DE102022206568A1

DE102022206568A1 - Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen Antriebs einer Arbeitsmaschine und elektronische Steuereinheit

Info

Publication number: DE102022206568A1
Application number: DE102022206568.9A
Authority: DE
Inventors: Ingo Pulch; Bernd Ziegler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2024003097A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen Antriebs einer Arbeitsmaschine, der wenigstens eine Leistungsquelle (4) und mehrere von dieser mit einer physikalischen Größe versorgbare Abnehmer (5, 6, 71, 72, 73, 74) aufweist, wobei die Arbeitsmaschine entsprechend mehreren Betriebssituationen (S1, S2, S3) betreibbar ist; wobei eine von der wenigstens einen Leistungsquelle (4) bereitgestellte Versorgungs-Quantität (Xavail_n) der physikalischen Größe und von den Abnehmern (5, 6, 71, 72, 73, 74) angeforderte Anforderungs-Quantitäten (Xdem_i) der physikalischen Größe erfasst werden (100); wobei eine aktuelle Betriebssituation (S) der mehreren Betriebssituationen (S1, S2, S3) bestimmt wird (110); und wobei die von der wenigstens einen Leistungsquelle bereitgestellte Versorgungs-Quantität (Xavail_n) in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation (S) und den von den Teilnehmern angeforderten Anforderungs-Quantitäten (Xdem_i) den einzelnen Abnehmern als Abnehmer-Quantitäten (Xi) zugeteilt wird (130).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen Antriebs einer Arbeitsmaschine sowie eine elektronische Steuereinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Hintergrund der Erfindung
Arbeitsmaschinen können über einen hydraulischen Anrieb mit mehreren individuell angetriebenen Funktionselementen verfügen. Im Falle herkömmlicher hydraulischer Antriebe mit individuell mechanisch-hydraulisch geregelten Teilnehmern werden individuelle und somit dezentrale Regler verwendet, die eine individuelle Limitierung der Leistungsaufnahme eines jeweiligen Teilnehmers oder Verbrauchers ermöglichen. Im Falle einer Hydromaschine ist der Regler beispielsweise ein ihr zugeordnetes Ventil oder eine Ventilanordnung, die in Abhängigkeit von einem hydraulisch gemeldeten Lastdruck auf eine Stellgröße der Hydromaschine wirkt, insbesondere auf deren Verdrängungsvolumen. Genannt sei beispielsweise ein Förderstromregler mit überlagerter Druckabschneidung, die den Druck limitiert.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen Antriebs einer Arbeitsmaschine sowie eine elektronische Steuereinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, bei der Steuerung des hydraulischen Antriebs einer Arbeitsmaschine eine von einer Leistungsquelle bereitgestellte Versorgungsquantität in Abhängigkeit von einer aktuellen Betriebssituation und von von Leistungsabnehmern angeforderten Anforderungsquantitäten den einzelnen Leistungsabnehmern als Abnehmerquantität zuzuteilen.
Erfindungsgemäß wird also die zur Verfügung stehende Quantität der physikalischen Größe (z.B. zur Verfügung stehende Leistung) abhängig von der bestimmten aktuellen Betriebssituation der Arbeitsmaschine auf die einzelnen Abnehmer (Leistungs-Verbraucher) aufgeteilt. Dies ist vorteilhaft, da, wenn nur eine Funktion oder nur einige wenige Funktionen der Arbeitsmaschine aktiv ist/sind, dieser/diesen die volle Leistung zugeteilt werden kann. Es wird also betriebssituationsabhängig eine gezielte Zuteilung von Abnehmer-Quantitäten der physikalischen Größe ermöglicht.
Weitergehend basiert die Zuteilung der zur Verfügung stehenden Quantität an die Abnehmer bevorzugt auf einer Zuordnung von Prioritäten an die Abnehmer, wobei diese Zuordnung abhängig von der Betriebssituation erfolgt. Hierdurch wird eine gezielte Zuteilung der physikalischen Größe (z.B. Leistung) für hoch-priorisierte Funktionen ermöglicht. Ebenso kann für nieder-priorisierte eine kurzzeitige gezielte Reduzierung der zugeteilten Abnehmer-Quantität erfolgen.
