DE102021208820A1 - Verfahren zum geräuscharmen Betrieb eines elektrisch angetriebenen Hydrauliksystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrisch angetriebenen Hydrauliksystems 10, welches eine Hydromaschine (12) und eine Elektromaschine (13), welche miteinander in Drehantriebsverbindung stehen, umfasst, wobei der Elektromaschine (13) eine Drehzahlstellvorrichtung (14) zugeordnet ist, mit welcher ihre Drehzahl auf eine untergeordnete Soll-Drehzahl (31) einstellbar ist. Erfindungsgemäß wird zumindest ein Drehzahlbereich durch Vorgabe oder durch automatisiertes Lernen festgelegt, wobei die untergeordnete Soll-Drehzahl (31) aus einer übergeordneten Soll-Drehzahl durch Begrenzung einer Drehzahländerungsgeschwindigkeit ermittelt wird, soweit sich eine Ist-Drehzahl (33) der Elektromaschine (13) innerhalb des genannten Drehzahlbereichs befindet, wobei die untergeordnete Soll-Drehzahl (31) im Übrigen gleich der übergeordneten Drehzahl ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrisch angetriebenen Hydrauliksystems.
  • Hydrauliksysteme in mobilen Arbeitsmaschinen wie Baggern oder Traktoren umfassen eine Hydromaschine, die in der überwiegenden Betriebszeit als Hydropumpe arbeitet, wobei sie auch als Hydromotor arbeiten kann. Diese Hydromaschine wird häufig von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor angetrieben. Der Dieselmotor wird typischerweise mit einer konstanten Drehzahl betrieben, nämlich mit der Drehzahl, in welcher er seinen höchsten Wirkungsgrad hat. Die äußere Last, welche auf das Hydrauliksystem wirkt, kann Drehzahländerungen des Verbrennungsmotors bewirken. Diese werden jedoch schnell ausgeregelt.
  • Mobile Arbeitsmaschinen in Form eines Gabelstaplers haben eine Hydromaschine, welche mit einer Elektromaschine in Drehantriebsverbindung steht, wobei beispielhaft auf die DE 10 2015 111 926 A1 verwiesen wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Hydrauliksystems anzugeben, wobei beim Betrieb des Hydrauliksystems eine niedrige Geräuschemission und wenig Vibrationen entstehen, Das Hydrauliksystem soll eine hohe Energieeffizienz haben, wobei es geringe Kosten hinsichtlich der Herstellung und des Betriebssystems verursacht. Weiter soll das Hydrauliksystem eine hohe Dynamik haben. Hinsichtlich der Bedienung soll es sich für den Benutzer genauso anfühlen, wie bestehende Hydrauliksysteme, welche mit einem Verbrennungsmotor arbeiten. Der Bediener soll insbesondere die äußere Last am Hydrauliksystem in vergleichbarer Weise an den Bedienelementen fühlen wie bei konventionellen Hydrauliksystemen.
  • Weiter soll die Geräuschentwicklung, die durch die äußere Last verursacht wird, ähnlich wie bei konventionellen Hydrauliksystemen sein.
  • Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Betrieb eines Hydrauliksystems vorgeschlagen, wobei das Hydrauliksystem eine Hydromaschine und eine Elektromaschine, welche miteinander in Drehantriebsverbindung stehen, umfasst, wobei der Elektromaschine eine Drehzahlstellvorrichtung zugeordnet ist, mit welcher ihre Drehzahl auf eine untergeordnete Soll-Drehzahl einstellbar ist, wobei zumindest ein Drehzahlbereich durch Vorgabe oder durch automatisiertes Lernen festgelegt wird, wobei die untergeordnete Soll-Drehzahl aus einer übergeordneten Soll-Drehzahl durch Begrenzung einer Drehzahländerungsgeschwindigkeit ermittelt wird, soweit sich eine Ist-Drehzahl der Elektromaschine innerhalb des genannten Drehzahlbereichs befindet, wobei die untergeordnete Soll-Drehzahl im Übrigen gleich der übergeordneten Drehzahl ist.
  • Unter einer Hydromaschine soll eine Hydropumpe oder ein Hydromotor verstanden werden, wobei eine Hydromaschine auch abwechselnd in den genannten Betriebsarten betrieben werden kann. Unter einer Elektromaschine soll ein Elektromotor oder ein elektrischer Generator verstanden werden, wobei eine Elektromaschine auch abwechselnd in den genannten Betriebsarten betrieben werden kann. Die Elektromaschine ist vorzugsweise eine permanent erregte Synchronmaschine. Die Drehzahlstellvorrichtung kann steuernd, beispielsweise als Frequenzumrichter bzw. als Inverter, arbeiten. Sie kann aber auch regelnd, beispielsweise als Servoregler, ausgeführt sein. Die Hydromaschine ist vorzugsweise eine Axialkolbenmaschine, welche höchst vorzugsweise in Schrägscheibenbauweise ausgeführt ist. Die Hydromaschine hat vorzugsweise ein stetig verstellbares Verdrängungsvolumen. Das Hydrauliksystem wird vorzugsweise mit einem Druckfluid betrieben. Das Druckfluid ist vorzugsweise eine Flüssigkeit und höchst vorzugsweise Hydrauliköl.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die genannte Begrenzung der Drehzahländerungsgeschwindigkeit sowohl nach oben als auch nach unten erfolgt. Die Drehzahländerungsgeschwindigkeit wird in dem genannten zumindest einen Drehzahlbereich also in einem definierten, insbesondere hohen aber nicht zu hohen, Bereich gehalten. Dadurch wird ein kleinstmögliches Maß an Geräuschen verursacht.
