DE4111500C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Leistungsbegrenzung einer hydraulischen Maschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Leistungsbegrenzung einer hydraulischen MaschineInfo
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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 DE 34 41 185
A1, DE 35 08 339 A1 oder auch DE 37 13 799 A1 verwiesen.
Der bei derartigen Regelungen resultierende Volumenstrom der
Sekundäreinheit ist nicht direkt vom Drehzahlsollwert ab
hängig, sondern stellt sich in Abhängigkeit von äußeren Be
dingungen 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.
Ferner ist ein hydrostatisches Antriebssystem mit jeweils
einer verstellbaren Primär- und Sekundäreinheit bekannt (DE
37 13 799 A1), bei dem die Leistung der Sekundäreinheit
begrenzt wird, um ein zu starkes Absinken des eingeprägten
Druckes zu vermeiden. Hierzu werden ständig die Volumen
ströme der Primär- und Sekundäreinheit verglichen und die
Leistungsbegrenzung greift ein, wenn der Volumenstrom der
Sekundäreinheit den Volumenstrom der Primäreinheit über
schreitet. Es muß also ständig der Schwenkwinkel und die
Drehzahl der Primäreinheit gemessen werden. Es handelt sich
um ein aufwendiges System, das wegen des laufenden Abgleichs
zwischen den Volumenströmen der Primär- und Sekundäreinheit
zu einer instabilen Regelung führen kann.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit
weniger Aufwand eine stabile Regelung für die Sekundärein
heit vorzusehen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird so aus den Nenngrößen der Primär- und
Sekundäreinheit sowie auch aus dem Wirkungsgrad des Systems
ein zulässiger Volumenstrom durch die Sekundäreinheit be
rechnet, wobei von der maximalen Fördermenge der
Primäreinheit ausgegangen wird, die sich aus der maximalen
Drehzahl und dem maximalen Schwenkwinkel, nämlich dem
maximalen Hubvolumen der Primäreinheit ergibt. Der zulässige
Volumenstrom durch die Sekundäreinheit ergibt sich wie folgt:
mit
α = normierter Schwenkwinkel der Sekundäreinheit
ns = Drehzahl der Sekundäreinheit
np = Drehzahl der Pumpe
Qs = Volumenstrom durch die Sekundäreinheit
Qp = Fördermenge der Pumpe
Vns = Nenngröße der Sekundäreinheit
Vnp = Nenngröße der Pumpe
η = Wirkungsgrad des Systems inklusive Stellenergie
α = normierter Schwenkwinkel der Sekundäreinheit
ns = Drehzahl der Sekundäreinheit
np = Drehzahl der Pumpe
Qs = Volumenstrom durch die Sekundäreinheit
Qp = Fördermenge der Pumpe
Vns = Nenngröße der Sekundäreinheit
Vnp = 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 Drehzahl der Sekundäreinheit. Dieser Quotient wird
ausgerechnet und mit diesem Wert wird das Drehzahlregler
ausgangssignal, also der Sollwert für die Schwenkwinkelein
stellung der Sekundäreinheit begrenzt.
Erfindungsgemäß läßt sich somit der Schwenkwinkel der Sekun
däreinheit und damit deren Schluckvolumen in Abhängigkeit
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 3,
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 Tank der 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, das Druckmittel zu einem Stellglied eines
Stellzylinder führt, der zur Einstellung des Schwenkwinkels
der Maschine 5 dient. Derartige Schwenkwinkelregler oder
Positionsregler sind bekannt. Auf die eingangs genannten
Literaturstellen 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 (9)
1. Verfahren zur Leistungsbegrenzung einer hydrau
lischen Maschine mit verstellbarem Schluck- bzw. Fördervolu
men, die als Sekundäreinheit an ein Drucknetz mit eingepräg
tem Druck angeschlossen ist, das von einer Primäreinheit ge
speist wird, mit einem Drehzahlregelkreis, Positionsregel
kreis oder Drehmomentregelkreis für die Sekundäreinheit zur
Einstellung des Schwenkwinkels,
dadurch gekennzeichnet, daß aus der maximalen Drehzahl und
dem maximalen Schwenkwinkel der Primäreinheit ein zulässiger
Volumenstrom der Sekundäreinheit berechnet wird, daß die
Drehzahl der Sekundäreinheit gemessen wird, daß der Quotient
aus dem zulässigen Volumenstrom und der Drehzahl der Sekun
däreinheit einen zulässigen Schwenkwinkel für die Sekundär
einheit bestimmt und daß der Schwenkwinkel der Sekundärein
heit 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.
Priority Applications (4)
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DE4111500A1 DE4111500A1 (de) | 1992-10-15 |
DE4111500C2 true DE4111500C2 (de) | 1997-04-10 |
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ID=6429169
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