DE3623066A1 - Schaltungsanordnung zur drehzahlregelung einer an eine leitung mit eingepraegtem druck angeschlossenen hydrostatischen maschine - Google Patents
Schaltungsanordnung zur drehzahlregelung einer an eine leitung mit eingepraegtem druck angeschlossenen hydrostatischen maschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur
Drehzahlregelung einer an eine Leitung mit einge
prägtem Druck angeschlossenen hydrostatischen Maschine
mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ange
gebenen Merkmalen.
Bei der bekannten elektrischen Drehzahlregelung einer
derartigen Maschine (P 34 41 185) wird dem Drehzahl
regler der Drehzahlsollwert sowie der in einem Tacho
generator oder anderen Aufnehmer erzeugte Drehzahl
istwert der Maschine zugeführt. An den Drehzahlregler
ist eine Schwenkwinkelverstellung für die Maschine
angeschlossen. Der Schwenkwinkel der als Motor zum
Antrieb einer Last arbeitenden Maschine bestimmt das
Schluckvolumen. Damit wird ein Drehmoment zum Antrieb
der Last erzeugt, wobei sich eine entsprechende Dreh
zahl einstellt.
Bei sehr kleinen Schluckvolumina der Maschine ent
sprechend verhältnismäßig niedrigen Drehzahlen wird
das Regelverhalten der Maschine stark verschlechtert,
weil im Bereich sehr geringer Drehzahlen keine Pro
protionalität zwischen dem Schwenkwinkel der Maschine
und dem vor der Maschine erzeugten Drehmoment herrscht.
Dies hat mehrere Ursachen: Bei Axialkolbenmaschinen än
dert sich während einer Umdrehung die Anzahl der wirk
samen Arbeitskolben, womit sich auch das erzeugte
Drehmoment ändert. Ferner ist das an der Maschine
auftretende Reibmoment sowie die Leckverluste ab
hängig vom Drehwinkel, so daß auch dadurch die Gleich
förmigkeit des Drehmoments abnimmt.
Die Folge davon ist, daß sich bei kleinen Drehzahlen
der Antrieb ruckartig dreht und unter Last sogar
stehen bleiben kann. Unter solchen Betriebsverhältnissen
erfolgt der Regelvorgang von seiten des Dreh
zahlreglers zu spät, so daß sich infolge der Phasen
verschiebung zwischen Drehzahlabweichung und Korrek
tur keine gleichmäßige Drehzahl einstellen kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht
darin, die Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung
der eingangs geschilderten Art so zu verbessern, daß
auch sehr geringe Drehzahlen zuverlässig geregelt
werden können.
Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführ
ten Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird das Drehzahlregelsignal, das als
Ausgang des Drehzahlreglers vorliegt und den Schwenk
winkelsollwert für die Schluckvolumeneinstellung der
Maschine darstellt, in Abhängigkeit vom Drehwinkel
istwert der hydrostatischen Maschine im Bereich ge
ringer Drehzahl so geändert, daß das von der Maschine
gelieferte Drehmoment konstant bleibt. Abhängig vom
Drehwinkelsignal wird somit der Schwenkwinkelsollwert
korrigiert. Besondere Vorteile bietet die erfindungs
gemäße Schaltungsanordnung, wenn die Maschine als
Positionierantrieb arbeitet, wenn also beispielsweise
ein Werkzeug oder dergleichen nach dem Abschalten
eines Eilvorschubes im Kriechgang mit sehr geringer
Drehzahl in eine genaue Position gefahren werden soll.
Üblicherweise wird nach dem Abschalten des Eilvor
schubs die Drehzahl des Antriebes entsprechend einer
Funktion, beispielsweise einer Rampe verringert, bis
der Endpunkt erreicht ist. Hierbei ist es besonders
vorteilhaft, wenn das Positionieren bis herunter zu
sehr kleinen Schleichdrehzahlen erfolgen kann.
Eine erfindungsgemäße Weiterbildung liegt ferner darin,
das Drehzahlregelsignal abhängig vom Kennfeld des
hydraulisch-mechanischen und volumetrischen Wirkungs
grades der hydrostatischen Maschine derart zu korri
gieren, daß das von der Maschine erzeugte Drehmoment
konstant bleibt. Es wird damit der Wirkungsgrad im
Bereich der niedrigen Drehzahl ermittelt und werden
entsprechende Korrekturfaktoren erzeugt, so daß ab
hängig von der Drehzahl die gespeicherten Korrektur
faktoren abrufbar und mit dem Drehzahlregelsignal
verknüpfbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend
anhand der Zeichnung näher erläutert, in der eine
Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung einer hydro
statischen Maschine schematisch dargestellt ist.
