EP2912309A1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung einer elektrisch kommutierten fluidarbeitsmaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung einer elektrisch kommutierten fluidarbeitsmaschine

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EP2912309A1
EP2912309A1 EP13782945.3A EP13782945A EP2912309A1 EP 2912309 A1 EP2912309 A1 EP 2912309A1 EP 13782945 A EP13782945 A EP 13782945A EP 2912309 A1 EP2912309 A1 EP 2912309A1
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EP
European Patent Office
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fluid
electrically controllable
electrically
requirement
control
Prior art date
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EP13782945.3A
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English (en)
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EP2912309B1 (de
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Sven Fink
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Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Original Assignee
Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
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Publication date
Application filed by Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG filed Critical Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Publication of EP2912309A1 publication Critical patent/EP2912309A1/de
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Publication of EP2912309B1 publication Critical patent/EP2912309B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B7/00—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving
    • F04B7/0076—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving the members being actuated by electro-magnetic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/04—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
    • F04B1/06—Control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity
    • F04B49/065—Control using electricity and making use of computers

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a preferably electrically commutated fluid working machine. Furthermore, the invention relates to a control device for controlling a preferably electrically commutated fluid working machine. Moreover, the invention relates to a fluid working machine, in particular an electrically commutated fluid working machine.
  • fluid power machines are used in technology for a wide variety of applications. More generally, fluid work machines are used when fluids need to be pumped or fluids are used to drive a fluid work machine when operating in an engine mode. In this way, it is also possible, for example, for mechanical energy to be transported from one location to another with the interposition of a fluid circuit.
  • the term "fluid” may refer to both gases, as well as liquids. It is also possible that the "fluid” is a mixture of gases and liquids. Also, a fluid can be understood to mean a supercritical fluid in which no distinction can be made between the gaseous and the liquid state of matter.
  • a first field of application of fluid working machines is to increase the pressure level of a fluid in some significant way.
  • fluid working machines are air compressors or hydraulic pumps.
  • a fluid may be used to generate mechanical power, typically using pneumatic motors or hydraulic motors.
  • An often used design for fluid power machines is that one or more working chambers, which have a cyclically varying volume during operation, are used. At least one inlet valve and at least one outlet valve are provided for each working chamber.
  • the design is in the intake and exhaust valves to so-called passive valves. These open when there is a pressure difference in the forward direction, whereas they close when a pressure difference against the passage direction is applied. In most cases, the passive valves are also preloaded, so that they close automatically in the normal state (for example, spring-loaded valves). If such passive valves are used, for example, in a fluid pump, the structure is such that a fluid inlet valve opens when the volume of the associated working chamber increases. Once the volume of the working chamber decreases again, the fluid inlet valve closes while the fluid outlet valve opens. In this way, fluid is pumped "in one direction" by the cyclic volume fluctuations of the working chamber.
  • electrically commutated fluid working machines at least one of the passive fluid valves is replaced by an electrically controllable valve.
  • fluid working machines are known in the English-speaking world partly by the term synthetically commutated hydraulic machines or digital displacement pumps.
  • electrically commutated fluid working machines are described, for example, in European Patent Application EP 0 494 236 B1 or in International Patent Application WO 91/05163 A1.
  • the object of the present invention is thus to propose a method for controlling a fluid working machine, which is improved compared to known in the prior art method for controlling fluid id effetsmaschinen.
  • a further object of the invention is to propose a control device for fluid power machines which is improved over controls known in the art for fluid power machines.
  • Another object of the invention is to propose a fluid work machine that has improved properties over fluid work machines known in the art.
  • the invention solves these problems.
  • the proposed method can be a method for controlling an electrically commutated fluid work machine, the actuation of at least one electrically controllable valve (in particular of a fluid inlet valve and / or fluid outlet valve for at least one working chamber) at least temporarily additionally as a function of the electric power required for the control of the at least one electrically controllable valve.
  • side effects were not considered further.
  • a corresponding electric power for example, in mobile operation (forklifts, vehicles, commercial vehicles, excavators and the like) must be provided by appropriately sized generators.
  • an internal combustion engine is used to drive the generator.
  • the required electric power can certainly have a not insignificant influence on the fuel consumption.
  • generator, optionally used for intermediate buffering batteries and in particular the used to control the electrically controllable valves power electronics must be sized accordingly large, so that (essentially) any control pattern for the electrically controllable valves can be generated.
  • the dimensioning of the components in question was so far that it was possible that all electrically controllable valves can be controlled simultaneously, which required a correspondingly generous dimensioning (although in reality usually safety margins were taken into account).
  • At least one upper electrical power limit be taken into account, in particular at least one soft electrical power limit and / or at least one hard electrical power limit.
  • a "hard electrical power limit” is to be understood in particular a value that may under no circumstances be exceeded, at least under normal operating conditions. For example, this may be a value above which the control signals are so deteriorated. tern that a sufficiently accurate and / or reliable control of the electrically controllable valves is no longer possible. This may also include a case in which, for example, a control electronics (or parts thereof) collapses and first a certain time (for example, several seconds) needed before the "normal operation" can be resumed.
  • a “soft electric power limit” is understood in particular to mean a value that may be exceeded under certain operating conditions and / or temporarily (in particular for a short time). This may be, for example, an electrical power in which the loss of heat generated in the power semiconductors can no longer be (completely) dissipated, so that the corresponding components would heat up inadmissibly over time. However, since these components have a certain heat buffer, a short-term exceeding of such a power limit is harmless, as long as subsequently sufficient time is provided for the "recovery" of the components in question.
  • the at least one upper electrical power limit is defined at least temporarily and / or at least partially by at least one part of at least one control device and / or at least partially and / or at least partially defined by the electrical power available in the system is.
  • power semiconductors, electrical resistors, capacitors, other temporary energy storage devices and the like can be understood as a part of at least one control device.
  • these may be components which heat up considerably during operation and / or components which conduct electrical energy and / or intermediate buffers.
  • An electric power available in the system is to be understood as meaning, in particular, an electrical power which is made available by components lying "outside the electrically commutated fluid power machine".
  • this may be the electrical power that the forklift can provide.
  • This electrical power may vary, for example, due to the operating conditions of the forklift (for example, power requirements by lighting equipment, electric heaters, low-charge accumulator, especially after prolonged disuse and / or after a starting operation, engine speed, and the like).
  • the electrical power available in the system is usually also defined by the construction of the "overall device”.
  • With a temporary energy storage device it is possible, for example, to realize valve activation cycles over a limited time, which are not realizable in continuous operation. The additional power required for this purpose can be taken from the temporary energy storage device at short notice. After that, however, a certain recovery phase is required for the temporary energy storage device.
  • a possible variant of the proposed method consists in that the calculation of the valve control pattern takes place using a buffer variable.
  • a fluid requirement is fed from work cycle to cycle per pump cycle on a "credit side”.
  • a meaningful and simultaneously permissible pump stroke is determined in each case, and the currently controlled pump stroke reduces the buffer variable by the relevant value.
  • the "oversupply” can then be effectively “mechanically destroyed” (in the case of a pump, for example, by draining (high-pressure) fluid via a safety valve or the like.) It should be pointed out here that it is comparatively seldom necessary to resort to an oversupply Accordingly, even with such a training "below the line” increased energy efficiency of the entire system result. Furthermore, it is proposed to carry out the method such that an extrapolation algorithm is used for the value of the buffer variables and / or for the value of the expected fluid requirement and / or for the value of the expected mechanical power requirement. As a result, the method can be carried out even more advantageously.
  • the activation pattern in which, inter alia, the electrical power required for the activation of the electrically controllable valve / of the electrically controllable valves is taken into account
  • the variant can be chosen that can better satisfy increasing power requirements.
  • the error variable can be used, in particular, to carry out suitable correction mechanisms and, if appropriate, to permit "undesired" correction mechanisms if it is to be expected that the error variable will otherwise increase too much.
  • the error variable it is also possible for the error variable to correspond substantially with the previously described buffer variable or substantially coincide with it. In any case, with the proposed training, the required Liehe fluid requirements or the required mechanical power consumption can be better and more accurately satisfied.
  • valve control patterns can be stored cost-effectively and with only a small space requirement in the case of electronic storage systems available today. These can then be retrieved depending on the fluid requirement and / or the mechanical power requirement. If appropriate, interpolation methods between two stored values and the like are also conceivable. But it is also possible that during operation of the fluid power machine a certain number of pump strokes is calculated "into the future" and the calculated values be cached. This can be realized for example by known "look ahead" algorithms.
  • control device which is embodied and configured in such a way that it carries out, at least at times, a method of the type described above.
  • a control device formed in this way can then have the advantages and properties already described in advance, in connection with the previously proposed method, at least in an analogous manner. It is also possible to further develop the control device - at least in an analogous manner.
