EP2192309A2

EP2192309A2 - Verfahren und Regelschaltung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor

Info

Publication number: EP2192309A2
Application number: EP09014791A
Authority: EP
Inventors: Albert Koeckemann; Gerold Liebler; Christian Lebert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-29
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: EP2192309B1; DE102009055978A1; EP2192309A3

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor (11) einer zyklisch arbeitenden Maschine bereitgestellt. Der Aktor wird von einer Verstellpumpe (13) mit einer Druckmittelmenge versorgt, wobei die Verstellpumpe von einem drehzahlgesteuerten Elektromotor (14) angetrieben wird. Der Druck bzw. die Druckmittelmenge wird von einem Pumpenregler (41) durch Ansteuern der Volumeneinstellung der Verstellpumpe geregelt. Das Verfahren weist einen Schritt des Erstellens eines Drehzahl-Profils zum Verändern der Drehzahl des Elektromotors (14) während eines Zyklus auf. Zudem ist ein Schritt des Ansteuerns der Drehzahl des Elektromotors (14) und der Volumeneinstellung der Verstellpumpe (13), bei dem innerhalb eines Zyklus der Maschine der Elektromotor (14) mit einem Vorgabewert für die Drehzahl gemäß dem erstellten Drehzahl-Profil angesteuert wird, vorgesehen. Es ist zudem ein Schritt des Ermittelns der Drehzahlabweichung (nl1,nl2) des Elektromotors (14) vorgesehen. Die Drehzahlabweichung ergibt sich aus der Abweichung der Drehzahl (n) des Elektromotors (14) von einem Sollwert (ns) für die Drehzahl. Der Schritt des Ansteuerns der Drehzahl des Elektromotors und der Volumeneinstellung der Verstellpumpe erfolgt in Abhängigkeit der ermittelten Drehzahlabweichung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelungsvorrichtung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor. Bei Kunststoffspritzgießmaschinen mit einem hydraulisch betriebenen Zylinder treibt ein Elektromotor eine Pumpe an, die dem Zylinder ein hydraulisches Druckmittel gemäß einer Druck/Volumenstrom-Regelung zuführt. Innerhalb des Arbeitszyklus der Kunststoffspritzgießmaschine gibt es Bereiche, in denen der Druck geregelt wird, sowie weitere Bereiche, in denen der Volumenstrom geregelt wird.
In der EP 1 236 558 B1 wird vorgeschlagen, auch die Drehzahl des Elektromotors an den angeforderten Druck oder den angeforderten Volumenstrom anzupassen. Dafür wird ein Drehzahl-Profil erstellt. Dieses Drehzahl-Profil wird verwendet, um die Drehzahl während des Ablaufs des Zyklus zu verändern. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung des Drehzahl-Profils dafür sorgt, dass die Regelung energieeffizienter wird, allerdings dauern die Einschwingvorgänge relativ lange.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Regelungsvorrichtung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor bereitzustellen, bei dem Abweichungen des Drucks bzw. der Fördermenge präzise und schnell ausgeglichen werden können.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor einer zyklisch arbeitenden Maschine bereitgestellt. Der Aktor wird von einer Verstellpumpe mit einer Druckmittelmenge versorgt, wobei die Verstellpumpe von einem drehzahlgesteuerten Elektromotor angetrieben wird. Der Druck bzw. die Druckmittelmenge wird von einem Pumpenregler durch Ansteuern der Volumeneinstellung der Verstellpumpe geregelt. Das Verfahren weist einen Schritt des Erstellens eines Drehzahl-Profils zum Verändern der Drehzahl des Elektromotors während eines Zyklus auf. Zudem ist ein Schritt des Ansteuerns der Drehzahl des Elektromotors und der Volumeneinstellung der Verstellpumpe, bei dem innerhalb eines Zyklus der Maschine der Elektromotor mit einem Vorgabewert für die Drehzahl gemäß dem erstellten Drehzahl-Profil angesteuert wird, vorgesehen.
Es ist zudem ein Schritt des Ermittelns der Drehzahlabweichung des Elektromotors vorgesehen. Die Drehzahlabweichung ergibt sich aus der Abweichung der Drehzahl des Elektromotors von einem Sollwert für die Drehzahl. Der Schritt des Ansteuerns der Drehzahl des Elektromotors und der Volumeneinstellung der Verstellpumpe erfolgt in Abhängigkeit der ermittelten Drehzahlabweichung. Eine Drehzahlabweichung kann beispielweise durch Schlupf bedingt sein oder durch Nachlauf des Motors aufgrund von Beschleunigungsvorgängen. Dabei kann beispielsweise der Vorgabewert für die Drehzahl oder die Volumeneinstellung der Verstellpumpe in Abhängigkeit der ermittelten Drehzahlabweichung erfolgen. Es ist auch möglich, die Ansteuerung sowohl der Drehzahl als auch die Ansteuerung der Volumeneinstellung von der ermittelten Drehzahlabweichung abhängig zu machen.
Beim Betrieb eines Elektromotors entsteht üblicherweise Schlupf, das heißt eine Abweichung der Drehzahl des Rotors von einem Vorgabewert. Bei einer asynchronen Maschine ist der Schlupf die Drehzahldifferenz zwischen dem Drehfeld des Stators und dem Läufer. Besonders bei niedrigen Drehzahlen macht sich der Schlupf des Motors stark bemerkbar, so dass die Drehzahl, mit der die Verstellpumpe getrieben wird, von der Drehzahl, die vom Drehzahlprofil vorgegeben ist, prozentual stark abweicht. Aufgrund dieses Schlupfs wird bei der Anforderung von Druckmittel dieses langsamer bereitgestellt, als es beabsichtigt ist. Dadurch erfolgt die Regelung nicht nur langsamer, sondern erfolgt abweichend von dem berechneten energetischen Minimum.