  • Es kann vorgesehen sein, dass eine Begrenzung der Drehzahländerungsgeschwindigkeit nach unten dadurch erreicht wird, dass die übergeordnete Soll-Drehzahl zwischen mehreren festen Soll-Drehzahlen umgeschaltet wird, wobei zwei unmittelbar benachbarte feste Soll-Drehzahlen um einen zugeordneten Drehzahlbereich aus dem genannten, wenigstens einen Drehzahlbereich voneinander beabstandet sind. Diese Verstellung der übergeordneten Soll-Drehzahl ist, wie unten mit Bezug auf 4 erläutert, besonders einfach zu realisieren, wobei vielfältige Bedingungen bei der Drehzahlauswahl auf einfache Weise berücksichtigt werden können. Weiter wird eine oft als besonders störend empfundene stetige Drehzahlverstellung vermieden. Die Drehzahländerungsgeschwindigkeit der übergeordneten Soll-Drehzahl ist quasi unendlich hoch, so dass eine Begrenzung nach unten nicht mehr erforderlich ist, weil parallel eine Begrenzung nach oben stattfindet.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Begrenzung der Drehzahländerungsgeschwindigkeit nach oben mittels eines PT1-Glieds (https://de.wikipedia.org/wiki/PT1-Glied) vorgenommen wird. Diese sehr einfache Begrenzung kann wegen der oben vorgeschlagenen festen Soll-Drehzahlen gewählt werden. Durch die Begrenzung der Drehzahländerungsgeschwindigkeit nach oben kann die Drehzahlstellvorrichtung steuernd, insbesondere ohne Drehzahlregelkreis, ausgebildet werden. Trotzdem ist sichergestellt, dass die Ist-Drehzahl der sich zeitweise schnell ändernden untergeordneten Soll-Drehzahl folgt. Die Drehzahlbegrenzung nach oben kann über die gesamte Betriebszeit des Hydrauliksystems in konstanter Weise erfolgen. Anstelle durch Verwendung eines PT1-Glieds kann die Begrenzung auch durch Verwendung einer einfachen Änderungsratenbegrenzung vorgenommen werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass eine Zeitkonstante des PT1-Glieds abhängig von einer fortlaufend, automatisch ermittelten Zustandsgröße des Hydrauliksystems ist. Die genannte Zeitkonstante wird auch als Verzögerungszeit bezeichnet. Die Übertragungskonstante bzw. der Verstärkungsfaktor des PT1-Glieds beträgt vorzugsweise Eins. Auf die möglichen Zustandsgrößen wird weiter unten eingegangen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens drei feste Soll-Drehzahlen verwendet werden, wobei zu jeder aktuell gewählten festen Soll-Drehzahl wenigstens eine vorgegebene Bedingung fortlaufend überwacht wird, wobei jede Bedingung wenigstens einer automatisch ermittelten Zustandsgröße eine zweiwertige wahr/falsch-Aussage zuordnet, wobei im Fall „wahr“ die übergeordnete Soll-Drehzahl auf eine der betreffenden Bedingungen zugeordnete andere feste Soll-Drehzahl geändert wird. Hierdurch können sehr vielfältige Bedingungen für die Umschaltung der festen Soll-Drehzahl formuliert werden, die jeder denkbaren Einsatzsituation des Hydrauliksystems Rechnung tragen. Mögliche Bedingungen und die bei der Formulierung solcher Bedingungen vorzugsweise zu berücksichtigenden technischen Gegebenheiten werden weiter unten erläutert. Wenigstens zwei der festen Soll-Drehzahlen sind vorzugsweise von Null verschieden, wobei eine feste Soll-Drehzahl Null betragen kann.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die genannte Zustandsgröße zumindest eine der Größen Druck am Hoch- bzw. am Niederdruckanschluss der Hydromaschine, an der Hydromaschine eingestelltes Verdrängungsvolumen, Drehzahl der Hydromaschine, Temperatur des Druckfluids im Hydrauliksystem, Temperatur der Elektromaschine, in der Elektromaschine fließender Strom, Temperatur der Drehzahlstellvorrichtung, in der Drehzahlstellvorrichtung fließender Strom, Drehmoment an der Elektromaschine, geometrische Konfiguration des Hydrauliksystems, vom Benutzer gewählte Betriebsart des Hydrauliksystems, vom Benutzer gewählte Fahrtrichtung bzw. Fahrtgeschwindigkeit der Aktuatoren des Hydrauliksystems oder einen aus den genannten Benutzervorgaben ermittelten Leistungsbedarf umfasst. Diese Zustandsgrößen können unmittelbar gemessen sein. Es ist auch möglich, dass sie aus anderen messbaren Größen berechnet werden, wobei vorzugsweise ein Berechnungsmodell des gesamten Hydrauliksystems oder Teilen davon verwendet wird. Die Benutzervorgaben werden vorzugsweise mittels Hebeln, Schaltern, Joysticks, Drehreglern oder Touch-Displays vorgegeben. Die geometrische Konfiguration des Hydrauliksystems umfasst insbesondere die Stellung wenigstens eines Aktuators, wobei der Aktuator jeweils als Hydraulikzylinder oder als Hydromotor ausgeführt sein kann.
  • Es kann vorgesehen sein, dass zumindest einer Bedingung eine Entprellung zugeordnet ist, wobei die Entprellung bewirkt, dass die der Bedingung zugeordnete Änderung der festen Soll-Drehzahl nur dann vorgenommen wird, wenn die entsprechende Bedingung länger als eine vorgegebene Zeitdauer wahr ist. Hierdurch soll sichergestellt werden, dass die wahren Bedingungen, die eine Änderung der übergeordneten Soll-Drehzahl bewirken, stabil erfüllt sind, ehe die Drehzahländerung tatsächlich durchgeführt wird. Insbesondere sehr kurzfristige Drehzahländerungen, die eine hohe Geräuschentwicklung bewirken, sollen vermieden werden.
