DE202015105177U1 - Anordnung zum Bestimmen eines Drucks - Google Patents

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Abstract

Anordnung (100) zum Bestimmen eines durch eine mittels eines Elektromotors (31) angetriebene Pumpe (30) erzeugten Drucks (64), wobei die Anordnung (100) dazu eingerichtet ist, den Druck (64) auf Grundlage einer Differenz aus einem inneren Drehmoment (114) und einem Verlustmoment (108) zu ermitteln, wobei die Anordnung (100) weiterhin dazu eingerichtet ist, das innere Drehmoment (114) aus einem Motorstrom (110) und einer Motorkonstante (ke) zu ermitteln.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Bestimmen eines Drucks, eine Regeleinrichtung zum Regeln eines Drucks und eine Einrichtung zum Betreiben einer Pumpe.
  • Unter einer Pumpe wird hierin eine Arbeitsmaschine verstanden, die dazu dient, Flüssigkeiten zu fördern. Hierunter fallen auch Flüssigkeits-Feststoff-Gemische, Pasten und Flüssigkeiten mit geringem Gasanteil. Im Betrieb der Pumpenvorrichtung wird die Antriebsarbeit in die Bewegungsenergie der transportierten Flüssigkeit gewandelt.
  • Die vorliegende Anordnung dient insbesondere zum Bestimmen eines Drucks bei einer Getriebeölzusatzpumpe. Im hydraulischen Schaltbild sind die Getriebeölzusatzpumpe und die Hauptölpumpe parallel geschaltet. Wenn die Hauptölpumpe ausgeschaltet ist oder eine zu geringe Drehzahl hat, soll die Getriebeölzusatzpumpe einen Druck aufrecht erhalten. Hierzu soll die Getriebeölzusatzpumpe einen stabilen Druck gewährleisten.
  • Die Druckschrift DE 10 2011 086 572 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Regelvorrichtung zur drehzahlvariablen Regelung eines Verdrängerpumpenaggregats. Das Verdrängerpumpenaggregat umfasst eine Verdrängerpumpe und einen Antrieb, der aus einem elektrischen Antriebsmotor und einem Frequenzumrichter besteht. Es wird ein Enddruck der Verdrängerpumpe durch die Regelvorrichtung auf einen Enddrucksollwert geregelt, wobei diese vom Antrieb gelieferte Zustandswerte erfasst. Durch die Regelvorrichtung wird daraus der Enddruck ermittelt.
  • Vor diesem Hintergrund werden eine Anordnung zum Bestimmen eines Drucks nach Anspruch 1, eine Regeleinrichtung gemäß Anspruch 8 und eine Einrichtung zum Betreiben einer Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
  • Es wird eine Anordnung zum Bestimmen eines durch eine mittels eines Elektromotors angetriebene Pumpe erzeugten Drucks vorgestellt, wobei die Anordnung dazu eingerichtet ist, den Druck auf Grundlage einer Differenz aus einem inneren Drehmoment und einem Verlustmoment zu ermitteln, wobei die Anordnung weiterhin dazu eingerichtet ist, das innere Drehmoment aus einem Motorstrom und einer Motorkonstante zu ermitteln.
  • In einer Ausführungsform wird das Verlustmoment aus einer Temperatur, insbesondere einer Öl-Temperatur, und einer Motordrehzahl ermittelt.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, das Verlustmoment mit einem Kennfeld zu ermitteln.
  • Die vorgestellte Anordnung ist insbesondere für eine Verdrängerpumpe ausgebildet. Diese Verdrängerpumpe kann als Zahnringpumpe ausgebildet sein. Es hat sich gezeigt, dass die Bestimmung des Istdrucks über das Drehmoment bei Verdrängerpumpen gut funktioniert, insbesondere bei Zahnringpumpen bzw. Gerotorpumpen. Bei Zahnringpumpen bzw. Gerotorpumpen verhält sich das äußere Hohlrad ähnlich wie ein Gleitlager, und über einen großen Betriebsbereich findet zwischen den Bauteilen eine Flüssigkeitsreibung statt. Dies führt dazu, dass die Bestimmung des Istdrucks vergleichsweise genau funktioniert. Sobald dagegen Mischreibung auftritt, wie es beispielsweise bei Flügelzellenpumpen in einem vergleichsweise größeren Arbeitsbereich der Fall ist, wird die Bestimmung des Istdrucks ungenauer. Daher ist die Verwendung einer Zahnradpumpe bzw. Gerotorpumpe vorteilhaft für die beschriebene Bestimmung des Istdrucks.
