DE102021200099A1 - Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Fahrantriebs - Google Patents

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Fahrantriebs mit einer verstellbaren lastfühligen Hydropumpe, und einem verstellbaren Hydromotor. Diese werden so angesteuert, dass zuverlässig das Eingangsmoment der Hydropumpe und damit des Fahrantriebs gesteuert und limitiert wird. Dazu erfolgen eine Limitierung des Schwenkwinkels für einen Schwenkwinkelregler der Hydropumpe in Abhängigkeit des aktuellen Arbeitsdrucks der Hydropumpe und eines maximalen Eingangsmoments und eine Limitierung des Arbeitsdrucks für einen Druckregler der Hydropumpe auf Basis des maximalen Eingangsmoments und eine Limitierung des Arbeitsdrucks für einen Druckregler des Hydromotors auf Basis des maximalen Verdrängungsvolumens der Hydropumpe und des maximalen Eingangsmoments, wenn die Hydropumpe auf dem maximalen Schwenkwinkel ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Fahrantrieb für eine mobile Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Mobile Arbeitsmaschinen, z.B. Baumaschinen haben in der Regel einen Verbrennungsmotor, z.B. Dieselmotor als Antrieb und damit als Momentenquelle. Das verfügbare Moment des Verbrennungsmotors wird dabei je nach Arbeitsaufgabe für einen Fahrabtrieb und eine Arbeitshydraulik aufgeteilt.
• Klassischerweise werden diese beide Verbraucher so gesteuert, dass sie alleine jeweils das maximal verfügbare Moment nutzen. Bei gleichzeitigem Fahren und Arbeiten kann durch den Fahrer mittels einer Inch-Schnittstelle das Fahrantriebsmoment nach Bedarf reduziert werden.
• Ein weiterer Ansatz ist, dass in der Steuerung des Fahrantriebs eine Lastlimitierungsfunktion verbaut ist, die an Hand der Drehzahldrückung des Verbrennungsmotors eine Überlast detektiert und durch eine Regelung mittels einer Reduktion der Fahrleistung die Summenleistung des Verbrennungsmotors begrenzt.
• Dies hat den Nachteil, dass der Fahrer selbst einen hohen Steuerungsaufwand hat, was eine Bedienung der mobilen Arbeitsmaschine erschwert. In der Regel muss die Leistung des Verbrennungsmotors auch sehr großzügig dimensioniert werden um Überlastungen zu verhindern.
• Fortschrittlichere bekannte Konzepte der Momentenaufteilung gehen in die Richtung, das verfügbare Moment des Verbrennungsmotors zu kennen und je nach Arbeitseinsatz der mobilen Arbeitsmaschine die Verteilung der Momente auf Arbeitshydraulik und Fahrantrieb explizit vorzugeben. Damit sind automatisiert Verteilungen bzw. voreingestellte Verteilungen für verschiedene Arbeitseinsätze möglich. Dies erfordert präzise Limitierungen des Moments für die jeweiligen Verbraucher. Bisherige Lösungen für Fahrantriebe bieten hier bisher keine robusten und präzisen Algorithmen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb ein Steuerungsverfahren mit Limitierung des Eingangsmoments für einen hydrostatischen Fahrantrieb mit einer Hydropumpe zu entwickeln, die z.B. die oben beschriebenen Strategien für die Momentenverteilung ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Steuerungsverfahren für einen hydrostatischen Fahrantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
• Erfindungsgemäß werden eine verstellbare lastfühlige Hydropumpe, die auch als ET-Pumpe bezeichnet werden kann, und ein verstellbarer Hydromotor des erfindungsgemäßen hydrostatischen Fahrantriebs so angesteuert, dass zuverlässig das Eingangsmoment der Hydropumpe und damit des Fahrantriebs gesteuert und limitiert wird. Dadurch wird eine präzise Momentenverteilung zwischen dem Fahrantrieb und der (nicht zur Erfindung gehörenden) Arbeitshydraulik der betroffenen mobilen Arbeitsmaschine ermöglicht, was eine optimale Auslegung der Leistung des (ebenfalls nicht zur Erfindung gehörenden) Verbrennungsmotors und automatisierte Funktionen ohne Fahrerkoordination bzw. ohne Fahrereingriff erlaubt.
• Erfindungsgemäß erfolgen
1. 1) eine Limitierung (Vorsteuerung) des Schwenkwinkels für einen Schwenkwinkelregler der Hydropumpe in Abhängigkeit des aktuellen Arbeitsdrucks der Hydropumpe und des maximalen Eingangsmoments und
2. 2) eine Limitierung des Arbeitsdrucks für einen Druckregler der Hydropumpe auf Basis des maximalen Eingangsmoments und
3. 3) eine Limitierung des Arbeitsdrucks für einen Druckregler des Hydromotors auf Basis des maximalen Verdrängungsvolumens der Hydropumpe und des maximalen Eingangsmoments, wenn die Hydropumpe auf dem maximalen Schwenkwinkel ist,
wobei diese drei Schritte nicht in einer zeitlichen Reihenfolge zu sehen sind.
• Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung es erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei Schritt 1) auch eine geschlossene Regelung der Ansteuerung der Hydropumpe auf Basis des aktuellen Eingangsmoments und des maximalen Eingangsmoments.
• Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei Schritt 1) die Bestimmung des maximalen Schwenkwinkels nach folgender Formel: $${\mathrm{\alpha }}_{\text{pumpmax}}={\text{T}}_{\text{pumpmax}}\ast {\mathrm{\eta }}_{\text{effpump}}\text{/}\left({\text{Vg}}_{\text{pumpmax}}\ast {\text{p}}_{\text{pump}}\right).$$