Durch die Berücksichtigung der Drehzahlabweichung kann somit die Regelung der Druckmenge genauer erfolgen. Aufgrund der genaueren Regelung wird auch Energie eingespart.
Nachlauf entsteht bei Beschleunigungsvorgängen, da die Drehzahl des Elektromotors nicht unmittelbar, sondern mit einer Verzögerung dem Vorgabewert für die Drehzahl folgt. Wenn bei dem Ermitteln der Drehzahlabweichung der Nachlauf des Elektromotors ermittelt wird, wird die Regelung auch in Situationen, in denen der Motor beschleunigt oder vor kurzem beschleunigt hat, genauer. Zur Beschleunigung zählen auch negative Beschleunigungen, die Verzögerungsvorgänge.
In einer Ausführungsform enthält das Verfahren zusätzlich einen Schritt des Ermittelns eines Druck/Volumenmenge-Profils für die Druckmenge. Der Schlupf wird in Abhängigkeit des ermittelten Druck/Volumenmenge-Profils ermittelt. Der Schlupf ist in der Regel von der Last, die der Elektromotor treibt, abhängig. Die Last ist wiederum abhängig von dem aktuell geforderten Druck bzw. von der angeforderten Druckmittelmenge, die die Verstellpumpe liefern muss. Somit kann anhand des Druck/Volumenmenge-Profils die Last und somit der Schlupf des Motors ermittelt werden, ohne dass es hierfür einer gesonderten Messung bedarf.
In einer Ausführungsform wird beim Schritt des Ansteuerns des Elektromotors und der Volumeneinstellung der Verstellpumpe der Vorgabewert für die Drehzahl durch Addition des ermittelten Schlupfs und des ermittelten Drehzahl-Sollwerts ermittelt. Damit wird die Drehzahldifferenz des Elektromotors durch die Addition der ermittelten Drehzahlabweichung wieder ausgeglichen. Daraufhin gibt der E-lektromotor eine Drehzahl aus, die möglichst nah an die Drehzahl des Drehzahl-Profils kommt.
In einer weiteren Ausführungsform wird beim Schritt des Ansteuerns des Elektromotors und der Volumeneinstellung der Verstellpumpe die ermittelte Drehzahlabweichung von dem ermittelten Drehzahl-Sollwert zur Ermittlung des Ansteuerwerts für die Verstellpumpe von dem ermittelten Drehzahl-Sollwert subtrahiert. Dadurch ist es möglich, die Drehzahldifferenz durch eine höhere Volumeneinstellung zu kompensieren, so dass die Volumenmenge trotz der niedrigen Drehzahl bereitgestellt wird. Dies empfiehlt sich besonders, wenn die Drehzahl des Elektromotors nahe der maximalen Drehzahl ist und eine Erhöhung der Drehzahl zu einer Schädigung des Elektromotors führen kann.
Falls bei der Ermittlung der Drehzahlabweichung das Drehmoment des Elektromotors simuliert wird, kann daraus mit einer relativ einfachen Rechenoperation der Schlupf berechnet werden.
Vorzugsweise ist der Elektromotor als Asynchronmotor ausgebildet und der Elektromotor wird geberlos angesteuert. Geberlos bedeutet, dass es keinen Sensor gibt, der die Drehzahl des Rotors misst und an die Steuerung des Elektromotors rückmeldet. Ein Messen der Drehzahl ist grundsätzlich aufwändig und verursacht mehr Kosten. Die geberlose Ansteuerung verringert somit den Aufwand für die Regelschaltung.
Die Erfindung betrifft auch eine Regelschaltung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor einer zyklisch arbeitenden Maschine, bei der der Aktor von einer von einem drehzahlgesteuerten Elektromotor angetriebenen Verstellpumpe mit einer Druckmittelmenge versorgt wird.
Die Regelschaltung weist einen Pumpenregler zum Regeln des Drucks bzw. der Druckmittelmenge durch Ansteuern der Volumeneinstellung der Verstellpumpe auf. Eine Drehzahlprofilerstellvorrichtung ist zum Erstellen eines Drehzahl-Profils zum Einstellen der Drehzahl des Elektromotors während eines Zyklus der Maschine eingerichtet. Eine Einstellvorrichtung ist zum Betreiben des Elektromotors entsprechend dem ermittelten Drehzahl-Profil in einem Zyklus der Maschine vorgesehen. Weiterhin enthält die Regelschaltung eine Regelungsanpassungsvorrichtung zum Ermitteln der Drehzahlabweichung des Elektromotors sowie eine Vorrichtung zum Ansteuern des Pumpenreglers und/oder der Einstellvorrichtung in Abhängigkeit der ermittelten Drehzahlabweichung.
Die Regelschaltung ermöglicht, dass mit einer Motorsimulation, aus der die tatsächliche Motordrehzahl näherungsweise berechnet wird, die Regelung auch ohne Messung der Drehzahl im Betrieb hinreichend genau und schnell ist. Die Simulation enthält vorzugsweise sowohl eine Berechnung des Schlupfs als auch eine Berechnung des Nachlaufs.
Durch die Regelschaltung können ungenaue Regelungen wegen der variablen Antriebsdrehzahl vermindert werden. Es ist eine genauere Förderstromregelung ohne eine Drehzahlerfassung möglich.
In einer Ausführungsform wird der Nachlauf des Motors berechnet, wodurch die Abweichung der Drehzahl bei konstant gehaltener Antriebsdrehzahl und bei variabler Antriebsdrehzahl weniger groß ist.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Figur 1: zeigt einen Aktor einer Fertigungsmaschine mit der dazugehörigen Regelvorrichtung zum Erzeugen einer hydraulischen Druckmittelmenge.
Figur 2: zeigt Details der Regelvorrichtung nach Figur 1.
Figur 3: zeigt eine weitere Ausführungsform eines Aktors mit dazugehöriger Regelvorrichtung zum Erzeugen einer hydraulischen Druckmittelmenge.