  • control device has at least one electronic memory device, a programmable data processing device, a semiconductor power component and / or a temporary energy storage device.
  • a temporary energy storage device may, in particular, be understood to be a capacitor and optionally also an accumulator.
  • a capacitor a large capacitance is preferably useful, as is the case, for example, with so-called gold cap capacitors.
  • an increased electrical power can be retrieved for a short time so that, as it were, more valves can be actuated for a short time than is possible in the long run from the dimensioning of the control device and optionally other components. This can prove advantageous.
  • a fluid working machine in particular an electrically commutated fluid working machine, which is designed and set up such that it at least partially carries out a method of the previously proposed type and / or has at least one control device of the type described above.
  • the fluid work machine ne can then have the advantages and properties described in advance in connection with the previously described method and / or the control device described above, at least in analogy.
  • the fluid working machine can be further developed as described above (at least in an analogous manner).
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of an electrically commutated hydraulic pump in a schematic diagram
  • Fig. 2 an example of an unfavorable drive pattern
  • FIG. 3 shows a flow diagram for a conceivable embodiment of a method for controlling an electrically commutated hydraulic pump.
  • FIG. 1 shows a conceivable embodiment of an electrically commutated hydraulic pump 1 of the so-called wedding cake-type pump.
  • the hydraulic pump 1 has a total of twelve cylinders 2, 3, which are each arranged at an angular distance of 30 ° from each other.
  • the cylinders 2, 3 are arranged in different planes and in the form of two, successively arranged discs with six cylinders 2, 3.
  • the two discs of cylinders 2, 3 are arranged successively in a direction perpendicular to the plane of succession.
  • the respective cylinders 2, 3 are angularly spaced from each other by 60 °.
  • the two discs are "rotated" by 30 ° to each other.
  • cylinders 2, 3 are each displaceable and arranged to rotate at a certain angle piston 4.
  • the bottom 5 of the piston 4 is as Sliding sole formed and is supported on an eccentric rotating eccentric 6, which is moved about a rotation axis 7 around.
  • the upper side 8 of the pistons 4 forms a fluid-tight seal with the walls of the pistons 4. The caused by the eccentric 6 up and down movement of the piston 4 in the cylinders 2, 3 causes a cyclically varying volume of the pumping chambers.
  • Each cylinder 2, 3 is connected via corresponding hydraulic lines 10 with an electrically controllable valve 1 1, which in turn is connected to a hydraulic oil reservoir 13.
  • the hydraulic oil reservoir 13 is usually under ambient pressure.
  • each cylinder 2, 3 via hydraulic lines 10 via a passive check valve 12 with a high-pressure collector (not shown here) connected.
  • the high-pressure collector can have a high-pressure accumulator. It is also conceivable that, for example, by high-pressure hoses, which usually have a certain elasticity, a kind of "high-pressure accumulator function" can be realized. In such a case, it is possible that the high-pressure hoses go directly to the hydraulic consumer (for example, to a hydraulic motor).
  • the hydraulic lines 10, the electrically controllable valve 1 1 and the check valve 12 are shown only once.
  • the hydraulic oil reservoir 13 and / or the high-pressure accumulator for a plurality and / or for all cylinders 2, 3 are identical.
  • the electrically controllable valves 1 1 are electrically controlled via an electronic control 14.
  • the electronic controller 14 may have a memory 15 in which a suitable Control program is deposited.
  • the electronic control 14 can either be designed individually for each electrically controllable valve 1 1 and / or drive a part or all of the electrically controllable valves 1 1 of the electrically commutated hydraulic pump 1.
  • the electronic controller 14 can also take on other tasks.
  • the electronic control 14 is, for example, a single-board computer which has power semiconductor components of correspondingly dimensioned power for controlling the electrically activatable valves 11.
  • the mode of operation of an electrically commutated hydraulic pump 1 makes it possible not only to pump a complete pumping chamber volume "effectively” (ie to move in the direction of the high-pressure collector), but also to enable partial strokes or zero strokes.
  • the electrically controllable valve 11 is opened by the resulting negative pressure and hydraulic oil is sucked in from the hydraulic oil reservoir 13 via the hydraulic lines 10 and the electrically controllable valve 11 (low-pressure valve) , If the piston 4 reaches the bottom dead center, the passive intake valve would automatically close in a "classic" hydraulic pump. In the presently shown electrically commutated hydraulic pump 1, the electrically controllable valve 1 1 (unless otherwise controlled) remains initially open. As a result, the hydraulic oil is first pressed without load through the still open electrically controllable valve 1 1 back into the hydraulic oil reservoir 13 (and thus not pumped in the direction of the high-pressure accumulator).
  • the electrically controllable valve 1 1 is closed directly at the bottom dead center of the cylinder 4, then the operation of the electrically commutated hydraulic pump 1 corresponds to a "classic" hydraulic pump (full pump strokes). If, on the other hand, the electrically controllable valve 11 is not closed at all, then the electrically commutatable hydraulic pump 1 is in an idling mode (idling strokes).
  • the electrically controllable valve 1 1 is closed by applying a relatively large current. If, on the other hand, no (or insufficient) current (or electrical voltage) is applied, the electrically controllable valve 11 remains in the open position. (In some cases, there are also designs with an "inverted" switching logic, in which case the present description, in particular the description below, must be adapted accordingly.) It is obvious that the control pulse for closing the electrically controllable valve 11 is made later , the lower the volume fraction to be pumped.
  • the required activation time is 4 ms. Assuming a hydraulic pump operating at 3000 rpm, the time for a full piston stroke is 20 ms. Therefore, there may be a potential overlap of different drive pulses of 180 ° + 72 °. In extreme cases, a twelve-cylinder pump with the specified values can therefore be used for simultaneous control of up to eight cylinders.
  • Fig. 2 this effect is graphically illustrated.
  • the angle of rotation 16 position of the eccentric 6
  • the ordinate shows the control currents for the different cylinder numbers 17 (a total of twelve cylinders).
  • the oblique lines 18, 19 to be recognized in the graph correspond to the course of the respective bottom dead center 18 (start of the hydraulic oil ejection phase, pump chamber volume decreases) or top dead center 19 (end of the liquid ejection phase, pump chamber volume has the minimum value).
  • the times refer to 4 ms activation time and 3000 rpm.
  • eight cylinders namely cylinders 1 to 8 shortly before "180 °" are simultaneously activated at one time. Immediately after, there are also some drive cycles, so that the control electronics (electronic control 14) does not have much time to recover.
  • the electronic controller 14 If the electronic controller 14 is now designed for such a "worst case" scenario, then it must be dimensioned such that it can control eight electrically controllable valves 11 at the same time. This is correspondingly expensive and expensive. In addition, the electronic control 14 must have a corresponding size (installation space). The cooling of the electronic control 14 must be dimensioned accordingly.
  • the power supply would start with the actuation of the last two cylinders (cylinders 6 and 8 in the present example). to collapse. As a rule this would mean that not only these two valves could not close anymore.
  • the other valves of the cylinders 1 to 5 and 7 would possibly no longer (completely) close, because the onset of the control of the cylinders 6 and 8, these may not yet (completely) closed.
  • the power supply usually breaks down in such a way that the electronic control 14 typically takes one to two seconds to recover until it is ready for operation. Such behavior is intolerable.
  • This error value is stored and "offset" with the fluid request. If the fluid requirement remains at 35%, then a pumping power of 36.67% (1 10% for three cycles) must be provided to compensate for the previous underfunding. This can now be implemented by the pumping sequence 100% - 0% - 10%. The resulting pump sequence 100% - 0% - 0% - 100% - 0% - 10% now corresponds to the requested average value of 35%.
  • FIG. 3 finally, a schematic flow diagram 20 is shown, which further explains a method for controlling an electrically commutated hydraulic pump 1.
  • the fluid requirement is read.
  • the read-in fluid requirement is modified taking into account an error parameter (step 22).
  • the error parameter describes the extent to which "in the past" the required fluid requirement had to be deviated. Step 22 therefore (though possibly over a gere periods away) provided on average the actually requested fluid demand.
  • a drive sequence for the electrically controllable valves is calculated (step 23).
  • the required electrical power requirement is also taken into account. Accordingly, it may happen that a drive sequence which is inherently desirable with regard to the fluid requirement can not be realized, since this would lead to an exceeding of the maximum electrical power.
  • step 24 the valves are activated (step 24).
  • step 23 the error parameter which describes the deviation between the actually pumped fluid quantity and the requested fluid quantity is modified, if necessary.

