DE602004007380T2 - METHOD FOR CONTROLLING A PUMP AGENT - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Membran- oder Kolbenpumpe die über einen Stößel oder eine Verbindungsstange durch einen Nocken betätigt wird, der durch einen Elektromotor angetrieben wird.The The invention relates to a method for controlling a membrane or Piston pump over a Pestle or a connecting rod is actuated by a cam, which by a Electric motor is driven.
Membran- und Kolbenpumpen finden zum Dosieren von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Eigenschaften Verwendung. Je nach Anwendungsbereich sind an das Pumpverhalten unterschiedliche Anforderungen zu stellen, um sicherzustellen, daß die abgegebene Menge des dosierten Mediums so genau wie möglich ist und zeitlich so lange wie möglich konstant bleibt.Membrane- and piston pumps find dosing liquids with different Properties use. Depending on the scope of application are to Pumping behavior to make different demands to ensure that the delivered amount of the metered medium is as accurate as possible and for as long as possible remains constant.
Die
Pumpen werden von einem Elektromotor über einen Nocken angetrieben
derart, daß die
Rotationsbewegung des Motors in eine Linearbewegung der Pumpenmembran
oder des Pumpenkolbens umgesetzt wird. Bei einer Umdrehung des Nockens
findet ein Verdichtungshub statt mit Abgabe des dosierten Mediums
z.B. in eine Dosierleitung, sowie ein Ansaughub, in dessen Verlauf
das dosierte Medium aus einem Reservoir o.dgl. angesaugt wird. Im
Stand der Technik zum Antrieb solcher Mechanismen eingesetzte Elektromotoren
umfassen einen weiten Bereich von Typen, insbesondere mechanisch
kommutierte Motoren, Synchronmotoren, Asynchronmotoren und Schrittmotoren.
Die meisten dieser Antriebseinheiten haben eine Anzahl von Nachteilen
bezüglich
des jeweiligen Anwendungszwecks. Eine Membran- oder Kolbenpumpe,
die durch einen Asynchronmotor angetrieben wird, ist offenbart in
der
Mechanisch kommutierte Motoren unterliegen einem hohen mechanischen Verschleiß und sind deshalb für Pumpen mit einer langen Lebensdauer ungeeignet.Mechanically Commutated motors are subject to high mechanical wear and are therefore for pumps unsuitable for a long life.
Der Drehmomentverlauf von Synchronmotoren ist ungünstig, weil er bei zu starker Belastung zum Abriß des Kraftschlusses führt. Auch das Anlaufverhalten ist für den vorliegenden Zweck ungünstig. Asynchronmotoren haben eine von der Belastung abhängige Drehzahlkurve, was für eine präzise Abmessung von Mengen ungünstig ist. Die Drehzahl von sowohl Synchronmotoren als auch Asynchronmotoren ist von der Frequenz der Versorgungsspannung abhängig, so daß elektronische Frequenzumrichter benötigt werden, um die Drehzahl zu steuern.Of the Torque characteristic of synchronous motors is unfavorable, because it is too strong Stress to the demolition of Traction leads. The startup behavior is also for unfavorable to the present purpose. asynchronous motors have a load-dependent one Speed curve, what for a precise one Dimension of quantities unfavorable is. The speed of both synchronous and asynchronous motors is dependent on the frequency of the supply voltage, so that electronic frequency converter needed be used to control the speed.
