DE10214225C1 - Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Betätigungseinheit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Betätigungseinheit, insbesondere für Baumaschinen, wie sie im Zusammenhang mit dem Einsatz von je 2 Hydrotransformatoren pro Hydrozylinder verwendet wird. Die Integration von Hydrotransformatoren in eine hydraulische Schaltung soll eine Rückgewinnung der sonst ungenutzten potentiellen und kinetischen Energie von Betätigungselementen der hydraulischen Einheit bei deren Rückstellbewegungen in die Druckleitungen als zusätzlich zur Verfügung stehenden Druck ermöglichen. Dabei werden die Hydrotransformatoren entsprechend der jeweiligen Anforderungen an die hydraulische Betätigungseinheit von der Steuerung mit den dementsprechenden Stellsignalen versorgt. Die Stellsignale bewirken eine Verstellung der Hydrotransformatoren, die Veränderungen der Stärke und der Richtung des Volumenstroms bewirken. Die Volumenströme wirken ihrerseits auf den Hydrozylinder oder auch alternativ auf einen Hydromotor, der dann die Bewegung des Verbrauchers bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Betätigungseinheit, insbesondere für Baumaschinen, wie sie im Zusammenhang mit dem Einsatz von je zwei Hydrotransformatoren pro Hydrozylinder verwendet wird. Die Integration von Hydrotransformatoren in eine hydraulische Schaltung soll eine Rückgewinnung der sonst ungenutzten potentiellen und kinetischen Energie von Betätigungselementen der hydraulischen Einheit bei deren Rückstellbewegungen in die Druckleitungen als zusätzlich zur Verfügung stehenden Druck ermöglichen. Dabei werden die Hydrotransformatoren entsprechend der jeweiligen Anforderungen an die hydraulische Betätigungseinheit von der Steuerung mit den dementsprechenden Stellsignalen versorgt. Die Stellsignale bewirken eine Verstellung der Hydrotransformatoren, die Veränderungen der Stärke und der Richtung des Volumenstroms bewirken. Die Volumenströme wirken ihrerseits auf den Hydrozylinder, oder auch alternativ auf einen Hydromotor, der dann die Bewegung des Verbrauchers bewirkt.

Eine bekannte Steuerung für Hydrotransformatoren wurde auf der "Sixth Scandinavian International Conference of Fluid Power" (1999, Tampere, Finnland) von den Autoren P. Achten und Dr. J. O. Palmberg vorgeschlagen, bei der statt der ansonsten bekannten Steuerung mit Steuerventilen erstmals ein Hydrotransformator zum Einsatz kommt.

Des weiteren wurde von S. Rotthäuser und P. Achten in der Zeitschrift "O + P" Nr. 42, Jahrgang 1998 eine Schaltung mit je einem Hydrotransformator an den beiden Anschlüssen eines Hydrozylinders bekannt gemacht, auf die erforderliche Steuerung oder Regelung wurde nicht weiter eingegangen.

Bei der auf der "Sixth Scandinavian International Conference of Fluid Power" erwähnten Steuerung mit einem Hydrotransformator je Verbraucher nutzen zylindrische Verbraucher nur den halben angelegten Druck. Diese Verbraucher müssen demzufolge mit der Hälfte der möglichen Kraft auskommen oder als Kompensation gegen den doppelten Druck stabiler und schwerer ausgeführt werden.

Der Einsatz der ansonsten bekannten Steuerungen für Hydrotransformatoren bewirkt eine einfache Verstellung der Steuerlinse der Hydrotransformatoren. Allerdings ist eine solche Steuerung noch mit Unsicherheiten für den Betrieb des Hydrozylinders behaftet, diese sind nicht in allen Bewegungsphasen kontrolliert benutzbar. So zum Beispiel ist ein Stillstand des Verbrauchers nur unter Zeitverzögerungen und schwingungsbehaftet erreichbar. Ebenfalls ist es möglich, daß der Hydrozylinder beim Ausfahren gegen eine äußere Last bis zur maximal verfügbaren Pumpenmenge beschleunigt, da erst dann der Druck in der Druckleitung auf den Lastdruck zusammenbrechen würde. Dies könnte relativ unkontrollierbare Bewegungen der an den Hydrozylinder angeschlossen Bauelemente zur Folge haben.

Des weiteren offenbart die DE 198 42 534 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Antriebssystems, bei dem die Steuerung eines Hydrozylinders über einen Hydrotransformator erfolgt, der mit seinem primärseitigen Druckanschluss am Drucknetz liegt und über dessen sekundärseitigen Druckanschluss Druckmittel dem kolbenstangenabseitigen Druckraum des Hydrozylinders zuführbar oder aus dem kolbenstangenabseitigen Druckraum abführbar ist.