  • Darüber hinaus kann eine Entprellung genutzt werden, um bei einem Wechsel der Drehzahlstufe, z.B. ein Anstieg der Drehzahl, die Transitionsbedingungen der nächsten Drehzahlstufe erst geprüft werden, wenn die Ist- Drehzahl die Soll-Drehzahl erreicht hat bzw. die Ist-Drehzahl in einem gewissen Bereich um die Soll-Drehzahl herum erreicht hat. Soll z.B. von 500 min-1 auf 1000 min-1 beschleunigt werden, wird, da das Drehmoment am Elektromotor zu groß ist, für die Dauer des Beschleunigungsvorgangs (z.B. 200 ms) ein zusätzliches Drehmoment zum Beschleunigen aufgebracht. Nach einem Rechentakt des Steuergeräts (z.B. 10 ms) würde ohne Entprellung schon der Zustand „1000 min-1“ erreicht werden, obwohl die Ist-Drehzahl noch nicht 1000 min-1 erreicht hat. Es würden sofort wieder die Transitionsbedingungen geprüft und wiederum ein vermeintlich hohes Drehmoment des Elektromotors detektiert und wiederum die nächst höhere Drehzahlstufe angestrebt. Das vermeintlich hohe Drehmoment ist jedoch in der Beschleunigung der Pumpe und nicht in einer hohen Last begründet und sollte nicht zu einer Anhebung der Drehzahl führen.
  • Bei Reduktion der Geschwindigkeit kann die Entprellung dazu dienen, dem Bediener ein Feedback darüber zu geben, dass die Drehzahl bewusst in Stufen reduziert wird. Würde die Drehzahl nicht bewusst in Stufen reduziert, könnte dies bei dem Bediener so aufgefasst werden, als würde der Elektromotor auf Grund einer hohen Last „ausgedrückt“ werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Hydromaschine ein stetig verstellbares Verdrängungsvolumen hat, wobei das genannte Verdrängungsvolumen zusammen mit der untergeordneten Soll-Drehzahl derart verstellt wird, dass sich ein geförderter Volumenstrom der Hydromaschine während der Verstellung des Verdrängungsvolumens um weniger als 10% ändert. Es versteht sich, dass sich der geförderte Volumenstrom idealerweise überhaupt nicht ändert. Im schnell zu durchfahrenden Drehzahlbereich lässt sich dieses Ziel aber nur näherungsweise erreichen, wobei mit der genannten Fehlertoleranz von 10% zu rechnen ist.
  • Bei einem bevorstehenden Drehzahlwechsel kann zur Reduktion der ungewollten Volumenstromänderung dem Schwenkwinkel der Pumpe ein additiver Sollwert vorgegeben werden. Dies entspricht einer Schwenkwinkelvorsteuerung. Bei Drehzahlanhebung kann der Schwenkwinkel reduziert werden und umgekehrt. Der tatsächliche Betrag des Vorsteuerwerts kann über eine Volumenstrombilanz berechnet werden. Die Vorsteuerung kann besonders gut bei Pumpen mit elektronischer Schwenkwinkelansteuerung umgesetzt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das automatisierte Lernen des wenigstens einen Drehzahlbereichs eine Ermittlung, insbesondere eine Messung, der Schallemission des Hydrauliksystems umfasst. Vorzugsweise werden die Bereiche der Ist-Drehzahl der Hydromaschine gewählt, bei denen die Schallemission besonders laut ist. Der automatisierte Lernvorgang findet vorzugsweise auf einem gesonderten Cloud-Server statt, welcher über das Internet mit dem Hydrauliksystem verbindbar ist, um die im Rahmen des Lernprozesses anfallenden Daten auszutauschen. Im Rahmen des automatisierten Lernens kann beispielsweise ein neuronales Netz verwendet werden, wobei im Rahmen des Lernvorgangs insbesondere die zahlenmäßigen Gewichte des neuronalen Netzes festgelegt werden. Hierfür kommt vorzugsweise ein Gradientenabstiegsverfahren (https://de.wikipedia.org/wiki/Gradientenverfahren) zum Einsatz.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Hydrauliksystems;
    • 2 ein Diagramm des Zeitverlaufs der übergeordneten und der untergeordneten Soll-Drehzahl;
    • 3 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
    • 4 ein Zustandsdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Hydrauliksystems 10. Das Hydrauliksystem 10 umfasst eine Hydromaschine 12, die beispielsweise als Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise ausgeführt ist. Die Hydromaschine 12 hat ein stetig verstellbares Verdrängungsvolumen, welches von einer Steuervorrichtung 11 verstellbar ist.
  • Das Hydrauliksystem 10 ist vorliegend als offener Hydraulikkreislauf ausgeführt wobei es auch als geschlossener Hydraulikkreislauf ausgeführt sein kann. Die Hydromaschine 12 saugt Druckfluid aus einem Tank 15 an und fördert es unter Druck zu den verschiedenen Aktuatoren des Hydrauliksystems, wobei die Aktuatoren grobschematisch vereinfacht als Drossel 16 dargestellt sind. Sofern mehrere Aktuatoren vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise parallel geschaltet, wobei jedem Aktuator ein Stellventil zugeordnet ist, mit dem die Bewegung des betreffenden Aktuators steuerbar ist. Einzelne Aktuatoren, beispielsweise ein Lenkzylinder, können bevorzugt bzw. priorisiert mit Druckfluid versorgt werden. Das von den Aktuatoren zurückströmende Druckfluid fließt zurück in den Tank 15. Das an der Hydromaschine 12 eingestellte Verdrängungsvolumen wird mit dem Schwenkwinkelsensor 23 gemessen, der an die Steuervorrichtung 11 angeschlossen ist. Bei der Steuervorrichtung 11 kann es sich um ein einzelnes Steuergerät handeln. Es ist aber auch denkbar, dass die Steuervorrichtung mehrere gesonderte Steuergeräte umfasst, welche über einen Datenbus, beispielsweise einen CAN-Bus, in Datenaustauschverbindung stehen. Das Verdrängungsvolumen wird dabei aus dem gemessenen Schwenkwinkel berechnet. Der Förderdruck der Hydromaschine 12 wird mit einem Drucksensor 20 gemessen, welcher an die Steuervorrichtung 11 angeschlossen ist.