Die wenigstens eine Leistungsquelle und die Abnehmer sind in der Arbeitsmaschine eingebaut. Die Abnehmer des hydraulischen Antriebs der Arbeitsmaschine dienen dazu, einzelne Funktionselemente (Fahrantrieb, Ausleger, ...) der Arbeitsmaschine anzutreiben. Die physikalische Größe ist beispielsweise eine Leistung, ein Drehmoment oder ein Druckmittelvolumenstrom.
Eine erfindungsgemäße elektronische Steuereinheit, z.B. eine Recheneinheit zur Steuerung bzw. ein Steuergerät eines hydraulischen Antriebs einer Arbeitsmaschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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 ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung

1 zeigt eine elektronische Steuereinheit mit Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen in schematischer Darstellung, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 zeigt einen hydraulischen Antrieb mit einer Leistungsquelle, zwei Abnehmern und einer elektronischen Steuereinheit in schematischer Darstellung, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt beispielhaft die Zuteilung der zur Verfügung stehenden Versorgungs-Quantität an mehrere Abnehmer in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebssituationen.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine elektronische Steuereinheit 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer von wenigstens einer Leistungsquelle bereitstellbaren Quantität X_{avail_n} einer physikalischen Größe X und von mehreren Abnehmern angeforderten Quantitäten X_{dem_i} der physikalischen Größe X, insbesondere einer Leistung, eines Drehmoments oder eines Druckmittelvolumenstroms, als Eingangsgrößen, und mit den Abnehmern bereitzustellenden Quantitäten X_i der physikalischen Größe X als Ausgangsgröße. Die elektronische Steuereinheit 1 liest die Werte der bereitstellbaren Quantität X_{avail_n} und der angeforderten Quantitäten X_{dem_i} ein oder kann diese Werte anhand erfasster Größen ermitteln. Im Falle von mehreren Leistungsquellen, welche jeweils eine bereitstellbare Quantität X_{avail_n} zur Verfügung stellen, summiert die Steuereinheit 1 diese Quantitäten X_{avail_n} auf. Die Steuereinheit 1 berechnet dann aus den Eingangsgrößen mittels einer Verteilungsfunktion und/oder Limitierungsfunktion die den jeweiligen Abnehmern bereitzustellende Quantität X_i der physikalischen Größe X, sodass die Ausnutzung der bereitstellbaren Quantität X_{avail_n} bestmöglich sichergestellt ist, ohne dabei die wenigstens eine Leistungsquelle zu überlasten.
Die Berechnung der den jeweiligen Abnehmern bereitzustellenden Quantitäten X_i erfolgt in Abhängigkeit von einer Betriebssituation S der Maschine, in der die wenigstens eine Leistungsquelle und die Abnehmer verwendet werden. Die Menge von möglichen Betriebssituationen S ist vorbestimmt. In welcher der Betriebssituationen sich die Maschine befindet, wird von der Steuereinheit anhand der von den Abnehmern angeforderten Quantitäten X_{dem_i} und/oder basierend auf wenigstens einem Bediensignal, das mittels einer Benutzerschnittstelle erfasst wird, bestimmt.
2 zeigt einen hydraulischen Antrieb 3 in schematischer Darstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Er hat eine Leistungsquelle 4, zwei Abnehmer 5, 6 und eine elektronischen Steuereinheit 1 gemäß 1. Die Leistungsquelle 4, insbesondere deren Steuergerät (nicht dargestellt), übergibt eine Information über die von ihr bereitstellbare Quantität X_avail der physikalischen Größe X an die Steuereinheit 1, welche mithilfe dieser Information und in Abhängigkeit von der Betriebssituation S, den von den zwei Abnehmern 5, 6 angeforderten Quantitäten X_{dem_1} und X_{dem_2} und der integrierten Verteilungsfunktion die limitierten Ansteuersignale 8, 9 für die zwei Abnehmer 5, 6 ermittelt. Diese limitierten Ansteuersignale 8, 9 begrenzen oder limitieren die von den Abnehmern 5, 6 angeforderten Quantitäten X_{dem_1}, X_{dem_2} auf die den Abnehmern 5, 6 bereitzustellenden Quantitäten X₁ und X₂.
