DE3733396C2 - Elektrische Pumpenregelung für die Förderstrom- und Druckregelung an einem Verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Pumpenregelung für die Förderstrom- und Druckregelung an einem Verbraucher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine elektrische Pumpenregelung wird häufig bei in ihrem För­ dervolumen oder Förderstrom verstellbaren Pumpen angewandt. Solche Pumpen können beispielsweise bei Kunststoff-Maschinen, insbesondere Spritzgießmaschinen Verwendung finden. Allgemein können solche elektrische Pumpenregelungen auch bei anderen Maschinen, z. B. Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.

Bei einer bereits bekannten dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden elektrischen Pumpenregelung (vgl. Fig. 1) für den Förderstrom und den Druck an einem Verbraucher ist ein die Pumpe hinsichtlich ihres Förderstromes verstellender Pum­ penregler vorgesehen, der seinerseits durch das Ausgangssignal eines Förderstromreglers betätigt wird. Das Ausgangssignal des Förderstromreglers wird seinerseits durch das Ausgangssignal eines Druckreglers begrenzt, wobei diese Begrenzung immer dann, wenn der Istwert des Druckes dessen Sollwert erreicht, wirksam wird (Mannesmann-Rexroth-Broschüre RD 09468/10.83; Neue Hydraulik-Komponenten für Kunststoff-Verarbeitungs-Maschinen, Messe K'83, Düsseldorf, S. 1-5).

Bei der bekannten elektrischen Druck/Förderstrom-Regelung mit sozusagen primärem Förderstromregler und sekundärem Druckreg­ ler ist nachteilig, daß die Stabilitätsreserve sowie Dynamik und statische Genauigkeit der Druckregelung nicht ausreichend sind. Außerdem ist der druckabhängige Fehler der Förderstrom­ regelung groß.

Aus der EP 0 087 773 B1 ist ferner eine elektrohydraulische Pumpenregelung bekannt mit einer elektrischen Förderstromre­ gelung und einer hydraulischen Druckregelung. Dort wird auch auf eine reine Druckregelung aber ohne Förderstromregelung hingewiesen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Pumpenregelung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß ohne einen erhöhten Aufwand eine schnelle, stabile und genaue Druckregelung realisiert werden kann. Außerdem soll der Fehler der Förderstromregelung drastisch reduziert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer elektrischen Pumpenregelung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen vor.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer elektrischen Pumpenregelung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 Q/P-Kennlinien, wie sie durch eine elektrische Pumpenregelung gemäß dem Stand der Technik erreicht werden;

Fig. 3 Zeitabhängige Darstellungen des Druckverlaufes P gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer elektrischen Pumpenregelung gemäß der Erfindung;

Fig. 5 Q/P Kennlinien gemäß der Erfindung;

Fig. 6 die zeitabhängige Darstellung des Druckverlaufes gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine bekannte Pumpenförderstrom-Druck-Regelung (im folgenden kurz QP-Regelung) 1 gezeigt, die dazu dient, ein hydraulisches Druckmedium (beispielsweise Hydrauliköl) einem Verbraucher 12 in einer bestimmten Menge Q (Förderstrom) bei einem bestimmten Verbraucherdruck p zuzuführen.

Die bekannte QP-Regelung 1 weist im einzelnen einen im folgenden auch als Q-Regler bezeichneten Förderstromregler 2, einen im folgenden auch als p-Regler bezeichneten Druckregler 3 und eine Pumpeneinheit 4 auf. Die Komponenten 2, 3 und 4 stehen miteinander in noch näher zu beschreibender Weise in Verbindung.