Eine über den Nullpunkt hinaus in beide Verstellbe
reiche für Pumpen- und Motorbetrieb verschwenkbare
hydrostatische Maschine 1 mit verstellbarem Volumen
ist an eine Druckleitung 2 mit eingeprägtem Druck
angeschlossen und mit einer Last 3 sowie einem Tacho
generator 4 gekuppelt, der ein Istwertsignal der
Drehzahl liefert. Der Schwenkwinkel der Maschine 1
wird durch den Kolben 5 des Stellzylinders 6 ver
stellt. Dazu wird der Kolben 5 über ein Servoventil 7
mit Druckmittel beaufschlagt. Das Servoventil 7 wird über
einen Regelverstärker 8 betätigt, der an einen Schwenkwin
kelregler 9 angeschlossen ist, dem die Differenz aus dem
Schwenkwinkelistwert α 2i und dem Schwenkwinkelsollwert α 2k ₃
zugeführt wird. Die Differenz wird in einer Vergleichs
stufe 11 gebildet. Der Schwenkwinkelistwert wird in einem
Wegaufnehmer 10 erzeugt. Der Wert α 2k ₃ ist gleich α 2k ₂,
wenn die Vergleichsstufe über den Schalter 28 direkt mit
der Korekturschaltung 18 verbunden ist.
In einer Vergleichsstufe 14 wird aus dem Drehzahlist
wert n 2i und dem Drehzahlsollwert n 2s die Drehzahl
differenz gebildet, die dem Drehzahlregler 15 zugeführt
wird. Das Drehzahlreglerausgangssignal α 2s stellt den
Schwenkwinkelsollwert zur Verstellung des Schluckvolumens
der Maschine 1 dar, das bei einer bestimmenten Last eine
bestimmte Drehzahl hervorruft.
Das Drehzahlregelsignal wird in einem Übertragungsglied 16
abhängig vom Drehwinkelistwert ϕ 2i der Maschine 1 kor
rigiert. Der Drehwinkelistwert der Maschine wird in einem
Impulsgeber 17 erzeugt, der mit der Maschine 1 gekuppelt
ist.
Abhängig von dem im Impulsgeber 17 erzeugten digitalen
Drehwinkelsignalinkrementen ändert das nicht-lineare
Übertragungsglied 16 den Schwenkwinkelsollwert nach der
folgenden Gleichung:
Der Rhythmus des Drehwinkelsignals bestimmt sich durch
worin n die (gesamte Anzahl der) Kolben in der Maschine ist.
Ausgehend von einem Wert Null zu Beginn des ersten
Regelvorgangs wird für die Drehwinkel-Schrittweite
ϕ 2R nach obiger Gleichung ein Zähler z inkrementiert,
wobei vorausgesetzt ist, daß die Maschine 1 und der
Impulsgeber 17 synchronisiert sind. Zur Vermeidung
einer Zahlenbereichsüberschreitung wird z bei Über
schreitung einer vorbestimmten Grenze zurückgesetzt.
Für ungerade z ((Z/2) ≠ integer (Z/2)) gilt dann die
Schwenkwinkel-Korrektur
Für gerade z ((Z/2) = integer (Z/2)) gilt dann folg
lich
In einem weiteren nicht-linearen Übertragungsglied 18
wird der korrigierte Schwenkwinkelsollwert α 2k ₁
wirkungsgradabhängig korrigiert, so daß am Ausgang
der zweimal korrigierte Schwenkwinkelsollwert α 2k ₂
ansteht. Damit läßt sich das Ergebnis der ersten Korrektur
aus dem Übertragungsglied 16 verbessern. Die
Korrektur erfolgt entsprechend
α 2k ₂ = α 2k ₁·n( Δ p HD ,n₂,α₂)-1
Es wird in Abhängigkeit des Wirkungsgrades für die
gemessenen Kennwerte der Hochdruckdifferenz ΔP HD in
der Leitung 2 mit eingeprägtem Druck, der Drehzahl n₂
und dem Schwenkwinkel α₂ ein Faktor ermittelt, der
abhängig vom Wirkungsgrad ist und mit dem der Schwenk
winkelsollwert a 2k ₁ multipliziert wird.
Die Werte für das Wirkungsgradkennfeld mit den dazu ge
hörigen Multiplikationsfaktoren sind vorzugsweise in einem
Speicher enthalten.
Vorzugsweise werden oberhalb einer bestimmten Grenzdreh
zahl die beiden Korrekturschaltungen 16 und 18 abgeschaltet.