Figur 1 zeigt einen Aktor einer Fertigungsmaschine sowie die dazu verwendete Regelung zum Bereitstellen von hydraulischem Druckmittel für diesen Aktor.
Der Aktor 11 ist ein Zylinder für eine zyklisch arbeitende Fertigungsmaschine, die flüssigen Kunststoff in eine Form einspritzt. Ein Arbeitszyklus unterteilt sich in mehrere nacheinander ablaufende Abschnitte, die sich hinsichtlich der benötigten Druckmenge unterscheiden. In diesen Abschnitten erfolgt jeweils ein Arbeitsvorgang. Arbeitsvorgänge sind beispielsweise "Werkzeug schließen", "Kunststoff einspritzen", "das Werkzeug öffnen", "eine Nachdruckphase abwarten" oder ähnliches.
In diesen unterschiedlichen Abschnitten müssen unterschiedliche Druckmengen dem als Zylinder 11 ausgebildeten Aktor bereitgestellt werden, was mit Hilfe des Ventils 17 erfolgt. Die Verstellpumpe 13 fördert aus einem Tank 15 Druckmittel in die Leitung 16, woraufhin die Hydraulikflüssigkeit in der Leitung 16 einen Druck p aufweist. Das Ventil 17 ist zwischen der Leitung 16 und dem Aktor 11 vorgesehen. Dieses Ventil 17 steuert den Volumenstrom von der Verstellpumpe 13 zu dem Zylinder 11 und von dort zurück zum Tank 15. Das Ventil 17 wird elektrisch von einer übergeordneten Steuerung 25 das elektrische Signal u1, das über die Leitung 27 geleitet wird, angesteuert.
Ein Wegemessumformer 21 misst die Position der Kolbenstange des Zylinders 11, wandelt die Position in ein elektrisches Signal s1 um, das über die Leitung 23 an die übergeordnete Steuerung 25 ausgegeben wird.
Zur Steuerung des Drucks p in der Leitung 16 ist eine Regelschaltung vorgesehen, die die Einrichtung zur Regelung der Druckmittelzufuhr 10, den Druckmessumformer 40, das Stellglied 31, den Messumformer 32, den Frequenzumrichter 33, den Elektromotor 14, die Welle 34 und die Verstellpumpe 13 enthält. Die Einrichtung 10 empfängt von der übergeordneten Steuerung 25 einen Sollwert für den Druck ps und einen Sollwert für den Volumenstrom Qs. Die Sollwerte ps und Qs entsprechen einem in der übergeordneten Steuerung gespeicherten Druck/Volumenstrom-Profil p(t)/Q(t).
Zudem empfängt die Vorrichtung 10 ein Zyklusstartsignal yt0, das anzeigt, wann ein neuer Zyklus beginnt. Zudem empfängt die Einrichtung 10 das Signal pi von dem Druckmessumformer 40, der den Druck p in der Leitung 16 in ein entsprechendes elektrisches Signal pi umwandelt. Als Ausgangssignale gibt die Einrichtung 10 einen Sollwert für die Drehzahl ns sowie ein Ausgangssignal für das Fördervolumen yVF aus.
Die übergeordnete Schaltung 25 gibt auch einen Wert nl1, der einen Kompensationswert für die Drehzahlabweichung repräsentiert, aus. Der Sollwert für die Drehzahl ns und der Kompensationswert nl1 werden mit Hilfe des Summationsglieds 35 addiert. Das Ergebnis dieser Addition wird als Signal nc1 an den Frequenzumformer 33 ausgegeben. Dieser treibt den Motor 14 an. Die Drehzahl der Welle 34 ist aufgrund des Schlupfs geringer als die Drehzahl nc1, entspricht aber möglichst dem Sollwert für die Drehzahl ns.
Der Sollwert für die Drehzahl ns wird verwendet, um aus ihm das Fördervolumen zu berechnen, da dieser Wert am nächsten an der tatsächlichen Drehzahl der Welle 34 ist.
Das Signal nc1 empfängt der Frequenzumrichter 33, der dementsprechend den Elektromotor 14 mit einem elektrischen Signal der Frequenz f so antreibt, dass die Drehzahl n des Elektromotors 14 gleicht dem Sollwert für die Drehzahl ns ist. Die Drehbewegung des Elektromotors wird über die Welle 34 an die Verstellpumpe 13 übertragen.
Die Drehzahl n des Elektromotors 14 wird nicht gemessen und rückgekoppelt, die Drehzahl n wird somit im offenen Kreis gesteuert.
