EP3228865A1

EP3228865A1 - Verfahren zur kompensation von zyklischen störungen beim betrieb einer pumpe sowie regelungseinheit

Info

Publication number: EP3228865A1
Application number: EP17162316.8A
Authority: EP
Inventors: Christian König; Kersten Mitte; Torsten Noack
Original assignee: Jenaer Antriebstechnik GmbH
Current assignee: Jenaer Antriebstechnik GmbH
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2037-03-22
Also published as: PL3228865T3; EP3228865B1; DE102016106483B4; DE102016106483A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Kompensation von zyklischen Störungen, wobei die zyklischen Störungen beim Betrieb einer durch einen Elektromotor (05) angetriebenen Pumpe (01) auftreten. In einem Verfahrensschritt wird ein Sollwertsignal bereitgestellt. Das Sollsignal dient zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors (05). In einem weiteren Schritt wird das Sollwertsignal zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors (05) verwendet. In einem zur Regelung des Elektromotors (05) verwendeten Signal (10) werden mindestens zwei aufeinanderfolgende Störimpulse detektiert. In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein zu den detektierten Störimpulsen synchrones periodisches Kompensationssignal (08) generiert. Als weiterer Verfahrensschritt wird durch Aufschalten des periodischen Kompensationssignals (08) auf das Sollwertsignal ein kompensierendes Sollwertsignal (12) gebildet. Das kompensierende Sollwertsignal (12) wird nun zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors (05) verwendet. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Regelung für einen Elektromotor (05), welcher eine Pumpe (01) antreibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Kompensation von zyklischen Störungen beim Betrieb einer durch einen Elektromotor angetriebenen Pumpe. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Regelungseinheit für einen eine Pumpe antreibenden Elektromotor.
Pumpen dienen der Förderung inkompressibler Fluide. Für Förderaufgaben werden oft Kolbenpumpen eingesetzt, da sie sehr hohe Drücke erreichen können. Die Bestandteile einer Kolbenpumpe sind u. a. ein Gehäuse mit einem Kolbenraum, Kolben, verschiedenartige Ventile sowie ein Pumpenantrieb. Die Arbeitsweise einer Kolbenpumpe ist durch den Wechsel zwischen dem Ansaugen eines Mediums und dem Ausstoßen desselben Mediums gekennzeichnet. Aufgrund des Pumpenaufbaus kommt es zu Förderunterbrechungen im Pumpenbetrieb an den beiden Umkehrpunkten der Kolbenpumpe. Die Förderunterbrechungen stellen Störungen dar, weshalb sie beseitigt werden sollen, wofür sie ausgeglichen werden bzw. ihnen entgegengewirkt wird.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Kompensation von Förderunterbrechungen bekannt.
In der DE 10 2012 023 902 B3 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Hydraulikeinrichtung beschrieben, bei welchem eine Kompensation einer zyklischen Störung durch Druckregelung und Drehzahlregelung stattfindet. Für diese Regelung sind der Drehwinkel einer Pumpe und/oder Servomotors sowie ein Druckistwert notwendig. Eine Bestimmung der Systemmodellparameter erfolgt hierbei über Modellanalyse.
Aus der DE 10 2013 216 342 A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung einer drehzahlvariablen Fluidpumpe mit einem Soll-Drehzahlsignal bekannt. Der Druck wird in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung des Lagers der Pumpenwelle bestimmt. Ein Kompensationssignal wird entsprechend der Druckstörung ermittelt und auf einen Drehzahlsollwert aufaddiert.
In der DE 697 29 772 T2 ist ein Verfahren zur zumindest teilweisen Kompensation von Störungen bei Kolbenpumpen beschrieben. Die Kompensation erfolgt durch Berechnung einer Druckkurve unter Verwendung des abgefragten Drucks. Des Weiteren wird die Rotationsstellung eines Motors erfasst.
Aus der DE 10 2008 061 828 A1 ist eine hydrostatische Axialkolbenpumpe bekannt. Die Kompensation einer auftretenden Störung erfolgt mechanisch, wobei eine durch einen Aktor erzeugte oszillierende Bewegung eine Drehbewegung der Antriebswelle überlagert.