Der Antrieb 3 gemäß 2 kann beispielsweise einen Dieselmotor als Leistungsquelle 4 und zwei Hydropumpen als Abnehmer 5, 6 aufweisen. In diesem Fall wird dann beispielsweise eine vom Dieselmotor bereitstellbare Quantität seiner Leistung (physikalische Größe X ist die Leistung) über eine Datenverbindung wie z.B. CAN (Controller Area Network) ermittelt und an die Steuereinheit 1 weitergegeben, die dann in Abhängigkeit davon, von der Betriebssituation S und den von den Hydropumpen angeforderten Leistungen die bereitstellbare Quantität der Leistung auf die zwei Hydropumpen 5, 6 aufteilt/verteilt bzw. zuteilt. In einer Variante hat der Antrieb 3 eine Hydropumpe als Leistungsquelle 4 und zwei hydraulische Verbraucher als Abnehmer 5, 6. In solch einem Fall kann ein von der Hydropumpe 4 bereitstellbarer Druckmittelvolumenstrom (physikalische Größe X ist in diesem Fall der Druckmittelvolumenstrom) über die Steuereinheit 1 aus einer erfassten oder aus einer in der Steuerung bekannten Drehzahl und einem erfassten oder in der Steuerung bekannten Schwenkwinkel der Hydropumpe 4 ermittelt werden. Die Steuereinheit 1 ermittelt dann in Abhängigkeit von dem bereitstellbaren Druckmittelvolumenstrom, der Betriebssituation S sowie den von den Verbrauchern 5, 6 angeforderten Druckmittelvolumenströmen den bereitstellbaren Volumenstrom und verteilt ihn auf die Abnehmer 5, 6.
3 zeigt beispielhaft die Zuteilung der zur Verfügung stehenden Versorgungs-Quantität an mehrere Abnehmer in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebssituationen. Die Leistungsquelle 4 ist im gezeigten Beispiel ein Motor, der eingerichtet ist mehrere Abnehmer 71, 72, 73, 74 anzutreiben, wobei die Zuteilung der Antriebsleistung des Motors an die Abnehmer variierbar, insbesondere steuerbar, ist. Die physikalische Quantität ist hier also z.B. eine Leistung. Der Motor kann z.B. ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Dieselmotor, oder ein elektrischer Motor bzw. eine elektrische Maschine sein. Die Abnehmer 71, 72, 73, 74 sind im gezeigten Beispiel Hydropumpen bzw. Hydromaschinen, wobei jede unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit zum Antreiben bestimmter Funktionen bzw. Funktionselemente bereitstellt. Entsprechend sind Leistungsquelle 4 und Abnehmer 71, 72, 73, 74 in einer Maschine eingebaut, wobei die Abnehmer verschiedene Funktionselemente der Maschine hydraulisch antreiben.
Beispielhaft kann es sich bei der Maschine um einen Forwarder (auch als Rückezug oder Tragrückeschlepper bezeichnet) handeln, wie er zur Holzernte eingesetzt wird. Beispielhaft sind die angetriebenen Funktionen wie folgt:

Der erste Abnehmer 71 (Fahrpumpe) treibt einen Fahrantrieb zur Fahrbewegung des Forwarders an. Der zweite Abnehmer 72 (Windenpumpe) treibt eine Winde des Forwarders an. Der dritte Abnehmer 73 (Arbeitspumpe) treibt einen Kran (Ladekran) des Forwarders an. Der vierte Abnehmer 74 (Lüfterpumpe) treibt einen hydraulischen Lüfter des Forwarders an.