Das Stellglied 31 empfängt das Ausgangssignal yVF von der Einrichtung 10 und steuert das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13. Der Messwertumformer 32 gibt ein elektrisches Signal, das den Ist-Wert des Fördervolumens VFi der Verstellpumpe 13 anzeigt, aus.
Die Einrichtung 10 enthält einen Pumpenregler 41, eine Motorsteuerung 42, einen Multiplizierer 44 und ein Rechenglied 45. Der Multiplizierer 44 ist als Proportionalglied mit einem steuerbaren Verstärkungsfaktor KQ ausgeführt. Das Rechenglied 45 empfängt als Eingangssignal den Sollwert für die Drehzahl ns und gibt dessen Kehrwert an seinen Ausgang als das Signal KQ aus. Der Multiplizierer empfängt an seinen Eingängen den Sollwert für den Volumenstrom Qs sowie das Signal KQ.
Der Multiplizierer 44 bildet folglich aus dem Sollwert Qs für den dem Zylinder zuzuführenden Volumenstrom unter Berücksichtung der Drehzahl n des Elektromotors 14 einen Sollwert VFs für das Fördervolumen der Verstellpumpe 13. Der Pumpenregler 41 empfängt als Eingangssignale den Ist-Wert für das Fördervolumen VFi, den Ist-Wert für den Druck pi, den Sollwert für das Fördervolumen VFs sowie den Sollwert für den Druck ps und gibt an seinem Ausgang das Ausgangssignal für das Fördervolumen yVF aus.
Figur 2 zeigt Details des Pumpenreglers 41 aus Figur 1. Der Druckregler 41 weist ein erstes Summationsglied 48, ein zweites Summationsglied 51, einen Fördervolumenregler 49, einen Druckregler 52 und ein Minimalwertauswahlglied 50 auf. Das erste Summationsglied 48 bildet aus dem Sollwert VFs und dem Ist-Wert VFi eine Regeldifferenz, die dem Fördervolumenregler 49 als Eingangssignal zugeführt wird.
Das mit yVF1 bezeichnete Ausgangssignal des Fördervölumenreglers 49 ist dem Minimalwertauswahlglied 50 als erstes Eingangssignal zugefügt. Das zweite Summationsglied 51 empfängt den Sollwert für den Druck ps und den Ist-Wert für den Druck pi, woraus durch Subtraktion die Regeldifferenz für den Druck gebildet und an den Druckregler 52 ausgegeben wird. Der Druckregler 52 gibt als Ausgangssignal den Wert yp an das Minimalwertauswahlglied 50, das den Wert yp an seinem zweiten Eingang empfängt. Das Minimalwertauswahlglied 50 wählt das kleinere der beiden Eingangssignale yVF1 und yp aus und leitet diesen Minimalwert als Stellgröße yVF für das Fördervolumen VF an das Stellglied 31 weiter.
Sowohl die Regelung des Fördervolumens VF als auch die Regelung des Drucks p erfolgt durch Einstellen des Fördervolumens der Verstellpumpe 13.
Die Übertragungsverhalten des Förderstromreglers 49 und des Druckreglers 52 weisen jeweils einen Proportional- und einen Differentialanteil auf.
In der übergeordneten Steuerung 25 ist ein Druck/ Volumenstrom-Profil p(t)/Q(t) für die Druckmittelzufuhr des Zylinders 11 gespeichert. Ein Drehzahl-Profil n(t) für den Elektromotor wird wie in der Druckschrift EP 1 236 558 B1 erstellt. Dabei wird ein Drehzahl-Profil n(t) für den Elektromotor 14 erstellt, das den Verlauf der Drehzahl n während eines Fertigungszyklus vorgibt. Hierzu wird der Elektromotor 14 zunächst mit der konstanten Drehzahl nmax betrieben. Die Regelung des dem Zylinder 11 zugeführten Volumenstroms erfolgt dabei allein durch den Pumpenregler 41. Der Pumpenregler 41 sorgt dafür, dass die Verstellpumpe 13 dem Zylinder 11 den Volumenstrom zuführt, der erforderlich ist, um die durch das Druck/Volumenstrom-Profil p(t)/Q(t) vorgegebenen Werte einzuhalten. Dieser Volumenstrom ist im Folgenden auch als Volumenstrombedarf QA bezeichnet.