  • In einer weiteren Ausführung dient die vorgestellte Anordnung zum Bestimmen eines Drucks, der durch eine Gerotorpumpe erzeugt wird.
  • Die Anordnung kann dazu eingerichtet sein, einen Istdruck für eine Druckregelung zu bestimmen. Dieser Istdruck ist in diesem Fall der Druck, der mit der vorgestellten Anordnung bestimmt wird.
  • Es wird weiterhin eine Regeleinrichtung zum Regeln eines durch eine Pumpe erzeugten Drucks vorgestellt, mit einem Regler, der auf Grundlage einer Differenz zwischen einem Solldruck und einem Istdruck eine Stellgröße ermittelt, wobei die Regeleinrichtung über eine Anordnung zum Bestimmen des Istdrucks verfügt, wobei als Anordnung eine Anordnung der vorstehend beschriebenen Art dient.
  • In einer Ausführungsform dient ein PI-Regler als Regler.
  • Es wird weiterhin eine Einrichtung zum Betreiben einer Pumpe mit einer Regeleinrichtung der beschriebenen Art, einer Einheit zum Durchführen einer Vorsteuerung, wie bspw. einer Speedrampe, und einem Schalter zum Umschalten zwischen der Regeleinrichtung und der Einheit zum Durchführen einer Vorsteuerung vorgestellt.
  • Die vorgestellte Anordnung zum Bestimmen eines Drucks ermöglicht es, einen stabilen Druck zu gewährleisten. Mit dieser ist es weiterhin möglich, eine Druckregelung ohne Drucksensor vorzunehmen. Die vorgestellte Anordnung wird im Folgenden vornehmlich in Verbindung mit einer Druckregelung beschrieben. Die Anordnung ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt und kann immer dann zum Einsatz kommen, wenn die Bestimmung eines Drucks erforderlich ist.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend 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 Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben. Es zeigt:
  • 1 in einem Blockschaltbild die Struktur einer Ausführung der vorgestellten Regeleinrichtung,
  • 2 in einem Blockschaltbild eine Ausführung der Anordnung zur Druckbestimmung, und
  • 3 eine grafische Darstellung eines Kennfelds zur Bestimmung eines Verlustmoments.
  • 1 zeigt die Struktur bzw. den Aufbau einer Regeleinrichtung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt einen Regler 12, in diesem Fall einen PI-Regler, eine Speedrampe 14, die zur Vorsteuerung dient, ein IIR-Filter 16 achten Grades, ein Druckmodell 20, einen Begrenzer 22, ein Vorhaltwinkel-Filter 24, einen Drehzahlerzeuger 26, eine Regelstrecke 28, in der die Pumpe 30 mit Elektromotor 31 enthalten ist, einen Mittelwertbilder 32, einen Analog-Digital-Wandler 34, eine Einheit 36 zum Umrechnen Zeit in Winkel, ein IIR-Filter 38 vierten Grades, einen Integrierer 40, ein IIR-Filter 42 achten Grades, ein IIR-Filter 44 zweiten Grades, einen Faktor 1/t 46, einen Faktor T 48, der über einen LIN-Bus 50 ausgegeben werden kann, einen Faktor ke 52, der die Motorkonstante darstellt. Die Darstellung zeigt weiterhin einen Schalter 80 zum Umschalten zwischen der Speedrampe 14 und dem Regler 12.
  • In ein Glied 60 werden der Solldruck 62 und der Istdruck 64 eingegeben. Daraus berechnet sich die Regelabweichung ΔP 66. In die Speedrampe 14 wird die Drehzahl n 68 eingegeben, und die Speedrampe ist mit der Versorgungsspannung VS verbunden. Diese Größen werden auch in den Begrenzer 22 eingegeben.
  • Da die Druckregelung zu Beginn des Betriebs den Elektromotor möglicherweise langsamer beschleunigen würde als möglich, wird für einen schnellen Start eine Speedrampe 14 verwendet, die eine Vorsteuerung verwirklicht. Diese Speedrampe 14 fährt den Elektromotor 31 mit maximaler bzw. zumindest großer Stromaufnahme an. Die Umschaltung zwischen der Speedrampe 14 und dem Regler 12 erfolgt auf Basis des geschätzten Istdrucks. Ist bspw. der Istdruck geringer als 90 % des Solldrucks, so ist die Speedrampe aktiv. Ist bspw. der Istdruck größer als 97 % des Solldrucks, so ist der Regler aktiv. Die Faktoren des Reglers 12, insbesondere die Verstärkungsfaktoren eines PI-Reglers, können am Prüfstand ermittelt werden.
