-
Die
Erfindung betrifft eine geregelte hydraulische Achse, bzw. eine
geregelte pneumatische Achse. Beispiele für geregelte hydraulische
Systeme finden sich in den Offenlegungsschriften
WO 2007/010540 ,
DE 692 04 519 und
EP 0 932 773 A1 .
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Qualität
der Regelung eines hydraulischen oder eines pneumatischen Systems
zu verbessern.
-
Ein
Antriebssystem weist beispielsweise eine hydraulische Achse, eine
Hydraulikpumpe und eine elektrische Maschine auf. Die hydraulische
Achse ist hydraulisch mit der Hydraulikpumpe gekoppelt. Die hydraulische
Achse ist beispielsweise ein Hydraulikzylinder. Mittels des Hydraulikzylinders
lässt sich Energie, welche quasi über Hydraulikflüssigkeit übertragen
wird, in eine steuerbare linear wirkende Kraft umwandeln. Die Hydraulikflüssigkeit
stammt z. B. aus einem hydraulischen Druckspeicher oder einer Hydraulikpumpe.
Hydraulikzylinder gibt es in verschiedenen Bauformen wie z. B.:
- • Differentialzylinder;
- • Gleichlaufzylinder/Gleichgangzylinder;
- • Tandemzylinder;
- • Plungerzylinder und
- • Teleskopzylinder.
-
Die
elektrische Maschine, beispielsweise eine elektrische Asynchronmaschine,
eine elektrische Synchronmaschine, oder aber auch eine Gleichstrommaschine
ist mit der Hydraulikpumpe mechanisch gekoppelt. Die mechanische
Kopplung erfolgt beispielsweise mittels einer Welle. Auch eine Kupplung
zwischen der elektrischen Maschine und der Hydraulikpumpe kann ein
Kopplungselement sein. Die Hydraulikpumpe ist beispielsweise eine
Innenzahnrad-Pumpe. Innenzahnrad-Pumpen können derart ausgeführt
sein, dass diese laufruhig sind und auch als ein Hydraulikmotor
eingesetzt werden können. Ferner können Innenzahnrad-Pumpen
als Stromteiler eingesetzt werden. Auch in einem 1-, 2- und 4-Quadrantenbetrieb,
oder in Kombination mit drehzahlveränderbaren elektrischen
Maschinen, finden Innenzahnrad-Pumpen Einsatzgebiete. Darüber hinaus
gibt es auch Doppel- und Mehrkreispumpen. Innenzahnrad-Stromteiler
können einen Strom in verschiedene Volumenströme
aufteilen, beispielsweise in vier Volumenströme. Das Verhältnis
der Teilströme kann dabei konstant gehalten werden und
zwar unabhängig von der Belastung der Verbraucher. Damit können
Lasten in einfacher Weise synchron bewegt werden, selbst wenn unterschiedliche
Kräfte wirken. Hydraulikpumpen können motorisch,
wie auch generatorisch betrieben werden. Bei einem generatorischen
Betrieb wird Energie aus dem Hydrauliksystem in das Mechaniksystem übertragen,
welches die Antriebswelle der Hydraulikpumpe aufweist. Ist die Antriebswelle
beispielsweise mit einer elektrischen Synchronmaschine gekoppelt,
so kann diese als ein elektrischer Generator betrieben werden. Eine
Hydraulikpumpe kann in einem offenen Kreislauf, aber auch in einem
geschlossenen Kreislauf betrieben werden.
-
Zur
Regelung des Antriebssystems ist eine Regelungseinrichtung vorgesehen.
Die Regelungseinrichtung weist insbesondere zumindest einen der folgenden
Regler auf:
- • Lageregler/Positionsregler;
- • Geschwindigkeitsregler;
- • Stromregler und
- • Druckregler.
-
Das
Antriebssystem weist ferner einen Positionsgeber auf. Der Positionsgeber
dient insbesondere als Sensor für eine Größe,
welche von einem Positionswert (Istpositionswert) des Hydraulikzylinders abhängt.