Besondere Schwierigkeiten ergeben sich, wenn die Pumpe mit weniger als ihrer maximalen Dosierleistung betrieben werden soll, was bei vielen Anwendungen zur genauen Dosierung unerläßlich ist. Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren umgesetzt worden, um diese Probleme zu bekämpfen. Dadurch kann die geförderte Menge des dosierten Mediums reduziert werden, indem die Auslenkung der Pumpenmembran oder des Kolbens begrenzt wird. In diesem Fall läuft der Nocken für einen Teil seines Umlaufs frei und bewegt die Membran oder den Kolben nur in einem mehr oder weniger ausgedehnten Bereich um den vorderen Totpunkt. Der besondere Nachteil dieser Verfahrensweise besteht darin, daß der Kolben oder die Membran je nach Förderleistung für kurze Zeiträume sehr stark beschleunigt wird, was zu erheblichen Druckschwankungen in den Dosierleitungen führt und das Dosierverhalten negativ beeinflußt. In derselben Weise wird das Ansaugverhalten während des Ansaughubes beeinträchtigt, so daß das Ansaugverhalten der Pumpe sich verschlechtert falls sich Lufteinschlüsse in der Ansaugleitung befinden oder lediglich kleine Pumpenköpfe vorhanden sind.Special Difficulties arise when the pump with less than theirs maximum dosing is to be operated, which in many applications for exact dosage is essential. in the In the state of the art, various methods have been implemented, to fight these problems. This allows the promoted Amount of dosed medium can be reduced by the deflection the pump diaphragm or the piston is limited. In this case is it going? Cams for free a portion of its circulation and move the diaphragm or piston only in a more or less extensive area around the front Dead center. The particular disadvantage of this procedure exists in that the Piston or membrane depending on the delivery rate for short periods is greatly accelerated, causing significant pressure fluctuations in the dosing lines leads and the dosing behavior adversely affected. In the same way that will Intake behavior during affected by the intake stroke, so that Intake behavior of the pump deteriorates if there are air pockets in the suction line or only small pumpheads are present.
Eine weitere Variante zur Reduzierung des Fördervolumens ist die Puls-Pausen-Steuerung. Bei dieser wird ein Dosierzyklus komplett durchlaufen und dann von einer Dosierpause gefolgt, die abhängig ist von der gewünschten Fördermenge, und im übrigen so berechnet wird, daß die gewünschte Fördermenge im zeitlichen Mittel erreicht wird. Der Nachteil dieser Anordnung ist, daß die Pausen bei geringen Fördermengen sehr lang sind, so daß sich in der Rohrleitung bzw. im Tank eine unakzeptable Vermischung des dosierten Mediums ergibt. Außerdem ergibt sich ein sehr ungleichmäßiges Förderverhalten.A Another variant for reducing the delivery volume is the pulse-pause control. At this a dosing cycle is completed and then a dosing break followed, the dependent is of the desired flow, and otherwise is calculated so that the desired output achieved in the time average. The disadvantage of this arrangement is that the Breaks at low flow rates are very long, so that in the pipeline or in the tank an unacceptable mixing of the metered Medium results. Furthermore results in a very uneven conveying behavior.
Eine weitere Option zur Reduzierung der Fördermenge besteht in der Steuerung der Drehzahl des Antriebsmotors. In diesem Fall läßt sich die Fördermenge einstellen durch Beeinflussung der Geschwindigkeit des Kolbens oder der Membran. Eine entsprechende Verlangsamung der Antriebseinheit und dementsprechend der Membran führt zu einer Reduzierung der Menge des dosierten Mediums pro Zeiteinheit. Das Problem dieses Ansatzes besteht darin, daß unter bestimmten Umständen eine gewünschte Verlängerung des Verdichtungshubs eine entsprechende Verlängerung des Ansaughubs zur Folge hat. Das Ansaug- und Förderverhalten wird dadurch negativ beeinflußt, insbesondere bei hochviskosen Medien.A another option for reducing the flow rate is the control the speed of the drive motor. In this case can be the flow rate adjust by influencing the speed of the piston or the membrane. A corresponding slowdown of the drive unit and accordingly the membrane leads to a reduction in the amount of dosed medium per unit time. The problem with this approach is that under certain circumstances a desired renewal the compression stroke a corresponding extension of the intake stroke result Has. The intake and delivery behavior is adversely affected by this, especially for high-viscosity media.