In der DE 10 2011 121 837 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer drehzahlvariablen Pumpe beschrieben, bei welchem eine teilweise Kompensierung einer auftretenden Störung erfolgt. Zur Kompensation ist eine Vorsteuerung realisiert, wobei eine Antriebseinrichtung mit einem vorgegebenen Drehzahlverlauf gesteuert wird. Zur Steuerung wird ein Lageistwert bestimmt.
Die WO 2014/206339 A1 und die WO 2014/206340 A1 lehren Verfahren für VFD-basierte Pumpen und entsprechende Regelungssysteme. Ein die Pumpe antreibender Elektromotor wird durch einen VFD bzw. durch einen Frequenzumrichter geregelt. Das Regelungssystem umfasst ein Anti-Welligkeits-Einspeisungsmodul zum Einspeisen eines Anti-Welligkeitssignals in einen Steuerungspfad. Das Anti-Welligkeits-Einspeisungsmodul erzeugt ein Strom-Anti-Welligkeitssignal bzw. ein Geschwindigkeits-Anti-Welligkeitssignal. Durch das Anti-Welligkeitssignal sollen Druckschwankungen am Pumpenausgang zumindest teilweise aufgehoben werden.
Zur Störungsermittlung und zur zumindest teilweisen Störungskompensation benötigen die bekannten Verfahren einen Druckistwert und/oder einen Drehzahlistwert der Pumpe. Um Druckwerte zu bestimmen, sind Drucksensoren erforderlich. Teilweise erfolgt die Erzeugung des Kompensationssignals über umfangreiche Algorithmen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher ausgehend vom Stand der Technik darin, den zur Störungskompensation notwendigen Aufwand bei einer durch einen Elektromotor angetriebenen Pumpe zu verringern.
Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Regelungseinheit gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 15 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Kompensation von zyklischen Störungen, welche beim Betrieb einer durch einen Elektromotor angetriebenen Pumpe auftreten. Die zumindest partielle Kompensation erfolgt als eine Vorsteuerung in einem Regelkreis, wobei erfindungsgemäß ein Kompensationssignal aufgeschaltet wird.
Die Pumpe umfasst bevorzugt zwei oder mehr Kolben. Bevorzugt ist die Pumpe als eine Mehrkolbenpumpe ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Pumpe als eine Zweikolbenpumpe ausgebildet. Die zyklischen Störungen beim Betrieb der Pumpe treten an aufbaubedingten Kolbenumkehrpunkten zwischen einer ersten ein Fluid ansaugenden Phase und einer weiteren das Fluid fördernden bzw. ausstoßenden Phase auf. Genauso treten die zyklischen Störungen zwischen der fördernder Phase und der ansaugenden Phase auf. Somit gibt es je Zyklus zwei der Kolbenumkehrpunkte mit jeweils einer Störung, sodass die Störungen zyklisch sind. Diese sind als eine Laständerung während des Pumpenbetriebs in einem zur Regelung des Elektromotors verwendeten Signal ersichtlich. Die zyklischen Störungen werden auch als Pulsation bezeichnet. Die Kolben arbeiten synchron und/oder zeitversetzt zueinander. Bei zeitversetzt arbeitenden Kolben erfolgt eine partielle Kompensation der zyklischen Störungen.
Der Elektromotor ist bevorzugt als ein Servomotor ausgebildet. Auch andere Motorenarten können zur Anwendung kommen. Der Elektromotor treibt die Pumpe an und ist dementsprechend eine Komponente eines Pumpenantriebs.
Zur gezielten Regelung des Elektromotors wird der Regelkreis konstruiert. Erfindungsgemäß umfasst der Regelkreis die Vorsteuerung. Die erfindungsgemäße Vorsteuerung dient der zumindest partiellen Kompensation der zyklischen Störungen, die beim Pumpenbetrieb auftreten.
Ein Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Sollwertsignal bereitgestellt wird. Das Sollwertsignal, welches noch keine zusätzliche Vorsteuerung aufweist, d. h. noch nicht kompensieren soll, wird zunächst zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors verwendet, sodass in dieser anfänglichen Phase noch keine Kompensation der zyklischen Störungen erfolgt.
