DE3713799C2 - - Google Patents

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DE3713799C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung geht von einem bekannten Antriebssystem mit Sekundärregelung aus (DE 34 41 185 A1), bei dem die Primäreinheit über eine Druckregelung einen eingeprägten Druck im Leitungsstrang aufrechterhält und die Sekundäreinheit im Motorbetrieb die zur Aufrechterhaltung der gewünschten Drehzahl notwendige Energie entnimmt oder aber im Pumpenbetrieb, wenn sie von der Last her angetrieben wird, z. B. beim Abbremsen eines Fahrzeuges oder beim Fieren einer Last, Energie in den Leitungsstrang zurückspeist. Da der Motor- und Pumpenbetrieb in beiden Drehrichtungen möglich ist, handelt es sich um einen Vierquadrantenbetrieb. Bei der Sekundärregelung liegt eine Druckkopplung zwischen der Primäreinheit und der Sekundäreinheit vor. An der Sekundäreinheit tritt ein bestimmtes, vom eingeprägten Druck und dem Schwenkwinkel der Sekundäreinheit bestimmtes Moment auf, aus dem sich abhängig von der Größe der Last eine Drehzahl ergibt, die geregelt wird.
Um den eingeprägten Druck aufrechtzuerhalten, wird davon ausgegangen, daß der Betriebszustand der Primäreinheit von dem der Sekundäreinheit durch einen an den Leitungsstrang angeschlossenen hydraulischen Speicher entkoppelt ist, oder daß die Leistung der Sekundäreinheit an die der Primäreinheit angepaßt ist. Es wird dabei stets davon ausgegangen, daß der Druck im Leitungsstrang nicht zusammenbricht, sondern vielmehr ein bestimmtes Toleranzband nicht unterschreitet. Falls jedoch die Druckregelung der Primäreinheit zu langsam reagiert, der Speicher entleert ist und die Sekundäreinheit eine große Leistung benötigt, so besteht die Gefahr, daß infolge des Druckeinbruchs im Leitungsstrang die Druckkopplung des Antriebssystems in eine Stromkopplung umschlägt und damit nicht nur die Vorteile der Druckkopplung zunichte gemacht werden, sondern auch die Regelfunktion unmöglich wird, da die Regelung des Schwenkwinkels der Sekundäreinheit beim druckgekoppelten Antriebssystem invers zum stromgekoppelten Antriebssystem ist. Bei dem bekannten Antriebssystem wird die Drehzahl der Sekundäreinheit abgesenkt, wenn der Istwert in der Druckleitung unter den Sollwert sinkt.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, im Leitungsstrang des Antriebssystems den eingeprägten Druck innerhalb eines bestimmten Toleranzbandes und damit den Betrieb des Antriebssystems in der Druckkopplung aufrechtzuerhalten.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß ist die Leistung der Sekundäreinheit, die durch die Volumenstromaufnahme bestimmt ist, begrenzbar, um die Druckdifferenz im Leitungsstrang innerhalb eines gewünschten Toleranzbandes aufrechtzuerhalten. Die Primäreinheit ist eine druckgeregelte Pumpe, deren Antriebsdrehzahl und deren Schwenkwinkel gemessen wird. Damit ist der Volumenstrom der Primäreinheit bestimmbar, wobei der volumetrische Wirkungsgrad der Primäreinheit berücksichtigt werden kann. In entsprechender Weise wird die Drehzahl und der Schwenkwinkel der Sekundäreinheit gemessen, woraus der Volumenstrom der Sekundäreinheit ermittelt wird. Die an den beiden Einheiten auftretenden Volumenströme und die maximal möglichen Volumenströme der beiden Einheiten lassen sich nun derart zueinander in Beziehung setzen, daß der Schwenkwinkel oder die Drehzahl der Sekundäreinheit begrenzt werden, wenn die Volumenstromaufnahme der Sekundäreinheit größer wird als der von der Primäreinheit gelieferte Volumenstrom. Auf diese Weise ist mit einfachen Mitteln vermieden, daß der Druck im Leitungsstrang einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Eine Lösung der vorstehend definierten Aufgabe für mehrere an den Leitungsstrang angeschlossene Sekundäreinheiten ist in Patentanspruch 9 angegeben. Auch damit wird vermieden, daß ein bestimmtes zulässiges Druckdifferenztoleranzband unterschritten wird.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Signalflußplan der Regelung des hydrostatischen Antriebssystems in der Ausführungsform mit einer Sekundäreinheit,
Fig. 2 Schwenkwinkel und Drehzahl der Sekundäreinheit im Vierquadrantenbetrieb,
Fig. 3 Drehmoment und Drehzahl der Sekundäreinheit mit Leistungsbegrenzung,
Fig. 4 einen Signalflußplan der Regelung wie in Fig. 1, jedoch mit zusätzlicher Begrenzung der Primärleistungsabgabe und
Fig. 5 einen Signalflußplan der Regelung eines hydrostatischen Antriebssystems mit mehreren Sekundäreinheiten.
