und der Sekundärseite mit Hilfe einer unterlagerten Schwenkwinkelregelung eingeregelt werden. Zu Beschreibung des Systems dient vorteilhaft eine in der folgenden Figurenbeschreibung offenbarte Druckaufbaugleichung für das Verbindungsvolumen, das einem Hochdruckvolumen entspricht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsvolumen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite durch eine Druckaufbaugleichung mit einem Kompressionsmodul und einem Leckagekoeffizienten beschrieben wird. Das hat sich bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen im Hinblick auf das dynamische Fahrverhalten eines hydrostatischen Fahrantriebs als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein System zum Regeln eines Drucks eines hydrostatischen Fahrantriebs, der eine primärseitige Axialkolbenmaschine und eine sekundärseitige Axialkolbenmaschine umfasst, die in Schrägscheibenbauweise mit jeweils einer Schrägscheibe ausgeführt sind, deren Schwenkwinkel verstellbar ist, gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
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Das erfindungemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System werden vorteilhaft für hydraulische Antriebe mit einer direkten hydraulischen Leistungsübertragung angewendet. Bei dem hydraulischen Fahrantrieb handelt es sich vorzugsweise um einen hydraulischen Hybridantrieb, der zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor zwei Axialkolbenmaschinen umfasst, die durch eine hydraulische Strecke oder einen hydraulischen Pfad hydraulisch miteinander gekoppelt sind. Dabei wird zumindest ein Teil der Leistung des Fahrantriebs über den hydraulischen Pfad übertragen. Für die Rekuperation von Bremsenergie und den Betrieb in einem energieoptimalen Zustand kann auf der Hochdruckseite ein Hydraulikspeicher angeschlossen sein. In diesem Betriebszustand allerdings ist der Druck auf der Hochdruckseite direkt an den Füllstand des Hydraulikspeichers gekoppelt und verändert sich nur relativ langsam. Damit die mechanische Energie auf der Primärseite möglichst direkt auf die Sekundärseite übertragen werden kann, wird der Hydraulikspeicher vorteilhaft abgekoppelt. Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise auf ein Teilsystem mit abgekoppeltem Hydraulikspeicher.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
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1 ein hydraulisches Ersatzschaltbild für einen hydrostatischen Fahrantrieb mit einer primärseitigen und einer sekundärseitigen Axialkolbenmaschine;
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2 ein Blockschaltbild einer Druckregelung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
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3 ein Blockschaltbild einer Druckregelung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein hydrostatischer Fahrantrieb in Form eines Hydraulikschaltplans vereinfacht dargestellt. Der hydrostatische Fahrantrieb umfasst eine primärseitige Hydraulikmaschine 1 und eine sekundärseitige Hydraulikmaschine 2. Die beiden Hydraulikmaschinen sind beispielhaft als Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit einer Schrägscheibe ausgeführt, die auch als Schwenkwiege bezeichnet wird.
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Ein Schwenkwinkel der Schrägscheibe oder Schwenkwiege kann verändert werden, um einen Fördervolumenstrom der Hydraulikmaschine zu verstellen. Daher werden die Hydraulikmaschinen 1 und 2 auch als Verstellmaschinen bezeichnet. In Abhängigkeit von ihrer Funktion wird die Hydraulikmaschine 1 auch als Verstellpumpe bezeichnet. Analog wir die Hydraulikmaschine 2 auch als Verstellmotor bezeichnet.
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Die linke Seite in 1 mit der primärseitigen Hydraulikmaschine 1 wird auch verkürzt als Primärseite 1 bezeichnet. Analog wird die rechte Seite in 1 mit der sekundärseitige Hydraulikmaschine 2 auch als Sekundärseite 2 bezeichnet. Im folgenden Text wird die primärseitige Hydraulikmaschine 1 auch als Primäreinheit 1 bezeichnet. Analog wird die sekundärseitige Hydraulikmaschine 2 auch als Sekundäreinheit 2 bezeichnet.
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Die beiden Hydraulikmaschinen 1 und 2 sind eingangsseitig an einen Niederdruckbereich 4 angeschlossen. Ausgangsseitig sind die beiden Hydraulikmaschinen 1 und 2 an einen Hochdruckbereich 5 angeschlossen. Der Niederdruckbereich 4 umfasst ein druckausgeglichenes Hydraulikmediumreservoir 6. Bei dem Hydraulikmedium handelt es sich zum Beispiel um Hydrauliköl.