Die DE 100 06 977 A1 offenbart eine Regeleinrichtung eines Hydrotransformators, die den Druck und die Menge eines Druckmittels regelt, das einem mit einer Last beaufschlagten hydraulischen Verbraucher zugeführt ist. Die Stellgrößen eines Druckreglers und eines Förderstromreglers sind einer Begrenzungsschaltung in der Weise zugeführt, daß sie die Stellgröße des einen Reglers auf den Wert der Stellgröße des jeweils anderen Reglers begrenzt, wenn der dem anderen Regler zugeführte Istwert gleich seinem Sollwert ist, und daß sie die Stellgröße des einen Reglers ohne Begrenzung weiterteitet, wenn der dem anderen Regler zugeführte Istwert kleiner als der entsprechende Sollwert ist. Die Ausgangsgröße der Begrenzungschaltung ist einem Drehzahlregler als Drehzahl-Sollwert zugeführt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Bewegungsabläufe des Verbrauchers selbsttätig kontrolliert zu gestalten, so zum Beispiel einen Stillstand und/oder eine Geschwindigkeit mit einem konstanten Sollwert des Verbrauchers zu erreichen.

Die Erfindung löst die Aufgabe der kontrollierten Bewegungsabläufe durch eine Steuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der beiliegenden Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im folgenden näher erläutert werden.

Der von der Pumpe 1 erzeugte Volumenstrom erzeugt einen Druck in der gemeinsamen Druckleitung 2. Dieser Druck liegt somit ebenfalls an den Hydrotransformatoren 3, 4 an, deren Ausgänge einerseits mit dem Hydrozylinder 5, andererseits mit dem Tank verbunden sind. Mit den Druckleitungen zwischen Hydrotransformatoren 3, 4 und Hydrozylinder 5 sind Druckmessgeräte 8, 9, 10 verbunden. Die Steuerung 6, in der Zeichnung als "Electronic motion control" bezeichnet, ist über die Leitung 7 mit der Pumpe 1, den Hydrotransformatoren 3, 4; den Druckmessgeräten 8, 9, 10 und der Kontrolleinheit 11 (in der Zeichnug als "control lever" bezeichnet) sowie mit anderweitigen Messgeräten (nicht dargestellt) verbunden.

Die notwendige Steuerung der Flußrichtung und -menge wird anhand der gemessenen Drücke 8, 9 am Zylinder 5; des Kennfeldes der eingesetzten Hydrotransformatoren 3, 4 und den vom Bediener vorgegebenen Richtungssignalen 11 von der Steuerelektronik 6 entsprechend als Stellsignal an die Hydrotransformatoren 3, 4 weitergegeben. Anhand der Drücke entscheidet die Steuerelektronik 6 auch, wie die Hydrotransformatoren 3, 4 bei Bewegungsbeginn anzusteuern sind.

Ohne genaue Kenntnis des Kennfeldes der eingesetzten Hydrotransformatoren 3, 4 ist die erwähnte Steuerung nicht sicher benutzbar.

Erst durch die Verwendung des Kennfeldes der Hydrotransformatoren 3, 4 als feste Größen in der Steuerung 6 ist es dieser möglich, ein Stillstand der Verbraucherbewegung durch Gegensteuerung zu realisieren.

Bei Vorliegen der Drücke 8, 9 und 10, der Kennfelder der Hydrotransformatoren 3, 4 und des Übersetzungsverhältnisses des Zylinders 5 in Signalform in der Steuerelektronik 6 bewirkt diese die Verstellung der Hydrotransformatoren 3 und 4 solange, bis das Druckverhältnis 8 zu 9 dem Übersetzungsverhältnis entspricht. Damit sind die Kolbentrommeln der Hydrotransformatoren 3, 4 im Gleichgewicht und es fließt keine Druckflüssigkeit. Dies gilt analog für rotatorische Verbraucher.