  • Der Elektromotor 31 kann durch eine Software, die auf einem Mikrocontroller zur Ausführung kommt, angesteuert werden. Die Motoransteuerung kann dabei sinuskommutiert erfolgen, da ein solcher Elektromotor besonders geräuscharm ist. Es kann eine Ansteuerung des Elektromotors 31 mit einer sinusförmigen Spannung erfolgen, es kann aber auch eine feldorientierte Regelung (FOR) mit einem Stromregler verwendet werden. Die FOR-Regelung ist bei der Ansteuerung vorteilhaft, da der Elektromotor schneller reagieren kann. Die Regeleinrichtung 10 wird typischerweise druckgeregelt betrieben.
  • Weiterhin kann die Umrechnung von Zeitintervallen zwischen Hall-Flanken in Winkelinkremente synchron zur Drehzahl erfolgen. Die Zeitintervalle können bei jedem zweiten PWM-Interrupt inkrementiert werden. Außerdem kann die Berechnung des aktuellen Winkels alle 100 µs erfolgen. Dabei erfolgt das Abfragen der Hall-Sensoren in jedem PWM-Interrupt. Die Filterung erfolgt daher nicht zeitsynchron, sondern Drehzahl bzw. Hall-Flanken abhängig.
  • 2 zeigt in einem Blockschaltbild eine Anordnung zur Bestimmung eines Drucks, welche insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt ein Kennfeld 102, in das eine Öl-Temperatur 104 und eine Motordrehzahl 106 eingegeben werden. Hieraus ergibt sich ein Verlustmoment MV 108.
  • Die Öl-Temperatur 104 kann dabei beispielsweise in der Pumpe 30 gemessen werden, sie kann bei der Anwendung in einem Getriebe auch an einer anderen Stelle, beispielsweise in einer Getriebeölwanne des Getriebes gemessen werden und der Anordnung zur Bestimmung eines Drucks zugeführt werden. In einem Fahrzeug kann auch ein Temperaturwert über einen LIN-Bus (Local Interconnect Network) zugeführt werden.
  • Die Drehzahl n kann beispielsweise in min–1 (rpm) angegeben werden.
  • Die Motorkonstante ke kann entweder für die entsprechende Baureihe als gleich angenommen werden, oder es kann jeder einzelne Elektromotor kalibriert werden. Für eine höhere Genauigkeit kann die Motorkonstante ke als Funktion der Temperatur angegeben werden, da sie temperaturabhängig ist.
  • Zu beachten ist, dass der Druck nicht gemessen, sondern auf Basis von Motordrehzahl, Motorstrom und Öltemperatur bestimmt wird. Der Istdruck ist hierbei der bestimmte anliegende Druck am Pumpenausgang. Die Öltemperatur ist bspw. die Ölsumpftemperatur, die der Regeleinrichtung bspw. über einen LIN-Bus gemeldet wird. Der Druckunterschied ΔP einer Gerotorpumpe bzw. Zahnradpumpe berechnet sich durch: ΔP = Mth·C (1)
  • Der Faktor C ist hierbei eine pumpenabhängige Konstante, und Mth ist das theoretische Drehmoment, das die Erzeugung des Drucks bewirkt und daher auch als Druckmoment bezeichnet werden kann.
  • Das theoretische Drehmoment Mth ergibt sich aus dem inneren Drehmoment Mi und dem Verlustmoment MV mit Hilfe von: Mth = Mi – MV (2)
  • Das bestimmte innere Drehmoment Mi ergibt sich aus: Mi = 31/2/2·Kemax(1 + (Tamb – 20)·Temp_Koeff)·I (3)
  • Dabei sind beispielhaft:
    Symbol Beschreibung Einheit Wert Kommentar
    Kemax Motorkonstante Vs/rad 0.022749 messtechnisch ermittelt
    I Gemessener Motorstrom A
    Tamb Öltemperatur (LIN) °C
    Temp_Koeff rev. Temperaturkoeffizient %/K –0,11 Datenblattwert
    Tabelle 1
  • Als Motorstrom I kann der Strom durch die Wicklungsanordnung gemessen werden, oder aber der diesem Strom entsprechende Strom in der Endstufe bzw. bei einem Gleichstrommotor der Strom im Gleichstrom-Zwischenkreis.
  • Für die pumpenabhängige Konstante ergibt sich:
    Figure DE202015105177U1_0002
  • Das Verdrängungsvolumen bzw. Kammervolumen Vth entspricht dem Volumen der Flüssigkeitsmenge, die bei einer Umdrehung der Pumpe gefördert wird. Beispielhaft hat das Kammervolumen für eine der getesteten Pumpen Vth = 2,21 10–6 m3 betragen. Die Pumpenparameter wurden messtechnisch bei 70 °C ermittelt.