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Abstract

Verfahren zur Ansteuerung einer elektrisch kommutierten Fluidarbeitsmaschine (1), wobei die Ansteuerung der elektrisch ansteuerbaren Ventile (11) der elektrisch kommutierten Fluidarbeitsmaschine (1) in Abhängigkeit vom Fluidbedarf und/oder dem mechanischen Leistungsbedarf erfolgt. Zusätzlich wird bei der Ansteuerung der elektrisch angesteuerten Ventile (11) die für die Ansteuerung der elektrisch ansteuerbaren Ventile erforderlichen elektrischen Leistung berücksichtigt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrisch kommu- tierten Fluidarbeitsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer vorzugsweise elektrisch kommutierten Fluidarbeitsmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung einer vorzugsweise elektrisch kommutierten Fluidarbeitsmaschine. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Fluidarbeitsmaschine, insbesondere eine elektrisch kommutierte Fluidarbeitsmaschine.
Fluidarbeitsmaschinen werden zwischenzeitlich in der Technik für unter- schiedlichste Anwendungsgebiete benutzt. Ganz allgemein werden Fluidarbeitsmaschinen benutzt, wenn Fluide gepumpt werden müssen oder Fluide dazu benutzt werden, eine Fluidarbeitsmaschine anzutreiben, wenn diese in einem Motor-Modus betrieben wird. Auf diese Weise ist es beispielsweise auch möglich, dass mechanische Energie unter "Zwischenschaltung" eines Fluidkreislaufs von einem Ort zu einem anderen transportiert werden kann. Der Begriff "Fluid" kann sich dabei sowohl auf Gase, als auch auf Flüssigkeiten beziehen. Auch ist es möglich, dass es sich bei dem "Fluid" um ein Gemisch aus Gasen und Flüssigkeiten handelt. Auch kann unter einem Fluid ein überkritisches Fluid verstanden werden, bei dem keine Unterscheidung zwischen dem gasförmigen und dem flüssigen Aggregatszustand mehr gemacht werden kann. Im Übrigen ist es auch unschädlich, wenn eine Flüssigkeit und/oder ein Gas einen bestimmten Anteil an Festkörpern mitführt (Suspension bzw. Rauch). Ein erstes Anwendungsgebiet von Fluidarbeitsmaschinen besteht darin, das Druckniveau eines Fluides zum Teil deutlich zu erhöhen. Beispiele für derartige Fluidarbeitsmaschinen sind Luftkompressoren oder Hydraulikpumpen. Auch kann ein Fluid zur Erzeugung mechanischer Leistung genutzt werden, wobei in der Regel pneumatische Motoren oder Hydraulikmotoren verwendet werden.
Eine oft genutzte Bauform für Fluidarbeitsmaschinen besteht darin, dass eine oder mehrere Arbeitskammern, die im Betrieb ein zyklisch variierendes Volumen aufweisen, verwendet werden. Dabei werden für jede Arbeitskam- mer zumindest ein Einlassventil und zumindest ein Auslassventil zur Verfügung gestellt.
Bei der bislang im Stand der Technik verbreitetsten Bauform handelt es sich bei den Einlass- und Auslassventilen um sogenannte passive Ventile. Diese öffnen sich, wenn in Durchlassrichtung ein Druckunterschied anliegt, wohingegen sie schließen, wenn ein Druckunterschied entgegen der Durchlassrichtung anliegt. Meistens sind die passiven Ventile auch vorbelastet, so dass sie sich im Normalzustand selbsttätig schließen (zum Beispiel federbelastete Ventile). Werden derartige passive Ventile beispielsweise bei einer Fluidpumpe verwendet, so ist der Aufbau derart, dass sich ein Fluideinlassventil öffnet, wenn sich das Volumen der dazugehörigen Arbeitskammer vergrößert. Sobald sich das Volumen der Arbeitskammer wieder verkleinert, schließt das Fluideingangsventil, während sich das Fluidausgangsventil öffnet. Auf diese Weise wird durch die zyklischen Volumenschwankungen der Arbeitskammer Fluid "in eine Richtung" gepumpt.
Bei elektrisch kommutierten Fluidarbeitsmaschinen wird zumindest eines der passiven Fluidventile durch ein elektrisch ansteuerbares Ventil ersetzt. Derartige Fluidarbeitsmaschinen sind im englischsprachigen Sprachraum zum Teil unter dem Begriff synthetically commutated hydraulic machines bzw. digital displacement pumps bekannt. Derartige elektrisch kommutierte Fluidarbeitsmaschinen sind beispielsweise in der Europäischen Patentanmel- dung EP 0 494 236 B1 oder in der Internationalen Patentanmeldung WO 91 /05163 A1 beschrieben.
Wenn beispielsweise bei einer elektrisch kommutierten Hydraulikpumpe das passive Fluideingangsventil durch ein elektrisch ansteuerbares Ventil ersetzt ist, so ist es möglich, dass man das Eingangsventil (zunächst) in der geöffneten Stellung belässt, wenn sich die Arbeitskammer zu verkleinern beginnt. Dadurch wird das in der Arbeitskammer eingeschlossene Fluid ohne "echte" Arbeit zu verrichten zurück in das Fluidreservoir befördert. Erst wenn durch einen elektrischen Steuerpuls das elektrisch ansteuerbare Eingangsventil geschlossen wird, wird das noch in der Arbeitskammer verbliebene Fluid über ein passives Fluidausgangsventil in Richtung einer Hochdruckleitung gepumpt. Durch diesen besonderen Aufbau ist es möglich, dass der von der elektrisch kommutierten Hydraulikpumpe "effektiv" gepumpte Hydrauli- kölstrom extrem schnell und insbesondere von einem Pumpenhub zum nächsten deutlich verändert werden kann. Dies hat wiederum den Vorteil, dass keine Fluidpuffer vorgesehen werden müssen und in aller Regel kein unter Hochdruck stehendes Fluid "unnütz" über Sicherheitsventile abgelassen werden muss. Dadurch können derartige synthetisch kommutierte Hydraulikpumpen zum Teil deutlich wirtschaftlicher als herkömmliche Arbeitspumpen arbeiten.
Ersetzt man sowohl das Fluideingangsventil, als auch das Fluidaus- gangsventil durch elektrisch ansteuerbare Ventile, so kann man auch einen sehr schnell regelbaren Hydraulikmotor realisieren. Um den von einer elektrisch kommutierten Fluidpumpe geförderten Fluidstrom (im Falle eines Fluidmotors gilt das Gleiche in Analogie) auf den jeweils aktuell nachgefragten Fluidstrom anzupassen, sind unterschiedliche Verfahren und Algorithmen beschrieben worden. Beispielsweise wurde in der Europäischen Patentanmeldung EP 1 537 333 B1 ein Verfahren beschrieben, bei dem ein bestimmter Fluidstrom dadurch erzeugt wird, dass eine Aneinanderreihung von vollständigen Pumpenhüben ("full-stroke pumping modes"), Teil-Pumpenhüben ("part-stroke pumping modes") und Leerlauf-Pumpenhüben ("idle-stroke pumping modes") realisiert wird, wobei im Mittel die tatsächlich nachgefragte Fördermenge bereitgestellt wird. Um eine ausreichende Glättung zu realisieren wird ein Hochdruck- Puffervolumen zur Verfügung gestellt, welches jedoch gegenüber herkömmlichen Hydraulikpumpen ein kleineres Volumen aufweist. Während in EP 1 537 333 B1 die Teillast-Pumpenhübe mit einem fixen Pumpvolumen von stets etwa 17 % durchgeführt werden, wurde das dort beschriebene Verfahren in EP 2 246 565 A1 verfeinert. Dort wird (zunächst) vorgeschlagen, für die Teil-Pumpenhübe im Wesentlichen beliebige Teilvolumina zuzulassen. Nur wenn die Fluidströmungsgeschwindigkeit durch das Eingangsventil zu hoch wird, werden bestimmte Volumenbereiche ausgeklammert, um eine Lärmentwicklung bzw. einen vorzeitigen Verschleiß des Eingangsventils und/oder der elektrisch kommutierten Hydraulikpumpe zu vermeiden. Spezi- ell bei dem in EP 2 246 565 A1 vorgeschlagenen Verfahren wird über einen geeigneten Algorithmus nicht nur die Pumpmenge des unmittelbar folgenden Arbeitshubs berechnet, sondern es werden zu einem gewissen Zeitpunkt mehrere unmittelbar bevorstehende Arbeitshübe vorausberechnet. Dadurch wird die Qualität des erzeugten Fluidstroms in der Regel besser. Insbesondere können Rest-Pulsationen noch weiter unterdrückt werden.