Ein Lageregler der Regelungseinrichtung weist als Eingangsgröße
einen Lageistwert und einen Lagesollwert auf. Der Lageistwert ist
vom Istpositionswert des Positionsgebers abhängig. Der
Istpositionswert ist folglich zu mindest zum Teil ein Eingangssignal
der Regelungseinrichtung. Folglich ist auch ein Ausgangssignal der
Regelungseinrichtung abhängig vom Istpositionswert und
vom Sollpositionswert, für den Fall, dass die Positionsregelung
der Regelungseinrichtung aktiv ist.
-
Das
hier beschriebene Antriebssystem kann auf folgenden Anwendungsgebieten
eingesetzt werden:
- • Hydraulische
Pressen
- • Müllpressen
- • Kunststoffmaschinen
- • Druckgussmaschinen
- • Aggregatebau
- • Werkzeugmaschinen
- • Produktionsmaschinen
- • Aufzüge
- • Kräne
- • Stapler/Gabelstapler
- • Hochregallager
- • Seilwindenantrieb
- • Scherenhubtische
- • Rührwerke
- • Antriebe für Schiffsentladepumpen
- • usw.
-
Das
Antriebssystem kann, wie beschrieben, bei hydraulischen Systemen
verwendet werden. Es ist allerdings auch möglich, das beschriebene
Antriebssystem auf pneumatische Systeme zu übertragen.
Vom Grundprinzip wird dabei lediglich das Medium gewechselt. An
Stelle eines flüssigen Fluids bei einem hydraulischen System
wird bei einem pneumatischen System ein gasförmiges Fluid
verwendet.
-
Die
Geschwindikgeit bzw. Position einer hydraulischen Achse kann auch
mittels einer Konstantpumpe und hydraulischen Stetigventilen geregelt werden.
Bei dem Ansatz eine hydraulische Achse über eine Servopumpe
zu regeln, muss nicht unbedingt ein Direktmesssystem für
eine Geschwindigkeitsregelung eingesetzt werden. Es kann auch nur die
Drehzahl des Pumpenmotors über einen Motorgeber geregelt
werden. Die Positionsregelung erfolgt beispielsweise in einer übergeordneten
Steuerung.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen
beschrieben, welche unterschiedliche Merkmale aufweisen. Verschiedene
Merkmale dargestellter Variationen der Erfindung können
in verschiedenen Ausführungsformen zum Einsatz kommen,
obgleich nicht jede Kombinationsmöglichkeit beschrieben
oder dargestellt ist.
-
Die
Darstellungen zeigen gemäß:
-
1 eine
erste Regelung einer hydraulischen Achse;
-
2 eine
Regelung einer hydraulischen Achse mit einer Direct-Stiffnes-Control-Funktionalität oder
auch einer Dynamic-Servo-Control-Funktionalität;
-
3 eine
Regelung einer hydraulischen Achse unter Einbeziehung einer Mehrquadrantenpumpe;
-
4 eine
Regelung einer hydraulischen Achse unter Einbeziehung einer 2-Quadranten-Servopumpe
mit Rückführung eines Geschwindigkeitsistwertes
einer elektrischen Maschine;
-
5 eine
Regelung einer hydraulischen Achse unter Einbeziehung einer 4-Quadranten-Servopumpe
mit Rückführung eines Geschwindigkeitsistwertes
einer elektrischen Maschine;
-
6 eine
Regelung einer hydraulischen Achse unter Einbeziehung einer 2-Quadranten-Servopumpe
ohne Rückführung eines Geschwindigkeitsistwertes
einer elektrischen Maschine;
-
7 eine
Regelung einer hydraulischen Achse unter Einbeziehung einer 4-Quadranten-Servopumpe
ohne Rückführung eines Geschwindigkeitsistwertes
einer elektrischen Maschine.