  

  wobei T_pumpmax das maximale Eingangsmoment ist, und wobei η_effpump der effektive hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad der Hydropumpe ist, und wobei Vg_pumpmax das maximale Verdrängungsvolumen der Hydropumpe ist, und wobei p_pump der aktuelle Arbeitsdruck der Hydropumpe ist.
• Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt wird bei Schritt 1) der aktuelle Arbeitsdruck der Hydropumpe gefiltert.
• Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei Schritt 2) die Bestimmung des maximalen Arbeitsdrucks nach folgender Formel: $$p_{\text{pumpmax}}={\text{T}}_{\text{pumpmax}}\ast {\mathrm{\eta }}_{\text{effpump}}\text{/}\left({\text{Vg}}_{\text{pumpmax}}\ast {\mathrm{\alpha }}_{\text{pump}}\right),$$

  

  wobei T_pumpmax das maximale Eingangsmoment ist, und wobei η_effpump der effektive hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad der Hydropumpe ist, und wobei Vg_pumpmax das maximale Verdrängungsvolumen der Hydropumpe ist, und wobei α_pump der aktuelle Schwenkwinkel der Hydropumpe ist.
• Bei Schritt 2) kann der aktuelle Schwenkwinkel der Hydropumpe durch ein Schätzmodel aus der aktuellen Drehzahl und dem aktuellen Schluckvolumen des Hydromotors und der aktuellen Drehzahl der Hydropumpe und der druckabhängigen Leckage ermittelt werden.
• Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bei Schritt 3) die Bestimmung des maximalen Arbeitsdrucks nach folgender Formel: $${\text{p}}_{\text{motmax}}={\text{T}}_{\text{pumpmax}}\ast {\mathrm{\eta }}_{\text{effpump}}{\text{/Vg}}_{\text{pumpmax}\text{,}}$$