Um
das zuvor erläuterte
Problem zu vermeiden beschreibt die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur Steuerung einer Membran- oder Kolbenpumpe, die über einen Stößel oder eine Verbindungsstange durch einen Nocken betätigt wird, der durch einen Elektromotor angetrieben wird, anzugeben, das eine möglichst genaue und konstante Abgabe von dosiertem Medium ermöglicht, bei gleichzeitig einfacher Konstruktion.The The object of the present invention is thus a method for controlling a diaphragm or piston pump, which has a Pestle or a connecting rod is actuated by a cam, which by a Electric motor is driven to indicate the one possible accurate and constant delivery of metered medium allows at the same time simple construction.
Die zuvor aufgezeigte Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Membran oder der Kolben der Pumpe durch die Antriebseinheit des Nockens mit ungefähr konstanter Geschwindigkeit während des gesamten Verdichtungshubes bewegt wird, wobei die Position des Nockens berücksichtigt wird, um einen ungefähr konstanten Volumenfluß des dosierten Mediums zu gewährleisten.The previously indicated object is achieved with a method of the beginning solved kind, at the diaphragm or piston of the pump through the drive unit of the cam with approximately constant Speed during the entire compression stroke is moved, the position of the Cam considered is going to be about a constant Volume flow of to ensure the metered medium.
Der Membran- oder Pumpenmechanismus, der von einem mit konstanter Geschwindigkeit rotierenden kreisförmigen Nocken angetrieben wird, hat ein sinusförmiges Geschwindigkeitsprofil. Vom hinteren Totpunkt ausgehend wird die Membran beschleunigt, erreicht nach einer Vierteldrehung die höchste Geschwindigkeit im Verdichtungshub und wird dann bis zum vorderen Totpunkt des Nockens wieder langsamer, von welchem Punkt aus sie dann in den Ansaughub übergeht, der ebenfalls eine Phase aufweist, in der die Geschwindigkeit der Membran sich bis zu ihrem Maximum bei halbem Ansaughub beschleunigt und anschließend abgebremst wird, bis der Nocken den hinteren Totpunkt erreicht.Of the Diaphragm or pump mechanism, one of constant speed rotating circular Cam is driven, has a sinusoidal velocity profile. Starting from the rear dead center, the membrane is accelerated, reached after a quarter turn the highest speed in the compression stroke and then to the front dead center of the cam slower again, from which point it then goes into the intake stroke, which also has a phase in which the speed of the Membrane accelerates to its maximum at half intake stroke and subsequently is decelerated until the cam reaches the rear dead center.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Geschwindigkeit des Nockens während des Verdichtungshubs so gesteuert, daß das Geschwindigkeitsprofil so linear und konstant wie möglich ist, anstatt des nichtlinearen, sinusförmigen Profils, das ohne solche Steuerung entsteht. Dazu muß der Nocken beim Beginn des Verdichtungshubes stark beschleunigt werden und muß bis zur Mitte des Verdichtungshubes auf einen Minimalwert abgebremst werden, von wo aus er erneut beschleunigt wird, um in der Nähe des vorderen Totpunktes wieder eine maximale Geschwindigkeit zu erreichen. Diese Form der Steuerung der Geschwindigkeit des Nockens hat ein Geschwindigkeitsprofil der Membran oder des Kolbens zur Folge, das sehr linear ist und im wesentlichen auf konstantem Niveau liegt.at the method according to the invention becomes the speed of the cam during the compression stroke so controlled that the Velocity profile is as linear and constant as possible, instead of the nonlinear, sinusoidal profile, without such Control arises. This must be the Cams are strongly accelerated at the beginning of the compression stroke and have to go up braked to a minimum value to the middle of the compression stroke from where it accelerates again to near the front Dead center again to reach a maximum speed. These The form of control of the speed of the cam has a velocity profile The result of the diaphragm or the piston, which is very linear and is essentially at a constant level.
