DE4111500A1

DE4111500A1 - Verfahren und vorrichtung zur leistungsbegrenzung einer hydraulischen maschine

Info

Publication number: DE4111500A1
Application number: DE4111500A
Authority: DE
Inventors: Gerold Liebler
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1991-04-09
Filing date: 1991-04-09
Publication date: 1992-10-15
Anticipated expiration: 2011-04-10
Also published as: US5341311A; JPH0599201A; JP3192465B2; SE9201109D0; DE4111500C2; SE9201109L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leistungsbegrenzung mindestens einer hydrostatischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 8.

Eine hydraulische Sekundärregelung besteht im einfachsten Fall aus einer Primäreinheit, nämlich einer als Pumpe ar beitenden hydrostatischen Maschine mit einstellbarem För dervolumen, die in ein Drucknetz einspeist, in dem ein eingeprägter Druck aufrechterhalten wird und aus einer an das Drucknetz angeschlossenen Sekundäreinheit, nämlich einer hydrostatischen Maschine mit einstellbarem Schluck- bzw. Fördervolumen, die zum Antrieb einer Last dient, aber auch von der Last angetrieben werden kann und dann als Pumpe arbeitend Druckmittel in das Drucknetz zurückspeist.

Das Prinzip der hydraulischen Sekundärregelung geht im all gemeinen von einer unbegrenzten Kapazität des Drucknetzes aus, d. h. die Fördermenge der in das Drucknetz einspeisenden Pumpe bzw. Pumpen ist größer oder gleich dem maximalen Schluckvolumen der Sekundäreinheit bzw. der Sekundäreinhei ten, wobei die Energie für die hydraulische Verstellung der Maschinen sowie der Wirkungsgrad des Systems berücksichtigt wird. Druckschwankungen in bestimmten Bereichen werden als zulässig angesehen, so daß im Drucknetz ein sogenannter ein geprägter Druck herrscht, der also nicht unbedingt stets konstant sein muß.

Liegt jedoch die maximale Pumpenförderleistung, also die Primärleistung, niedriger als der maximale Volumenstromver brauch der Sekundäreinheiten, so kann die Sekundäreinheit das Drucknetz leer saugen, d. h. der Druck bricht zusammen und die Drehzahl der Sekundäreinheit und damit der Volumen strom muß soweit reduziert werden, bis die Primäreinheit den eingeprägten Druck wieder aufbauen kann.

Bei bekannten Systemen wird deshalb der Druck im Drucknetz gemessen und bei beginnendem Druckabfall der Sollwert für die Drehzahleinstellung verkleinert. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf bekannte Systeme gemäß P 34 41 185, P 35 08 339 oder auch P 37 39 387 verwiesen.

Der bei derartigen Regelungen resultierende Volumenstrom der Sekundäreinheit ist nicht direkt vom Drehzahlsollwert ab hängig, sondern stellt sich in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen ein, so daß der Drehzahlsollwert ständig nachge regelt werden muß. Solche Verfahren, die den Volumenstrom der Sekundäreinheit nur indirekt beeinflussen können, sind aufwendig und neigen zu Instabilität.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und eine verbesserte Regelung für die Sekundäreinheit vorzusehen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa tentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird aus den Nenngrößen der Primär- und Sekundäreinheit sowie auch des Wirkungsgrades des Systems ein zulässiger Volumenstrom durch die Sekundäreinheit be rechnet. Dieser Wert ergibt sich wie folgt:

mit
ns = Drehzahl der Sekundäreinheit
np = Drehzahl der Pumpe
Qs = Volumenstrom durch die Sekundäreinheit
Qp = Fördermenge der Pumpe
Vn_s = Nenngröße der Sekundäreinheit
Vn_p = Nenngröße der Pumpe
η = Wirkungsgrad des Systems inklusive Stellenergie

Der zulässige Schwenkwinkel ergibt sich wie folgt:

d. h. der zulässige Schwenkwinkel darf bis zum maximalen Schwenkwinkel verstellt werden, bei dem die Sekundäreinheit das maximale Schluckvolumen besitzt, ohne daß die Leistungs begrenzung eingreift. Soll jedoch die Drehzahl für die Se kundäreinheit erhöht werden, so muß die Leistung begrenzt werden, um den Zusammenbruch des Druckes im Drucknetz zu vermeiden:

Der zulässige Schwenkwinkel für die Sekundäreinheit ergibt sich somit als Quotient des berechneten und vorgegebenen zulässigen Volumenstroms der Sekundäreinheit und der ge messenen bzw. berechneten Drehzahl der Sekundäreinheit. Dieser Quotient wird ausgerechnet und mit diesem Wert wird vorzugsweise das Ausgangssignal des übergeordneten Reglers, also der Sollwert für die Schwenkwinkeleinstellung der Sekundäreinheit begrenzt. Der übergeordnete Regler kann ein Drehzahlregler, Positionsregler oder Drehmomentregler sein, jenachdem ob als Führungsgröße der Sollwert einer Drehzahl, einer anzufahrenden Position oder eines zu erzeugenden Drehmomentes eingestellt wird.