Obgleich elektrisch kommutierte Hydraulikpumpen zwischenzeitlich einen durchaus beachtlichen Entwicklungsstand erreicht haben, besteht nach wie vor Bedarf an weiteren Verbesserungen. Insbesondere besteht ein derzeitiges Forschungsziel darin, elektrisch kommutierte Hydraulikpumpen noch kleiner und leichter zu machen, deren Anschaffungs- und Betriebskosten weiter zu verringern und deren Energiebedarf - insbesondere deren elektrischen Energiebedarf - weiter zu verringern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur Ansteuerung einer Fluidarbeitsmaschine vorzuschlagen, welches gegenüber im Stand der Technik bekannter Verfahren zur Ansteuerung von Flu- idarbeitsmaschinen verbessert ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung be- steht darin, eine Steuervorrichtung für Fluidarbeitsmaschinen vorzuschlagen, welche gegenüber im Stand der Technik bekannter Steuerungen für Fluidarbeitsmaschinen verbessert ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Fluidarbeitsmaschine vorzuschlagen, welche gegenüber im Stand der Technik bekannter Fluidarbeitsmaschinen verbesserte Eigenschaften aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgaben.
Es wird vorgeschlagen, ein Verfahren zur Ansteuerung einer Fluidarbeitsma- schine, wobei die Fluidarbeitsmaschine zumindest eine Arbeitskammer mit einem zyklisch variierenden Volumen, eine Hochdruckfluidverbindung, eine Niederdruckfluidverbindung, zumindest ein elektrisch ansteuerbares Ventil zur ansteuerbaren Verbindung der Hoclidruckfluidverbindung und/oder der Niederdruckfluidverbindung mit der Arbeitskammer aufweist, und wobei die Ansteuerung des zumindest einen elektrisch ansteuerbaren Ventils in Ab- hängigkeit von dem Fluidbedarf und/oder dem mechanischen Leistungsbedarf erfolgt, derart durchzuführen, dass die Ansteuerung des zumindest einen elektrisch ansteuerbaren Ventils zumindest zeitweise zusätzlich in Abhängigkeit von der für die Ansteuerung des zumindest einen elektrisch ansteuerbaren Ventils erforderlichen elektrischen Leistung erfolgt. Mit anderen Worten kann es sich bei dem vorgeschlagenen Verfahren um ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrisch kommutierten Fluidarbeitsmaschine handeln, wobei die Ansteuerung zumindest eines elektrisch ansteuerbaren Ventils (insbesondere eines Fluideinlassventils und/oder Fluidauslassventils für zumindest eine Arbeitskammer) zumindest zeitweise zusätzlich in Abhängig- keit von der für die Ansteuerung des zumindest einen elektrisch ansteuerbaren Ventils erforderlichen elektrischen Leistung erfolgt. Bei den bisherigen Entwicklungen wurde bei der Ansteuerung der elektrisch kommutierten Fluidarbeitsmaschine der Hauptaugenmerk auf einen möglichst vorteilhaften Fluidstrom (im Falle eines Betriebs als Hydraulikpumpe) bzw. die erzeugte mechanische Leistung (im Falle des Betriebs als Hydraulikmotor) gelegt. Hierbei wurden "Nebeneffekte" nicht weiter bedacht. Lediglich in Fällen, in denen durch besonders ungünstige Ansteuerungsmuster ein nicht akzeptables Betriebsgeräusch und/oder ein nicht tolerierbarer erhöhter mechanischer Verschleiß aufgetreten sind, wurde diesbezüglich "eine Ausnahme" gemacht. Zwischenzeitlich haben die Erfinder jedoch zu ihrer eigenen Überraschung festgestellt, dass elektrisch kommutierte Hydraulikpumpen zwischenzeitlich einen Entwicklungsstand erreicht haben, dass die für den Betrieb der elektrisch ansteuerbaren Fluidventile erforderliche Leistung eine zum Teil beachtliche Rolle spielen kann. Um die elektrisch ansteuerbaren Fluidventile sehr schnell und präzise schalten zu können, sind nämlich erhebliche elektrische Ströme vonnöten, so dass eine entsprechende elektrische Leistung zum Betrieb derselben erforderlich ist. Dementsprechend muss eine entsprechende elektrische Leistung beispielsweise beim mobilen Betrieb (Gabelstapler, Fahrzeuge, Nutzfahrzeuge, Bagger und dergleichen) durch entsprechend dimensionierte Generatoren zur Verfügung gestellt werden. Zum Antrieb des Generators wiederum dient beispielsweise ein Verbrennungsmotor. Dabei kann der erforderliche elektrische Strom durchaus einen nicht unbedeutenden Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch haben. Darüber hinaus müssen aber auch Generator, gegebenenfalls zur Zwischenpufferung genutzte Batterien und insbesondere auch die zur Ansteuerung der elektrisch ansteuerbaren Ventile genutzte Leistungselektronik entsprechend groß dimensioniert sein, damit (im Wesentlichen) beliebige Ansteuerungsmuster für die elektrisch ansteuerbaren Ventile erzeugt werden können. Die Dimensionierung der betreffenden Komponenten erfolgte bislang so, dass es möglich war, dass alle elektrisch ansteuerbaren Ventile gleichzeitig angesteuert wer- den können, was eine entsprechend großzügige Dimensionierung erforderlich machte (wobei in der Realität üblicherweise noch Sicherheitszuschläge in Betracht gezogen wurden). Die Erfinder haben jedoch herausgefunden, dass bei üblichen Anwendungen nur selten ein besonders großer Anteil der elektrisch ansteuerbaren Ventile gleichzeitig angesteuert werden muss. Von daher wird ein signifikanter Lastbereich der Dimensionierung bisheriger elektrisch kommutierter Fluidarbeitsmaschinen nur selten bis nie genutzt. Dementsprechend ist es grundsätzlich möglich, die entsprechenden Komponenten kleiner dimensionieren zu können, ohne dass es bei praktischen Anwendungen häufiger und/oder spürbar zu Defiziten im Betriebsverhalten bzw. gar zu Problemen kommt. Möglich ist es beispielsweise, die Komponenten derart zu dimensionieren, dass lediglich bis zu 50 %, 60 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 % oder 95 % der elektrisch ansteuerbaren Ventile gleichzeitig angesteuert werden können. Die entsprechende Gewichts- und Volumenersparnis der betreffenden Komponenten hat dabei üblicherweise nicht nur einen "direkten" Einfluss, sondern insbesondere auch einen "indirekten" Einfluss, da beispielsweise im mobilen Betrieb weniger Massen be- schleunigt werden müssen. Dadurch kann gegebenenfalls sogar die elektrisch kommutierte Fluidarbeitsmaschine insgesamt kleiner ausgeführt werden. Um die beschriebene Unterdimensionierung realisieren zu können, wird von den Erfindern weiterhin vorgeschlagen, dass bei der Ansteuerung des zumindest einen elektrisch ansteuerbaren Ventils der Fluidarbeitsmaschine zumindest zeitweise zusätzlich die für die Ansteuerung des zumindest einen elektrisch ansteuerbaren Ventils erforderliche elektrische Leistung berücksichtigt wird. Eine derartige Berücksichtigung kann insbesondere dahingehend erfolgen, dass das Ansteuerungsmuster derart modifiziert wird, dass gewisse Abweichungen von der aktuell geforderten Fluidmen- ge/mechanischen Leistung (insbesondere auch zeitweise) toleriert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass insbesondere zeitweise eine höhere Restschwankung der erzeugten Fluidmenge bzw. der mechanischen Leistung und/oder insbesondere zeitweise eine höhere Geräuschent- Wicklung bzw. ein erhöhter Verschleiß der Fluidarbeitsmaschine in Kauf genommen wird. Erste Versuche haben ergeben, dass hierdurch üblicherweise bei einer nur geringen Verschlechterung der Arbeitsweise der elektrisch kommutierten Fluidarbeitsmaschine durchaus beachtliche Kostenreduktionen, Energieeinsparungen und Platzeinsparungen möglich sind. Im Übrigen kann auch die durch die Leistungselektronik erzeugte Abwärme verringert werden (was auch Auswirkungen auf die Dimensionierung von Kühlkörpern, Lüftern und dergleichen haben kann).