Diese annähernd konstante Geschwindigkeit der Membran während des Verdichtungshubs hat zur Folge, daß das dosierte Medium mit gleichförmiger Rate abgegeben wird, was zu einem sehr vorteilhaften und präzisen Dosierverhalten führt, auch bei sehr viskosen Medien. Auch bei sehr geringen Dosierleistungen läßt sich so ein gutes Förderergebnis erreichen.These nearly constant velocity of the membrane during the compression stroke has the consequence that the dosed medium at a uniform rate is released, resulting in a very advantageous and precise dosing leads, even with very viscous media. Even with very low dosing let yourself such a good promotion result to reach.
Verfeinerungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Dementsprechend ist eine Verbesserung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit den Nocken während des Verdichtungshubes mit einem Drehzahlprofil antreibt, das eine zeitliche Cosinusbewegung des Kolbens oder der Membran, die durch den Nocken bedingt wird, kompensiert.refinements The invention are described in the subclaims. Accordingly an improvement of the invention is characterized in that the drive unit the cam during the compression stroke drives with a speed profile, the one temporal cosine motion of the piston or the membrane passing through the cam is conditional compensated.
Darüber hinaus
kann man vorsehen, daß das Geschwindigkeitsprofil
des Antriebes im Verdichtungshub während des gesamten Zeitraums
konstanter Membrangeschwindigkeit ungefähr die Form aufweist:
Die zuvor genannte physikalische korrekte Formel für die Kompensation der cosinusförmigen Bewegung des Kolbens oder der Membran ergibt sich aus einer Transformation der linearen Bewegung über eine Arccosinusfunktion und anschließende Differenzierung. Für Antriebe mit zusätzlicher Querbewegung (Verbindungsstangen) läßt sich eine ähnliche Formel ableiten.The previously mentioned physical correct formula for the compensation of cosinusoidal motion of the piston or the membrane results from a transformation the linear movement over an arccosinus function and subsequent differentiation. For drives with additional lateral movement (Connecting rods) can be a similar Derive formula.
Für die praktische Cosinuskompensation kann die zuvor genannte Formel durch eine vereinfachte oder ähnliche Formel angenähert werden abhängig von dem noch akzeptablen Ausmaß an Nichtlinearität des dosierten Mediums.For the practical Cosinus compensation can simplify the previously mentioned formula or similar Formula approximated become dependent of the still acceptable extent nonlinearity of the metered medium.
Die dargestellte Winkelgeschwindigkeit des Nockens resultiert in einer konstanten Geschwindigkeit der Membran außer am Beginn und am Ende des Verdichtungshubs. TD repräsentiert die Länge des Verdichtungshubs, wobei die maximale Auslenkung der Membran auf 1 normiert worden ist.The illustrated angular velocity of the cam results in a constant velocity of the diaphragm except at the beginning and end of the compression stroke. T D represents the length of the compression stroke, wherein the maximum deflection of the membrane has been normalized to 1.
Es ist auch möglich, daß der Antrieb den Nocken während des Ansaughubes mit einem unterschiedlichen Geschwindigkeitsprofil bewegt, insbesondere mit konstanter und/oder höherer Geschwindigkeit.It is possible, too, that the Drive the cam while the intake stroke with a different velocity profile moves, in particular at a constant and / or higher speed.
Es ist erstrebenswert, den Ansaughub möglichst kurz zu halten. In diesem Fall ist es je nach dosiertem Medium nicht unbedingt erforderlich, eine konstante Druckverteilung während des Ansaughubes zu erreichen. Demzufolge kann am Ende des Verdichtungshubes, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Nockens am größten ist, mit dieser Geschwindigkeit weiter gefordert werden, so daß sich ein kurzer Ansaughub mit sinusförmiger Membrangeschwindigkeit ergibt. Der folgende Verdichtungshub kann mit dieser erhöhten Geschwindigkeit begonnen werden, was letztlich zu einem guten Systemverhalten führt und die mechanischen Bauteile der Pumpe weniger belastet.It is desirable to keep the intake stroke as short as possible. In this case, it is not absolutely necessary, depending on the metered medium, to achieve a constant pressure distribution during the intake stroke. Consequently, at the end of the compression stroke, when the rotational speed The speed of the cam is greatest, continue to be required at this speed, so that there is a short intake stroke with sinusoidal membrane velocity. The following compression stroke can be started with this increased speed, which ultimately leads to a good system behavior and less stress on the mechanical components of the pump.