Ein weiterer Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Detektion von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Störimpulsen in einem zur Regelung des Elektromotors verwendeten Signal erfolgt. In dem zur Regelung des Elektromotors verwendeten Signal sind die zyklischen Störungen in Form von Signalausschlägen, Signalspitzen, Signaleinbrüchen bzw. Signalsprüngen abgebildet. Bevorzugt erfolgt die Detektion der Störimpulse unter Verwendung eines vorbestimmten Schwellwertes. Die Signalwerte des zur Regelung des Elektromotors verwendeten Signals werden anhand ihrer zeitlichen Abfolge fortlaufend mit dem Schwellwert verglichen. Liegt der jeweils betrachtete Signalwert oberhalb bzw. unterhalb des Schwellwertes, wird der Signalwert als Störimpuls detektiert. Der Schwellwert ist variabel festlegbar; bevorzugt unter Beachtung der Amplitude des zur Regelung des Elektromotors verwendeten Signals. Der Schwellwert ist bevorzugt dynamisch berechenbar.
Gemäß einem weiteren Verfahrensschritt wird ein periodisches Kompensationssignal generiert und mit den mindestens zwei detektierten Störimpulsen synchronisiert. Das Kompensationssignal umfasst bevorzugt eine Folge von Impulsen, wobei jeweils zwei aufeinanderfolgende der Impulse den gleichen zeitlichen Abstand wie die beiden detektierten Störimpulse aufweisen. Insoweit stellt das Kompensationssignal in Bezug auf die Zeit eine periodische Fortsetzung der mindestens zwei detektierten Störimpulse dar.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird das periodische Kompensationssignal auf das Sollwertsignal aufgeschaltet und somit ein kompensierendes Sollwertsignal erzeugt. Demzufolge wird die Vorsteuerung aus dem periodischen Kompensationssignal gemeinsam mit dem Sollwertsignal gebildet.
Das kompensierende Sollwertsignal wird anschließend zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors im Regelkreis verwendet, sodass ab diesem Zeitpunkt eine Kompensation der Störimpulse erfolgt. Durch Anwendung des kompensierenden Sollwertsignals werden die zyklischen Störungen ganz oder zumindest teilweise kompensiert und sind in dem zur Regelung des Elektromotors verwendeten Signal nicht mehr oder kaum noch vorhanden. Das Kompensationssignal wird somit zeitlich zum Störsignal vorgesteuert, um die Wirkung der Störung vor deren Auftreten zu eliminieren.
Das zur Regelung der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors verwendete Signal ist durch ein Stromsollwertsignal oder durch ein Stromistwertsignal eines inneren Regelkreises zur Regelung eines im Elektromotor fließenden Stromes gebildet. Das Stromsollwertsignal stellt eine fortlaufende Reihe von Stromsollwerten dar. Das Stromistwertsignal stellt eine fortlaufende Reihe von Stromistwerten dar.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass ein zur Regelung des Elektromotors ohnehin ermitteltes Signal auch zur Erzeugung des Kompensationssignals verwendet wird. Ein Drucksignal, welches durch eine Reihe von Druckistwerten oder Drucksollwerten gebildet wird, ist nicht notwendig. Somit wird kein Drucksensor zum Erfassen des von der Pumpe erzeugten Drucks benötigt.
Das Sollwertsignal wird zur Regelung der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors verwendet. Die Messgröße des Regelkreises zur Regelung der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors wird bevorzugt durch die Winkelgeschwindigkeit bzw. eine Drehzahl des Elektromotors gebildet. Bekanntermaßen ist die Winkelgeschwindigkeit aus der Drehzahl umrechenbar und umgekehrt. Die Winkelgeschwindigkeit wird mittels eines Winkelgeschwindigkeitssensors oder eines Lagegebers bzw. die Drehzahl mittels eines Drehzahlsensors gemessen.
Das Kompensationssignal wird bevorzugt als eine Folge von zeitlich beabstandeten Impulsen gebildet. Die Impulse werden jeweils während des Auftretens der zyklischen Störung generiert, wobei die Impulse zum Ausgleich von mechanischen Verzögerungen jeweils mit einer Vorhaltezeitdauer vor dem Auftreten der jeweiligen zyklischen Störung beginnen können.