  • Die Hydromaschine 12 wird mittels einer Elektromaschine 13 angetrieben, wobei die Elektromaschine 13 vorzugsweise als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist. Die Elektromaschine 13 wird von einer Drehzahlstellvorrichtung 14 derart mit elektrischem Strom versorgt, dass sie sich mit einer von der Steuervorrichtung 11 vorgegebenen untergeordneten Soll-Drehzahl 31 dreht. Die Drehzahlstellvorrichtung 14 kann als Steuerung oder als Regelung ausgeführt sein. Die Drehzahl der Elektromaschine 13 wird mittels eines an die Steuervorrichtung angeschlossenen Drehzahlsensors 22 gemessen. Dieser kann einen Drehwinkelsensor umfassen, wobei die Drehzahl aus dem Drehwinkel durch Ableitung nach der Zeit berechnet wird. Der genannte Drehwinkelsensor ist vorzugsweise an die Drehzahlstellvorrichtung 14 angeschlossen, so dass die zur Drehzahleinstellung erforderlichen elektrischen Ströme eingestellt werden können.
  • Das Hydrauliksystem 10 kann mehrere Temperatursensoren umfassen, wobei in 1 bespielhaft ein Temperatursensor 21 dargestellt ist, welche die Temperatur des Druckfluids im Tank 15 misst. Weitere (nicht dargestellte) Temperatursensoren können die Temperatur der Elektromaschine 13 oder die Temperatur der Drehzahlstellvorrichtung 14 messen. Alle Temperatursensoren sind an die Steuervorrichtung 11 angeschlossen.
  • Weiter ist auf die Schallemissionsmessung 24 hinzuweisen, die ebenfalls an die Steuervorrichtung 11 angeschlossen ist. Die Schallemissionsmessung 24 kann als Luftschallmessung und/oder als Körperschallmessung ausgebildet sein. Sie wird vorzugsweise in der Nähe der größten Schallquelle vorgenommen, welche typischerweise von der Hydromaschine 12 gebildet wird.
  • Die durch Messung ermittelbaren Zustandsgrößen des Hydrauliksystems 10 sind in 1 mit der Bezugsziffer 25 gekennzeichnet. Weitere Zustandsgrößen lassen sich durch Berechnung aus den gemessenen Zustandsgrößen ermitteln.
  • Die Steuervorrichtung 11 umfasst vorzugsweise mindestens einen programmierbaren Digitalrechner, der vorzugsweise dazu eingerichtet, insbesondere programmiert, ist, das erfindungsgemäße Verfahren automatisiert durchzuführen.
  • Das Hydrauliksystem 10 ist vorzugsweise Bestandteil einer mobilen Arbeitsmaschine, also eines Fahrzeugs. Die Aktuatoren können die Arbeitsfunktion der mobilen Arbeitsmaschine antreiben, beispielsweise den Arm und die Schaufel eines Hydraulikbaggers. Sie können auch Bestandteil einer Fremdkraftbremse oder einer Lenkung des Fahrzeugs sein. Das Hydrauliksystem kann auch Bestandteil einer stationären industriellen Anlage sein.
  • 2 zeigt ein Diagramm des Zeitverlaufs der übergeordneten und der untergeordneten Soll-Drehzahl 30; 31. Entlang der horizontalen Achse ist die Zeit t aufgetragen. Entlang der vertikalen Achse ist die Drehzahl n der Elektromaschine bzw. der Hydromaschine aufgetragen. Vorliegend werden drei feste Soll-Drehzahlen 41; 42; 43 verwendet. Die erste Soll-Drehzahl 41 kann beispielsweise Null betragen, die zweite Soll-Drehzahl 42 kann beispielsweise 700 min-1 betragen und die dritte Soll-Drehzahl 43 kann beispielsweise 1400 min-1 betragen. Die erste Soll-Drehzahl 41 wird gewählt, wenn sich das Hydrauliksystem im Standby-Betrieb befindet, wobei sich keiner der Aktuatoren bewegt. Die zweite Soll-Drehzahl 42 entspricht einem Betriebszustand, in welchem nur eine geringe hydraulische Leistung benötigt wird, beispielsweise, um die Lenkung oder die Bremse des Fahrzeugs zu betätigen bzw. um die betreffenden Hydrospeicher zu laden. Die dritte Soll-Drehzahl 43 entspricht einem Betriebszustand, in welchem die maximal mögliche hydraulische Leistung des Hydrauliksystems abrufbar ist. Die genannten Soll-Drehzahlen 41; 42; 43 sind insbesondere so gewählt, dass alle Resonanzfrequenzen des Hydrauliksystems bzw. des Fahrzeugs, in dem das Hydrauliksystem eingebaut ist, in den Drehzahlbereichen 32 angeordnet sind, welche die Soll-Drehzahlen 41; 42, 43 voneinander trennen. Diese Drehzahlbereiche 32 sollen besonderes schnell durchlaufen werden, damit die genannten Resonanzen allenfalls kurzzeitig angeregt werden. Hierdurch kann die Schallemission des Hydrauliksystems erheblich vermindert werden.