In Fig. 1 wird von einem nicht dargestellten Antrieb eine hydrostatische Maschine 1, z. B. eine Axialkolbenpumpe angetrieben, deren Verstellglied über den Nullpunkt hinaus in beiden Richtungen verstellbar ist und von einem Verstellzylinder 2 betätigt wird.
Mit der Maschine 1 ist über einen Leitungsstrang 3 eine hydrostatische Maschine 4 als Sekundäreinheit verbunden, deren Stellglied ebenfalls über den Nullpunkt hinaus in beiden Richtungen verstellbar ist. Hierzu dient ein Verstellzylinder 5. Die Maschine 4 ist mit einer nicht dargestellten Last verbunden. An den Leitungsstrang 3 ist ein Speicher 6 angeschlossen, der jedoch für das erläuterte Antriebssystem nicht erforderlich ist.
Für die Primäreinheit 1 ist eine Druckregelung vorgesehen, die aus einem an den Leitungsstrang angeschlossenen Druckaufnehmer 10, einem Vergleichsglied 11 und einem Druckregler 12 besteht, der als PID-Regler ausgeführt sein kann. Der Druckregelkreis ist einem Schwenkwinkelregelkreis unterlagert, der aus einem mit dem Verstellzylinder 2 verbundenen Wegaufnehmer 14 zur Bestimmung des Schwenkwinkels der Maschine 1, einem Vergleichsglied 15 und einem Schwenkwinkelregler 16 besteht, der ebenfalls als PID- Regler ausgeführt ist und ein Proportionalventil 17 ansteuert, das dem Verstellzylinder 2 zu dessen Verstellung Steuerflüssigkeit PSt zu- bzw. abführt.
Dabei wird in dem Vergleichsglied 11 der Differenzwert aus dem Istwert des eingeprägten Druckes PHD im Leitungsstrang 3 bzw. der an der Maschine 1 zwischen Einlaß und Auslaß auftretenden Druckdifferenz ΔPHD und eines willkürlich wählbaren Sollwertes des Druckes bzw. der Druckdifferenz ermittelt. Das Ausgangssignal des Druckreglers 12 stellt den Sollwert für den Schwenkwinkel α₁ der Maschine dar, der im Vergleichsglied 15 mit dem vom Wegaufnehmer 14 gemessenen Istwert α₁ verglichen wird. Das Differenzsignal wird dem Schwenkwinkelregler 16 zugeführt.