In 3 ist weiter in tabellarischer Form eine beispielhafte betriebssituationsabhängige Aufteilung der zur Verfügung stehenden Leistung, d.h. von der Leistungsquelle 4 bereitgestellten Versorgungs-Quantität X_avail, auf die Abnehmer dargestellt. Die dem ersten Abnehmer 71 zugeteilte Abnehmer-Quantität (zugeteilte Leistung) ist mit X₁ bezeichnet. Die dem zweiten Abnehmer 72 zugeteilte Abnehmer-Quantität ist mit X₂ bezeichnet. Die dem ersten Abnehmer 73 zugeteilte Abnehmer-Quantität ist mit X₃ bezeichnet. Die dem ersten Abnehmer 74 zugeteilte Abnehmer-Quantität ist mit X₄ bezeichnet.
Es sind Beispiele für verschiedene Betriebssituationen gezeigt. Dies sind eine erste Betriebssituation S1, in der eine Bergfahrt mit Windenunterstützung erfolgt, eine zweite Betriebssituation S2, in der bei reduzierter Fahrleistung mit Windenunterstützung der Kran betrieben wird, und eine dritte Betriebssituation S1, in der ein Arbeitsprozess unter Verwendung des Krans erfolgt.
Die Zuteilung der bereitgestellten Versorgungs-Quantität X_avail an die Abnehmer in Form von Abnehmer-Quantitäten X_i erfolgt vorzugsweise basierend auf den Abnehmern zugeordneten Prioritäten, wobei die Zuordnung von Prioritäten zu den Abnehmern von der Betriebssituation abhängig ist.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
In Schritt 100 werden die von der wenigstens einen Leistungsquelle bereitgestellte Versorgungs-Quantität der physikalischen Größe und von den Abnehmern angeforderte Anforderungs-Quantitäten der physikalischen Größe erfasst.
In Schritt 110 wird die aktuelle Betriebssituation der mehreren Betriebssituationen bestimmt, z.B. basierend auf den angeforderten Anforderungs-Quantitäten und/oder basierend auf einem Bediensignal.
Im bevorzugten Schritt 120 wird jedem der Abnehmer in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation, in der die Arbeitsmaschine betrieben wird, eine Priorität zugeordnet. Die Prioritäten bilden eine Menge möglicher Prioritäten, die vordefiniert ist. Dies ist beispielsweise eine Teilmenge der reellen oder ganzen Zahlen, etwa alle reellen/ganzen Zahlen zwischen einer unteren Grenze (z.B. 0) und einer oberen Grenze (z.B. 10). Disjunkte Teilmengen der Menge möglicher Prioritäten können hohe und niedrige Prioritäten definieren, wobei selbstverständlich weitere Teilmengen möglich sind, z.B. für mittlere Priorität. Die Zuordnung von Prioritäten an die einzelnen Abnehmer ist für jede Betriebssituation vorbestimmt bzw. vordefiniert, etwa in der Steuereinheit der 1, 2 gespeichert.
In Schritt 130 wird die von der wenigstens einen Leistungsquelle bereitgestellte Versorgungs-Quantität in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation und den von den Abnehmern angeforderten Anforderungs-Quantitäten den einzelnen Abnehmern als Abnehmer-Quantitäten zugeteilt. Wenn entsprechend dem bevorzugten Schritt 120 den Abnehmern in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation Prioritäten zugeordnet werden, wird dabei weiter bevorzugt die von der wenigstens einen Leistungsquelle bereitgestellte Versorgungs-Quantität entsprechend den den Abnehmern zugeordneten Prioritäten und den von den Abnehmern angeforderten Anforderungs-Quantitäten den einzelnen Abnehmern als Abnehmer-Quantitäten zugeteilt.