Die Generierung des Kompensationssignals umfasst bevorzugt mehrere Teilschritte. In einem Teilschritt werden zeitlich äquidistante Inkremente fortlaufend mittels z. B. eines Kodierers bzw. Encoders generiert. In einem weiteren Teilschritt werden die zwischen den detektierten Störimpulsen auftretenden Inkremente gezählt und somit der zeitliche Abstand zwischen den Störimpulsen bestimmt. Demzufolge können nachfolgende Störimpulse anhand der Inkrementanzahl vorausgesagt werden. Gemäß einem weiteren Teilschritt wird immer dann, wenn die Anzahl der zwischenzeitlich aufgetretenen gezählten Inkremente der Anzahl der zwischen den detektierten Störimpulsen gezählten Inkremente gleicht, jeweils einer der Impulse des periodischen Kompensationssignals generiert. Im zeitlichen Verlauf wird eine Impulsfolge des Kompensationssignals erzeugt, sodass die aufeinanderfolgenden Impulse genauso wie die detektierten Störimpulse zeitlich beabstandet sind.
Die Impulse des periodischen Kompensationssignals werden in verschiedenen Ausführungsformen erzeugt. Bevorzugt sind die Impulse jeweils rechteckförmig ausgebildet. Alternativ bevorzugt sind die Impulse trapez-, dreieck-, sinus-, sprung- oder sägezahnförmig ausgebildet.
Die Detektion der mindestens zwei Störimpulse und die nachfolgende Bestimmung der Impulse des Kompensationssignals stellt eine Synchronisation des Kompensationssignals dar. Bevorzugt endet die Detektion nach dem Detektieren der zwei Störimpulse, was als Abschalten der Synchronisation, d. h. als Beenden der zeitlichen Phase der Synchronisation angesehen werden kann. Somit werden genau zwei Störimpulse detektiert. Entsprechend wird nach Ermittlung der Inkrementanzahl bis zum nächsten Störimpuls die Synchronisation abgeschaltet, da alle weiteren Störimpulse, d. h. die Zeitpunkte aller weiteren Störimpulse vorausgesagt werden. Außerdem treten nach der Kompensation die zuvor detektierten zyklischen Störungen nicht mehr auf. In einer weiteren Ausführungsform wird die Detektion von Störimpulsen auch während des Generierens der Impulse des Kompensationssignals fortgesetzt, um beispielsweise anderweitige Störungen zu ermitteln und nachfolgend zu kompensieren.
In einer besonderen Ausführungsform wird das zur Regelung des Elektromotors verwendete Signal, insbesondere das Stromsollwertsignal bzw. das Stromistwertsignal in einem vorab durchzuführenden Teilschritt gefiltert, um Rauschanteile oder Gleichanteile zu entfernen. Bevorzugt erfolgt die Rauschanteilunterdrückung mit einem Tiefpassfilter bzw. die Gleichanteilunterdrückung mit einem Hochpassfilter.
Ein vorab durchführbarer Teilschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht in einer Ausführungsform vor, dass eine zeitliche Ableitung des Stromsollwertsignals bzw. des Stromistwertsignals gebildet wird, um die Störimpulse in der zeitlichen Ableitung des Stromsollwertsignals bzw. des Stromistwertsignals leichter detektieren zu können.
Das Kompensationssignal, insbesondere die Impulse des Kompensationssignals stellen einen Vorsteuerwert bzw. ein Vorsteuersignal dar. Bevorzugt entspricht der Vorsteuerwert einer Geschwindigkeitsänderung bzw. einem Geschwindigkeitsoffset. In einem bevorzugt durchzuführenden Schritt wird die detektierte Störung ausgemessen und ausgehend davon wird die Form der Impulse des Kompensationssignals ausgewählt. Auf diese Weise werden bevorzugt die Breite und Amplitude der Impulse festgelegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Form der Impulse des Kompensationssignals mit einem Signalformgenerator generiert. Besonders bevorzugt ist der Signalformgenerator ein Rampengenerator. Alternativ besonders bevorzugt ist der Signalformgenerator ein Sinusgenerator.
Das Kompensationssignal ist für die zyklischen Störungen gleichbleibend, solang die Komponenten des Pumpenantriebs, beispielsweise der Elektromotors, nicht geändert bzw. ausgetauscht werden. Bei der Änderung der Komponenten der Pumpenantriebs müssen die Verfahrensschritte zur Generierung des Kompensationssignals erneut durchgeführt werden.
