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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Ermitteln von zeitlich veränderlichen Parametern eines hydrostatischen Fahrantriebs, der mindestens einen primärseitigen und mindestens einen sekundärseitigen Hydrostaten umfasst.
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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 die 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, den Betrieb eines hydrostatischen Fahrantriebs, der mindestens einen primärseitigen und mindestens einen sekundärseitigen Hydrostaten umfasst, zu vereinfachen und/oder zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Ermitteln von zeitlich veränderlichen Parametern eines hydrostatischen Fahrantriebs, der mindestens einen primärseitigen und mindestens einen sekundärseitigen Hydrostaten umfasst, dadurch gelöst, dass die Parameter im Betrieb des hydrostatischen Fahrantriebs identifiziert werden. Für ein dynamisches Fahrverhalten des hydrostatischen Fahrantriebs wird zum Beispiel ein sekundärseitiges Abtriebsmoment vorgegeben und geregelt. Als Stellgrößen stehen bei der Verwendung von Axialkolbeneinheiten in Schrägscheibenbauweise als Hydrostaten die Schwenkwinkel der Primär- und der Sekundärseite zur Verfügung. Zu diesem Zweck kann eine modellbasierte Druckregelung verwendet werden. Aufgrund von beispielsweise Lufteinschlüssen und Temperaturveränderungen sowie Alterungseffekten unterliegen Parameter, wie zum Beispiel ein Kompressionsmodul und die Leckage eines Hydrauliksystems des hydrostatischen Fahrantriebs, starken Schwankungen. Um in allen Betriebspunkten eine gute Performance der Druckregelung zu garantieren, werden gemäß einem Aspekt der Erfindung die zeitlich veränderlichen Parameter im Betrieb beziehungsweise während der Laufzeit des hydrostatischen Fahrantriebs identifiziert. Die Größen oder Parameter können dann zum Beispiel einer modellbasierten Regelung zur Verfügung gestellt oder für die Überwachung und Diagnose verwendet werden. Prinzipiell ist das Verfahren auch für Systeme anwendbar, die auf der Primärseite und/oder der Sekundärseite mehr als einen Hydrostaten umfassen, zum Beispiel zwei oder mehr sekundärseitige Hydrostaten.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompressionsmodul eines Hydraulikmediums und/oder eine Leckage eines Hydrauliksystems des hydrostatischen Fahrantriebs im Betrieb identifiziert werden. Alternativ oder zusätzlich können weitere Parameter, insbesondere physikalische Größen, identifiziert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass Volumenströme über den primärseitigen und den sekundärseitigen Hydrostaten auf der Basis eines Schluckvolumens, einer Drehzahl und eines normierten Schwenkwinkels beschrieben werden. Als Schluckvolumen wird zum Beispiel die Menge Hydraulikmedium bezeichnet, die eine Hydraulikmaschine pro Umdrehung verdrängt. Die Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit wird als Drehzahl bezeichnet. Der Begriff Schwenkwinkel bezieht sich auf eine Schwenkwiege oder Schrägscheibe, die bei einer Axialkolbenmaschine dazu dient, den Fördervolumenstrom zu verstellen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass Steuervolumenströme über Geometrien von hydraulischen Verstelleinrichtungen ermittelt werden. Die Steuervolumenströme können zum Beispiel über die Geometrie eines Verstellzylinders und/oder eines Gegenzylinders auf einfache Art und Weise berechnet werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die identifizierten Parameter durch eine Plausibilitätsinstanz bestätigt werden. Bei einer Plausibilitätsprüfung kann, zum Beispiel durch Vergleich mit hinterlegten beziehungsweise gespeicherten Parameterwerten, verifiziert werden, ob die aktuell identifizierten Parameter korrekt sein können.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die identifizierten Parameter in einer auf einem Modell basierenden Druckregelung verwendet werden, um ein Abtriebsmoment des sekundärseitigen Hydrostaten adaptiv zu regeln. Durch die Verwendung der identifizierten Parameter in der modellbasierten Druckregelung kann der Druck und damit auch das Abtriebsmoment an der Sekundärseite vorteilhaft unabhängig von Umwelteinflüssen, Toleranzen und Alterungseffekten geregelt werden. Die modellbasierte Druckregelung umfasst zum Beispiel eine Vorsteuerung und einen Regelkreis.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Modell für die Druckregelung mit einer Druckmessung abgeglichen wird. Bei der Druckmessung werden zum Beispiel Messwerte von mindestens einem Drucksensor erfasst.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die identifizierten Parameter zu Diagnosezwecken verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können die identifizierten Parameter zu sonstigen Zwecken verwendet werden.