Erfindungsgemäß läßt sich somit der Schwenkwinkel der Sekun däreinheit und damit deren Schluckvolumen in Abhängigkeit der vom Istwert der Drehzahl und der Primärleistung direkt beeinflussen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unter ansprüchen. Dabei handelt es sich vor allem um Merkmale zur Verfeinerung der Regelung, sowie um die Leistungsbegrenzung bei mehreren Sekundäreinheiten und anderen Verbrauchern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, in der eine analog arbeitende Regelschaltung für eine Sekundäreinheit dargestellt ist.

Eine von einer Antriebsmaschine 1 angetriebene hydrosta tische Maschine 2 als Primäreinheit arbeitet als Pumpe und fördert Druckmittel aus einem Tank T in eine Druckleitung 31 an die ein Druckspeicher 4 und eine hydrostatische Maschine 5 als Sekundäreinheit angeschlossen ist. Beide Maschinen 2 und 5 sind im Förder- bzw. Schluckvolumen verstellbar. Die Verstelleinrichtung ist im einzelnen nicht dargestellt und wird als bekannt vorausgesetzt. Entsprechend dem an der Sekundäreinheit 5 eingestellten Schluckvolumen und der Dreh zahl muß die Primäreinheit das Druckmittel in die Drucklei tung 3 speisen, um darin einen eingeprägten Druck aufrecht zuerhalten. Die Sekundäreinheit 5 dient zum Antrieb einer Last 6. Die Last 6 kann gegebenenfalls auch die Sekundär einheit 5 antreiben, so daß diese als Pumpe arbeitet und Druckmittel in die Leitung 3 und in den Speicher 4 fördert. Das Druckmittel kann auch über ein nicht dargestelltes Druckentlastungsventil zum Tanker zur Niederdruckseite zurückgeführt werden.

Zur Schwenkwinkeleinstellung der Sekundäreinheit, also zur Einstellung des Schluck- bzw. Fördervolumens der Maschine 5 ist ein Schwenkwinkelregler 10 vorgesehen, dem ein Sollwert sowie ein Istwert für den Schwenkwinkel zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Schwenkwinkelreglers 10 wird auf ein Stellsystem 11 geführt, d. h. ein Regelventil wird ange steuert, daß Druckmittel zu einem Stellmittel zu einem Stellzylinder führt, der zur Einstellung des Schwenkwinkels der Maschine 5 dient. Derartige Schwenkwinkelregler oder Positionsregler sind bekannt. Auf die eingangs genannten Anmeldungen wird hingewiesen.

Der Sollwert für den Schwenkwinkel wird in einem überlager ten Drehzahlregler 12 bestimmt, dem der willkürliche Soll wert für die Drehzahl sowie der Istwert für die Drehzahl zugeführt werden. Der Istwert wird in einem Tachogenerator 14 gemessen, der von der Sekundäreinheit 5 angetrieben wird. Je nach Vorgabe des Drehzahlsollwertes kann der vom Dreh zahlregler 12 gelieferte Schwenkwinkelsollwert zu groß sein, so daß in diesem Fall der eingeprägte Druck in der Leitung 3 nicht aufrechterhalten werden könnte, obwohl die Primärein heit 2 bereits mit maximaler Leistung arbeitet.

Der durch die Gleichung 3 vorgegebene zulässige Schwenkwin kelsollwert darf somit nicht überschritten werden. Dies erfolgt durch eine Rechenschaltung 15, der der jeweilige Istwert der Drehzahl zugeführt wird und in der der zulässige Volumenstrom der Sekundäreinheit vorliegt. Aus diesen Werten wird über die Quotientenbildung der zulässige Schwenkwinkel für die Sekundäreinheit errechnet und dieses Signal auf einen Begrenzer 16 gegeben, der in die Leitung zwischen dem Drehzahlregler 12 und dem Schwenkwinkelregler 10 einge schleift ist.

Bei einem analogen Regelkreis kann die Rechenschaltung 15 als Analogrecheneinheit aufgebaut werden und kann der Be grenzer 16 ein Diodenbegrenzer sein. Bei einer digitalen Regelung wird der Algorithmus als Softwarefunktion aufge baut.

Sobald der übergeordnete Regler 12 versucht, einen größeren als den zulässigen Schwenkwinkelsollwert vorzugeben, greift der Begrenzer 16 ein. Das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 12 wird unterdrückt und die Sekundäreinheit 5 wird auf die zulässige Volumenstromgrenze, d. h. die Leistungsgrenze bei konstantem Systemdruck eingestellt.