Bei Mehrkolbenpumpen treten die zyklischen Störungen als sinusförmige und/oder impulsförmige Störungen auf. Impulsförmige Störungen im Signal sind beispielsweise auf mechanische Mängel zurückzuführen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die zumindest partielle Kompensation der impulsförmigen Störungen möglich. Somit können beispielsweise Deformationen einer Welle oder auch Betriebsstörungen wie plötzliche Förderunterbrechungen ermittelt und es kann entsprechend reagiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auch die sinusförmigen Störungen kompensiert. Hierfür wird in einem weiteren Schritt das zur Regelung des Elektromotors verwendete Signal, d. h. insbesondere das Stromsollwertsignal bzw. das Stromistwertsignal transformiert, um sinusförmige Anteile der Störungen in diesem Signal durch Minimierung eines Gleichanteiles im transformierten Signal zu kompensieren. Diese Transformation ist bevorzugt durch die Park-Transformation gebildet. Nachdem der Gleichanteil minimiert wurde, erfolgt bevorzugt eine Rücktransformation. Das rücktransformierte Signal wird als Vorsteuerung zusätzlich zum Sollwertsignal mit aufgeschaltet. Für die Transformation und die Rücktransformation wird bevorzugt eine Winkelposition des Elektromotors verwendet, bei welcher es sich um einen Lageistwert handelt. Die Winkelposition wird mit einem Winkelsensor oder bevorzugt mit einem auch zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit verwendeten Sensor gemessen. Je nach Frequenz der zyklischen Störungen muss die Frequenz der Winkelposition angepasst werden. Das zur Regelung des Elektromotors verwendete rücktransformierte Signal entspricht dem periodischen Kompensationssignal, welches gemeinsam mit dem Sollwertsignal die Vorsteuerung bildet.
Die erfindungsgemäße Regelungseinheit dient der Regelung eines Elektromotors, welcher eine Pumpe antreibt.
Die Regelungseinheit ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert, sodass die zyklischen Störungen beim Betrieb der durch den Elektromotor angetriebenen Pumpe kompensiert werden. Die Regelungseinheit ist bevorzugt zur Ausführung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Im Übrigen weist die Regelungseinheit bevorzugt auch solche Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angegeben sind.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1:: ein Blockschaltbild einer Pumpeneinheit mit einer erfindungsgemäßen Regelungseinheit;
Fig. 2:: ein Blockschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Regelungseinheit;
Fig. 3:: eine feldorientierte Regelung, wie sie in der in Fig. 2 gezeigten Regelungseinheit zur Anwendung kommt;
Fig. 4:: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß erzeugten Kompensationssignals;
Fig. 5:: weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäß erzeugten Kompensationssignals;
Fig. 6:: drei Diagramme mit jeweils einem Signal in aufeinanderfolgenden Teilschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 7:: drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 8:: drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 9:: drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 10:: ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Regelungseinheit;
Fig. 11:: ein Blockschaltbild einer alternativ bevorzugten Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Regelungseinheit; und
Fig. 12:: ein Blockschaltbild einer weiteren alternativ bevorzugten Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Regelungseinheit.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Pumpeneinheit mit einer Pumpe 01 und einer erfindungsgemäßen Regelungseinheit 03 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Die Pumpe 01 dient der Förderung eines Fluids und weist zwei Kolben auf. Die Pumpe 01 weist je Pumpenzyklus zwei Kolbenumkehrpunkte auf, die im Förderungsverlauf durch zyklische Störungen ersichtlich sind. Die Pumpe 01 wird durch einen Elektromotor 05 angetrieben. Der Elektromotor 05 wird durch die erfindungsgemäße Regelungseinheit 03 geregelt. Die Regelungseinheit 03 benötigt Stromwerte und Gebersignale des Elektromotors 05 zur Regelung des Elektromotors 05. Die Regelungseinheit 03 steht in Verbindung mit einem Rechner in Form eines PC. Die erfindungsgemäße Regelungseinheit 03 erlaubt eine Kompensation der zyklischen Störungen beim Betrieb der durch den Elektromotor 05 angetriebenen Pumpe 01.