Im bevorzugten Schritt 140 werden die Abnehmer entsprechend den zugeteilten Abnehmer-Quantitäten angesteuert.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines hydraulischen Antriebs einer Arbeitsmaschine, der wenigstens eine Leistungsquelle (4) und mehrere von dieser mit einer physikalischen Größe versorgbare Abnehmer (5, 6, 71, 72, 73, 74) aufweist, wobei die Arbeitsmaschine entsprechend mehreren Betriebssituationen (S1, S2, S3) betreibbar ist; wobei eine von der wenigstens einen Leistungsquelle (4) bereitgestellte Versorgungs-Quantität (X_{avail_n}) der physikalischen Größe und von den Abnehmern (5, 6, 71, 72, 73, 74) angeforderte Anforderungs-Quantitäten (X_{dem_i}) der physikalischen Größe erfasst werden (100); wobei eine aktuelle Betriebssituation (S) der mehreren Betriebssituationen (S1, S2, S3) bestimmt wird (110); und wobei die von der wenigstens einen Leistungsquelle bereitgestellte Versorgungs-Quantität (X_{avail_n}) in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation (S) und den von den Abnehmern angeforderten Anforderungs-Quantitäten (X_{dem_i}) den einzelnen Abnehmern als Abnehmer-Quantitäten (X_i) zugeteilt wird (130).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedem Abnehmer (5, 6, 71, 72, 73, 74) in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebssituation (S), in der die Arbeitsmaschine betrieben wird, eine Priorität zugeordnet wird (120).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei beim Zuteilen (130) der bereitgestellten Versorgungs-Quantität (X_{avail_n}) die von der wenigstens einen Leistungsquelle bereitgestellte Versorgungs-Quantität (X_{avail_n}) entsprechend den den Abnehmern zugeordneten Prioritäten und den von den Abnehmern angeforderten Anforderungs-Quantitäten (X_{dem_i}) den einzelnen Abnehmern als die Abnehmer-Quantitäten(X_i) zugeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei basierend auf den Prioritäten obere Grenzen für die Abnehmer-Quantitäten der Abnehmer (5, 6, 71, 72, 73, 74) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Prioritäten in einer Menge möglicher Prioritäten liegen, wobei die Menge eine erste und eine zweite Teilmenge einschließt, wobei ein Abnehmer, dessen Priorität in der ersten Teilmenge liegt, als Abnehmer mit hoher Priorität definiert ist, und ein Abnehmer, dessen Priorität in der zweiten Teilmenge liegt, als Abnehmer mit niedriger Priorität definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei wenn die Abnehmer-Quantität (X_i) eines Abnehmers mit hoher Priorität unter der von diesem Abnehmer angeforderten Anforderungs-Quantität liegt, wenigstens eine Abnehmer-Quantität wenigstens eines Abnehmers mit niedriger Priorität verringert wird und die Abnehmer-Quantität des Abnehmers mit hoher Priorität erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei basierend auf den Prioritäten obere Grenzen für die Abnehmer-Quantitäten (X_i) der Abnehmer bestimmt werden; und die Abnehmer-Quantität (X_i) eines Abnehmers mit niedriger Priorität durch die obere Grenze dieses Abnehmers beschränkt wird und/oder für einen Abnehmer mit hoher Priorität für maximal eine vorbestimmte Zeitspanne zugelassen wird, dass dessen Abnehmer-Quantität (X_i) die obere Grenze dieses Abnehmers überschreitet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Abnehmer entsprechend den zugeteilten Abnehmer-Quantitäten (X_i) angesteuert werden (140).
Elektronische Steuereinheit (1) eines hydraulischen Antriebs oder für einen hydraulischen Antrieb einer Arbeitsmaschine, der wenigstens eine Leistungsquelle (4) und mehrere von dieser mit einer physikalischen Größe versorgbare Abnehmer (5, 6, 71, 72, 73, 74) aufweist, wobei die Arbeitsmaschine entsprechend mehreren Betriebssituationen (S1, S2, S3) betreibbar ist; wobei die Steuereinheit (1) einen Prozessor umfasst und dazu eingerichtet ist, dass er das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ausführt.
Computerprogramm umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 1 bis 8 auszuführen.
Computerlesbarer Datenträger, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.