  

  wobei T_pumpmax das maximale Eingangsmoment ist, und wobei η_effpump der effektive hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad der Hydropumpe ist, und wobei Vg_pumpmax das maximale Verdrängungsvolumen der Hydropumpe ist.
• Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens folgt auf den Schritt 1) ein Schritt, bei dem der maximale Schwenkwinkel als Soll-Schwenkwinkel für einen Schwenkwinkelregler dient, dessen Ausgangsgröße ein Steuerdruck ist.
• Dabei kann aus dem Soll-Schwenkwinkel mittels einer Kennlinie und aus einem aktuellen Arbeitsdruck der Hydropumpe mittels einer Kennlinie und aus einer aktuellen Drehzahl der Hydropumpe mittels einer Kennlinie der Steuerdruck (Ausgangsgröße) ermittelt werden.
• Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens folgt auf den Schritt 2) ein Schritt, bei dem der maximale Druck als Solldruck für einen Druckregler dient, dessen Ausgangsgröße ein Steuerdruck ist.
• Dabei kann aus dem Solldruck mittels einer Kennlinie oder eines Kennfeldes der Hydropumpe der Steuerdruck (Ausgangsgröße) ermittelt werden.
• Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dessen Ausgangsgröße der kleinere der beiden Steuerdrücke.
• Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens folgt auf den Schritt 3) ein Schritt, bei dem der maximale Druck als Solldruck für einen Druckregler dient, dessen Ausgangsgröße ein Schluckvolumen des Hydromotors ist.
• Dabei kann aus dem Solldruck und einer aktuellen Motordrehzahl und einer aktuellen Pumpendrehzahl und einer berechneten Leckage und einem berechneten Schwenkwinkel der Hydropumpe und einer Drehzahlgrenze des Hydromotors und einer Drehzahlgrenze des Hydropumpe oder des Verbrennungsmotors das Schluckvolumen des Hydromotors (Ausgangsgröße) ermittelt werden.
• Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Die Figur zeigt ein Schaubild des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Eine mobile Arbeitsmaschine weist einen Dieselmotor auf, dessen Leistung je nach Betriebssituation der mobilen Arbeitsmaschine an eine Arbeitshydraulik und an einen hydrostatischen Fahrantrieb aufgeteilt wird.
• Der hydrostatische Fahrantrieb hat eine vom Dieselmotor angetriebene verstellbare Hydropumpe und mehrere über einen geschlossenen Kreis angetriebene Hydromotoren. Die Hydropumpe ist als lastfühlige Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise ausgestaltet und wird auch als ET-Pumpe bezeichnet.
• Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorgaben ergeben sich dabei aus der hydraulischen Grundgleichung: $${\text{T}}_{\text{pump}}={\text{Vg}}_{\text{pumpmax}}\ast {\mathrm{\alpha }}_{\text{pump}}\ast {\text{p}}_{\text{pump}}\text{/}{\mathrm{\eta }}_{\text{effpump}\text{,}}$$

  

  wobei T_pump das Eingangsmoment und Vg_pumpmax das maximale Verdrängungsvolumen und α_pump der Schwenkwinkel und p_pump der Arbeitsdruck und η_effpump der effektive hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad der Hydropumpe ist.
• Eine Momentenverteilungsstrategie 1 ermittelt ein maximales Eingangsmoment T_pumpmax.
• Als Schritt 1) erfolgt eine Limitierung des Schwenkwinkels α_pump der Hydropumpe auf einen maximalen Schwenkwinkel α_pumpmax nach der Formel: $${\mathrm{\alpha }}_{\text{pumpmax}}={\text{T}}_{\text{pumpmax}}\ast {\mathrm{\eta }}_{\text{effpump}}\text{/}\left({\text{Vg}}_{\text{pumpmax}}\ast p_{\text{pump}}\right)$$