  • Der zeitliche Verlauf der übergeordneten Soll-Drehzahl 30 ist mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Die übergeordnete Soll-Drehzahl 30 wird sprungartig verstellt, weshalb die entsprechenden Übergänge in 2 als vertikale Linien erscheinen. Einer derartigen Verstellung könnte die Drehzahlstellvorrichtung (Nr. 14 in 1) nicht folgen, insbesondere, wenn diese als Steuerung, beispielsweise als Frequenzumrichter bzw. als Inverter, ausgeführt ist. Eine sprunghafte Drehzahlverstellung würde überdies vermeidbare Geräusche verursachen.
  • Die untergeordnete Soll-Drehzahl 31 ist in 2 als Strichlinie dargestellt, wobei die Strichlinie in 2 nur dort sichtbar ist, wo die über- und die untergeordnete Soll-Drehzahl 30; 31 verschieden voneinander sind, also im Bereich der Drehzahlübergänge bzw. der Drehzahlbereiche 32. Die Drehzahländerungsgeschwindigkeit, also die Steigung der Strichlinie, ist im Bereich der Drehzahlübergänge begrenzt, wobei sie insbesondere nicht unendlich groß werden kann, aber gleichzeitig auch nicht beliebig klein, damit die Drehzahlübergänge bzw. die Drehzahlbereiche 32 schnell durchfahren werden.
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der äußerste Block bezeichnet das gesamte Hydrauliksystem 10. Dieses umfasst die mit Bezug auf 1 erläuterten Sensoren 20; 21; 22; 23; 24, die in einem weiteren Block zusammengefasst sind. Der Block 11 fasst die Funktionen zusammen, welche innerhalb der Steuervorrichtung ausgeführt werden. Hier findet eine Leistungs-Verwaltung 50 statt, welche als Ergebnis die vom Benutzer des Hydrauliksystems insgesamt angeforderte hydraulische Leistung liefert. Diese wird insbesondere durch Auswertung der verschiedenen Bedienelemente des Hydrauliksystems, aber auch durch Auswertung der Messwerte der verschiedenen Sensoren 20; 21; 22; 23; 24 ermittelt.
  • Der Block 51 fasst verschiedene Parameter zusammen, welche typischerweise einmalig vom Hersteller des Hydrauliksystems 10 eingestellt werden, damit das Hydrauliksystem 10 wie gewünscht arbeitet. Diese Parameter können den Betrag der ersten, der zweiten und der dritten Soll-Drehzahl und/oder die gewünschte Drehzahländerungsgeschwindigkeit an den Drehzahlübergängen umfassen. Es ist denkbar, dass zumindest ein Teil der genannten Parameter mittels KI (künstlicher Intelligenz) optimal eingelernt werden.
  • Der Block 52 umfasst das mit Bezug auf 4 erläuterte Verfahren, mit dem die jeweils benötigte feste Soll-Drehzahl ausgewählt wird, um die übergeordnete Soll-Drehzahl 30 zu erhalten. Der Block 53 berechnet aus der übergeordneten Soll-Drehzahl 30 die untergeordnete Soll-Drehzahl 31, wobei hierfür insbesondere ein PT1-Glied 54 oder eine einfache Drehzahländerungsratenlimitierung Verwendung finden kann. Die untergeordnete Soll-Drehzahl 31 wird an die Drehzahlstellvorrichtung 14 übergegeben.
  • 4 zeigt ein Zustandsdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die verschiedenen Zustände entsprechen den verschiedenen festen Soll-Drehzahlen 41; 42; 43, wobei vorliegend eine erste, eine zweite und eine dritte feste Soll-Drehzahl 41; 42; 43 verwendet werden. Die möglichen Übergänge zwischen diesen Zuständen bzw. die entsprechenden Drehzahländerungen 44a; 44b; 44c; 44d; 44e sind in 4 durch Pfeile gekennzeichnet, wobei jedem Pfeil bzw. jeder möglichen Drehzahländerung 44a; 44b; 44c; 44d; 44e mehrere Bedingungen 60 zugeordnet sind. Es versteht sich, dass jeder möglichen Drehzahländerung mindestens eine Bedingung zugeordnet ist.
  • Wenn sich das Verfahren im Zustand der ersten Soll-Drehzahl 41 befindet, werden fortlaufend die Bedingungen 60 überwacht, die der Drehzahländerung 44a zugeordnet sind. Wird eine dieser Bedingungen zu wahr ausgewertet, so wird auf die zugeordnete andere feste Soll-Drehzahl, nämlich die zweite feste Soll-Drehzahl 42 umgeschaltet, wobei die übergeordnete Soll-Drehzahl (Nr. 30 in 3) den entsprechenden Wert annimmt. Eine entsprechende Bedingung 60 der Drehzahländerung 44a könnte beispielsweise lauten: „Ist die von der Leistungs-Verwaltung (Nr. 50 in 3) ermittelte angeforderte Leistung größer als Null?“.
  • Im Zustand der zweiten festen Soll-Drehzahl 42 gibt es zwei mögliche Drehzahländerungen 44b; 44d. Jeder dieser Drehzahländerungen 44b; 44d sind Bedingungen 60 zugeordnet, die so ausgelegt sind, dass nur eine der beiden Drehzahländerungen 44b; 44d aktiviert werden kann. Eine Bedingung 60, welche der Drehzahländerung 44d zugeordnet ist, könnte beispielsweise lauten „Ist die von der Leistungs-Verwaltung (Nr. 50 in 3) ermittelte angeforderte Leistung gleich Null?“. Wenn diese Bedingung wahr ist, wird die übergeordnete Soll-Drehzahl (Nr. 30 in 3) gleich der ersten festen Soll-Drehzahl 41 gesetzt, wobei der Zustand entsprechend umgeschaltet wird.