Durch die Regelung von Druck p und Volumenstrom Q stellt sich ein von der Verstellpumpe 13 geförderter Volumenstrom ein, der sowohl das Kompressionsvolumen des Druckmittels als auch Leckverluste berücksichtigt, also Einflussgrößen, die einer Berechnung nur schwer zugänglich sind. Dies gilt in gleicher Weise für den Volumenstrombedarf des Zylinders 11 bei einer Druckregelung. Da sich der von der Verstellpumpe 13 geförderte Volumenstrom Q nach der Beziehung Q =nmax * VF aus der Drehzahl nmax des Elektromotors 14 und dem Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13 ergibt, lässt sich der dem Zylinder 11 zugeführte Volumenstrom direkt aus dem Istwert VFi des Fördervolumens unter Berücksichtigung der konstanten Drehzahl nmax berechnen. Es ist vorteilhaft, als konstante Drehzahl nmax die größte Drehzahl, mit der der Elektromotor 14 in den Fertigungszyklen betrieben werden soll, zu wählen. Bei dieser Drehzahl handelt es sich in der Regel um die Nenndrehzahl des Elektromotors 14.
Der Optimierungsvorgang weist eine Reihe von Lernzyklen auf, in denen die Verstellpumpe 13 mit der konstanten Drehzahl nmax angetrieben wird. In einem ersten Lernzyklus wird die Dauer eines Fertigungszyklus durch Messung der Zeitdauer zwischen zwei Zyklusstartimpulsen ermittelt. Aus der Dauer eines Fertigungszyklus und der Anzahl der in der Motorsteuerung 42 für die Speicherung von Werten zur Verfügung stehenden Speicherplätze wird der zeitliche Abstand Δt für die Erfassung der zu speichernden Werte ermittelt. In einem weiteren Lernzyklus werden im Abstand von Δt die Istwerte VFi des Fördervolumens erfasst und in der Motorsteuerung 42 gespeichert. Die dort gespeicherten Werte bilden ein Fördervolumen-Profil VFI(t).
In gleicher Weise werden die Istwerte pi des Drucks erfasst und in der Motorsteuerung 42 gespeichert. Die gespeicherten Werte bilden ein Druckprofil pi(t). Durch Multiplikation der gespeicherten Einzelwerte des Fördervolumens mit der konstanten Drehzahl nmax erhält man ein Volumenstrombedarf- Profil QA(t). Durch Division des Volumenstrombedarfs QA durch einen konstanten Wert des Fördervolumens VF erhält man ein Drehzahl-Profil n(t). Es empfiehlt sich, den konstanten Wert so zu wählen, dass er in der Nähe des Nennwerts des Fördervolumens VF der Verstellpumpe 13 liegt. Damit eine Regelreserve zur Verfügung steht, wird der konstante Wert so gewählt, dass er ungefähr 90 % des Nennwerts des Fördervolumens VF der Verstellpumpe 13 entspricht. Dieser Wert ist im folgenden mit VFgO bezeichnet.
Um Speicherplatz einzusparen, kann nach dem Abschluss einer Division der gespeicherte Wert des Volumenstrombedarfs QA durch den aus ihm berechneten Drehzahlwert n ersetzt werden. Steuert man die Drehzahl des Elektromotors 14 gemäß dem auf diese Weise ermittelten Drehzahl- Profil n(t) an, würde sich unter idealen Bedingungen das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13 auf den Wert VFgO einstellen. In der Praxis ist jedoch das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13 während eines Zyklus nicht konstant, insbesondere da sich die Drehzahl n des Elektromotors 14 nicht so schnell ändern lässt wie das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13. Dazu kommt, dass insbesondere im Hinblick auf die Schmierung der Verstellpumpe 13, der Kühlung des Elektromotors 14 und das maximal zulässige Drehmoment des Elektromotors 14 seine Drehzahl n nicht beliebig verringert werden darf.
Anhand des Drehzahlprofils und des Fördervolumenprofils wird für möglichst viele Zeitpunkte eines Arbeitszyklus die Drehzahlabweichung berechnet. Dazu wird anhand des Drucks und der Volumeneinstellung der Verstellpumpe berechnet, wie groß die Last des Elektromotors ist, indem das Drehmoment mit Hilfe des Drehmoments, das abhängig vom Druck ist berechnet wird.
In der übergeordneten Ansteuerung sind Simulationswerte für den Schlupf in Abhängigkeit des Drehmoments und der Statordrehzahl hinterlegt.