Soll nun z. B. ein Zylinder 5 gegen eine äußere Kraft ausgefahren werden, so wird zunächst durch ein vom Bediener vorgegebenes Richtungssignal 11 die Bewegungsrichtung vorgegeben. Über die Druckmessungen 8 und 9 wird die vorliegende Kraftrichtung festgestellt. Dann wird der Hydrotransformator 4 durch die Steuerelektronik 6 so verstellt, daß er den Abfluß von der Stangenseite des Zylinders 5 zum Tank ungedrosselt freigibt. Der Hydrotransformator 3 wird durch die Steuerelektronik 6 so verstellt, daß eine Verbindung von der Druckleitung 2 zur Bodenseite des Hydrozylinders 5 hergestellt wird. Die Tankverbindung des Hydrotransformators 3 bleibt zunächst verschlossen. Bei einer korrekten Systemauslegung ist der Lastdruck auf der Bodenseite des Hydrozylinders 5 geringer als der Druck in der Druckleitung 2. Folglich fließt Druckflüssigkeit von der Druckleitung 2 zur Bodenseite des Hydrozylinders 5. Da an der Stangenseite kein nennenswerter Gegendruck herrscht, beschleunigt der Hydrozylinder 5 in der gewünschten Richtung gegen die äußere Kraft.

Das Einfahren eines Zylinders gegen eine ziehende Last erfolgt analog in umgekehrter Weise.

Soll der Hydrozylinder 5 unter einer drückenden äußeren Last (z. B. aus dem Gewicht der Arbeitsausrüstung) kontrolliert eingefahren werden, so wird zunächst durch ein vom Bediener vorgegebenes Richtungssignal 11 die Bewegungsrichtung vorgegeben. Über die Druckmessungen 8 und 9 wird die vorliegende Kraftrichtung festgestellt. Dann wird der Hydrotransformator 4 durch die Steuerelektronik 6 so verstellt, daß er den Zufluß vom Tank zur Stangenseite des Zylinders 5 ungedrosselt freigibt und sein Anschluß zur Druckleitung verschlossen bleibt. Der Zylinder kann nun entsprechend seiner Einfahrgeschwindigkeit Druckflüssigkeit aus dem Tank nachsaugen. Der Hydrotransformator 3 wird durch die Steuerelektronik 6 so verstellt, daß eine Verbindung von der Bodenseite des Hydrozylinders 5 zum Tank hergestellt wird. Die Verbindung des Hydrotransformators 3 zur Druckleitung 2 bleibt zunächst verschlossen. Da der Lastdruck auf der Bodenseite des Hydrozylinders 5 größer als der Tankdruck ist, fließt Druckflüssigkeit von der Bodenseite des Hydrozylinders 5 zum Tank. Der Hydrozylinder 5 beschleunigt unter der äußeren Last in der gewünschten Richtung und beginnt, einzufahren.

Ebenfalls läßt sich durch die Verwertung des Kennfeldes der Hydrotransformatoren 3, 4 die Erreichung der vorgegebenen Sollgeschwindigkeit des Verbrauchers und das Halten dieser realisieren. Das geschieht dadurch, daß die tatsächliche Geschwindigkeit des Hydrozylinders 5 dem Betrag und der Richtung nach durch Weg- oder Volumenstrommessung ermittelt wird. Wird der Sollwert der Geschwindigkeit des Hydrozylinders 5 erreicht, so verstellt die Steuerelektronik 6 den Hydrotransformator 3 unter Zuhilfenahme seines Kennfeldes so, daß der Zufluß von der Druckleitung 2 verringert wird und zunehmend der Tankanschluss des Hydrozylinders 3 so geöffnet wird, daß gerade so viel Druckflüssigkeit aus der Tankleitung angesaugt wird, daß der Gesamtzufluß aus Druckleitung 2 und Tank ab jetzt konstant entsprechend dem Sollwert der Geschwindigkeit bleibt. Der Druck stellt sich entsprechend dem Verhältnis der zufließenden Volumenströme von Druckleitung 2 und Tank auf den Wert des Lastdrucks auf der Bodenseite des Hydrozylinders 5 ein. Der Hydrozylinder 5 fährt nun mit konstanter Sollgeschwindigkeit aus.

Ohne weitere Regelung ist es denkbar, daß der Hydrozylinder 5 beim Ausfahren gegen eine äußere Last bis zur maximal verfügbaren Pumpenmenge beschleunigt, da erst dann der Druck in der Druckleitung auf den Lastdruck zusammenbrechen würde. Daher wird durch die Größe des vom Bediener vorgegebenen Richtungssignals 11 nicht nur die Richtung, sondern auch der Sollwert der Geschwindigkeit vorgegeben. Die tatsächliche Geschwindigkeit des Zylinders wird nach Betrag und Richtung z. B. durch Wegmessung oder durch Volumenstrommessung ermittelt. Wird der Sollwert der Ausfahrgeschwindigkeit des Hydrozylinders 5 erreicht, so verstellt die Steuerelektronik 6 den Hydrotransformator 3 so, daß der Zufluß von der Druckleitung 2 verringert wird und zunehmend dessen Tankanschluß so geöffnet wird, daß gerade soviel Druckflüssigkeit aus der Tankleitung angesaugt wird, daß der Gesamtzufluß aus Druckleitung 2 und Tank ab jetzt konstant entsprechend dem Sollwert der Geschwindigkeit bleibt. Der Druck stellt sich entsprechend dem Verhältnis der zufließenden Volumenströme von Druckleitung 2 und Tank auf den Wert des Lastdruckes auf der Bodenseite des Hydrozylinders 5 ein. Der Hydrozylinder 5 fährt nun mit konstanter Sollgeschwindigkeit aus.