Die Pumpeneinheit 4 weist eine beispielsweise von einem Elektromotor 7 angetriebene Pumpe 6 mit veränderlichem Verdrängungsvolumen auf. Die Pumpe 6 saugt Druckmedium von einem Tank 8 an und steht über eine Leitung 11 mit dem Verbraucher 12 in Verbindung. Durch den mit 9 bezeichneten Pfeil wird ein Verstellelement beispielsweise eine Schrägscheibe bei einer Schrägscheibenpumpe bezeichnet. Durch einen Pumpenregler 10 kann das Verstellelement 9 beispielsweise um einen Winkel von alpha = +/- 15° bezüglich der Mittellage geschwenkt werden. Nimmt man beispielsweise an, daß das Verstellelement 9 eine Schrägscheibe ist, so würde diese in der Mittel- oder Nullage senkrecht zur Antriebswelle stehen, was einem Kolbenhub und damit auch einem Verdrängungsvolumen von Null entspricht. Schwenkt bei gleichbleibender Antriebsdrehrichtung die Schrägscheibe über die Nullage, dann ändert sich die Durchflußrichtung des Förderstroms. Der an sich bekannte (siehe DE 30 16 609 A1) Pumpenregler 10 liegt eingangsseitig über eine Verbindung 17 an dem Q-Regler 2.

Der Q-Regler 2 weist z. B. ein Potentiometer 19 auf, an dem eine Spannung Uq anliegt. Mit Leitung 20 kann eine Spannung +Uqsoll abgegriffen werden, die einem gewünschten Förderstrom Qsoll entspricht. Da bekanntlich der tatsächliche Förderstrom Q_ist der Pumpe 6 der Stellung des Verstellelementes 9 proportional ist, wird der Q_ist Wert durch ein Positionsmeßgerät (Q_ist-Meßsystem) 25 ermittelt. Das Q_ist-Meßsystem 25 bildet Q_ist als eine Spannung Uqist ab und liefert diese Spannung über eine Leitung 22 an einen Vergleichspunkt 21. Auf diese Weise werden die beiden Spannungen +Uq_soll und -Uq_ist am Eingang eines über Leitung 23 mit dem Vergleichspunkt 21 verbundenen Verstärkers 24 voneinander subtrahiert. Es wird somit die Soll-Ist-Differenz, der Fehler, die Regelabweichung gebildet. Dieser Fehler in der Form einer Spannung Ueqf liegt am Eingang des Verstärkers 24 an und wird durch diesen auf einen Spannungswert Uaqfv verstärkt und über einen Widerstand 37 und Leitung 17 in den Pumpenregler 10 eingespeist.

Der p-Regler 3 weist ein Potentiometer 27 auf, an dem die Spannung Up liegt. Mittels einer Leitung 28 kann ein einem gewünschten Druckwert psoll entsprechender Spannungswert +Upsoll gebildet und einem Vergleichspunkt 31 zugeführt werden. Ein p_ist-Meßsystem 33 kann aufgrund einer Verbindung 14 mit dem Verbraucher 12 bzw. der Leitung 11 den tatsächlich vorhandenen Druckwert pist in der Form einer Spannung -Up_ist abbilden und auf Leitung 30 an den Vergleichspunkt 31 liefern. Am Vergleichspunkt 31 wird wiederum ähnlich wie am Vergleichspunkt 21 die Soll-Ist-Differenz, d. h. der Fehler oder die Regelabweichung gebildet und das entsprechende Eingangssignal Uepf liegt über Leitung 29 an einem Verstärker 32 an, der diese Spannungswerte auf eine Ausgangsspannung Uapfv verstärkt.

Der Ausgang des Verstärkers 32 ist über eine Leitung 34, die Diode (Begrenzungsmittel) 35 und eine Leitung 36 mit dem hinter dem Widerstand 37 liegenden Ausgang des Verstärkers 24 verbunden.

Wenn der Sollwert des Druckes Up_soll größer als der Istwert Up_ist ist, dann ist die Ausgangsspannung (die beispielsweise zwischen +10 V und -10 V liegen kann) des Verstärkers 32 (wegen dessen hoher Verstärkung) maximal positiv (z. B. +10 V).

Solange der Q-Regler 2 arbeitet, ist die Spannung in der Lei­ tung 17 (z. B.) im Bereich kleiner +10 V und größer -10 V. Die Diode 35 ist daher gesperrt und verhindert eine Beeinflussung der Spannung in Leitung 17 durch den Verstärker 32. Steigt nun durch Erhöhung des Widerstandes des Verbrauchers 12 der Pum­ pendruck an und Up_ist wird Up_soll, dann vermindert der Verstär­ ker 32 den Wert der Spannung U_apfv.