  • Eine der Drehzahländerung 44b zugeordnete Bedingung könne beispielsweise lauten: „Ist die von der Leistungs-Verwaltung (Nr. 50 in 3) ermittelte angeforderte Leistung größer als 30% der maximal möglichen hydraulischen Leistung?“. Wenn diese Bedingung wahr ist, wird die übergeordnete Soll-Drehzahl (Nr. 30 in 3) gleich der dritten festen Soll-Drehzahl 43 gesetzt, wobei der Zustand entsprechend umgeschaltet wird.
  • Hinsichtlich der Geräuschentwicklung des Hydrauliksystems ist es sehr nachteilhaft, wenn die lauteste, dritte feste Soll-Drehzahl 43 nur kurzzeitig eingestellt wird. Daher ist der Drehzahländerung 44b eine sogenannte Entprellung 61 zugeordnet. Diese bewirkt, dass die Drehzahländerung 44b nur dann durchgeführt wird, wenn eine zugeordnete Bedingung 60 mindestens für eine vorgegebene Zeitdauer wahr ist. Obgleich die Entprellung 61 in 4 nur bei der Drehzahländerung 44b verwendet wird, kann sie auch bei jeder anderen Drehzahländerung 44a; 44c; 44d; 44e verwendet werden.
  • Im Zustand der dritten festen Soll-Drehzahl 43 gibt es zwei mögliche Drehzahländerungen 44c; 44e. Jeder dieser Drehzahländerungen 44c; 44e sind Bedingungen 60 zugeordnet, die so ausgelegt sind, dass nur eine der beiden Drehzahländerungen 44c; 44e aktiviert werden kann. Eine Bedingung 60, welche der Drehzahländerung 44c zugeordnet ist, könnte beispielsweise lauten „Ist die von der Leistungs-Verwaltung (Nr. 50 in 3) ermittelte angeforderte Leistung kleiner als 30% der maximal möglichen hydraulischen Leistung und größer Null?“. Wenn diese Bedingung wahr ist, wird die übergeordnete Soll-Drehzahl (Nr. 30 in 3) gleich der zweiten festen Soll-Drehzahl 41 gesetzt, wobei der Zustand entsprechend umgeschaltet wird.
  • Eine Bedingung 60, welche der Drehzahländerung 44e zugeordnet ist, könnte beispielsweise lauten „Ist die von der Leistungs-Verwaltung (Nr. 50 in 3) ermittelte angeforderte Leistung gleich Null?“. Wenn diese Bedingung wahr ist, wird die übergeordnete Soll-Drehzahl (Nr. 30 in 3) gleich der ersten festen Soll-Drehzahl 41 gesetzt, wobei der Zustand entsprechend umgeschaltet wird.
  • Bevor der Zustand umgeschaltet wird, wird vorzugsweise geprüft, ob die gewünschte Soll-Drehzahl tatsächlich erreicht wurde. Bei dieser Prüfung wird vorzugsweise ein vorgegebener Toleranzbereich der Ist-Drehzahl berücksichtigt.
  • Bei den oben erläuterten Beispielen für die möglichen Bedingungen wurde davon ausgegangen, dass die Leistungsübertragung immer vom Elektromotor zu den Verbrauchern hin erfolgt. Wenn auch eine Leistungsübertragung in die entgegengesetzte Richtung erfolgen kann, beispielsweise beim hydraulischen Absenken von Lasten, sind die Bedingungen entsprechend zu modifizieren bzw. zu erweitern.
  • Neben der oben erläuterten Leistungsvorhersage können folgende Erwägungen bei der Festlegung von Bedingungen 60 berücksichtigt werden:
    • Ein steigender Pumpendruck führt bei gleichem Pumpenschluckvolumen zu einem größeren Drehmoment. Die Drehzahl kann angehoben werden, um das maximale Drehmoment des E-Motors nicht zu überschreiten.
  • Ist der Schwenkwinkel zu groß, kann die Pumpendrehzahl angehoben werden. Dadurch kann die Pumpe den Schwenkwinkel reduzieren und weiterhin die gleiche Ölmenge fördern.
  • Ist der Schwenkwinkel zu gering, kann die Pumpendrehzahl abgesenkt werden, damit die Pumpe bei größerem Schwenkwinkel arbeitet und somit in einen energieeffizienteren Betriebsbereich verschoben wird.
  • Ist das Öl zu kalt, kann die Drehzahl angehoben werden, um es durch höhere Verluste der Pumpe und besonders das Öl zu erwärmen.
  • Ist das Öl zu warm, kann die Drehzahl reduziert werden, um damit die maximal verfügbare hydraulische Leistung zu reduzieren. Damit sinkt auch der Verlustwärmeeintrag in das Öl.
  • Wenn die thermische Auslastung des E-Motors zu hoch wird, kann die Drehzahl reduziert werden, um die maximal abgegebene Leistung zu reduzieren. Alternativ kann die Drehzahl angehoben werden, um bei gleicher Leistung das Drehmoment und damit den Motorstrom zu reduzieren. Es kann auch nur der Schwenkwinkel begrenzt werden und mit reduzierter Leistung gefahren werden.
  • Wird das Drehmoment des Elektromotors zu groß, kann die Drehzahl angehoben werden, um mehr Leistung über die Drehzahl bereitzustellen und das Drehmoment zu reduzieren.