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens wird vorge- schlagen, dass zumindest eine obere elektrische Leistungsgrenze berücksichtigt wird, insbesondere zumindest eine weiche elektrische Leistungsgrenze und/oder zumindest eine harte elektrische Leistungsgrenze. Unter einer "harten elektrischen Leistungsgrenze" ist insbesondere ein Wert zu verstehen, der zumindest unter normalen Betriebsbedingungen keinesfalls überschritten werden darf. Beispielsweise kann es sich hier um einen Wert handeln, bei dessen Überschreiten sich die Steuersignale derart verschlech- tern, dass eine hinreichend genaue und/oder zuverlässige Ansteuerung der elektrisch ansteuerbaren Ventile nicht mehr möglich ist. Auch kann dies einen Fall umfassen, bei dem beispielsweise eine Steuerelektronik (bzw. Teile davon) zusammenbricht und zunächst eine bestimmte Zeit (beispielsweise mehrere Sekunden) benötigt, bevor der "Normalbetrieb" wieder aufgenommen werden kann. Unter einer "weichen elektrischen Leistungsgrenze" ist insbesondere ein Wert zu verstehen, der unter bestimmten Betriebsbedingungen und/oder zeitweise (insbesondere kurzzeitig) überschritten werden darf. Hier kann es sich beispielsweise um eine elektrische Leistung handeln, bei der die in den Leistungshalbleitern entstehende Verlustwärme nicht mehr (vollständig) abgeführt werden kann, so dass sich die entsprechenden Bauteile mit der Zeit unzulässig erwärmen würden. Da diese Bauteile jedoch einen gewissen Wärmepuffer aufweisen, ist ein kurzzeitiges Überschreiten einer derartigen Leistungsgrenze unschädlich, solange anschließend ausrei- chend Zeit zur "Erholung" der betreffenden Bauteile zur Verfügung gestellt wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, das Verfahren derart durchzuführen, dass die zumindest eine obere elektrische Leistungsgrenze zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise durch zumindest einen Teil zumindest einer Steuervorrichtung definiert ist und/oder zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise durch die im System verfügbare elektrische Leistung definiert ist. Unter einem Teil zumindest einer Steuervorrichtung können insbesondere Leistungshalbleiter, elektrische Widerstände, Kondensatoren, sons- tige Temporärenergiespeichereinrichtungen und dergleichen verstanden werden. Insbesondere kann es sich dabei um Bauteile handeln, welche sich im Betrieb nicht unerheblich erwärmen und/oder um Bauteile, die elektrische Energie leiten und/oder um Zwischenpuffer. Unter einer im System verfügbaren elektrischen Leistung ist insbesondere eine elektrische Leistung zu ver- stehen, die von "außerhalb der elektrisch kommutierten Fluidarbeitsmaschi- ne" liegenden Komponenten zur Verfügung gestellt wird. Wenn beispielswei- se eine elektrisch kommutierte Fluidarbeitsmaschine in einem Gabelstapler eingebaut ist, so kann es sich hierbei um die elektrische Leistung handeln, die der Gabelstapler zur Verfügung stellen kann. Diese elektrische Leistung kann sich beispielsweise durch die Betriebsbedingungen des Gabelstaplers ändern (beispielsweise Leistungsbedarf durch beleuchtungstechnische Einrichtungen, elektrische Heizungen, Akkumulator mit niedrigem Ladestand, insbesondere nach längerem Nichtgebrauch und/oder nach einem Anlassvorgang, Drehzahl eines Verbrennungsmotors und dergleichen). Selbstverständlich ist die im System verfügbare elektrische Leistung in aller Regel auch durch die Konstruktion der "Gesamtvorrichtung" definiert. Mit einer Temporärenergiespeichereinrichtung ist es beispielsweise möglich über eine begrenzte Zeit hinweg Ventilansteuerungszyklen zu realisieren, die im Dauerbetrieb nicht realisierbar sind. Der hierfür erforderliche zusätzliche Leistungsbedarf kann kurzfristig der Temporärenergiespeichereinrichtung ent- nommen werden. Danach ist jedoch eine gewisse Erholungsphase für die Temporärenergiespeichereinrichtung erforderlich.
Weiterhin wird vorgeschlagen, das Verfahren derart durchzuführen, dass eine Mehrzahl von elektrisch ansteuerbaren Ventilen angesteuert wird, und die elektrisch ansteuerbaren Ventile insbesondere unterschiedlichen Arbeitskammern zugeordnet sind, wobei die Arbeitskammern bevorzugt phasenversetzt zueinander angeordnet sind und/oder eine Mehrzahl parallel arbeitender Arbeitskammern vorgesehen ist. Speziell in derartigen Fällen kann es sich insbesondere bei bestimmten Betriebsbedingungen ergeben, dass eine größere Anzahl von elektrisch ansteuerbaren Ventilen zeitgleich angesteuert werden müssen (wobei unter "zeitgleich" auch sich nur teilweise überlappende Ansteuerungsimpulse und/oder zeitlich nah beieinanderliegende, aber an sich getrennte Ansteuerungsimpulse verstanden werden können). Wie bereits erwähnt, haben erste Messungen ergeben, dass derartig "ungünsti- ge" Ansteuerungszyklen nur selten auftreten und in der Regel mit tolerierba- ren Verschlechterungen umgangen werden können bzw. die resultierenden Verschlechterungen akzeptiert werden können.
Eine mögliche Ausführungsvariante des vorgeschlagenen Verfahrens be- steht darin, dass die Berechnung des Ventilansteuerungsmusters unter Verwendung einer Puffervariable erfolgt. In dieser wird beispielsweise pro Pumpzyklus auf einer "Habenseite" eine Fluidanforderung von Arbeitstakt zu Arbeitstakt eingespeist. Basierend auf dem aktuellen Wert der Puffervariable wird jeweils ein sinnvoller und gleichzeitig zulässiger Pumpenhub bestimmt, und der aktuell angesteuerte Pumpenhub reduziert die Puffervariable um den betreffenden Wert. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, dass ein (teilweise) ausgesetzter Wert zu einem späteren Zeitpunkt "nachgeholt" wird, und damit schlussendlich die angeforderte Menge realisiert wird. Dadurch entstehende Schwankungen sind in aller Regel ausreichend klein, so dass in der Regel nachteilige Effekte nicht bzw. lediglich in vertretbarem Aufwand entstehen. Selbstverständlich sind auch die bereits im Stand der Technik vorgeschlagenen Weiterbildungen, wie insbesondere das Vorsehen von "verbotenen Bereichen" und/oder eine Berechnung für einige Pumpenzyklen in die Zukunft, hierfür verwendbar. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass in einem „kritischen Fall" durch ein entsprechendes Ventilansteue- rungsmuster insbesondere ein gewisses„Überangebot" (beispielsweise bei einer Pumpe eine über das nachgefragte Maß erhöhte Pumpleistung an Fluid) bereitgestellt wird, wobei mithilfe des Ventilansteuerungsmusters eine elektrische Leistungsgrenze (insbesondere eine weiche und/oder eine harte elektrische Leistungsgrenze) beachtet wird. Das„Überangebot" kann dann gewissermaßen „mechanisch vernichtet" werden (bei einer Pumpe beispielsweise durch ein Ablassen von (Hochdruck-)Fluid über ein Sicherheitsventil oder dergleichen. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass ein Zurückgreifen auf ein„Überangebot" statistisch vergleichsweise selten erforderlich ist. Dementsprechend kann sich auch mit einer derartigen Ausbildung „unter dem Strich" eine erhöhte Energieeffizienz der Gesamtanlage ergeben. Weiterhin wird vorgeschlagen, das Verfahren derart durchzuführen, dass ein Extrapolationsalgorithmus für den Wert der Puffervariablen und/oder für den Wert des zu erwartenden Fluidbedarfs und/oder für den Wert des zu erwar- tenden mechanischen Leistungsbedarfs verwendet wird. Hierdurch kann das Verfahren noch vorteilhafter durchgeführt werden. Wenn beispielsweise zu erwarten ist, dass der vermutlich in Kürze abgerufene Fluidbedarf zunimmt, kann das Ansteuerungsmuster (bei welchem unter anderem auch die für die Ansteuerung des elektrisch ansteuerbaren Ventils/der elektrisch ansteuerba- ren Ventile erforderliche elektrischen Leistung berücksichtigt wird) derart gewählt werden, dass möglichst viele Randbedingungen möglichst gut erfüllt werden. Wenn beispielsweise (abgesehen vom zukünftig zu erwartenden Bedarf) zwei verschiedene sinnvolle Ansteuerzyklen vorhanden sind, so kann bei (vermutlich) zunehmendem Leistungsbedarf die Variante gewählt werden, mit der ein zunehmender Leistungsbedarf besser befriedigt werden kann.