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Die oben angegebene Aufgabe ist bei einem System zum Regeln eines Drucks eines hydrostatischen Fahrantriebs, der mindestens einen primärseitigen und mindestens einen sekundärseitigen Hydrostaten umfasst, alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass zeitlich veränderliche Parameter im Betrieb des hydrostatischen Fahrantriebs identifiziert werden, insbesondere 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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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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Die einzige beiliegende Figur zeigt ein hydraulisches Ersatzschaltbild für einen hydrostatischen Fahrantrieb, der einen primärseitigen und einen sekundärseitigen Hydrostaten umfasst.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der einzigen beiliegenden Figur ist ein hydrostatischer Fahrantrieb in Form eines Hydraulikschaltplans vereinfacht dargestellt. Der hydrostatische Fahrantrieb umfasst einen primärseitigen Hydrostaten 1 und einen sekundärseitigen Hydrostaten 2. Die beiden Hydrostaten 1 und 2 sind als Hydraulikmaschinen, insbesondere 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 beziehungsweise des Hydrostaten zu verstellen. Daher werden die Hydraulikmaschinen auch als Verstellmaschinen bezeichnet. In Abhängigkeit von ihrer Funktion wird die Hydraulikmaschine 1 auch als Verstellpumpe bezeichnet. Analog wird die Hydraulikmaschine 2 auch als Verstellmotor bezeichnet.
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Die linke Seite in 1 mit dem primärseitigen Hydrostaten 1 wird verkürzt auch als Primärseite 1 bezeichnet. Analog wird die rechte Seite in 1 mit dem sekundärseitigen Hydrostaten 2 auch als Sekundärseite 2 bezeichnet. Der primärseitige Hydrostat 1 wird verkürzt auch als Primäreinheit bezeichnet. Analog wird der sekundärseitige Hydrostat 2 auch als Sekundäreinheit bezeichnet.
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Die beiden als Hydraulikmaschinen ausgeführten Hydrostaten 1 und 2 sind eingangseitig an einem Niederdruckbereich 4 angeschlossen. Ausgangsseitig sind die beiden Hydrostaten 1 und 2 an einem Hochdruckbereich angeschlossen. Der Niederdruckbereich 4 umfasst ein druckausgeglichenes Hydraulikmedium des Reservoirs 6, das auch als Niederdruckspeicher bezeichnet wird. 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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Für die Rekuperation von Bremsenergie und den Betrieb in einem energieoptimalen Zustand ist in dem Hochdruckbereich 5 vorteilhaft ein Hydraulikspeicher angeordnet, der auch als Hochdruckspeicher bezeichnet wird. In diesem Betriebszustand, der auch als Rekuperationszustand bezeichnet wird, ist allerdings der Druck auf der Hochdruckseite direkt mit dem Füllstand des Hydraulikspeichers gekoppelt und verändert sich nur relativ langsam.
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Damit die mechanische Leistung auf der Primärseite möglichst direkt auf die Sekundärseite übertragen werden kann, wird der Hydraulikspeicher abgekoppelt. Es verbleibt dann das in der beiliegenden Figur gezeigte Teilsystem, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren während der Laufzeit identifiziert werden kann.
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Der Druck, und damit auch das Abtriebsmoment an der Sekundärseite, kann über einen modellbasierten Regler unter Verwendung der identifizierten Parameter unabhängig von Umwelteinflüssen, Toleranzen und Alterungseffekten geregelt werden, wie im Folgenden auch ausführlicher erläutert wird.
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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 Hydraulikmediumsreservoir 6. Eine Verbindungsleitung 16 mit einem hydraulischen Widerstand 18 verbindet den Niederdruckbereich 4 mit dem Hochdruckvolumen oder Verbindungsvolumen 10. Bei dem Verbindungsvolumen 10 handelt es sich nicht um eine reale Verbindungsleitung, sondern um ein Ersatzschaltbild für eine Verbindung, die zum Beispiel mit Hilfe von Dichtungsspalten beziehungsweise Dichtspalten zwischen Hochdruck und Niederdruck realisiert werden kann.
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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 um. 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 im vorab beschriebenen Rekuperationsbetrieb auf der Abtriebsseite gebremst wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird der Druckaufbau in dem Volumen 10 zwischen der Primär- und der Sekundäreinheit über ein Modell beschrieben. Für die Identifikation der im Modell enthaltenen zeitlich langsam veränderlichen Parameter Kompressionsmodul und Leckage wird das Modell mit einer Druckmessung abgeglichen. Die Parameter werden mit Hilfe eines Parameteridentifikationsverfahrens, zum Beispiel einem recursive least-squares (RLS) Filter, online identifiziert. Die so geschätzten Parameter werden dann in einem modellbasierten Regler für die Druckregelung verwendet.