Der Schwenkwinkel α₂ der Sekundäreinheit 4 wird von einem Drehzahlregelkreis eingestellt, der einem Schwenkwinkelregelkreis unterlagert ist. Der Drehzahlregelkreis besteht aus einem Tachogenerator 19 für die Drehzahl n₂, einem Vergleichsglied 20, dem außerdem der Sollwert für die Drehzahl n₂ zugeführt wird, und einem Drehzahlregler 21. Das Ausgangssignal des Drehzahlreglers stellt den Sollwert für den Schwenkwinkel α₂ der Maschine 4 dar, der in einem Vergleichsglied 22 mit dem Istwert des Schwenkwinkels verglichen wird, der in einem mit dem Verstellzylinder 5 verbundenen Wegaufnehmer 23 gemessen wird. Das Differenzsignal wird einem Schwenkwinkelregler 24 zugeführt, der ein Proportionalventil 25 ansteuert, das dem Verstellzylinder 5 zu dessen Verstellung Steuerflüssigkeit PSt zu- bzw. abführt.
Der Schwenkwinkel α₁ der Primäreinheit 1 wird somit von einer Druckregelung eingestellt, während der Schwenkwinkel der Sekundäreinheit 4 von einer Drehzahlregelung eingestellt wird. Arbeitet die Sekundäreinheit als Motor, so liefert sie abhängig von der Einstellung ihres Schwenkwinkels und damit des Schluckvolumens der Maschine bei einem eingeprägten Druck im Leitungsstrang 3 ein bestimmtes Drehmoment, das abhängig von der Größe der Last eine bestimmte Drehzahl hervorruft.
Zur Leistungsbegrenzung der Sekundäreinheit ist eine Rechenschaltung 28, eine Identifikationsschaltung 29 und ein Begrenzerglied 30 oder 31 vorgesehen. Das Begrenzerglied 30 ist an den Ausgang des Drehzahlreglers 21 angeschlossen und das Begrenzerglied 31 ist an den Eingang des Vergleichsgliedes 20 angeschlossen. Der Rechenschaltung 28 wird der Istwert des Schwenkwinkels α₁ der Primäreinheit sowie deren Drehzahl n₁ zugeführt, die in einem Tachogenerator 33 gemessen wird oder aber bekannt (konstant) ist. Ferner wird der Rechenschaltung der Istwert des Schwenkwinkels α₂ der Sekundäreinheit und deren Drehzahl n₂ zugeführt. Um die Richtung des Volumenstroms im Leitungsstrang 3 zu unterscheiden ist die Identifikationsschaltung 29 vorgesehen. Im Motorbetrieb der Sekundäreinheit, also bei Volumenstromaufnahme der Sekundäreinheit sinkt der Druck im Leitungsstrang 3, während im Pumpenbetrieb und Volumenstromabgabe der eingeprägte Druck steigt. Die Quadrantenidentifikation ist in Fig. 2 dargestellt. Hiernach liegt Motorbetrieb vor, wenn das Produkt des Vorzeichens der Leistungskenngröße Schwenkwinkel α₂ und Drehzahl n₂ größer Null ist:
sign (α₂) * sign (n₂) < 0 (1)
Pumpenbetrieb liegt dagegen vor, wenn das Produkt der Vorzeichen der beiden Leistungskenngrößen kleiner Null ist:
sign (α₂) * sign (n₂) < 0 (2)
Ist der Quadrant und damit die Betriebsart festgestellt, so kann die Volumenstromaufnahme Q₂ der Sekundäreinheit zu
Q₂ = V₂ * α₂/α2max * n₂/(η₂ * λ₂) (3)
bestimmt werden. Soll gewährleistet werden, daß diese unter dem von der Primäreinheit gelieferten Volumenstrom Q₁, nämlich
Q₁ = V₁ * α₁/α1max * n₁ * η₁ * λ₁ (4)
liegt, so muß der Schwenkwinkel α₂ der Sekundäreinheit nach folgendem Algorithmus begrenzt werden:
Q₂ < O₁ (5)
Hierin bedeuten:
α₁: Schwenkwinkel der Primäreinheit
α₂: Schwenkwinkel der Sekundäreinheit