Hierzu ist beispielsweise ein Schalter 19 vorgesehen, der
in diesem Fall geöffnet wird, so daß das Übertragungsglied
16 überbrückt wird und der Schwenkwinkelsollwert α 2s des
Drehzahlreglers 15 unmittelbar auf das Übertragungsglied 18
geführt wird, dessen Multiplikationsfaktor in diesem Fall
auf Eins gesetzt wird.
In dem Ausführungsbeispiel ist dem Drehzahlregler 15 außer
dem ein Drehwinkelregler 20 vorgeschaltet, dem die Diffe
renz Δϕ₂ aus dem Drehwinkelistwert ϕ 2i und einem Dreh
winkelsollwert ϕ 2s zugeführt wird und der das Drehzahl
sollwertsignal n 2s liefert. Über einen Schalter 21 wird
der Drehwinkelistwert ϕ 2i nur unterhalb der erwähnten
Grenzdrehzahl zugeführt. Der Drehwinkelregler 20 ist somit
nur bei Schleichdrehzahlen wirksam, insbesondere um einen
rotatorischen Positionsantrieb zu ermöglichen; er kann
aber auch oberhalb der Schleichdrehzahlen eingeschaltet
bleiben. Das von dem Drehwinkelregler 20 gelieferte Dreh
zahlsollwertsignal n 2s kann einen rampenförmigen Ver
lauf aufweisen, insbesondere rampenförmig von einer be
stimmten hohen Drehzahl auf eine Schleichdrehzahl ab
nehmen und kann insbesondere nach einer vorbestimmten
Anzahl von Inkrementschritten des Drehwinkels ϕ₂ die
Drehzahl Null erreichen, um den Antrieb in einer bestimmten
Position stillzusetzen.
Oberhalb der Grenzdrehzahl ist der Schalter 21 vorzugs
weise geöffnet, so daß der Drehzahlsollwert n 2s dem Dreh
winkelsollwert ϕ 2s entspricht.
Der Drehwinkelregler 20, der Drehzahlregler 15 und der
Schwenkwinkelregler 9 sind mit Begrenzungsschaltungen
versehen, die dafür sorgen, daß die jeweiligen Ausgangs
signale der Regler eine vorbestimmte Amplitude nicht überschreiten
können.
Ferner können der Impulsgeber 17 und der Tachogenerator 4
in einer Einheit zusammengefaßt werden.
Insbesondere bei Antrieben mit geringem Gesamt-Trägheits
moment von Hydromotor 1 und Last 3 kann das relativ
schlechte Regelverhalten des Regelkreises (langsames An
sprechen, große Drehzahländerungen, langsames Ausregeln),
das aus der geringen Verstärkung des Drehzahlregelkreises
resultiert, dadurch verbessert werden, daß ein dem Quotien
ten aus dem gemessenen Istwert des Drehmomentes M i und ge
messenen Istwert der Hochdruckdifferenz Δ p HD proportionaler
Korrekturwert α 2K ₃ gebildet wird:
Dieses hat den Vorteil, eine durch die Lasteinwirkung vor
übergehend entstehende Drehzahldifferenz bereits im Ent
stehen dadurch zu verhindern, daß das Drehmoment M₂ der
Hydroeinheit 1 der Last 3 angepaßt wird.
Durch Kontrolle des Drehzahlsollwertes n 2s ist zu gewähr
leisten, daß dieser Korrekturalgorithmus bei einer zeit
lichen Änderung desselben ohne Wirkung ist.
Durch eine geeignete Schaltung ist dafür zu sorgen, daß
dieser Korrekturalgorithmus stationär ohne Wirkung ist.
Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß für diese hochdruck
abhängige Lastkorrektur das Drehmoment M i des Motors 1
in einer Drehmomentmeßeinrichtung 25 und das Druckgefälle
des Motors von Hochdruck P HD auf Niederdruck p ND in je
einem Drucksensor 23, 24 ermittelt wird. Die Werte Δ p HD
und M i werden in einem Übertragungsglied 26 nach vorge
nannter Gleichung verknüpft und es wird ein Faktor K er
zeugt, der einer weiteren Korrekturschaltung 27 zugeführt
wird, die bei betätigtem Schalter 28 einen vom Hochdruck
und Drehmoment abhängigen korrigierten Schwenkwinkel α 2K ₃
liefert.
Das Zeitverhalten des gesamten Drehzahlregelkreises ent
spricht einem Verzögerungsglied von mindestens 3. Ordnung.