Steigt z. B. der Lastdruck bei gleichbleibendem Sollwert der Geschwindigkeit, so verzögert der Hydrozylinder 5 etwas. Durch diese Sollwertabweichung verstellt die Steuerelektronik 6 den Hydrotransformator 3 zwischen Tank und Druckleitung 2 etwas mehr zur Druckleitung hin, wodurch der der Bodenseite des Hydrozylinders 5 zufließende Druck sich auf den Wert des neuen Lastdruckes erhöht und die Geschwindigkeit wieder auf den Sollwert korrigiert wird.

Sinkt z. B. der Lastdruck bei gleichbleibendem Sollwert der Geschwindigkeit, so beschleunigt der Hydrozylinder 5 etwas. Durch diese Sollwertabweichung verstellt die Steuerelektronik 6 den Hydrotransformator 3 zwischen Tank und Druckleitung 2 etwas mehr zum Tank hin, wodurch der der Bodenseite des Hydrozylinders 5 zufließende Druck auf den Wert des neuen Lastdruckes absinkt und die Geschwindigkeit wieder auf den Sollwert korrigiert wird. So kann jede beliebige Geschwindigkeit ohne Drosselverluste gefahren werden.

Kehrt sich die Kraftrichtung am Hydrozylinder 5 auf ziehende Last um, so erkennt das die Steuerelektronik 6 an den gemessenen Drücken 8 und 9. Dann wird der Hydrotransformator 3 durch die Steuerelektronik 6 so verstellt, daß er den Zufluß vom Tank zur Bodenseite des Zylinders 5 ungedrosselt freigibt und sein Anschluß zur Druckleitung verschlossen bleibt. Der Zylinder kann nun entsprechend seiner Ausfahrgeschwindigkeit Druckflüssigkeit aus dem Tank nachsaugen. Der Hydrotransformator 4 wird durch die Steuerelektronik 6 so verstellt, daß dieser die Stangenseite des Hydrozylinders so mit Tank und Druckleitung 2 verbindet, daß sich an der Stangenseite genau der Lastdruck einstellt und die Ausfahrgeschwindigkeit unter ziehender Last konstant gleich dem Sollwert bleibt. Der aus der Stangenseite abfließende Volumenstrom spaltet sich entsprechend der Druckverhältnisse zwischen Tank und Druckleitung 2 auf.

Ein Einfahren des Hydrozylinders 5 gegen eine ziehende Last mit oder ohne Richtungswechsel der Kraft erfolgt analog.

Auch der umgekehrte Fall ist zu betrachten, bei dem der Hydrozylinder 5 unter einer drückenden äußeren Last kontrolliert eingefahren werden soll. Ohne weitere Regelung könnte er beschleunigen, bis die Druckverluste im Rücklauf zum Tank gleich dem Lastdruck wären. Diese Geschwindigkeit ist bei höheren Lastdrücken zu hoch, nicht beherrschbar und bedeutet zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den Komponenten. Daher wird durch die Größe des vom Bediener vorgegebenen Richtungssignals auch der Sollwert der Geschwindigkeit vorgegeben. Die tatsächliche Geschwindigkeit des Zylinders wird nach Betrag und Richtung z. B. durch Wegmessung oder durch Volumenstrommessung gemessen. Wird der Sollwert der Einfahrgeschwindigkeit des Hydrozylinders 5 erreicht, so verstellt die Steuerelektronik 6 den Hydrotransformator 3 so, daß der Abfluß in den Tank verringert wird und zunehmend dessen Anschluß zur Druckleitung 2 so geöffnet wird, daß gerade soviel Druckflüssigkeit in die Druckleitung 2 zurückgedrückt wird, daß der Gesamtabfluß aus der Bodenseite des Hydrozylinders 5 in Druckleitung 2 und Tank ab jetzt konstant entsprechend dem Sollwert der Geschwindigkeit bleibt. Der Druck am Verbraucheranschluß des Hydrotransformators 3 mischt sich entsprechend dem Verhältnis der abfließenden Volumenströme zu Druckleitung 2 und Tank auf den Wert des Lastdruckes auf der Bodenseite des Hydrozylinders 5. Der Hydrozylinder 5 fährt nun mit konstanter Sollgeschwindigkeit ein.