  • Bestimmung des Kennfelds
  • 3 zeigt beispielhaft ein Kennfeld 102 für das Verlustmoment MV. Es sind nur wenige Punkte des Kennfelds 102 angegeben, und in der Praxis werden – in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit und dem gewünschten Arbeitsbereich – mehr Punkte verwendet.
  • Das Kennfeld 102 für das Verlustmoment MV kann beispielsweise an einem Prüfstand ermittelt werden. Dazu werden mehrere drehzahl- und temperaturabhängigen Stützstellen angefahren, und der Druckunterschied ΔP, die Drehzahl n und der Motorstrom I des Elektromotors werden gemessen.
  • Mittels Gleichung (1) kann an den Stützstellen das theoretische Drehmoment Mth berechnet werden, und mittels Gleichung (3) das innere Drehmoment Mi. Mit Hilfe der Gleichung (2) kann aus dem theoretischen Drehmoment Mth und dem inneren Drehmoment Mi das Verlustmoment MV bestimmt werden und als Teil der Kennlinie gespeichert werden.
  • Das Verlustmoment MV hängt dabei näherungsweise linear von der Drehzahl ab und logarithmisch von der Temperatur.
  • Mit der Pumpe wurden Versuche durchgeführt, und die geforderte Genauigkeit eines tatsächlichen Drucks im Bereich 3,0 bar bis 4,2 bar wurde erreicht.
  • Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung vielfache Weiterbildungen und Modifikationen möglich.
  • So kann beispielsweise das Kennfeld KF 102, welches einer Öl-Temperatur 104 und einer Motordrehzahl 106 ein Verlustmoment MV 108 zuordnet, über eine Vielzahl von Kennfeld-Werten definiert sein, die Funktion MV = KF(T_104, n_106) kann aber auch als angenäherte Gleichung angegeben werden, oder es kann zwischen wenigen vorgegebenen Werten interpoliert werden.
  • Die einzelnen Parameter, die auf den vorherigen Seiten beschrieben werden, können entweder für die gesamte Baureihe einheitlich bestimmt werden, oder aber durch Tests für jede Pumpenanordnung der Baureihe. Letzteres ist beispielsweise bei der Bestimmung der Motorkonstante ke vorteilhaft, da sich diese von Motor zu Motor stark ändern 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
    • DE 102011086572 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Anordnung (100) zum Bestimmen eines durch eine mittels eines Elektromotors (31) angetriebene Pumpe (30) erzeugten Drucks (64), wobei die Anordnung (100) dazu eingerichtet ist, den Druck (64) auf Grundlage einer Differenz aus einem inneren Drehmoment (114) und einem Verlustmoment (108) zu ermitteln, wobei die Anordnung (100) weiterhin dazu eingerichtet ist, das innere Drehmoment (114) aus einem Motorstrom (110) und einer Motorkonstante (ke) zu ermitteln.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, die dazu eingerichtet ist, das Verlustmoment (108) aus einer Temperatur (104) und einer Motordrehzahl (68) zu ermitteln.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, die dazu eingerichtet ist, das Verlustmoment mit einem Kennfeld (102) zu ermitteln.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die für eine Verdrängerpumpe (30) ausgebildet ist.
  5. Anordnung nach Anspruch 4, die für eine Zahnringpumpe (30) ausgebildet ist.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, die für eine Gerotorpumpe (30) ausgebildet ist.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die dazu eingerichtet ist, einen Istdruck (64) für eine Druckregelung (12) zu bestimmen.
  8. Regeleinrichtung (10) zum Regeln eines durch eine Pumpe (30) erzeugten Drucks (64), mit einem Regler (12), der auf Grundlage einer Differenz zwischen einem Solldruck (62) und einem Istdruck (64) eine Stellgröße ermittelt, wobei die Regeleinrichtung (10) über eine Anordnung (100) zum Bestimmen des Istdrucks verfügt, wobei als Anordnung (100) eine Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dient.
  9. Regeleinrichtung nach Anspruch 8, bei der ein PI-Regler als Regler (12) dient.
  10. Einrichtung zum Betreiben einer Pumpe mit – einer Regeleinrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, – einer Einheit (14) zum Durchführen einer Vorsteuerung und – einem Schalter (80) zum Umschalten zwischen der Regeleinrichtung (10) und der Einheit (14) zum Durchführen einer Vorsteuerung.
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