Wenn U_apfv geringfügig niedriger als die Spannung in 17 ist, so öffnet die Diode 35, und es fließt ein Strom vom Ausgang des Verstärkers 24 über den Widerstand 37, die Leitung 36 und die Diode 35 in den Verstärker 32.

Durch den Spannungsabfall an Widerstand 37 wird die Spannung in Leitung 17 durch den Verstärker 32 bestimmt. Die Förder­ stromregelung ist demnach ausgeschaltet und die Druckregelung ist durch Begrenzung des vom Förderstromregler vorgegebenen Ausgangswertes in Funktion. Der Druckregler 2 arbeitet also praktisch über den Begrenzer 35. Die Begrenzungsmittel 35 be­ grenzen sozusagen den Ausgangswert des Q-Reglers auf den Wert, den der p-Regler vorgibt.

Fig. 2 zeigt die statischen Kennlinien der Druck-Förderstrom­ regelung, welche mit der Anordnung nach Fig. 1 erreicht werden können. So zeigt die Kennlinie 38 den Fall wo etwa ein Q von 86 l/min und ein p von 200 bar erreicht werden soll. Ähnliches gilt für Kennlinien 37 und 39. In allen Fällen hat also das Q gegenüber dem gewünschten Wert eine Abweichung. Wenn dann der Druck erreicht wird, der vorgegeben ist, so ergibt sich die gezeigte Hysterese.

Der mit zunehmendem Druck abfallende Förderstrom (z. B. Kennlinie 38) ergibt sich hauptsächlich durch die druckabhängigen (volumetrischen) Verluste der Pumpe.

Die Hysterese der Druckkennlinien (z. B. Kennlinie 38) ergibt sich aus der Notwendigkeit, wegen der geringen Stabilitätsreserve der Druckregelung eine kleine Reglerverstärkung wählen zu müssen.

Fig. 3 zeigt für die Pumpenregelung gemäß Fig. 1 den Druckverlauf über der Zeit bei einer Änderung des Sollwertes des Drucks von z. B. 80 bar auf 200 bar und von 200 bar auf 80 bar. Die Druckänderung erfolgt langsam; trotzdem ist deutliches Überschwingen zu erkennen. Die obere Darstellung zeigt synchron die Stellung der "Schrägscheibe" 9.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar eine Pumpenförderstrom-Druckregelung (QP-Regelung) 42. Die QP-Regelung 42 für den Verbraucher 12 weist eine Pumpeneinheit 4, einen Druckregler (P-Regler) 3 und einen Förderstromregler (Q-Regler) 2 auf, und zwar von ähnlichem Aufbau wie die entsprechenden Bauteile der Fig. 1. Insofern kann hier bezüglich der Wirkungsweise der Begrenzung auf die Beschreibung der Fig. 1 verwiesen werden. (Bei Fig. 1 war es so, daß der Q-Regler 2 ein bestimmtes Ausgangssignal entsprechend seinen Regelmöglichkeiten gibt, und zwar solange bis der Druck-Istwert den Sollwert erreicht. Dann wird der Wert des Q-Reglers durch den p-Regler begrenzt. Diese Art der Begrenzung ist hier gemeint.) Bei Fig. 4 ist also die Wirkungsweise genauso, nur gerade umgekehrt, d. h. der p-Regler ist primär, der Q-Regler ist sekundär.