Auf der anderen Seite kann auch während des Ansaughubes das Halten der Druckverteilung so konstant wie möglich erstrebenswert sein, insbesondere bei viskoseren dosierten Medien, so daß das Rotationsgeschwindigkeitsprofil ähnlich zu dem während des Verdichtungshubes gewählt ist anstatt konstant zu sein, wo bei es nötig sein kann, eine höhere Membrangeschwindigkeit und demzufolge einen verkürzten Abschnitt für den Ansaughub einzustellen.On the other side can also be during the Suction stroke keeping the pressure distribution as constant as possible desirable be, especially with more viscous metered media, so that the rotation speed profile similar to during that chosen the compression stroke instead of being constant, where it may be necessary, a higher membrane velocity and consequently a shortened one Section for to adjust the intake stroke.
Vorteilhaft ist es, wenn der abgegebene Volumenfluß des dosierten Mediums kurz vor dem Ende des Verdichtungshubes erhöht wird, um das Dosierungsloch während des Ansaughubes zu kompensieren.Advantageous it is when the delivered volume flow of the metered medium is short is increased to the metering hole before the end of the compression stroke while to compensate for the intake stroke.
Des weiteren ist es zweckmäßig, einen EC-Motor mit integralen Rotorpositionssensoren als Antriebseinheit zu verwenden.Of further it is expedient, an EC motor to use with integral rotor position sensors as a drive unit.
EC-Motoren (elektronisch kommutierte Motoren) bieten eine Reihe von Vorteilen. Aufgrund der bürstenlosen elektronischen Kommutierung sind sie sehr langlebig und verschleißarm, was bei Dosierpumpen mit Lebensdauern von über 10.000 Stunden wichtig ist. Außerdem sind sie meist mit integrierten Sensoren für die Rotorstellung ausgerüstet, deren Signale auch zur Regelung der Nockenposition entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren genutzt werden können, so daß sich insgesamt die Kosten reduzieren.EC motors (electronically commutated motors) offer a number of advantages. Because of the brushless electronic commutation, they are very durable and wear-resistant, which important for dosing pumps with lifetimes of over 10,000 hours is. Furthermore They are usually equipped with integrated sensors for the rotor position, whose Signals also to control the cam position according to the proposed Method can be used so that reduce the total cost.
Eine Verbesserung des Verfahrens ergibt sich daraus, daß zum Steuern der Nockengeschwindigkeit die Nockenposition durch einen Sensor erfaßt wird und/oder anhand von Positionssensorsignalen errechnet wird, die in der Antriebseinheit vorhanden sind.A Improvement of the method results from the fact that to control the cam speed, the cam position by a sensor is detected and / or calculated using position sensor signals that are present in the drive unit.
Neben der Steuerung der Position des Nockens und damit der Auslenkung der Membran kann es beim vorgeschlagenen Verfahren unter bestimmten Bedingungen hilfreich sein, eine Positionssteuerung vorzusehen, um das Dosierverhalten der Pumpe zu verbessern, insbesondere da die notwendige Rotationsgeschwindigkeit des Nockens durch seine jeweilige Position bestimmt ist. Auf diese Weise läßt sich durch Messung und Überwachung der Nockenposition die bestmöglich konstante Geschwindigkeit der Membran erreichen wie es angestrebt ist. In einem solchen Fall kann die Position des Nockens entweder unmittelbar gemessen werden oder Positionssignale können verwendet werden, die durch Sensoren in der Antriebseinheit bereitgestellt werden, oder auch um die Linearbewegung des Stößels oder der Verbindungsstange zu erfassen.Next the control of the position of the cam and thus the deflection The membrane may in the proposed method under certain Conditions be helpful to provide a positional control, to improve the metering behavior of the pump, especially there the necessary rotational speed of the cam through its respective Position is determined. This way can be measured and monitored the cam position the best possible achieve constant velocity of the membrane as desired is. In such a case, the position of the cam can either can be measured directly or position signals can be used provided by sensors in the drive unit be, or even to the linear movement of the plunger or the connecting rod capture.
Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnung detaillierter erläutert. In der Zeichnung ist:following the invention will be more detailed with reference to the drawing explained. In the drawing is:
Mit
einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
arbeitenden Membranpumpe
Der
Stößel
Die
Welle
Die
Motorsteuerung wird mit Energie seitens eines Netzteils
Die
Position des Nockens
Die
Lagesteuerung
Das
Profil der Auslenkung der Membran, das durch die Lagesteuerung
Die
Kurve
Die
Auslenkung der Membran in einem Dosierzyklus der nach der Erfindung
geregelt wird, beginnt im hinteren Totpunkt
Nach Überschreiten
des vorderen Totpunktes
Der
Verlauf des Volumenflusses von dosiertem Medium wird durch die Kurve
Die
Länge des
Verdichtungshubs relativ zum Ansaughub ist für das Dosierverhalten der Pumpe wichtig.
Generell ist es wünschenswert,
den Ansaughub so kurz wie möglich
zu halten und den Verdichtungshub so lang wie möglich zu machen. Die Größe des Volumenflusses
und damit die geförderte Menge
des dosierten Mediums pro Zeiteinheit hängt von der Drehgeschwindigkeit
des Nockens
Den
Verlauf der Nockenrotation während
eines erfindungsgemäß geregelten
Verdichtungshubs zeigt
Bei
Beginn des Verdichtungshubes beginnt der Nocken mit maximaler Geschwindigkeit
und wird dann abgebremst, bis er bei der Hälfte des Verdichtungshubs seine
minimale Drehgeschwindigkeit erreicht, um dann in der zweiten Hälfte des
Verdichtungshubs wieder schneller zu werden, bis er am Ende des
Verdichtungshubs wieder die maximale Drehgeschwindigkeit erreicht.
Das ergibt sich aus dem Verlauf des Drehwinkels in Kurve
Die Erfindung ist nicht auf das voranstehende Beispiel beschränkt. Sie kann in vielfältiger Weise abgewandet werden, ohne die Grenzen des Grundkonzepts zu verlassen. So läßt sich beispielsweise eine Regelung ähnlich der für den Verdichtungshub auch für den Ansaughub realisieren, so daß hier ebenfalls eine konstante Fördermenge des dosierten Mediums erreicht wird. Dies kann insbesondere bei sehr viskosen Medien vorteilhaft sein. Eine weitere Abwandlung besteht darin, die Drehgeschwindigkeit des Nockens kurzfristig zu erhöhen und so die geförderte Dosiermenge pro Zeiteinheit zu erhöhen, und zwar gerade vor dem Ende des Verdichtungshubs, um die Dosierlücke während des Ansaughubs auszufüllen. Weiterhin kann es sinnvoll sein, auf den Sensor zur Messung der Nockenstellung zu verzichten und anstatt dessen die Position des Nockens aus der gemessenen Rotorstellung zu errechnen. Dann muß nur die Nullstellung des Nockens erfaßt werden.The Invention is not limited to the above example. she can be more diverse Be turned away, without leaving the boundaries of the basic concept. That's how it works for example, a scheme similar the for the compression stroke also for realize the intake stroke, so that here also a constant output the metered medium is reached. This can be especially true at very be beneficial to viscous media. Another variation exists in it, the rotational speed of the cam in the short term increase and so the promoted To increase dosage per unit time, just before End of the compression stroke to fill the metering gap during the intake stroke. Farther It may be useful on the sensor to measure the cam position to dispense and instead the position of the cam from the measured Rotor position to calculate. Then only the zero position of the Cam detected become.
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