Weiterhin wird vorgeschlagen, das Verfahren derart durchzuführen, dass zumindest die Differenz zwischen Fluidbedarf und/oder mechanischem Leis- tungsbedarf und der nach Anwendung der Modifikation hinsichtlich des elektrischen Leistungsbedarfs tatsächlich zur Verfügung gestellten Fluid- menge bzw. der tatsächlich zur Verfügung gestellten mechanischen Leistung ermittelt wird und insbesondere in einer Fehlervariable gespeichert wird. Die Fehlervariable kann insbesondere dazu verwendet werden, geeignete Kor- rekturmechanismen durchzuführen und gegebenenfalls an sich "unerwünschte" Korrekturmechanismen zu erlauben, wenn zu erwarten ist, dass die Fehlervariable ansonsten zu stark ansteigt. Möglich ist es aber auch, dass die Fehlervariable im Wesentlichen mit der vorab bereits beschriebenen Puffervariable korrespondiert bzw. im Wesentlichen mit dieser überein- stimmt. In jedem Fall kann mit der vorgeschlagenen Ausbildung der erforder- liehe Fluidbedarf bzw. der erforderliche mechanische Leistungsbedarf besser und genauer befriedigt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, das Verfahren derart durchzuführen, dass insbesondere bei Überschreiten eines bestimmten Werts der Fehlervariable besondere Korrekturverfahren genutzt werden und insbesondere ansonsten unzulässige Teilpumpmengen zugelassen werden. Dadurch ist es möglich, dass eine Art Kompromiss zwischen möglichst korrekter Erfüllung der Anforderungen einerseits und möglichst vorteilhaftem Betriebsverhalten anderer- seits (insbesondere hinsichtlich Verschleiß und/oder Geräuschentwicklung) gefunden werden kann. Würde also beispielsweise bei Anwendung sonst üblicher Kriterien bei besonders ungünstigen Betriebsbedingungen ein Fehler zu stark ansteigen, so kann stattdessen eine (üblicherweise vergleichsweise geringe) Zunahme des Betriebsgeräuschs und/oder des Verschleißes der Fluidarbeitsmaschine in Kauf genommen werden. Dies ist nicht notwendigerweise schädlich, da derartige Verhältnisse oftmals nur selten und/oder für nur kurze Zeit eintreten.
Möglich ist es auch, das Verfahren derart durchzuführen, dass eine Mehrzahl an unterschiedlichen Ventilansteuerungsmustern vorab berechnet und gespeichert wird. Bei einer derartigen Ausführung kann vergleichsweise viel Rechenzeit in die Erstellung möglichst guter Ventilansteuerungszyklen einfließen, um möglichst vorteilhafte Ventilansteuerungszyklen zu realisieren. Derartige Ventilansteuerungsmuster können bei heute verfügbaren elektroni- sehen Speichern in großen Mengen kostengünstig und bei nur geringem Platzbedarf gespeichert werden. Diese können dann in Abhängigkeit vom Fluidbedarf und/oder vom mechanischen Leistungsbedarf abgerufen werden. Gegebenenfalls sind auch Interpolationsverfahren zwischen zwei gespeicherten Werten und dergleichen denkbar. Möglich ist es aber auch, dass während des Betriebs der Fluidarbeitsmaschine eine bestimmte Anzahl von Pumpenhüben "in die Zukunft" gerechnet wird und die errechneten Werte zwischengespeichert werden. Dies kann beispielsweise durch an sich bekannte "look ahead"-Algorithmen realisiert werden.
Weiterhin wird eine Steuervorrichtung vorgeschlagen, welche derart ausge- bildet und eingerichtet ist, dass sie zumindest zeitweise ein Verfahren vom vorab beschriebenen Typ durchführt. Eine derart ausgebildete Steuervorrichtung kann dann die bereits vorab, im Zusammenhang mit dem vorab vorgeschlagenen Verfahren beschriebenen Vorteile und Eigenschaften zumindest in analoger Weise aufweisen. Auch ist es möglich die Steuervorrichtung - zumindest in analoger Weise - weiterzubilden.
Insbesondere ist es möglich, dass die Steuervorrichtung zumindest eine elektronische Speichereinrichtung, eine programmierbare Datenverarbeitungseinrichtung, ein Halbleiterleistungsbauteil und/oder eine Temporär- energiespeichereinrichtung aufweist. Derartige Steuervorrichtungen haben sich in ersten Versuchen als besonders vorteilhaft erwiesen. Unter einer Temporärenergiespeichereinrichtung kann insbesondere ein Kondensator und gegebenenfalls auch ein Akkumulator verstanden werden. Bei einem Kondensator ist vorzugsweise eine große Kapazität sinnvoll, wie dies bei- spielsweise bei so genannten Gold Cap-Kondensatoren der Fall ist. Mit einer derartigen Temporärenergiespeichereinrichtung kann beispielsweise kurzzeitig eine erhöhte elektrische Leistung abgerufen werden, so dass kurzzeitig gewissermaßen mehr Ventile angesteuert werden können, als es von der Dimensionierung der Steuervorrichtung und gegebenenfalls sonstiger Kom- ponenten auf Dauer möglich ist. Dies kann sich als vorteilhaft erweisen.
Schließlich wird noch eine Fluidarbeitsmaschine vorgeschlagen, insbesondere eine elektrisch kommutierte Fluidarbeitsmaschine, welche derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie zumindest teilweise ein Verfahren vom vorab vorgeschlagenen Typ durchführt und/oder die zumindest eine Steuervorrichtung vom vorab beschriebenen Typ aufweist. Die Fluidarbeitsmaschi- ne kann dann die bereits vorab im Zusammenhang mit dem vorab beschriebenen Verfahren und/oder der vorab beschriebenen Steuervorrichtung beschriebenen Vorteile und Eigenschaften zumindest in Analogie aufweisen. Weiterhin kann die Fluidarbeitsmaschine wie vorab beschrieben weitergebil- det werden (zumindest in analoger Weise).
Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : ein mögliches Ausführungsbeispiel für eine elektrisch kommu- tierte Hydraulikpumpe in einer Prinzipskizze;
Fig. 2: ein Beispiel für ein ungünstiges Ansteuerungsmuster;
Fig. 3: ein Flussdiagramm für ein denkbares Ausführungsbeispiel ei- nes Verfahrens zur Ansteuerung einer elektrisch kommutier- ten Hydraulikpumpe.
In Fig. 1 ist ein denkbares Ausführungsbeispiel für eine elektrisch kommu- tierte Hydraulikpumpe 1 vom sogenannten Hochzeitstortentyp ("wedding cake-type pump") dargestellt. Die Hydraulikpumpe 1 weist insgesamt zwölf Zylinder 2, 3 auf, die jeweils in einem angularen Abstand von 30° zueinander beabstandet angeordnet sind. Aus Platzgründen sind dabei die Zylinder 2, 3 in unterschiedlichen Ebenen angeordnet und zwar in Form zweier, hintereinander angeordneter Scheiben mit jeweils sechs Zylindern 2, 3. Die beiden Scheiben aus Zylindern 2, 3 sind dabei in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene aufeinander abfolgend angeordnet. In jeder Scheibe sind die jeweiligen Zylinder 2, 3 jeweils um 60° voneinander angular beabstandet. Die beiden Scheiben sind um 30° gegeneinander "verdreht". In den Zylindern 2, 3 sind jeweils verschiebbar und um einen gewissen Winkel verdrehbare Kolben 4 angeordnet. Die Unterseite 5 der Kolben 4 ist als Gleitsohle ausgebildet und stützt sich auf einem exzentrisch rotierenden Exzenter 6 ab, der um eine Drehachse 7 herum bewegt wird. Die obere Seite 8 der Kolben 4 bildet mit den Wänden der Kolben 4 einen fluiddichten Verschluss. Die durch den Exzenter 6 verursachte Auf- und Abbewegung der Kolben 4 in den Zylindern 2, 3 bewirkt ein zyklisch variierendes Volumen der Pumpkammern 9.
Jeder Zylinder 2, 3 ist über entsprechende Hydraulikleitungen 10 mit einem elektrisch ansteuerbaren Ventil 1 1 verbunden, welches seinerseits mit einem Hydraulikölreservoir 13 verbunden ist. Das Hydraulikölreservoir 13 steht üblicherweise unter Umgebungsdruck.
Weiterhin ist im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel jeder Zylinder 2, 3 über Hydraulikleitungen 10 über ein passives Rückschlagventil 12 mit einem Hochdrucksammler (vorliegend nicht dargestellt) verbunden. Der Hochdrucksammler kann dabei einen Hochdruckspeicher aufweisen. Denkbar ist es aber auch, dass beispielsweise durch Hochdruckschläuche, die üblicherweise eine gewisse Elastizität aufweisen, eine Art "Hochdruckspeicherfunktion" realisiert werden kann. In einem solchen Fall ist es möglich, dass die Hochdruckschläuche direkt zum Hydraulik-Verbraucher (beispielsweise zu einem Hydraulikmotor) gehen.
Aus darstellungstechnischen Gründen sind die Hydraulikleitungen 10, das elektrisch ansteuerbare Ventil 1 1 und das Rückschlagventil 12 nur einmal eingezeichnet. In aller Regel ist das Hydraulikölreservoir 13 und/oder der Hochdrucksammler für eine Mehrzahl und/oder für alle Zylinder 2, 3 identisch.