Die für die Sekundärregelung verwendeten hydrostatischen Maschinen sind vom Schwenkwinkel 0 ausgehend in beiden Richtungen für unterschiedliche Drehrichtungen einstellbar; da in beiden Drehrichtungen die Sekundäreinheit auch von der Last angetrieben werden kann, ist bei der Sekundärregelung ein sogenannter Vier-Quadranten-Betrieb möglich. Es müssen beide Schwenkrichtungen für die unterschiedlichen Drehrich tungen beachtet werden. Es ist hierzu eine Fahrtrichtungs logik 17 vorgesehen, von der der zulässige Schwenkwinkel abhängig von der Drehrichtung veränderbar ist. Beispiels weise kann sich die Leistungsbegrenzung in Abhängigkeit von der Drehrichtung auf jeweils nur eine Schwenkrichtung be schränken, d. h. die Leistungsbegrenzung erfolgt nur dann, wenn die Sekundäreinheit als Motor arbeitet. Im Generator betrieb, also wenn die Sekundäreinheit als Pumpe arbeitend von der Last angetrieben wird, kann ihr Förderstrom auch größer sein als der Förderstrom der Primäreinheit und der überschüssige Volumenstrom kann durch ein Druckbegrenzungs ventil zur Niederdruckseite abgeleitet werden.

Der eingangs erläuterte Algorithmus für die Leistungsgrenze der Sekundäreinheit ist gültig, solange die Primäreinheit mit maximaler Drehzahl und maximalem Schwenkwinkel betrieben wird und kein zusätzlicher Verbraucher parallel zur Sekun däreinheit 5 geschaltet ist. Sind mehrere Sekundäreinheiten oder andere Verbraucher an die Druckleitung 3 angeschlossen, so muß für jede Sekundäreinheit der zulässige Volumenstrom berechnet und der betreffenden Sekundäreinheit zugeteilt werden, wobei jede Sekundäreinheit eine eigene Leistungsbe grenzung benötigt. Die Zuteilung erfolgt durch einen überge ordneten Rechner oder durch Drucksensoren, die bei Druckab fall den zulässigen Wert für den Volumenstrom der Sekundär einheiten erniedrigen. Jedenfalls ist die Erfindung nicht nur auf die Leistungsbegrenzung einer Sekundäreinheit be schränkt.

Claims

1. Verfahren zur Leistungsbegrenzung einer hydraulischen Maschine mit verstellbarem Schluck- bzw. Fördervolumen, die als Sekundäreinheit an ein Drucknetz mit eingeprägtem Druck angeschlossen ist, das von einer Primäreinheit gespeist wird, mit einem Drehzahlregelkreis, Positionsregelkreis oder Drehmomentregelkreis für die Sekundäreinheit zur Einstellung des Schwenkwinkels, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Nenngrößen der Primär- und Sekundäreinheit ein zulässiger Volumenstrom der Sekun däreinheit berechnet wird, daß die Drehzahl der Sekundärein heit gemessen wird, daß aus dem zulässigen Volumenstrom und der Drehzahl der Sekundäreinheit ein zulässiger Schwenkwin kel für die Sekundäreinheit erzeugt wird und daß der Schwenkwinkel der Sekundäreinheit auf den erzeugten Wert begrenzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Regler gelieferte Ausgangssignal auf einen dem zulässigen Schwenkwinkel entsprechenden Wert begrenzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zulässige Volumenstrom der Sekundäreinheit unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Systems einschließlich der für die Verstellung der Schwenkwinkel erforderlichen Stellenergie berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung des Schwenkwin kels der Sekundäreinheit abhängig von der Drehrichtung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für mehrere Sekundäreinheiten und andere hydraulische Ver braucher in einem Drucknetz mit eingeprägtem Druck, dadurch gekennzeichnet, daß der zulässige Volumenstrom jeder Sekundäreinheit in einer übergeordneten Steuerung berechnet wird und hiervon abhängig die Volumenströme den Verbrauchern zugeteilt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für eine oder mehrere Sekundäreinheiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck gemessen wird und der zulässige Volumenstrom jeder Sekundäreinheit abhängig vom jeweils gemessenen Druck bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl durch Ableitung aus dem Drehwinkel gebildet wird.

8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Schwenkwinkelregler und einem übergeordneten Drehzahl- oder Positions- oder Dreh momentregler für die Sekundäreinheit, dadurch gekennzeichnet, daß eine Begrenzungsstufe (16) in die Signalleitung zwischen dem übergeordneten Regler (12) und dem Schwenkwinkelregler (10) der Sekundäreinheit (5) geschaltet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung für die Leistungsbegrenzung und die übergeordnete Regelung analog oder digital ausgeführt ist.