Ebenso wird der Nachlauf des Elektromotors berechnet. Aus dem Drehzahlprofil ist erkennbar, wann der Rotor beschleunigt. Simulationswerte, die die Beschleunigung nachbilden, zeigen, um wieviel die Drehzahlen des Rotors vor den Vorgabewerten für die Drehzahl abweichen.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aktors einer zyklisch arbeitenden Fertigungsmaschine mit der dazugehörigen Regelvorrichtung zur Bereitstellen von Druckmittelmengen. Elemente mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erläutert.
Ein erster Unterschied ergibt sich aus der fehlenden Rückkopplung für die Fördermenge VF. Für die Fördermenge wird ein Sollwert VFs berechnet, mit dessen Hilfe die Fördermenge im offenen Kreis gesteuert wird. Eine Regelung der Fördermenge erfolgt dabei nicht. Diese Maßnahme verringert die Kosten für das Gesamtsystem zusätzlich, da der Messumformer 32 und die Rückführungen eingespart werden. Diese Einsparung könnte auch in der Ausführungsform nach Figur 1 vorgenommen werden.
Ein zweiter Unterschied von der Ausführungsform nach Figur 1 ergibt sich durch die Art, wie der Schlupf und der Nachlauf in der Steuerung berücksichtigt werden.
Das Ausgabesignal der Motorsteuerung 42, der Sollwert für die Drehzahl ns, wird auf den Frequenzumformer 33 gegeben. Aufgrund des Schlupfes unterscheidet sich die Drehzahl n der Welle 34 von dem Sollwert für die Drehzahl ns. Zu weiteren Unterschieden kann es kommen, wenn der Motor nachläuft und sich deswegen die Drehzahl des Rotors von dem Sollwert für die Drehzahl ns unterscheidet.
Um den Schlupf bei der Drehzahl trotzdem zu berücksichtigen, ist das Summationsglied 36 vorgesehen, das an einem ersten Eingang den Sollwert für die Drehzahl ns und an einem zweiten Eingang einen Kompensationswert nl2 empfängt. Das Summationsglied 36 zieht von dem Sollwert für die Drehzahl ns den Kompensationswert nl2 ab. Der Sollwert des Fördervolumens VFs wird folglich mit einem korrigierten Drehzahlwert nc2 berechnet, der möglichst nah an der tatsächlichen Drehzahl n der Welle 34 ist. Wenn der Vorgabewert für die Drehzahl ns nicht geändert wird, so wird bei Vorliegen von Schlupf im Motor das Fördervolumen VF entsprechend erhöht, so dass ein Volumenstrom von der Verstellpumpe 13 ausgegeben wird, der dem Druck/Volumenstrom-Profil entspricht.
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, die Kompensationen gemäß Figur 1 und Figur 3 zu kombinieren. Dabei braucht der erste Kompensationswert nl1, der gemäß Figur 1 zur Berechnung des korrigierten Drehzahlsollsignals nc1 verwendet wird, lediglich aus einer Berechnung des Motorschlupfes abgeleitet werden. Der Kompensationswert nl1 entspricht dabei einem Drehzahlvorhalt, der zur Kompensation eines Schlupfes auf die Drehzahlvorgabe ns aufaddiert wird. Der zweite Kompensationswert nl2, der gemäß Figur 3 Eingang in den Förderstromsollwert VFs findet, wird in diesem Fall aus einer Simulation des Nachlaufs des Motors 14 berechnet. Dieser Kompensationswert nl2 wird von der Drehzahlvorgabe ns abgezogen, um einen möglichst gute Abschätzung nc2 der aktuellen Motordrehzahl zu erhalten. Aus der Drehzahlabschätzung nc2 wird, wie vorangehend beschrieben, ein Sollwert des Fördervolumens VFs erhalten, um die Verstellpumpe 13 in möglichst guter Übereinstimmung mit dem Förderstromsollwert Qs anzusteuern.
Ferner ist es auch möglich, den Motorschlupf bei der Berechnung des Volumenstroms Q ist während der Lernphase zu berücksichtigen, um den Sollwert Qs entsprechend zu kompensieren. Liegt beispielsweise ein Schlupf vor, so wird der Sollwert Qs entsprechend erhöht, damit der sich ergebende Volumenstrom dem des Druck/Volumenstrom-Profils entspricht.