Die elektrisch ansteuerbaren Ventile 1 1 werden über eine elektronische Steuerung 14 elektrisch angesteuert. Insbesondere kann die elektronische Steuerung 14 über einen Speicher 15 verfügen, in dem ein geeignetes An- Steuerprogramm hinterlegt ist. Die elektronische Steuerung 14 kann entweder für jedes elektrisch ansteuerbare Ventil 1 1 einzelnen ausgelegt sein und/oder einen Teil oder alle elektrisch ansteuerbaren Ventile 1 1 der elektrisch kommutierten Hydraulikpumpe 1 ansteuern. Gegebenenfalls kann die elektronische Steuerung 14 auch weitere Aufgaben übernehmen. Insbesondere handelt es sich bei der elektronischen Steuerung 14 beispielsweise um einen Einplatinencomputer, der zur Ansteuerung der elektrisch ansteuerbaren Ventile 1 1 entsprechend dimensionierte Leistungshalbleiterbauelemente aufweist.
Die Funktionsweise einer elektrisch kommutierten Hydraulikpumpe 1 ermöglicht es, dass nicht nur ein vollständiges Pumpkammervolumen "effektiv" gepumpt wird (also in Richtung des Hochdrucksammlers bewegt wird), sondern auch Teilhübe bzw. Nullhübe möglich sind.
Bewegt sich der Kolben 4 im Zylinder 2, 3 nach unten, so wird durch den entstehenden Unterdruck das elektrisch ansteuerbare Ventil 1 1 geöffnet und Hydrauliköl wird über die Hydraulikleitungen 10 und das elektrisch ansteuerbare Ventil 1 1 (Niederdruckventil) aus dem Hydraulikölreservoir 13 ange- saugt. Erreicht der Kolben 4 den unteren Totpunkt, so würde bei einer "klassischen" Hydraulikpumpe das passive Ansaugventil selbsttätig schließen. Bei der vorliegend dargestellten elektrisch kommutierten Hydraulikpumpe 1 bleibt das elektrisch ansteuerbare Ventil 1 1 (sofern nicht anderweitig angesteuert) jedoch zunächst offen. Dadurch wird das Hydrauliköl zunächst ohne Last durch das noch geöffnete elektrisch ansteuerbare Ventil 1 1 zurück in das Hydraulikölreservoir 13 gedrückt (und folglich nicht in Richtung des Hochdrucksammlers gepumpt). Wenn nun nach einem Teil des Zylinderwegs nun das elektrisch ansteuerbare Ventil 1 1 geschlossen wird, so baut sich in der Pumpkammer 9 rasch ein Druck auf und der verbliebene Anteil des Volumens wird über das passive Rückschlagventil 12 (Hochdruckventil) "effektiv" in Richtung des Hochdrucksammlers gepumpt. Die beschriebene Funktionsweise entspricht einem Teilhub.
Wird das elektrisch ansteuerbare Ventil 1 1 unmittelbar am unteren Totpunkt des Zylinders 4 geschlossen, so entspricht die Funktionsweise der elektrisch kommutierten Hydraulikpumpe 1 einer "klassischen" Hydraulikpumpe (volle Pumphübe). Wird dagegen das elektrisch ansteuerbare Ventil 1 1 überhaupt nicht geschlossen, so befindet sich die elektrisch kommutierbare Hydraulikpumpe 1 in einem Leerlaufbetrieb (Leerlaufhübe).
Bei den derzeit üblichen Bauformen von elektrisch kommutierten Hydraulikpumpen wird das elektrisch ansteuerbare Ventil 1 1 durch Anlegen eines relativ großen Stroms geschlossen. Wird dagegen kein (oder ein nicht ausreichender) Strom (bzw. elektrische Spannung) angelegt, so verbleibt das elektrisch ansteuerbare Ventil 1 1 in der geöffneten Stellung. (Zum Teil existieren auch Bauformen mit einer "invertierten" Schaltlogik; in einem solchen Fall ist die vorliegende, insbesondere die im Folgenden dargestellte, Beschreibung entsprechend anzupassen.) Es ist einsichtig, dass der Steuerimpuls zum Schließen des elektrisch ansteuerbaren Ventils 1 1 umso später erfolgt, je geringer der zu pumpende Volumenanteil ist. Wenn also zum Beispiel bei zwei unmittelbar hintereinander folgenden Zylindern (die beispielsweise um 30° zueinander versetzt sind)ein vorausgehender Zylinder einen teilweisen Pumpenhub und ein darauffolgen- der Zylinder einen vollen Pumpenhub erzeugen soll, so sind die elektrisch ansteuerbaren Ventile 1 1 beider Zylinder gleichzeitig anzusteuern, wenn der unmittelbar vorauseilende Zylinder nur 93,3 % Volumenanteil erzeugen soll (180° Umdrehung entspricht 100 % Pumpleistung). Ein Überlapp von verschiedenen AnSteuerimpulsen kann jedoch nicht nur in exakt einem solchen Fall eintreten (welcher vermutlich in der Realität nicht allzu häufig eintreten würde). Vielmehr kann ein derartiger Überlapp deutlich häufiger auftreten, da die Signale zum Schließen der elektrisch ansteuerbaren Ventile über eine gewisse Zeitspanne hinweg angelegt werden müssen.
Nimmt man typische Werte für elektrisch kommutierte Hydraulikpumpen, so beträgt die erforderliche Ansteuerzeit 4 ms. Geht man von einer Hydraulikpumpe aus, die mit 3000 U/min arbeitet, so beträgt die Zeitdauer für einen vollen Kolbenhub 20 ms. Daher kann es zu einem potentiellen Überlapp unterschiedlicher Ansteuerimpulse von 180° + 72° kommen. Im Extremfall kann es daher bei einer Zwölfzylinderpumpe mit den angegebenen Werten zu ei- ner gleichzeitigen Ansteuerung von bis zu acht Zylindern kommen.
In Fig. 2 ist dieser Effekt grafisch veranschaulicht. Im dortigen Graph ist jeweils entlang der Abszisse der Drehwinkel 16 (Position des Exzenters 6) dargestellt. Entlang der Ordinate sind die Ansteuerströme für die unter- schiedlichen Zylindernummern 17 (insgesamt zwölf Zylinder) dargestellt. Die in der Grafik zu erkennenden, schräg verlaufenden Linien 18, 19 entsprechen dem Verlauf des jeweiligen unteren Totpunkts 18 (Beginn der Hydrauli- kölausstoßphase; Pumpkammervolumen nimmt ab) bzw. dem oberen Totpunkt 19 (Ende der Flüssigkeitsausstoßphase; Pumpkammervolumen weist den minimalen Wert auf). Die Zeiten beziehen sich auf 4 ms Ansteuerdauer sowie 3000 U/min.
Die in Fig. 2 dargestellte Situation ergibt sich, wenn die einzelnen Zylinder wie folgt beaufschlagt werden:
Zylinder 1 - 1 %, Zylinder 2 - 10 %, Zylinder 3 - 33 %, Zylinder 4 - 60 %, Zylinder 5 - 66 %, Zylinder 6 - 90 %, Zylinder 7 - 100 %, Zylinder 8 - 100 %, Zylinder 9 - 100 %, Zylinder 10 - 100 %, Zylinder 1 1 - 100 %, Zylinder 12 - 50 %. Wie man der Fig. entnehmen kann, werden in der Tat zu ei- nem Zeitpunkt acht Zylinder (nämlich Zylinder 1 bis 8 kurz vor "180°") gleichzeitig angesteuert. Auch unmittelbar danach folgen einige Ansteuerzyklen, so dass die Ansteuerelektronik (elektronische Steuerung 14) nicht viel Zeit zu einer Erholung hat.
Wird die elektronische Steuerung 14 nun auf ein derartiges "worst case" Szenario ausgelegt, so muss sie derart dimensioniert sein, dass sie acht elektrisch ansteuerbare Ventile 1 1 gleichzeitig ansteuern kann. Dies ist entsprechend teuer und aufwändig. Darüber hinaus muss die elektronische Steuerung 14 eine entsprechende Größe (Bauraums) aufweisen. Auch die Kühlung der elektronischen Steuerung 14 muss entsprechend dimensioniert sein.
Lässt man es dagegen einfach "darauf ankommen" und dimensioniert die elektronische Steuerung 14 derart, dass beispielsweise nur sechs Ansteuerzyklen gleichzeitig erfolgen können, so würde die Stromversorgung mit Be- ginn der Ansteuerung der letzten beiden Zylinder (im vorliegend dargestellten Beispiel Zylinder 6 und 8) zusammenbrechen. Dies hätte in der Regel zur Folge, dass nicht nur diese beiden Ventile nicht mehr schließen könnten. Darüber hinaus würden auch die sonstigen Ventile der Zylinder 1 bis 5 und 7 gegebenenfalls nicht mehr (vollständig) schließen, denn zum Einsetzen der Ansteuerung der Zylinder 6 und 8 sind diese ja gegebenenfalls noch nicht (vollständig) geschlossen. Ein noch weitergehender Nachteil bestünde darin, dass die Stromversorgung meist derart zusammenbricht, dass die elektronische Steuerung 14 typischerweise ein bis zwei Sekunden Erholungszeit braucht, bis sie wieder funktionsbereit ist. Ein derartiges Verhalten ist nicht tolerierbar.