  • Wenn erkannt wird, dass das Fahrzeug (z.B. durch die Arbeitsausrüstung) einen instabilen Gleichgewichtszustand einnimmt, kann die Drehzahl minimiert bzw. limitiert werden, um nur noch langsame Bewegungen zu erlauben und somit den sicheren Stand nicht weiter zu gefährden.
  • Es kann ein Betriebsartwählmittel, insbesondere ein Betriebsartschalter, bereitgestellt werden, mit welchem beispielsweise eine der Betriebsarten Performance, ECO oder Geräuscharm auswählbar ist. Aufgrund der Auswahl Performance wird die Drehzahl sehr hoch oder maximal gehalten, um die Bereitstellung hoher Leistungen zu gewähren. Mit der Auswahl ECO wird die Pumpendrehzahl weitest möglich abgesenkt, um den Schwenkwinkel zu maximieren. Mit der Auswahl Geräuscharm wird entsprechend dem bekannten Akustikverhalten des Antriebsstrangs die Drehzahl so gewählt, dass die Geräusch- und/oder Vibrationsemissionen gering sind.
  • Steht der Fahrtrichtungsschalter auf Neutral muss die Maschine nicht stark lenken. Die Drehzahl kann abgesenkt werden.
  • Wird am Joystick oder am Human Machine Interface (HMI) eine hohe Leistungsanforderung detektiert, kann prädiktiv die Drehzahl angehoben werden, um eine hohe Leistung bereitstellen zu können und/oder um das Drehmoment reduzieren zu können.
  • Das erfindungsgemäße Hydrauliksystem ist sowohl für mobile Arbeitsmaschinen als auch industrielle Anwendungen geeignet.
  • Die Luft-, Körper- und Flüssigkeitsschallemissionen eines Systems mit einer hydraulischen Pumpe werden im Wesentlichen von den Betriebsparametern Drehzahl der Pumpe und Druck am Hochdruckanschluss der Pumpe beeinflusst. Dabei gilt in der Regel, dass die Emissionen mit steigender Drehzahl und steigendem Druck steigen.
  • Die von dem Pumpensystem emittierten Frequenzen hängen direkt mit der Konstruktion der Pumpe und der Drehzahl der Pumpe zusammen. Mit steigender Drehzahl erhöhen sich die emittierten Frequenzen, mit sinkender Drehzahl verringern sie sich. Die von der Pumpe bzw. dem Pumpensystem emittierten Frequenzen breiten sich sowohl im Luft-, Körper- als auch im Flüssigkeitsschall aus und erregen die angrenzenden Strukturen.
  • Durchfährt ein drehzahlvariables Pumpensystem einen Drehzahlbereich, der Frequenzen anregt, die im angeschlossenen System eine hydraulische oder mechanische Resonanz treffen, so kommt es in der Regel in diesem System zu einer Geräuschüberhöhung gegenüber dem üblicherweise über Drehzahl und Druck stetig ansteigenden Geräusch. Diese Überhöhung des Schalldruckpegels sowie auch die Überschreitung eines Schwellwertes wird in der Regel als unangenehm wahrgenommen und stört am Imissionsort.
  • Da es sich bei komplexen zusammengesetzten Systemen, wie mobilen Arbeitsmaschinen als auch industriellen Anlagen, um in der Regel leicht nichtlineare Systeme handelt, benötigen diese Systeme eine gewisse Einschwingzeit, um mit voller Amplitude auf die Anregung einer Resonanz zu reagieren. Dies kann man sich für eine Betriebsstrategie zu Nutze machen und kritische Drehzahlen schnell mit erhöhter Drehzahländerungsgeschwindigkeit zu durchfahren. Um dabei eine konstante Änderung des Ölvolumenstroms beizubehalten, müsste die Pumpe entsprechend mit einer angepassten Änderung des Schwenkwinkels reagieren.
  • Die zu überspringenden Drehzahlbereiche können in einem maschinenabhängigen Kennfeld hinterlegt werden. Dieses Kennfeld kann im Vorhinein Druck-, Drehzahl und Schwenkwinkelabhängig an einem Maschinentyp ermittelt und in der Steuerung des Pumpensystems hinterlegt werden.
  • Der Ort, an dem die Geräusche zur Ermittlung des Kennfeldes ermittelt werden, kann beispielsweise in der Nähe des Maschinenbediener-Ohrs stattfinden, um dem Maschinenbediener größtmöglichen Komfort zu bieten, er kann aber auch an einer oder mehreren anderen Stellen der Maschine stattfinden, um die Emissionen der Maschine an sich verringern zu können. Auch eine Kombination beider Strategien wäre machbar.
  • Ebenso kann über Luft-, Körper- oder Flüssigkeitsschwingen an oder in der Nähe des Pumpensystems auf die Geräuschemissionen am Bedienerohr oder im Umfeld der Maschine geschlossen werden.
  • Neben dem Einmessen eines Kennfeldes besteht ebenfalls die Möglichkeit, ein lernendes System zu installieren, das das Kennfeld während des Betriebes der Maschine oder während der ersten Inbetriebnahme von Maschinen einer Maschinentypenreihe lernt.