n₁: Drehzahl der Primäreinheit
n₂: Drehzahl der Sekundäreinheit
V1max: Nenn-Verdrängungsvolumen der Primäreinheit
V2max: Nenn-Verdrängungsvolumen der Sekundäreinheit
a1max: maximaler Schwenkwinkel der Primäreinheit
a2max: maximaler Schwenkwinkel der Sekundäreinheit
η₁: volumetrischer Wirkungsgrad der Primäreinheit
η₂: volumetrischer Wirkungsgrad der Sekundäreinheit
λ₁: Verlustbeiwert für die Verstellung der Primäreinheit
λ₂: Verlustbeiwert für die Verstellung der Sekundäreinheit
KL: Leckagebeiwert des Antriebs
In erster Näherung kann eine Konstante K definiert werden, die einige der vorgenannten Größen wie folgt zusammenfaßt:
Zusammenfassend ergibt sich somit:
Die Identifikationsschaltung 29, die als Eingänge die Meßwerte des Schwenkwinkels α₂ und der Drehzahl n₂ der Sekundäreinheit erhält, ermittelt gemäß Fig. 2, wenn das Produkt beider Größen größer Null ist, so daß eine Volumenstromaufnahme auf der Seite der Sekundäreinheit erfolgt. In der Rechenschaltung 28 wird nach dem Algorithmus der Gleichung 8 bzw. der Gleichung 6 ermittelt. Um den Algorithmus zu erfüllen, wird von der Rechenschaltung 28 ein Signal abgegeben, mit dem von dem Begrenzerglied 30 das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 21 nachgeführt wird, d. h., das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 21 kann nicht größer werden als der jeweils vom Begrenzerglied 30 vorgegebene Wert.
Es ergibt sich damit die in Fig. 3 dargestellte Drehmomentbegrenzung (dicke Linie) im Gegensatz zu einer Regelung ohne Leistungsbegrenzung (dünne Linie).
Die Begrenzung des Schwenkwinkels α₂ über das Begrenzungsglied 30 eignet sich für Antriebe ohne äußere Last, also für Fahrzeuge, Drehwerke, Zentrifugen, Drehtische, Rührwerke usw. Für einen Antrieb mit äußerer Last, z. B. einer Hubwinde, darf jedoch nicht der Schwenkwinkel α₂ der Sekundäreinheit, sondern deren Drehzahl n₂ vermindert werden. Hierfür gilt die Beziehung
da der Schwenkwinkel von der angehängten Last der Hubwinde bestimmt ist. Hierfür ist das Begrenzungsglied 31 vorgesehen, das an den Sollwerteingang für die Drehzahl n₂ angeschlossen ist und diesen Sollwert so begrenzt, daß er nicht größer werden kann als der vom Begrenzungsglied 31 über die Rechenschaltung 28 vorgegebene Wert.
Bei Null Drehzahl der Sekundäreinheit muß der Begrenzungsalgorithmus nach Gleichung 8 umgangen werden, es wird also in diesem Fall die Schwenkwinkelbegrenzung aufgehoben. Dies gilt auch für Gleichung 9, wenn bei einer Hubwinde keine Last angehängt ist. Auch in diesem Fall muß die Drehzahlbegrenzung aufgehoben werden.
Ermittelt die Quadrantenidentifikation 29 einen Pumpenbetrieb der Sekundäreinheit 4, die Druckmittel zu der dann als Motor arbeitenden Primäreinheit 1 fördert, so sollte analog zu der sekundärseitigen Leistungsbegrenzung 28 eine Primärleistungsbegrenzung 35 mit der zugehörigen Rechenschaltung 34 wirksam werden, wenn die an die Primäreinheit angekoppelte Kraftmaschine, die dann generatorisch im Bremsbetrieb arbeitet, nicht das volle Antriebsdrehmoment abstützen kann, was bei einem Verbrennungsmotor der Fall wäre; dies ist in Fig. 4 dargestellt.