Vorliegend wird daher vorgeschlagen, dass die elektronische Steuerung 14 beim Ansteuern der elektrisch ansteuerbaren Ventile 1 1 auch den erforderlichen Strombedarf berücksichtigt und die Ansteuerzyklen entsprechend an- passt. Wenn beispielsweise ein Fluidbedarf von 35 % vorliegt (im Folgenden wird davon ausgegangen, dass ein Pumpintervall zwischen 20 % und 80 % "verboten" ist, damit es zu keiner übermäßigen Geräuschentwicklung kommt und/oder der Verschleiß reduziert wird), so kann dieser Fluidbedarf sinnvoll durch drei Pumphübe erzeugt werden, nämlich durch die Sequenz 100 % - 0 % - 5 % (105 % pro drei Pumphübe = 35 % im Mittel).
Würde nun die 5 %-Ansteuerung des "letzten" Zylinders dazu führen, dass die maximale Leistung der elektronischen Steuerung 14 überschritten wird, so wird der letzte Pumpzyklus ausgesetzt, so dass sich die Sequenz 100 % - 0 % - 0 % ergibt. Dadurch ergibt sich ein Fehlerwert von 5 % (nach den drei Pumphüben).
Dieser Fehlerwert wird gespeichert und mit der Fluidanforderung "verrech- net". Wenn die Fluidanforderung bei 35 % verbleibt, so ist nun eine Pumpleistung von 36,67 % (1 10 % bei drei Zyklen) zu erbringen, um die vorangegangene Unterdeckung auszugleichen. Dies kann nun durch die Pumpsequenz 100 % - 0 % - 10 % umgesetzt werden. Die dadurch entstandene Pumpsequenz 100 % - 0 % - 0 % - 100 % - 0 % - 10 % entspricht nun dem angeforderten Durchschnittswert von 35 %.
In Fig. 3 ist schließlich noch ein schematisches Flussdiagramm 20 dargestellt, welches ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrisch kommutierten Hydraulikpumpe 1 näher erläutert.
Im ersten Schritt 21 wird der Fluidbedarf eingelesen. Im nächsten Schritt wird der eingelesene Fluidbedarf unter Berücksichtigung eines Fehlerparameters modifiziert (Schritt 22). Der Fehlerparameter beschreibt, inwieweit "in der Vergangenheit" vom angeforderten Fluidbedarf abgewichen werden musste. Durch den Schritt 22 wird daher (wenn auch gegebenenfalls über etwas län- gere Zeiträume hinweg) im Mittel der tatsächlich angeforderte Fluidbedarf zur Verfügung gestellt.
Basierend auf dem in Schritt 22 modifizierten Fluidbedarf wird eine Ansteu- ersequenz für die elektrisch ansteuerbaren Ventile errechnet (Schritt 23). Bei der Berechnung der Ansteuersequenz wird auch der erforderliche elektrische Leistungsbedarf berücksichtigt. Dementsprechend kann es vorkommen, dass eine hinsichtlich des Fluidbedarfs an sich erwünschte Ansteuersequenz nicht realisiert werden kann, da dies zu einer Überschreitung der maximalen elektrischen Leistung führen würde.
Mit der derart gewonnenen Ansteuersequenz werden die Ventile angesteuert (Schritt 24). Parallel hierzu wird in Schritt 23 der Fehlerparameter, der die Abweichung zwischen tatsächlich gepumpter Fluidmenge und angeforderter Fluidmenge beschreibt - soweit erforderlich - modifiziert.
Nachdem die Ansteuersequenz an die Ventile geleitet wurde, springt das Verfahren (Pfeil 25) an den Anfang zurück. Auch wenn sich das Ausführungsbeispiel auf eine Hydraulikpumpe bezieht, so ist es selbstverständlich möglich, dass die dort beschriebene Idee auch für einen Hydraulikmotor bzw. für eine Kombination aus Hydraulikpumpe und Hydraulikmotor eingesetzt wird.
Bezugszeichenliste:
1 . Elektrisch kommutierte Hydraulikpumpe
2. Zylinder
3. Zylinder
4. Kolben
5. Unterseite
6. Exzenter
7. Drehachse
8. Obere Seite
9. Pumpkammer
10. Hydraulikleitung
1 1 . Elektrisch ansteuerbares Ventil
12. Rückschlagventil
13. Hydraulikölreservoir
14. Elektronische Steuerung
15. Speicher
16. Drehwinkel
17. Zylindernummer
18. Unterer Totpunkt
19. Oberer Totpunkt
20. Flussdiagramm
21 . Fluidbedarf einlesen
22. Modifikation Fluidbedarf
23. Berechnung Ansteuersequenz
24. Ansteuerung Ventil
25. Rücksprung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Verfahren (20) zur Ansteuerung einer Fluidarbeitsmaschine (1 ), wobei die Fluidarbeitsmaschine (1 ) zumindest eine Arbeitskammer (9) mit einem zyklisch variierenden Volumen, eine Hochdruckfluidverbindung, eine Niederdruckfluidverbindung, zumindest ein elektrisch ansteuerbares Ventil (1 1 ) zur ansteuerbaren Verbindung der Hochdruckfluidverbindung und/oder der Niederdruckfluidverbindung mit der Arbeitskammer (9) aufweist, wobei die Ansteuerung des zumindest einen elektrisch ansteuerbaren Ventils (1 1 ) in Abhängigkeit von dem Fluid- bedarf und/oder dem mechanischen Leistungsbedarf erfolgt (21 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des zumindest einen elektrisch ansteuerbaren Ventils (1 1 ) zumindest zeitweise zusätzlich in Abhängigkeit von der für die Ansteuerung des zumindest einen elektrisch ansteuerbaren Ventils erforderlichen elektrischen Leistung erfolgt (23).
2. Verfahren (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine obere elektrische Leistungsgrenze berücksichtigt wird (23), insbesondere zumindest eine weiche elektrische Leistungsgrenze und/oder zumindest eine harte elektrische Leistungsgrenze.
3. Verfahren (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine obere elektrische Leistungsgrenze zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise durch zumindest einen Teil zumindest einer Steuervorrichtung (14) definiert ist und/oder zumin- dest zeitweise und/oder zumindest teilweise durch die im System verfügbare elektrische Leistung definiert ist.
4. Verfahren (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von elektrisch ansteuerbaren Ventilen (1 1 ) angesteuert wird, und die elektrisch ansteuerbaren Ventile (1 1 ) insbesondere unterschiedlichen Arbeitskammern (9) zugeordnet sind, wobei die Arbeitskammern (9) bevorzugt phasenversetzt zueinander angeordnet sind und/oder eine Mehrzahl parallel arbeitender Arbeitskammern (9) vorgesehen ist.
5. Verfahren (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Ventilansteuerungsmus- ters (23) unter Verwendung einer Puffervariable erfolgt (22).
6. Verfahren (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Extrapolationsalgorithmus für den Wert der Puffervariable und/oder für den Wert des zu erwartenden Fluidbedarfs und/oder für den Wert des zu erwartenden mechanischen Leistungsbedarfs verwendet wird.
7. Verfahren (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Differenz zwischen Fluidbedarf und/oder mechanischem Leistungsbedarf und der nach Anwendung der Modifikation hinsichtlich des elektrischen Leistungsbedarfs tatsächlich zur Verfügung gestellten Fluidmenge bzw. der tatsächlich zur Verfügung gestellten mechanischen Leistung ermittelt wird (23) und insbesondere in einer Fehlervariable gespeichert wird.
8. Verfahren (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei Überschreiten eines bestimmten Werts der Fehlervariable besondere Korrekturverfahren, wie ins- besondere das Zulassen ansonsten unzulässiger Teilpumpmengen, genutzt werden.
9. Verfahren (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an unterschiedlichen Ventilan- steuerungsmustern vorab berechnet und gespeichert wird.
10. Steuervorrichtung (14), welche derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie zumindest zeitweise ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt.
1 1 . Steuervorrichtung (14) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch zumindest eine elektronische Speichereinrichtung (15), eine programmierbare Datenverarbeitungseinrichtung, ein Halbleiterleistungsbauteil und/oder eine Temporärenergiespeichereinrichtung.
12. Fluidarbeitsmaschine (1 ), insbesondere elektrisch kommutierte Flu- idarbeitsmaschine, welche derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass sie zumindest teilweise ein Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführt und/oder gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (14) nach Anspruch 10 oder 1 1 .
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