  • Durch angebrachte Sensorik soll das System feststellen, dass es in bestimmten Drehzahlbereichen zu Geräuschüberhöhungen bzw. unerwünschtem Verhalten kommt. Das System soll diese Bereiche kennenlernen und hinterlegte Strategien anwenden oder eigene Strategien lernen, um dieses Verhalten zu umgehen, indem beispielsweise Drehzahlbereiche übersprungen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • t
    Zeit
    n
    Drehzahl
    10
    Hydrauliksystem
    11
    Steuervorrichtung
    12
    Hydromaschine
    13
    Elektromaschine
    14
    Drehzahlstellvorrichtung
    15
    Tank
    16
    Aktuator
    20
    Drucksensor
    21
    Temperatursensor
    22
    Drehzahlsensor
    23
    Schwenkwinkelsensor
    24
    Schallemissionsmessung
    25
    Zustandsgröße
    30
    übergeordnete Soll-Drehzahl
    31
    untergeordnete Soll-Drehzahl
    32
    Drehzahlbereich
    33
    Ist-Drehzahl
    41
    erste feste Soll-Drehzahl
    42
    zweite feste Soll-Drehzahl
    43
    dritte feste Soll-Drehzahl
    44a
    Drehzahländerung
    44b
    Drehzahländerung
    44c
    Drehzahländerung
    44d
    Drehzahländerung
    44e
    Drehzahländerung
    50
    Leistungs-Verwaltung
    51
    Parameter
    52
    Drehzahlvorgabe
    53
    Drehzahländerungsgeschwindigkeitsvorgabe
    54
    PT1-Glied
    60
    Bedingung
    61
    Entprellung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015111926 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Hydrauliksystems (10), welches eine Hydromaschine (12) und eine Elektromaschine (13), welche miteinander in Drehantriebsverbindung stehen, umfasst, wobei der Elektromaschine (13) eine Drehzahlstellvorrichtung (14) zugeordnet ist, mit welcher ihre Drehzahl auf eine untergeordnete Soll-Drehzahl (31) einstellbar ist, wobei zumindest ein Drehzahlbereich (32) durch Vorgabe oder durch automatisiertes Lernen festgelegt wird, wobei die untergeordnete Soll-Drehzahl (31) aus einer übergeordneten Soll-Drehzahl (30) durch Begrenzung einer Drehzahländerungsgeschwindigkeit ermittelt wird, soweit sich eine Ist-Drehzahl (33) der Elektromaschine (13) innerhalb des genannten Drehzahlbereichs (32) befindet, wobei die untergeordnete Soll-Drehzahl (31) im Übrigen gleich der übergeordneten Drehzahl (30) ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte Begrenzung der Drehzahländerungsgeschwindigkeit sowohl nach oben als auch nach unten erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Begrenzung der Drehzahländerungsgeschwindigkeit nach unten dadurch erreicht wird, dass die übergeordnete Soll-Drehzahl (30) zwischen mehreren festen Soll-Drehzahlen (41; 42; 43) umgeschaltet wird, wobei zwei unmittelbar benachbarte feste Soll-Drehzahlen (41; 42; 43) um einen zugeordneten Drehzahlbereich (32) aus dem genannten, wenigstens einen Drehzahlbereich (32) voneinander beabstandet sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Begrenzung der Drehzahländerungsgeschwindigkeit nach oben mittels eines PT1-Glieds (54) vorgenommen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Zeitkonstante des PT1-Glieds (54) abhängig von einer fortlaufend, automatisch ermittelten Zustandsgröße (25) des Hydrauliksystems (10) ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei wenigstens drei feste Soll-Drehzahlen (41; 42; 43) verwendet werden, wobei zu jeder aktuell gewählten festen Soll-Drehzahl (41; 42; 43) wenigstens eine vorgegebene Bedingung (60) fortlaufend überwacht wird, wobei jede Bedingung (60) wenigstens einer automatisch ermittelten Zustandsgröße (25) eine zweiwertige wahr/falsch-Aussage zuordnet, wobei im Fall „wahr“ die übergeordnete Soll-Drehzahl (30) auf eine der betreffenden Bedingung zugeordnete andere feste Soll-Drehzahl (41; 42; 43) geändert (44a; 44b; 44c; 44d; 44e) wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die genannte Zustandsgröße (25) zumindest eine der Größen Druck am Hoch- bzw. am Niederdruckanschluss der Hydromaschine (12), an der Hydromaschine (12) eingestelltes Verdrängungsvolumen, Drehzahl der Hydromaschine (12), Temperatur des Druckfluids im Hydrauliksystem, Temperatur der Elektromaschine (13), in der Elektromaschine (13) fließender Strom, Temperatur der Drehzahlstellvorrichtung (14), in der Drehzahlstellvorrichtung (14) fließender Strom, Drehmoment an der Elektromaschine (13), geometrische Konfiguration des Hydrauliksystems (10), vom Benutzer gewählte Betriebsart des Hydrauliksystems (10), vom Benutzer gewählte Fahrtrichtung bzw. Fahrtgeschwindigkeit der Aktuatoren (16) des Hydrauliksystems (10) oder einen aus den genannten Benutzervorgaben ermittelten Leistungsbedarf umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei zumindest einer Bedingung (60) eine Entprellung (61) zugeordnet ist, wobei die Entprellung (61) bewirkt, dass die der Bedingung (60) zugeordnete Änderung (44a; 44b; 44c; 44d; 44e) der festen Soll-Drehzahl (41; 42; 43) nur dann vorgenommen wird, wenn die entsprechende Bedingung (60) länger als eine vorgegebene Zeitdauer wahr ist.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hydromaschine (12) ein stetig verstellbares Verdrängungsvolumen hat, wobei das genannte Verdrängungsvolumen zusammen mit der untergeordneten Soll-Drehzahl (31) derart verstellt, dass sich ein geförderter Volumenstrom der Hydromaschine (12) während der Verstellung des Verdrängungsvolumens um weniger als 10% ändert.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das automatisierte Lernen des wenigstens einen Drehzahlbereichs (32) eine Ermittlung, insbesondere eine Messung (24), der Schallemission des Hydrauliksystems (10) umfasst.
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