Im Gegensatz zu Fig. 1 wird hier ein Pumpenregler 10 verwendet, bei welchem die Position des im Pumpenregler 10 vorgesehenen Reglerkolbens mittels eines Wegmeßsystems 44 gemessen wird. Dessen aus drei Einzelsignalen bestehendes Signal wird über die Leitung 45 zum Vergleichspunkt 50 geleitet und mit dem auf der Leitung 47 liegenden Ausgangssignal des p-Reglers verglichen. Auf diese Weise wird durch die Rückführung der Stellung des Reglerkolbens ein unterlagerter Regelkreis gebildet. Diese Rückführung hat proportionales, differenzierendes und zweimal differenzierendes Verhalten. Damit hat man eine Positions-, eine Geschwindigkeits- und eine Beschleunigungsrückführung. Die Differenz dieser Signale wird in einem Regelverstärker 51 mit geeignetem Zeitverhalten verstärkt und über Leitung 52 als Eingangsgröße dem Pumpenregler 10 zugeführt. Durch die dargestellte Verbindung von Pumpenregler 10, Wegmeßsystem 44, Vergleichspunkt 50 und Regelverstärker 51 wird die Dynamik des Pumpenreglers 10 deutlich verbessert. Dieser versorgt in bekannter Weise über hydraulische Leitungen 53 das Verstellelement 9 der Pumpe 6.

Anstelle des tatsächlichen Wertes Q_ist wird die diesem Wert proportionale Position des Verstellelementes 9 im Wegmeßsystem 25 ermittelt und in der Form eines Spannungssignals -Uqist über Leitung 22 dem Vergleichspunkt 21 zugeführt.

Außerdem wird zwecks Verbesserung der Dynamik der Regelung das Spannungssignal Uqist über ein im wesentlichen differenzierendes Glied 54 über die Leitung 55 mit negativem Vorzeichen (= Gegenkoppelung) an den am Eingang des Regelverstärkers 51 liegenden Vergleichspunkt 50 geführt. Das pist-Meßsystem (Druckmeßdose) 33 des P-Reglers 3 ist über eine Verbindung 41 mit dem Verbraucher 12 verbunden um Information hinsichtlich des Ist-Druckes pist am Verbraucher aufzunehmen und als eine Spannung -Upist auf Leitung 30 dem Verknüpfungspunkt 21 zuzuführen.

Ferner steht der Ausgang des Verstärkers 24 über Leitung 43 mit Begrenzungsmitteln 48 in Verbindung, die ihrerseits über eine Leitung 46 mit der Leitung 47 verbunden sind.

Bei der erfindungsgemäßen QP-Regelung 42 wird sozusagen primär der Druck geregelt, wobei die durch den P-Regler 3 gelieferte, am Ausgang des Verstärkers 32 anstehende Ausgangsspannung Uapfv durch die Begrenzungsmittel 48 modifiziert wird, und zwar entsprechend dem Ausgangsignal Uaqfv des Q-Reglers 2 wie es auf Leitung 43 auftritt.

Die erfindungsgemäßen Begrenzungsmittel 48 sind derart ausgelegt, daß sie eine unveränderte Übertragung des Signals Uapfv zum Pumpenregler 10 gestatten, solange Q_ist kleiner Q_soll ist, d. h. solange Uq_ist kleiner Uq_soll ist.

Sobald Q_ist den Wert Qsoll erreicht, wird durch die Begrenzungsmittel 48 der Wert von Uapfv derart begrenzt, daß Q_ist gleich Q_soll (also Uq_ist gleich Uq_soll) bleibt, und niemals Q_ist größer wird als Q_soll.

Um den in Fig. 2 dargestellten Abfall des Förderstromes bei steigendem Druck (z. B. Kennlinie 38) zu vermeiden, wird das dem Istwert des Druckes entsprechende Signal Upist über ein Anpassungsglied 49 als Korrekturwert dem Vergleichspunkt 21 zugeführt. So ist es möglich, die durch Leckage auftretenden Verluste der Pumpe und der Verbraucher zu kompensieren. Das in Fig. 2 gezeigte Abfallen der Q-Kennlinien wird vermieden.

Fig. 5 zeigt die statischen Druck- und Förderstromkennlinien der erfindungsgemäßen Regelung. Ein Vergleich mit Fig. 2 zeigt die höhere Genauigkeit der Förderstromregelung (d. h. Q bleibt unabhängig von Druck p konstant) und die hysteresefreie Druckregelung.