Steigt z. B. der Lastdruck bei gleichbleibendem Sollwert der Geschwindigkeit, so beschleunigt der Hydrozylinder 5 etwas. Durch diese Sollwertabweichung verstellt die Steuerelektronik 6 den Hydrotransformator 3 zwischen Tank und Druckleitung 2 etwas mehr zur Druckleitung hin, wodurch sich der Druck am Zylinderanschluß des Hydrotransformators 3 auf den Wert des neuen Lastdruckes erhöht und die Einfahrgeschwindigkeit wieder auf den Sollwert korrigiert wird.

Sinkt z. B. der Lastdruck bei gleichbleibendem Sollwert der Geschwindigkeit, so verzögert der Hydrozylinder 5 etwas. Durch diese Sollwertabweichung verstellt die Steuerelektronik 6 den Hydrotransformator 3 zwischen Tank und Druckleitung 2 etwas mehr zum Tank hin, wodurch sich der Druck am Zylinderanschluß des Hydrotransformators 3 auf den Wert des neuen Lastdruckes verringert und die Geschwindigkeit wieder auf den Sollwert korrigiert wird.

Ein Abreißen des Volumenstroms aus dem Tank über den Hydrotransformator 4 in die Stangenseite des Hydrozylinders 5 bei hohen Geschwindigkeiten wird dabei durch die Druckmessung 9 sicher erkannt und an die Steuerelektronik 6 weitergeleitet. Diese korrigiert dann entweder den Sollwert der Geschwindigkeit nach unten oder sie verstellt den Hydrotransformator 4 so, daß dieser zunehmend Druckflüssigkeit aus der Druckleitung 2 beimischt, bis wieder ein ausreichender Absolutdruck an der Stangenseite des Zylinders 5 erreicht ist.

Alle für Hydrozylinder beschrieben Vorgänge sind analog auch mit Hydromotoren möglich. Die Geschwindigkeitsmessung kann dabei z. B. durch Drehzahl- oder Volumenstrommessung erfolgen.

Somit genügt für die gesamte Erkennung von Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit eine Volumenstrom- oder Weg- bzw. Drehzahlmessung je Verbraucher. Der Regelkreis stellt eine weitere Verbesserung des Steuerverhaltens dar, da auch bei Änderung der äußeren Kräfte auf den Verbraucher die geforderte Bewegungsgeschwindigkeit ohne Drosselverluste eingehalten wird. Eine Sicherheitsdrosselung der Druckflüssigkeit zur Vermeidung zu hoher, unkontrollierter Arbeitsgeschwindigkeiten oder zu hoher Strömungsgeschwindigkeiten in den angeschlossenen Komponenten wird überflüssig, da der Bewegung durch die Steuerelektronik künstliche Begrenzungen gesetzt werden können.

So kann jede beliebige Geschwindigkeit entgegen oder in Richtung der äußeren Lasten ohne Drosselverluste gefahren werden. Der Gesamtwirkungsgrad einer Baumaschine mit hydrostatischen Antrieben kann hiermit erheblich gesteigert, wahrscheinlich sogar vervielfacht werden, was zu einer entsprechenden Reduzierung des Energieverbrauchs führt und aus ökonomischen wie ökologischen Gründen anzustreben ist. Die Kühler können ebenfalls deutlich kleiner dimensioniert werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Betätigungseinheit, bei der je ein Hydrotransformator (3, 4) an jede Seite eines zweiseitig mit Druck beaufschlagten Verbrauchers (5) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennfelder der Hydrotransformatoren (3, 4) als Eingabegrößen in der Steuerelektronik (6) der Betätigungseinheit verwendet werden.

2. Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Betätigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Hydrotransformator (3, 4) an jede Seite eines Hydrozylinders (5) angeschlossen ist.

3. Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Betätigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Hydrotransformator (3, 4) an jede Seite eines Hydromotors angeschlossen ist.

4. Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Betätigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennfelder der Hydrotransformatoren (3, 4) als Eingabegrößen in einer mechanischen Steuerung verwendet werden.

5. Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Betätigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennfelder der Hydrotransformatoren (3, 4) als Eingabegrößen in einer hydraulischen Steuerung verwendet werden.

6. Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Betätigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennfelder der Hydrotransformatoren (3, 4) als Eingabegrößen in einer elektrischen Steuerung verwendet werden.