Die Zeitkonstanten sind aus Simulationsdaten und -ergeb
nissen oder aus einer on-line Parameter-Identifikation
ermittelbar. Durch eine Partialbruchzerlegung werden die
realen Wurzeln der drei Verzögerungsglieder 1. Ordnung bzw.
die gemischt real-konjugiert komplexen Wurzeln des Verzö
gerungsgliedes 2. Ordnung und die realen Wurzeln des
Verzögerungsgliedes 1. Ordnung ermittelt.
Durch eine geeignete Ausgleichsschaltung zweier Zeit
glieder im Drehzahlregler werden die beiden dominieren
den Zeitkonstanten des partialbruchzerlegten Nenners der
Übertragungsfunktion annähernd eliminiert und damit das
schwingungsfähige Gesamtsystem 3. Ordnung in ein nicht
schwingungsfähiges System von annähernd 1. Ordnung über
führt. Durch eine derartige Polkompensation wird ein Zeit
konstantenausgleich für den Drehzahlregler erzielt.
Claims (15)
1. Schaltungsanordnung zur Drehzahlregelung einer
an der Leitung mit eingeprägtem Druck angeschlossenen
hydrostatischen Maschine, mit einem Drehzahlregler,
dem von einem mit der Maschine gekuppelten Geber der
Drehzahlistwert und ein willkürlicher einstellbarer
Sollwert für die Drehzahl zugeführt werden und der
ein Regelsignal zur Ansteuerung eines Ventils zum
Betätigen eines Stellgliedes erzeugt, das die Maschine
zur Einstellung der Drehzahl verstellt, dadurch
gekennzeichnet, daß das Drehzahlregel
signal α 2s abhängig von dem Drehwinkelistwert ϕ 2i
der Maschine (1) derart korrigiert wird, daß das von
der Maschine gelieferte Drehmoment konstant geregelt
wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Messung des
Drehwinkelistwertes ϕ 2i ein mit der Maschine gekuppelter
Impulsgeber (17) vorgesehen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Messung des
Drehwinkelistwerts ϕ 2i der mit der Maschine gekuppelte
Geber (4) für den Drehzahlistwert n 2i vorgesehen ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
an den Ausgang des Drehzahlreglers (15) ein Übertra
gungsglied (16) angeschlossen ist, dem der Drehwinkel
istwert d 2i zugeführt wird und von dem jeweils mit
sich änderndem Drehwinkel das Drehzahlregelsignal
nach folgender Beziehung korrigiert wird:
wobei
α 2s das Drehzahlregelsignal, α 2k ₁das korrigierte Drehzahlregelsignal und ndie Kolbenzahl der Maschine ist.
α 2s das Drehzahlregelsignal, α 2k ₁das korrigierte Drehzahlregelsignal und ndie Kolbenzahl der Maschine ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß abhängig von der
Drehzahl das Übertragungsglied (16) aktivierbar ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Übertragungsglied (16) eine Begrenzung aufweist, mit
der die Amplitude des Ausgangssignals bei Überschrei
ten eines vorbestimmten Werts begrenzt wird.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichent,
daß das korrigierte Drehzahlregelsignal (α 2k ₁) ab
hängig vom Wirkungsgrad der Maschine eine weitere
Korrektur erfährt.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Übertragungs
glied (18) vorgesehen ist, in dem ein Kennlinienfeld
für den Wirkungsgrad der Maschine insbesondere bei
langsamen Drehzahl gespeichert ist und von dem das
korrigierte Drehzahlregelsignal α 2k ₁ mit einem wir
kungsgradabhängigen Faktor multipliziert wird.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß abhängig von der
Drehzahl der Multiplikationsfaktor des Übertragungs
gliedes (18) auf Eins gesetzt wird.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dreh
zahlregler (15) und der Korrekturschaltung (16, 18) für
die Drehzahl ein Lagereglerkreis (9, 11) nachgeschaltet
ist, dem das korrigierte Drehzahlregelsignal α 2k ₂ und der
an der Verstellung der Maschine gemessene Schwenkwinkel
istwert d 2i zugeführt werden.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel
istwert α 2i für den Drehwinkelregler (20) abhängig von
der Drehzahl abschaltbar ist.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreh
zahlsollwert n 2s in einem Drehwinkelreglerkreis (20, 22)
erzeugt wird, dem der gemessene Drehwinkelistwert ϕ 2i
und ein Drehwinkelsollwert ϕ 2s zugeführt werden.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Drehwinkelregler (20)
den Drehzahlsollwert n 2s nach einer vorbestimmten Funktion
verändert.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 und
13, bei der die Maschine als Positionierantrieb vorgesehen
ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreh
winkelregler (20) zum Positionieren vorgesehen ist.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß für die
Reglerkreise (9, 15, 20) je eine Polkompensation vorge
sehen ist.
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