Die Rechenschaltung 34 beinhaltet hierbei die Voraussetzung der Quadrantenidentifikation 29 der Sekundäreinheit 4 "Pumpenbetrieb" nach Beziehung (2) und der Quadrantenidentifikation der Primäreinheit 1 "Motorbetrieb" nach Beziehung (10):
sign (α₁) < 0 (10)
Hierzu ist nur der Schwenkwinkel notwendig, da die Drehrichtung der Primäreinheit prinzipiell positiv ist. Analog Gleichung (8) gilt dann für die Begrenzung des Schwenkwinkels α₁ der Primäreinheit 1:
worin die Konstante L analog Gleichung (7) zu:
zusammengefaßt wird.
Sind mehrere Sekundäreinheiten an einen gemeinsamen Leitungsstrang 3 angeschlossen und sind somit mehrere voneinander unabhängige Abtriebe vorhanden, so wird für jede mechanisch voneinander unabhängige Sekundäreinheit eine Druckregelung überlagert. Dies ist in Fig. 5 dargestellt.
Einer Rechenschaltung 33 werden der Sollwert und der Istwert des eingeprägten Druckes bzw. der Druckdifferenz an der Primäreinheit als Eingänge zugeführt. Die Rechenschaltung 33 ermittelt die Differenz der beiden Druckwerte und vergleicht die Differenz mit einem zulässigen oberen und unteren Wert, der ein Toleranzband bestimmt. Unterschreitet die Druckdifferenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert das vorbestimmte Toleranzband, so liefert die Rechenschaltung 33 ein Ausgangssignal, das die Volumenstromaufnahme jeder Sekundäreinheit um den gleichen Betrag vermindert. Um bei kurzzeitigen Druckschwankungen den Eingriff der Leistungsbegrenzung zu vermeiden, ist in der Rechenschaltung 33 eine Zeitstufe vorgesehen, so daß das vorbestimmte Toleranzband während einer bestimmten Zeitdauer unterschritten sein muß, worauf die Leistungsbegrenzung erfolgt.
Im übrigen gleicht der Signalflußplan der Fig. 5 völlig dem Signalflußplan der Fig. 1. Wie bei 3′ angedeutet, sind an den Leitungsstrang 3 eine zweite oder noch mehrere Sekundäreinheiten angeschlossen, die im einzelnen nicht dargestellt sind. Wie bereits anhand der Fig. 1 ausgeführt, wird von der Rechenschaltung 33 der Schwenkwinkel α₂ der einzelnen Sekundäreinheiten begrenzt, wenn es sich um Antriebe ohne äußere Last handelt, während die Solldrehzahl n₂ begrenzt wird, wenn es sich um Antriebe mit äußerer Last, z. B. Hubwinden, handelt.
Der Rechenschaltung 33 kann ferner der Istwert des Schwenkwinkels α₁ der Primäreinheit als zusätzliche Eingangsgröße zugeführt werden. Überschreitet der Schwenkwinkel α₁ einen vorbestimmten Schwellwert, so wird die Volumenstromaufnahme aller Sekundäreinheiten jeweils um den gleichen Betrag vermindert. Diese Maßnahme ist insbesondere als Präventivmaßnahme gedacht, um die Gefahr eines plötzlichen Druckeinbruches rechtzeitig zu verringern.