-
Die
Darstellung gemäß 1 zeigt
ein Antriebssystem 1. Das Antriebssystem 1 weist
eine hydraulische Achse 3 auf. Die hydraulische Achse 3 ist ein
Hydraulik-Linear-Aktuator. Eine lineare Bewegung der hydraulischen
Achse 3 ist mittels eines Positionsgebers (z. B. Linearmaßstab) 11 messbar.
Der Positionsgeber 11 ist ein linearer Positionsgeber, welcher
einen Istpositionswert 13 ausgibt. Der Istpositionswert 13 ist
ein Eingangssignal einer Steuerung 20. Ein weiteres Eingangssignal
der Steuerung 20 ist ein Sollpositionswert 17.
Die Steuerung 20 weist einen Lageregler 21 auf,
der die Positionswerte 13, 17 verarbeitet. Die
hydraulische Achse 3, welche einen Kolben 6 aufweist,
ist über Hydraulikleitungen 4 mit einer Hydraulikpumpe 5 verbunden.
Das Hydrauliksystem weist einen Hydrauliktank 8 auf. Das
Hydrauliksystem ist also ein offenes System. Die Hydraulikpumpe 5 ist
mittels einer mechanischen Welle 10 mit einer elektrischen
Maschine 7 mechanisch gekoppelt. Die elektrische Maschine 7 kann
beispielsweise motorisch oder auch generatorisch betrieben werden.
Ein Servomotor ist ein Beispiel für eine elektrische Maschine 7 eingesetzt
zum Antrieb der Pumpe 5. Die elektrische Maschine 7 weist
einen Motorgeber 12 auf. Aus einem Signal des Motorgebers 12 ist
ein Geschwindigkeitsistwert 22 ermittelbar. Dieser Geschwindigkeitsistwert 22 dient
als ein Eingangssignal der Regelungseinrichtung 9. Die
Regelungseinrichtung 9 kann in eine Antriebseinrichtung
integriert sein, welche auch einen Stromrichter aufweist. Dieses
ist in der 1 nicht dargestellt. Ein Stromrichter kann
auch in einer separaten Einheit ausgeführt sein. Mittels
des Stromrichters ist die elektrische Maschine mit elektrischem
Strom ansteuerbar. Durch die Nichtdarstellung des Stromrichters
ist eine vereinfachte prinzipielle Darstellung des Antriebssystems
gegeben. Die Regelungseinrichtung 9 weist einen Geschwindigkeitsregler 24 und
einen Stromregler 26 auf. Dem Geschwindigkeitsregler 24 ist
eine Differenz aus dem Geschwindigkeitsistwert 22 und einem Geschwindigkeitssollwert 23 zugeführt.
Der Geschwindigkeitssollwert 23 ist ein Ausgangssignal
der Steuerung 20. Auch die Regelungseinrichtung 9 weist
ein Ausgangssignal 15 auf. Das Ausgangssignal 15 ist
vom Ausgang des Stromreglers 26 abhängig. Da in
der 1 auf die Darstellung eines Stromrichters verzichtet
wurde um die Graphik lesbarer zu machen, ist der Ausgang des Stromreglers 26 direkt auf
die elektrische Maschine 7 geführt.
-
Aus
dem Positionswert 13 lässt sich auch ein differenzierter
Wert bilden, welcher eine Istgeschwindigkeit repräsentiert.
Die Istgeschwindigkeit der Achse kann dann mit einer Sollgeschwindigkeit
verknüpft werden, um eine Geschwindigkeitsregelung der
Achse 3 und keine Positionsregelung der Achse 3 zu
realisieren. Eine reine Geschwindigkeitsregelung ist in der 1 allerdings
nicht dargestellt.
-
Die
Darstellung gemäß 2 orientiert
sich an der Darstellung gemäß 1. 2 unterscheidet
sich von 1 dadurch, dass gemäß 2 der Lageregler
(Positionsregler) 21 in der Regelungseinrichtung 9 integriert
ist. Die Signalführung der Istwerte und Sollwerte ist entsprechend
umgestellt. Ferner weist die elektrische Maschine 7 keinen
Motorgeber auf. Durch die vorhandene Lageregelung kann auf diese
Rückführung des vom Motorgeber 12 generierten
Istsignals auf das Reglersystem des Antriebssystems verzichtet werden.