Bezugszeichenliste

10: Einrichtung zur Regelung der Druckmittelzufuhr
11: Zylinder
13: Verstellpumpe
14: Elektromotor
15: Tank
16: Leitung
17: Ventil
21: Wegemessumformer
23: Leitung
25: übergeordnete Steuerung
27: Leitung
31: Stellglied
32: Messumformer
33: Frequenzumrichter
34: Welle
35: Summationsglied
36: Summationsglied
40: Druckmessumformer
41: Pumpenregler
42: Motorsteuerung
44: Proportionsglied
45: Rechenglied
48: erstes Summationsglied
49: Fördervolumenregler
50: Minimalwertauswahlglied
51: zweites Summationsglied
52: Druckregler
521: Differenzierglied
522: Proportionalglied
523: Verstellblock
524: Summationsglied

Claims

Verfahren zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor (11) einer zyklisch arbeitenden Maschine, bei der der Aktor (11) von einer Verstellpumpe (13) mit einer Druckmittelmenge (Q) versorgt wird, und die Verstellpumpe (13) von einem drehzahlgesteuerten Elektromotor (14) angetrieben wird, und wobei der Druck (p) bzw. die Druckmittelmenge (Q) von einem Pumpenregler (41) durch Ansteuern der Volumeneinstellung der Verstellpumpe (13) geregelt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Erstellen und/oder Vorhalten eines Drehzahl-Profils zum Einstellen der Drehzahl des Elektromotors (14) während eines Zyklus der Maschine,

- Ansteuern der Drehzahl (n) des Elektromotors (14) und der Volumeneinstellung der Verstellpumpe (13), wobei innerhalb eines Zyklus der Maschine der Elektromotor (14) gemäß dem Drehzahl-Profil angesteuert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass

- ein Schritt des Ermittelns einer Drehzahlabweichung (nl1; nl2) vorgesehen ist, wobei sich die Drehzahlabweichung (nl1; nl2) aus der Abweichung der Drehzahl (n) des Elektromotors (14) von einem Sollwert für die Drehzahl (ns) ergibt,