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Durch einen Kreis 10 im Hochdruckbereich 5 ist ein Verbindungsvolumen angedeutet, das die Ausgangsseite der Hydraulikmaschine 1 mit der Ausgangsseite der Hydraulikmaschine 2 verbindet. Da sich das Verbindungsvolumen 10 im Hochdruckbereich 5 befindet, handelt es sich um ein Hochdruckvolumen.
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Durch einen Pfeil 11 ist eine Hochdruckleitung angedeutet, die den Ausgang der primärseitigen Hydraulikmaschine 1 mit dem Hochdruckvolumen oder Verbindungsvolumen 10 verbindet. Durch einen Pfeil 12 ist eine weitere Hydraulikleitung angedeutet, die den Ausgang der sekundärseitigen Hydraulikmaschine 2 mit dem Hochdruckvolumen oder Verbindungsvolumen 10 verbindet.
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Eine Niederdruckleitung 13 verbindet den Eingang der primärseitigen Hydraulikmaschine 1 mit dem Hydraulikmediumreservoir 6. Eine Niederdruckleitung 14 verbindet den Eingang der sekundärseitigen Hydraulikmaschine 2 mit dem Hydraulikmediumreservoir 6. Eine Leitung 16 mit einem hydraulischen Widerstand 18 verbindet den Niederdruckbereich 4 mit dem Hochdruckvolumen oder Verbindungsvolumen 10.
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Zur Darstellung des hydrostatischen Fahrantriebs in 1 sind die primäre Verstellpumpe 1 und der sekundäre Verstellmotor 2 in Reihe geschaltet. Die zum Beispiel von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebene Primäreinheit 1 wandelt mechanische in hydraulische Energie. Daher wird die Primärseite 1 auch als Antriebsseite bezeichnet. Die Sekundäreinheit 2 wandelt auf der Abtriebsseite hydraulische in mechanische Energie um. Der Vorgang kann auch umgekehrt werden, so dass durch die Sekundäreinheit 2 auf der Abtriebsseite gebremst wird.
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Für ein dynamisches Fahrverhalten wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung das sekundärseitige Abtriebsmoment vorgegeben und geregelt. Für einen möglichst energieoptimalen Betrieb wird zusätzlich der Druck in dem Verbindungsvolumen 10 zwischen der Primäreinheit 1 und der Sekundäreinheit 2 entsprechend einem Wirkungsgradkennfeld geregelt. Als Stellgrößen dienen die Schwenkwinkel der primärseitigen Axialkolbenmaschine 1 und der sekundärseitigen Axialkolbenmaschine 2.
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Die sekundärseitige Momentenforderung wird in Verbindung mit dem Solldruck im Verbindungsvolumen auf einen Schwenkwinkel der Sekundärseite umgerechnet und eingeregelt. Die Primäreinheit 1 muss den sich aus der Drehzahl und dem Schwenkwinkel der Sekundäreinheit 2 ergebenden Volumenstrom einstellen. Dieser wird auf den Schwenkwinkel der Primäreinheit 1 umgerechnet und vorgesteuert. Um den Druck in dem Verbindungsvolumen 10, das auch als Verbindungselement bezeichnet wird, dem geforderten Solldruck nachzuführen, wird der Vorsteuerung ein Regler überlagert.