Auch hier kann alternativ auf die Geschwindigkeit der hydraulischen
Achse geregelt werden, wobei dies in 2 nicht
explizit dargestellt ist. Wie im Beispiel nach 1 kann
eine Servopumpe eingesetzt werden. Im Vergleich zu dort erfolgt
die Regelung nicht auf den Motorgeber, sondern es wird auf die tatsächliche
Position des der hydraulischen Achse 3 geregelt. Bei einer
direkten Regelung auf die tatsächliche Geschwindigkeit
der hydraulischen Achse 3 würde der Positionsregler 21 entfallen.
Anstelle der Sollposition 17 wäre eine Sollgeschwindigkeit
vorzugeben.
-
Aus
dem Regeln auf ein Direktmesssystem können sich folgende
Vorteile ergeben:
- • Zum einen werden
Nichtlinearitäten des Systems im Antrieb ausgeregelt, was
bei einem schnellen Regeltakt im Antrieb zu einem besseren Regelergebnis
führt.
- • Des Weiteren kann bei diesem Regelungskonzept die
Positionsregelung durch die Funktionalität DCS (Dynamic
Servo Control) ebenso im Antrieb gerechnet werden. Da der Regeltakt
des Antriebs (dieser weist zumindest die Regelungseinrichtung 9 auf)
wesentlich schneller als in der Steuerung 20 ausgeführt
werden kann, ergibt sich eine bessere Regelgüte.
-
Die
Darstellung gemäß 3 zeigt
ein weiteres Regelungskonzept. Die Regelungseinrichtung 9 weist
einen Positionsregler 21, einen Geschwindigkeitsregler 24 und
einen Stromregler 26 auf. Sollpositionswert 17,
Istpositionswert 13 und Geschwindigkeitsistwert 22 vom
Geber 12 eines Servomotors 7 sind Eingangssignale
der Regelungseinrichtung 9, welche den Servomotor 7 regelt.
Der Servomotor 7 ist über die Welle 10 mit
der Mehr-Quadranten-Pumpe 5 gekoppelt. Die Pumpe 5 ist über
Hydraulikleitungen 4 mit dem Hydraulik-Linear-Aktuator 3 gekoppelt.
Die Position des Kolbens 6 des Hydraulik-Linear-Aktuators 3 lässt
sich mittels des Gebers 11 ermitteln. Dieser Geber 11 ist
beispielsweise ein Linearmaßstab. Mittels eines Gebers 11 könnte
auch ein Geschwindigkeitsistwert des Kolbens 6 gemessen werden.
-
Die
Darstellung gemäß 4 unterscheidet sich
von 1 dadurch, dass gemäß 4 in
die Regelungseinrichtung 9 die Steuerung 20 mit
integriert ist. Die Hydraulikpumpe 5 ist eine 2-Quadranten-Servopumpe,
wobei zwischen der Hydraulikpumpe 5 und der hydraulischen
Achse 3 ein Wegeventil für Richtungsumkehr 35 zwischengeschaltet
ist. Bei dem System nach 4 handelt es sich um einen offenen
Hydraulik-Kreislauf mit einer 2-Quadranten-Pumpe. Diese Servopumpe
wirkt in einer Drehrichtung im Pumpenbetrieb und in der anderen
Drehrichtung als Motor. Im Motorbetrieb können Hydraulik-Akkumulatoren
bzw. Batterien oder ein elektrisches Stromnetz gespeist werden.
-
Das
Umschalten der Bewegungsrichtung des Zylinders erfolgt via des Wegeventils 35.
So kann die Pumpe in beiden Richtungen als Pumpe oder Motor arbeiten.
-
Die
Darstellung gemäß 5 unterscheidet sich
von 1 dadurch, dass gemäß 5 die
Regelungseinrichtung 9 in die Steuerung 20 integriert ist.