In Fig. 6 (unterer Teil) ist der zeitliche Verlauf des Druckes bei einer Änderung des Sollwertes von 80 bar auf 200 bar und zurück auf 80 bar dargestellt. Im Vergleich mit Fig. 3 wird deutlich, daß die Druckregelung schneller arbeitet und Überschwingen vermieden wird.

Im oberen Teil der Fig. 6 ist synchron zum Druckverlauf der Schwenkwinkel (Verstellglied 9) aufgezeichnet. Zur Erhöhung des Druckes wird das Verstellorgan 9 in positiver Richtung ausgeschwenkt; zum Zwecke der Reduzierung des Druckes schwenkt das Verstellorgan 9 in negative Richtung und saugt Druckmedium aus dem vorgespannten System.

Als Begrenzungsmittel 48 kommt auch z. B. ein Transistor oder ein Operationsverstärker in Frage.

Claims (8)

1. Elektrische Pumpenregelung (42) für die Förderstrom- und Druckregelung an einem Verbraucher (12), der von einer in ihrem Förderstrom einstellbaren Pumpe (6) mit hydraulischem Druckmedium beliefert wird, wobei ein Pumpenregler (10) zur Einstellung des Förderstroms ausgangsseitig mit der Pumpe (6) in Verbindung steht und eingangsseitig in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen (Uapfv, Uaqfv) eines Förderstromreglers (2) und eines Druckreglers (3) betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (3) direkt oder unter Zwischenschaltung eines Verstärkers (51) am Eingang des Pumpenreglers (10) liegt, und daß der Förderstromregler (2) über Begrenzungsmittel (48) am Eingang des Pumpenreglers (10) liegt, wobei bei Q_ist (Förderstromistwert) gleich Q_soll (Förderstromsollwert) und P_soll (Drucksollwert) größer P_ist (Druckistwert) der Ausgangswert (47) des Druckreglers (3) durch die Begrenzungsmittel (48) auf den Wert des Ausgangssignals (Uaqfv) des Förderstromreglers (2) begrenzt wird.

2. Elektrische Pumpenregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (3) basierend auf einem Vergleich eines Drucksollwertes und eines Druckistwertes sein Ausgangssignal (Uapfv) erzeugt,
daß der Förderstromregler (2) basierend auf einem Vergleich eines Förderstromsollwerts und eines dem Förderstromistwert proportionalen Wertes sein Ausgangssignal (Uaqfv) erzeugt, und
daß die Begrenzungsmittel (48) derart ausgebildet sind, daß:

• a) das Ausgangssignal des Druckreglers (Uapfv) immer dann unverändert zum Pumpenregler (10) übertragen wird, wenn Q_ist kleiner Q_soll und
• b) das Ausgangssignal (Uapfv) des Druckreglers im Falle, daß Q_ist Q_soll erreicht, derart begrenzt wird, daß Q_ist nicht größer Q_soll wird.

3. Elektrische Pumpenregelung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (3) ein Ausgangsspannungssignal (Uapfv) liefert, welches für den Fall P_ist größer P_soll negativ ist, während es für den Fall P_ist kleiner P_soll positiv ist.

4. Elektrische Pumpenregelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die beschriebene Schaltung bei Reduzierung des Drucksollwertes die Pumpe in negative Förderrichtung schwenkt.

5. Elektrische Pumpenregelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die volumetrischen Verluste von Pumpe und Verbraucher durch eine druckabhängige Kompensation (Anpassungsglied 49) ausgeglichen werden.

6. Elektrische Pumpenregelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrohydraulische Pumpenregler (10) mit einer Wegrückführung (Wegmeßsystem 44) versehen ist, mittels welcher zusammen mit dem Regelverstärker (51) ein unterlagerter Positionsregelkreis aufgebaut wird.

7. Elektrische Pumpenregelung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Förderstrom proportionales Positionssignal eines Verstellelementes (9) über eine hauptsächlich differenzierende Rückführung (54) an einen Vergleichspunkt (50) am Eingang des Pumpenreglers (10) zurückgemeldet wird.

8. Elektrische Pumpenregelung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei einer Spritzgießmaschine eingesetzt ist.