- und der Schritt des Ansteuerns der Drehzahl (n) des Elektromotors (14) und/oder der Volumeneinstellung der Verstellpumpe (13) in Abhängigkeit der Drehzahlabweichung (nl1; n12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
- zusätzlich ein Schritt des Ermitteln eines Druck/Volumenmenge-Profils für die Druckmenge vorgesehen ist

- und die Drehzahlabweichung (nl1; n12) anhand des ermittelten Druck/Volumenmenge-Profils ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
beim Schritt des Ansteuerns des Elektromotors (14) und der Volumeneinstellung der Verstellpumpe (13)
der Vorgabewert (nc1) für die Drehzahl durch Addition der ermittelten Drehzahlabweichung (nl1) und eines Drehzahl-Sollwerts (ns) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
beim Schritt des Ansteuerns des Elektromotors (14) und der Volumeneinstellung der Verstellpumpe (13)
zur Ermittlung des Ansteuerwerts (yVF) für die Verstellpumpe (13) die ermittelte Drehzahlabweichung (nl2) von einem Drehzahl-Sollwert (ns) subtrahiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei dem Ermitteln der Drehzahlabweichung (nl1; nl2) der Schlupf berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Ermittlung des Schlupfs das Drehmoment des Elektromotors (14) simuliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei dem Ermitteln der Drehzahlabweichung (nl2) der Nachlauf des Elektromotors simuliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (14) als Asynchronmotor ausgebildet ist und der Elektromotor (14) geberlos angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere, insbesondere zwei Drehzahlabweichungen (nl1; nl2) ermittelt werden, welche durch unterschiedliche Berechnungen bzw. Simulationen erhalten werden.
Regelschaltung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor (11) einer zyklisch arbeitenden Maschine, bei der der Aktor (11) von einer von einem drehzahlgesteuerten Elektromotor (14) angetriebenen Verstellpumpe (13) mit einer Druckmittelmenge versorgt wird, wobei die Regelschaltung folgendes aufweist:
- einen Pumpenregler (41) zum Regeln des Drucks bzw. der Druckmittelmenge durch Ansteuern der Verstellpumpe (13),

- eine Drehzahlprofilerstellvorrichtung zum Erstellen und/oder Vorhalten eines Drehzahl-Profils zum Einstellen der Drehzahl (n) des Elektromotors (14) während eines Zyklus der Maschine,

- eine Einstellvorrichtung (42, 35) zum Betreiben des Elektromotors entsprechend dem ermittelten Drehzahl-Profil in einem Arbeitszyklus der Maschine,
gekennzeichnet dadurch, dass
eine Vorrichtung zum Ermittelns der Drehzahlabweichung (nl1, nl2) des Elektromotors (14) vorgesehen ist, wobei sich die Drehzahlabweichung (nl1; nl2) aus der Abweichung der Drehzahl (n) des Elektromotors (14) von einem Sollwert für die Drehzahl (ns) ergibt und
dass die Einstellvorrichtung (42, 35) und/oder der Pumpenregler (41) in Abhängigkeit der ermittelten Drehzahlabweichung (nl1; nl2) angesteuert wird.
Regelschaltung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Summationsglied (35) vorgesehen ist zum Addieren der ermittelten Drehzahlabweichung (nl1) und eines ermittelten Drehzahl-Sollwerts (ns),
wobei das Ergebnis der Addition als Vorgabewert (nc1) der Einstellvorrichtung (42, 35) zugeführt wird.
Regelschaltung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Subtrahionsglied zum Subtrahieren der ermittelten Drehzahlabweichung (nl2) von einem ermittelten Drehzahl-Sollwert (ns) vorgesehen ist,
wobei das Ergebnis der Subtrahion einer Schaltung (41, 44) zur Ermittlung des Ansteuerwerts (yVF) für die Verstellpumpe (13) zugeführt wird:
Regelschaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (14) als Asynchronmotor ausgebildet ist und der Elektromotor (14) geberlos angesteuert wird.
Regelschaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung zum Ermitteln der Drehzahlabweichung zwei Drehzahlabweichungen (nl1, nl2) bereitstellt, wobei die eine Drehzahlabweichung (nl1) der Einstellvorrichtung (42, 35) zugeführt ist und die andere Drehzahlabweichung (nl2) dem Pumpenregler (41) zugeführt ist.
Regelschaltung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der einen Drehzahlabweichung (nl1) eine Berechnung eines Schlupfs des Motors (14) zugrunde liegt und dass der anderen Drehzahlabweichung (nl2) eine Simulation bzw. eine Berechnung eines Nachlaufs des Motors (14) zugrunde liegt.