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Für den Reglerentwurf wird eine Beschreibung des Volumenstroms über eine Axialkolbeneinheit sowie für das Drehmoment benötigt. Der Volumenstrom q und das Moment M können in Abhängigkeit von der Drehzahl ω, dem Differenzdruck ∆p und dem normalisierten Schwenkwinkel α als Mittelwertmodell mit der folgenden Gleichung 1 beschrieben werden: q = cqωα, M = cmΔpα. (1)
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Darin ist α der linearisierte und normalisierte Schwenkwinkel, der sich aus dem tatsächlichen Schwenkwinkel Φ ergibt. Die Linearisierung des Schwenkwinkels muss entsprechend des geometrischen Zusammenhangs in der Axialkolbenmaschine erfolgen und kann, bezogen auf den maximalen Schwenkwinkel Φ
max zum Beispiel wie in der folgenden Gleichung 2 aussehen:
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Sollen Leckagevolumenströme und Verlustmomente berücksichtigt werden, können die Ansätze in Gleichung 1 entsprechend angepasst oder alternativ Kennfelder verwendet werden. Da auf der Sekundärseite das Fahrerwunschmoment M
d gestellt werden soll, kann Gleichung 1 für die Berechnung des Sollschwenkwinkels α
d auf der Sekundärseite verwendet werden, wie man in der folgenden Gleichung 3 sieht:
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Für den Entwurf der Druckregelung wird angenommen, dass die Änderung der Drehzahlen auf der Primär- und Sekundärseite durch die angehängten Massen (Fahrzeug und Verbrennungsmotor) vergleichsweise langsam erfolgen, und dass der Druck auf der Niederdruckseite annähernd konstant ist. Die Dynamik der Drehzahlen ω1, ω2 und des Niederdrucks pND werden somit vernachlässigt und gehen als zeitvariante Parameter in die Regelung ein. Die zu regelnden Größen sind das Moment auf der Sekundärseite M2 und der Druck im Verbindungselement pHD (Hochdruck), wie man in der folgenden Gleichung 4 sieht: y = [M2 pHD]T. (4)
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Als Stellgrößen stehen die beiden Schwenkwinkel αd 1 und αd 2 zur Verfügung, wie man in der folgenden Gleichung 5 sieht: u = [α d / 1 α d / 2] (5)
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Die gewünschten Schwenkwinkel α
d 1 und α
d 2 werden von einer unterlagerten Schwenkwinkelregelung eingeregelt und sind deswegen als Sollschwenkwinkel gekennzeichnet. Damit kann das in
1 gezeigte System mit einer Druckaufbaugleichung für das Hochdruckvolumen V
HD mit dem Kompressionsmodul β, dem Leckagekoeffizienten k
1 und Gleichung 1 mit den folgenden Gleichungen 6 und 7 beschrieben werden:
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Für den Vorsteuerungsentwurf wird die Strecke in den Gleichungen 7 und 6 mit den neuen Eingängen p punkt tief HD hoch d* und M
2 d* invertiert und nach den Stellgrößen α
d 1 und α
d 2 aufgelöst, wie man in den folgenden Gleichungen 8 und 9 sieht:
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Außerdem wurde p
HD durch p
d HD ersetzt, um die Invertierung unabhängig von schnellen Druckschwingungen in der Hochdruckleitung zu machen. Für den Reglerentwurf wird die invertierte Strecke aus den Gleichungen (8) und (9) verwendet. Die virtuellen Stellgrößen p punkt tief HD hoch d* und M
2 d* werden mit Hilfe eines proportionalen und integralen Regleranteils in der Form der folgenden Gleichungen 10 und 11 angegeben:
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In den Gleichungen 10 und 11 beschreiben p punkt HD hoch d und M2 d die gewünschten Solltrajektorien.
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In 2 ist die erfindungsgemäße Druckregelung in Form eines Blockschaltbilds mit vier Rechtecken oder Blöcken 21 bis 24 dargestellt. Der Block 21 umfasst eine Sollwertvorgabe und einen Trajektoriengenerator. Der Block 22 umfasst eine Systeminvertierung mit Vorsteueranteil nach Gleichungen 8 und 9. Der Block 23 umfasst eine Strecke nach Gleichungen 6 und 7. Der Block 24 umfasst einen Regleranteil, zum Beispiel einen PI-Regler, wie in Gleichung 11.
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In
2 ist das Blockschaltbild der Regelung unter Verwendung der Gleichungen 8 bis 11 dargestellt. Durch Einsetzen von Gleichung 11 in Gleichung 8 kann diese in einen Vorsteueranteil α
1 d,V und einen Regleranteil α
1 d,R wie in der folgenden Gleichung 12 umgeformt werden:
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Damit ergibt sich das in 3 dargestellte Blockschaltbild mit Blöcken oder Rechtecken 51 bis 54. Der Block 51 umfasst eine Sollwertvorgabe und einen Trajektoriengenerator. Der Block 52 umfasst eine Systeminvertierung mit Vorsteueranteil nach Gleichungen 12 und 9. Der Block 53 umfasst eine Strecke nach Gleichungen 6 und 7. Der Block 54 umfasst einen Regleranteil, zum Beispiel einen PI-Regler, wie in Gleichung 12.