Claims (12)

1. Antriebssystem mit einer von einem Motor angetriebenen verstellbaren hydrostatischen Maschine als Primäreinheit, die als Pumpe arbeitend Druckmittel in einen Leitungsstrang mit eingeprägtem Druck fördert, an den eine verstellbare hydrostatische Maschine als Sekundäreinheit angeschlossen ist, die mit einer Last gekuppelt ist und als Motor arbeitend Druckmittel aus dem Leitungsstrang entnehmen und als Pumpe arbeitend Druckmittel zu der dann als Motor arbeitenden Primäreinheit fördert, und mit je einem Wegeventil zur Betätigung der den Schwenkwinkel der hydrostatischen Maschinen einstellenden Verstellzylinder, wobei der Verstellzylinder der Primäreinheit mittels eines vom eingeprägten Druck in dem Leitungsstrang abhängigen Steuerstroms und der Verstellzylinder der Sekundäreinheit mittels eines von deren Drehzahl abhängigen Steuerstroms einstellbar ist, zur Regelung des Druckes in dem Leitungsstrang ein elektrischer Druckmeßgeber, eine Vergleichsstufe für den Sollwert und Istwert des Druckes und ein von der Vergleichsstufe elektrisch angesteuertes Ventil für den Verstellzylinder der Primäreinheit und für die Drehzahlregelung der Sekundäreinheit ein elektrischer Tachogenerator, eine Vergleichsstufe für den Sollwert und Istwert der Drehzahl und ein von der Vergleichsstufe elektrisch angesteuertes Ventil für den Verstellzylinder der Sekundäreinheit vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungsbegrenzung der Sekundäreinheit (4) je ein dem Schwenkwinkel der Primäreinheit (1) und der Sekundäreinheit proportionaler Wert und je ein der Drehzahl der Primäreinheit und der Sekundäreinheit proportionaler Wert miteinander verknüpft, hieraus der Volumenstrom der Primär- und Sekundäreinheit ermittelt und der Schwenkwinkel oder die Drehzahl der Sekundäreinheit auf einen Wert begrenzt wird, für den der Volumenstrom der Sekundäreinheit kleiner dem Volumenstrom der Primäreinheit ist.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom der Sekundäreinheit abhängig von der Drehrichtung und dem Betrieb der Sekundäreinheit als Motor oder Pumpe bestimmt wird.
3. Antriebssystem insbesondere für Antriebe ohne äußere Last, dadurch gekennzeichnet, daß eine Begrenzerschaltung (30) vorgesehen ist, deren Ausgangssignal das Ausgangssignal des Drehzahlreglers (21) der Sekundäreinheit begrenzt.
4. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, insbesondere für Antriebe mit äußerer Last, dadurch gekennzeichnet, daß eine Begrenzerschaltung (31) vorgesehen ist, deren Ausgangssignal den Sollwert des Eingangssignals des Drehzahlreglers (21) der Sekundäreinheit begrenzt.
5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Drehzahlregelkreis der Sekundäreinheit ein Schwenkwinkelregelkreis unterlagert ist.
6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Druckregelkreis der Primäreinheit ein Schwenkwinkelregelkreis unterlagert ist.
7. Antriebssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Schwenkwinkels jeweils ein Wegaufnehmer (14, 23) am Verstellzylinder (2, 5) vorgesehen ist und daß der Wegaufnehmer und der Druckregler (12) bzw. der Drehzahlregler (21) über ein Vergleichsglied (15, 22) an einen Schwenkwinkelregler (16, 24) angeschlossen sind.
8. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal einer Rechenschaltung (28) bzw. (33) nach folgender Beziehung ermittelt wird wobei und entweder im Begrenzer (30) oder im Begrenzer (31) realisiert wird.
9. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für mehrere verstellbare, hydrostatische Maschinen als Sekundäreinheiten, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungsbegrenzung der Sekundäreinheiten die Differenz aus dem Istwert und dem Sollwert des eingeprägten Druckes ermittelt wird und bei einem Überschreiten einer vorbestimmten Differenz der Schwenkwinkel oder die Drehzahl aller Sekundäreinheiten um jeweils gleiche Beträge verringert wird.
10. Antriebssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung der Volumenströme der Sekundäreinheiten nach Ablauf einer Zeitdauer der vorbestimmten Druckdifferenz erfolgt.
11. Antriebssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des Schwenkwinkels der Primäreinheit über einen vorbestimmten Schwellwert der Schwenkwinkel oder die Drehzahl aller Sekundäreinheiten um den gleichen Betrag verringert wird.
12. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungsbegrenzung der Primäreinheit im Pumpenbetrieb der Sekundäreinheit der Schwenkwinkel der Primäreinheit in einer Rechenschaltung (34) nach der Beziehung mit verringert wird.
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US07/184,948 US5070695A (en) 1987-04-24 1988-04-22 Hydrostatic drive system

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