Steuerungsgeräte können abhängig von
deren technischer Ausprägung oft nicht nur Steuerungsfunktionalitäten
bereitstellen, sondern auch Regelungsfunktionen. Nach 5 ist
die Hydraulikpumpe 5 eine 4-Quadranten-Pumpe, d. h. die
Pumpe kann in beiden Drehrichtungen als Pumpe oder Motor arbeiten.
Der Hydraulik-Kreislauf nach 5 ist geschlossen.
Die Geschwindigkeitsregelung der hydraulischen Achse 3 erfolgt über
eine Drehzahlregelung des Servomotors 7. Die Lageregelung
mit dem Lagesollwert 17 und dem Lageistwert 13 ist überlagert. Diese
Lageregelung kann auch weggelassen werden. Als ein Sollwert für
die Geschwindigkeitsregelung ist dann an der Stelle des Lagesollwertes
ein Geschwindigkeitssollwert 17 vorzugeben. Die Rückführung
des Lagesollwertes 13 entfällt dabei.
-
Die
Darstellung gemäß 6 unterscheidet sich
von 2 durch das zusätzliche Wegeventil für Richtungsumkehr 35.
Die Hydraulikpumpe 5 ist eine 2-Quadranten-Servopumpe,
wobei zwischen der Hydraulikpumpe 5 und der hydraulischen
Achse 3 das Wegeventil für Richtungsumkehr 35 zwischengeschaltet
ist. Bei dem System nach 6 handelt es sich um einen offenen
Hydraulik-Kreislauf mit einer 2-Quadranten-Pumpe. Diese Servopumpe
wirkt in einer Drehrichtung im Pumpenbetrieb und in der anderen
Drehrichtung als Motor. Im Motorbetrieb können Hydraulik-Akkumulatoren
bzw. Batterien oder ein elektrisches Stromnetz gespeist werden.
Das Umschalten der Bewegungsrichtung des Zylinders erfolgt via des
Wegeventils 35. So kann die Pumpe in beiden Richtungen
als Pumpe oder Motor arbeiten. Die Servopumpe 5 wird nicht
auf einen Motorgeber geregelt, sondern es wird auf die tatsächliche
Position des Hydraulik-Zylinders geregelt. Die Position wird mittels
des Direktmesssystems 11 aufgenommen, wobei die Positionsregelung
in einem Antriebsgerät, welches die Regelungseinrichtung 9 und
einen Stromrichter aufweist, vorgenommen werden kann. Alternativ
zur Positionsregelung der Achse mittels des Positionsgebers der
Achse, kann natürlich auch eine Geschwindigkeitsregelung
mittels eines Geschwindigkeitsgebers der Achse erfolgen. Dies ist
in der 6 allerdings nicht dargestellt.
-
Die
Darstellung gemäß 7 unterscheidet sich
von 2 dadurch, dass gemäß 7 die
Hydraulikpumpe 5 eine 4-Quadranten-Pumpe ist, d. h. die
Pumpe kann in beiden Drehrichtungen als Pumpe oder Motor arbeiten.
Der Hydraulik-Kreislauf nach 7 ist geschlossen.
Durch die Positionsregelung der Achse 3 in einem Antrieb
könnten sich verschieden Vorteile ergeben. Zum einen wird
eine überlagerte Steuerung entlastet, da die Positionsregelung
im Antrieb erfolgt. D. h., die überlagerte Steuerung 20 muss
nur die notwendigen Soll-Werte für den Antrieb liefern,
in dem die Regelungseinrichtung 9 integriert ist. Die komplette
Regelung der hydraulischen Achse kann im Antrieb der elektrischen
Maschine 7 gekapselt sein. Ein weiterer Vorteil kann sein,
dass auf einen Motorgeber verzichtet werden kann.
-
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
-
- - WO 2007/010540 [0001]
- - DE 69204519 [0001]
- - EP 0932773 A1 [0001]