  
• Dieser maximale Schwenkwinkel α_pumpmax dient als Soll-Schwenkwinkel für einen Schwenkwinkelregler Pump angle ctrl der verstellbaren Hydropumpe, die als Schrägscheibenmaschine ausgebildet ist.
• Um in den Mobilanwendungen üblichen Störungen weitgehend zu eliminieren, wird der aktuelle Arbeitsdruck p_pump gefiltert.
• Um mögliche Fehler insbesondere in dem Steueralgorithmus ausgleichen zu können, wird bei Schritt 1) ein geschlossener Regler PID Ctrl ergänzt. Dazu wird das aktuelle Eingangsmoment T_pump und mit dem maximalen Eingangsmoment T_pumpmax verglichen und damit die Vorgabe des maximalen Schwenkwinkels α_pumpmax korrigiert.
• T_pump wird dazu aus der oben genannten hydraulischen Grundgleichung berechnet: $${\text{T}}_{\text{pump}}={\text{Vg}}_{\text{pumpmax}}\ast {\mathrm{\alpha }}_{\text{pump}}\ast {\text{p}}_{\text{pump}}\text{/}{\mathrm{\eta }}_{\text{effpump}\text{.}}$$

  
• Als Schritt 2) erfolgt eine Limitierung des Arbeitsdrucks p_pump der Hydropumpe auf einen maximalen Arbeitsdrucks p_pumpmax nach der Formel: $$p_{\text{pumpmax}}={\text{T}}_{\text{pumpmax}}\ast {\mathrm{\eta }}_{\text{effpump}}\text{/}\left({\text{Vg}}_{\text{pumpmax}}{\ast }_{\text{pump}}\right).$$

  
• Der aktuelle Schwenkwinkel α_pump der Hydropumpe kann hierbei entweder per Sensorik gemessen oder vorzugsweise durch ein Schätzmodel aus der Drehzahl und dem Schluckvolumen Vg_mot des Hydromotors und der Drehzahl der Hydropumpe und der druckabhängigen Leckage geschätzt werden.
• Dieser maximale Arbeitsdruck p_pumpmax dient als Soll- Arbeitsdruck für einen Druckregler Pump pressure ctrl der verstellbaren Hydropumpe.
• Als Schritt 3) erfolgt eine Limitierung des Arbeitsdrucks p_mot des Hydromotors auf einen maximalen Arbeitsdruck p_motmax nach der Formel: $${\text{p}}_{\text{motmax}}={\text{T}}_{\text{pumpmax}}\ast {\mathrm{\eta }}_{\text{effpump}}{\text{/Vg}}_{\text{pumpmax}\text{.}}$$

