DE3623066A1 - Schaltungsanordnung zur drehzahlregelung einer an eine leitung mit eingepraegtem druck angeschlossenen hydrostatischen maschine - Google Patents

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.

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.