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Für die Identifikation der unbekannten Parameter wird ein Modell für den Druckaufbau p Punkt in dem Verbindungsvolumen V zwischen Primär- und Sekundäreinheit benötigt. Dieses kann beispielsweise folgendermaßen aussehen: p . = β / V(q – klΔp – kt√Δp). (1)
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Mit dem Kompressionsmodul β, der Summe aller bekannten Volumenströme q, dem Leckagekoeffizienten mit laminarer Durchströmung kl und dem Leckagekoeffizienten mit turbulenter Durchströmung kt und der Druckdifferenz von Hoch- und Niederdruckseite ∆p = p – pND. Dabei ist Gleichung (1) nur beispielhaft zu verstehen, es können auch beliebige weitere empirisch motivierte Terme für die Leckage, zum Beispiel als Funktion des Drucks, berücksichtigt werden. Mit der Variablen q werden alle bekannten Volumenströme in und aus dem Volumen V berücksichtigt. Das sind im Wesentlichen die Volumenströme der Primär- und Sekundäreinheit q1 und q2, aber auch weitere Volumenströme wie die für die Verstellung der Hydrostaten benötigten Steuerölvolumenströme q1,st und q2,st. Eine mögliche Berechnung von q kann beispielsweise folgendermaßen aussehen: q = q1 + q1,st + q2 + q2,st (2)
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Die Beschreibung der Volumenströme über Primär- und Sekundäreinheit(-en) kann auf Basis des Schluckvolumens cq,i, der Drehzahl ωi und des normierten Schwenkwinkels αi für die i-te Maschine beschrieben werden qi = cq,iωiαi (3)
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Alternativ können die Volumenströme auch über Kennfelder qi = qi (ωi,αi,...) beschrieben werden. Die für die Verstellung der Einheiten benötigten Steuerölvolumenströme können leicht über die Geometrie von Verstell- und Gegenzylinder sowie dem normalisierten Schwenkwinkel α berechnet werden.
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Im Folgenden wird von einem Modellansatz wie in Gleichung (1) definiert ausgegangen. Es sei jedoch nochmals darauf hingewiesen, dass der nachfolgend beschriebene Ansatz für jede Modellstruktur gültig ist, welche in Gleichung (7) überführt werden kann. Gleichung (1) kann nach q aufgelöst und als Vektorprodukt geschrieben werden.
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Nimmt man nun Messschriebe für q mit n-Messpunkten, ergibt sich folgendes lineares Gleichungssystem
welches nach dem Parametervektor θ aufgelöst werden kann
U = YTΘ
⇒ Θ = (YYT)–1YU. (7) -
Damit wurde das Problem auf eine allgemeine Form überführt, für welche es mehrere Lösungsmöglichkeiten gibt. Um für die Berechnung von Gleichung (7) während der Laufzeit nicht n vergangene Messwerte speichern zu müssen und die teilweise schlecht konditionierte Matrixinvertierung zu vermeiden, kann die Lösung von Gleichung (7) auch rekursiv formuliert werden. Eine mögliche Implementierung ist im Folgenden beschrieben
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Darin ist 0 < λ ≤ 1 der Vergessensfaktor und P die Kovarianzmatrix. Für die Initialisierung müssen geeignete Anfangswerte für P0 und θ0 gewählt werden. Über eine geeignete Wahl des Vergessensfaktors können auch Drehzahleinflüsse auf die Leckage kompensiert werden, so dass durch das Verfahren auch bei sehr kleinen Drehzahlen sinnvolle mittlere Leckagekoeffizienten geschätzt werden.
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Die Kombination dieser onlinefähigen Parameteridentifikation und einer modellbasierten Druckregelung, zum Beispiel bestehend aus Vorsteuerung und eines Regelkreises, stellt eine adaptive modellbasierte Druckregelung dar. Dabei werden im Speziellen die identifizierten Parameter der Vorsteuerung und dem Regler übergeben. Bei dem Entwurf der modellbasierten Druckregelung ist zu berücksichtigen, dass die zu erwartenden Parameterschwankungen in allen Betriebszuständen zu dem gewünschten Regelverhalten führen, insbesondere Stabilität. Die identifizierten Parameter können zuvor noch durch eine Plausibilisierungsinstanz bestätigt werden.
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Die Funktion der adaptiven Druckregelung kann durch die Betrachtung des Druckverlaufs bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, welche die Leckage und das Ersatz-Kompressionsmodul des Systems beeinflussen, festgestellt werden.
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Das Verfahren kann für hydraulische Antriebe mit hydraulischer Leistungsübertragung angewendet werden, wie allgemein in der beiliegenden Figur dargestellt. Dies ist zum Beispiel bei einem hydraulischen Hybridantrieb der Fall, in welchem zumindest ein Teil der Leistung über einen hydraulischen Pfad übertragen wird.