  
• Dieser maximale Arbeitsdruck p_motmax dient als Soll- Arbeitsdruck für einen Druckregler Motor pressure ctrl des verstellbaren Hydromotors.
• Diese Druckregelung des Hydromotors ist immer dann als Limitierung des Eingangsmoments wirksam, wenn die Hydropumpe auf maximalem Schwenkwinkel α_pumpmax ist und damit nicht regeln kann.
• Insbesondere wegen der für Schritt 3) genannte Bedingung sind die drei genannten Schritte in keiner zeitlichen Reihenfolge zu sehen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Steuerung eines hydrostatischen Fahrantriebs mit einer lastfühligen verstellbaren Hydropumpe und mit einem verstellbaren Hydromotor, wobei die Hydropumpe und der Hydromotor so angesteuert werden, dass ein Eingangsmoment (T_pump) der Hydropumpe auf ein maximales Eingangsmoment (T_pumpmax) limitiert wird, gekennzeichnet durch die Schritte: 1) Limitierung des maximalen Schwenkwinkels (α_pumpmax) der Hydropumpe in Abhängigkeit des aktuellen Arbeitsdrucks (p_pump) der Hydropumpe und des maximalen Eingangsmoments (T_pumpmax), 2) Limitierung des maximalen Arbeitsdrucks (p_pumpmax) der Hydropumpe auf Basis des maximalen Eingangsmoments (T_pumpmax), und 3) Limitierung des maximalen Arbeitsdrucks (p_motmax) des Hydromotors auf Basis eines maximalen Verdrängungsvolumens (Vg_pumpmax) der Hydropumpe und des maximalen Eingangsmoments (T_pumpmax), wenn die Hydropumpe auf dem maximalen Schwenkwinkel (α_pumpmax) ist.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt 1) eine geschlossene Regelung (PID Ctrl) der Ansteuerung der Hydropumpe auf Basis eines aktuellen Eingangsmoments (T_pump) und des maximalen Eingangsmoments (T_pumpmax) umfasst.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei Schritt 1) die Bestimmung des maximalen Schwenkwinkels (α_pumpmax) nach folgender Formel erfolgt: α_pumpmax = T_pumpmax * η_effpump / (Vgp_umpmax * P_pump), wobei T_pumpmax das maximale Eingangsmoment ist, und wobei η_effpump der effektive hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad der Hydropumpe ist, und wobei Vg_pumpmax das maximale Verdrängungsvolumen der Hydropumpe ist, und wobei p_pump der aktuelle Arbeitsdruck der Hydropumpe ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei bei Schritt 1) der aktuelle Arbeitsdruck (p_pump) der Hydropumpe gefiltert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei Schritt 2) die Bestimmung des maximalen Arbeitsdrucks (p_pumpmax) nach folgender Formel erfolgt: p_pumpmax = T_pumpmax * η_effpump / (Vg_pumpmax * α_pump), wobei T_pumpmax das maximale Eingangsmoment ist, und wobei η_effpump der effektive hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad der Hydropumpe ist, und wobei Vg_pumpmax das maximale Verdrängungsvolumen der Hydropumpe ist, und wobei α_pump der aktuelle Schwenkwinkel der Hydropumpe ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei Schritt 2) der aktuelle Schwenkwinkel (α_pump) der Hydropumpe durch ein Schätzmodel aus der aktuellen Drehzahl und dem aktuellen Schluckvolumen (Vg_mot) des Hydromotors und der aktuellen Drehzahl der Hydropumpe und der druckabhängigen Leckage ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei Schritt 3) die Bestimmung des maximalen Arbeitsdrucks (p_motmax) nach folgender Formel erfolgt: P_motmax = T_pumpmax * η_effpump / Vg_pumpmax, wobei T_pumpmax das maximale Eingangsmoment ist, und wobei η_effpump der effektive hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad der Hydropumpe ist, und wobei Vg_pumpmax das maximale Verdrängungsvolumen der Hydropumpe ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach Schritt 1) der maximale Schwenkwinkel (α_pumpmax) als Soll-Schwenkwinkel für einen Schwenkwinkelregler (Pump angle ctrl) dient, dessen Ausgangsgröße ein Steuerdruck (p_ctrlpmp) ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei aus dem Soll-Schwenkwinkel mittels einer Kennlinie und aus einem aktuellen Arbeitsdruck (p_pmp) der Hydropumpe mittels einer Kennlinie und aus einer aktuellen Drehzahl der Hydropumpe mittels einer Kennlinie der Steuerdruck (p_ctrlpmp) ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach Schritt 2) der maximale Druck (p_pumpmax) als Solldruck für einen Druckregler (Pump pressure ctrl) der Hydropumpe dient, dessen Ausgangsgröße ein Steuerdruck (p_ctrlpmp) ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei aus dem Solldruck mittels einer Kennlinie oder eines Kennfeldes der Hydropumpe der Steuerdruck (p_ctrlpmp) ermittelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 und nach Anspruch 10 oder 11, dessen Ausgangsgröße (p_ctrlpmp) der kleinere der beiden Steuerdrücke (p_ctrlpmp) ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach Schritt 3) der maximale Druck (p_motmax) als Solldruck für einen Druckregler (Motor pressure ctrl) des Hydromotors dient, dessen Ausgangsgröße ein Schluckvolumen (Vg_mot) des Hydromotors ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei aus dem Solldruck und einer aktuellen Motordrehzahl und einer aktuellen Pumpendrehzahl und einer berechneten Leckage und einem berechneten Schwenkwinkel der Hydropumpe und einer Drehzahlgrenze des Hydromotors und einer Drehzahlgrenze des Hydropumpe oder des Verbrennungsmotors das Schluckvolumen (Vg_mot) des Hydromotors (Ausgangsgröße) ermittelt wird.

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