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Regelungseinheit 03. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorsteuerung 07 im Regelkreis der Regelungseinheit 03 durchgeführt. Die Vorsteuerung 07 umfasst Verfahrensschritte zur Bestimmung eines Kompensationssignals 08. Es wird ein Drehzahlsollwertsignal 09, welches aus einer zeitlichen Folge von Drehzahlwerten besteht, durch eine übergeordnete Steuerung bereitgestellt. Von dem Drehzahlsollwertsignal 09 wird ein Drehzahlistwertsignal 11 subtrahiert. Das Drehzahlistwertsignal 11 wird mittels eines Drehzahlsensors (nicht gezeigt) am Elektromotor 05 gemessen. Das resultierende Signal wird zu einem Drehzahlregler geführt, beispielsweise einem PI-Regler, und zur Regelung des Elektromotors 05 verwendet. Zur Störungskompensation wird das den Elektromotor 05 regelnde Stromsignal 10 über die Vorsteuerung 07 geführt. Das den Elektromotor 05 regelnde Stromsignal 10 ist störungsbehaftet. Das Stromsignal 10 ist bei der gezeigten Ausführungsform ein Sollwertsignal. Das Stromsignal 10 wird gefiltert, um Rauschanteile im Stromsignal 10 zu entfernen, wozu ein Filter 13 zur Anwendung kommt. Das Filter 13 ist beispielsweise ein PT1-Glied. Zur Kompensation der zyklischen Störungen wird das Kompensationssignal 08 anhand der Störungen des Stromsignals 10 ermittelt. Zur Ermittlung werden mindestens zwei aufeinanderfolgende Störimpulse des Stromsignals 10 detektiert und das periodische Kompensationssignal 08 synchron dazu generiert. Das Kompensationssignal 08 wird anschließend auf das Drehzahlsollwertsignal 09 aufgeschaltet. Dadurch entsteht ein kompensierendes Drehzahlsollsignal 12, welches zur Regelung der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors 05 verwendet wird. Das kompensierende Drehzahlsollsignal 12 wird weiterhin über einen einen Stromregler, einen Umrichter und einen elektrischen Teil des Elektromotors umfassenden inneren Stromregelkreis zum Elektromotor 05 geführt, wobei der mechanische Teil des Elektromotors die Pumpe 01 antreibt.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer feldorientierten Regelung, wie sie in der in Fig. 2 gezeigten Regelungseinheit 03 zur Anwendung kommt. Der Motor ist durch eine dreiphasige permanenterregte Synchronmaschine gebildet. Insofern eine zweiphasige permanenterregte Synchronmaschine als Motor verwendet wird, werden der 2/3-Wandler und der 3/2-Wandler nicht benötigt. Das bereits in Fig. 2 gezeigte durch das Stromsollwertsignal gebildete Stromsignal 10 und das von diesem abgezogene Stromistwertsignal gleichen dem Stromsollwertsignal i_q,soll und dem Stromistwertsignal i_q,ist in Fig. 3. Bei dem Stromsollwertsignal i_q,soll und dem Stromistwertsignal i_q,ist handelt es sich um Gleichgrößen.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäß ermittelten Kompensationssignals 08. In dem Diagramm ist die x-Achse als Zeitachse gegenüber der y-Achse, welche die Amplitude des Signals abbildet, aufgeführt. Das Kompensationssignal 08 besteht aus periodisch auftretenden Impulsen, welche im Diagramm abgebildet sind. Die Impulse sind zeitlich beabstandet, wiederkehrend und weisen eine dreieckige Form auf. Die Zeit wird in Inkrementen [Ink] gemessen, die fortlaufend generiert und gezählt werden.
Fig. 5 zeigt weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kompensationssignals 08. Abweichend von der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind im Diagramm weitere bevorzugte Formen des Kompensationssignals 08 dargestellt. Die weiteren bevorzugten Formen sind rechteckig und trapezförmig.
Fig. 6 zeigt drei Diagramme mit jeweils einem Signal in einem Teilschritt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Teilschritte aufeinander folgen. In dem oberen Diagramm der Fig. 6 ist die zeitliche Abfolge des Stromsignals 12, welches in Fig. 2 beschrieben ist, aufgetragen. Im abgebildeten Stromsignal 12 sind zwei Störimpulse 15 erkennbar. Wie in Fig. 2 beschrieben, wird das Stromsignal 12 zur Rauschunterdrückung gefiltert. Das gefilterte Stromsignal ist im mittleren Diagramm der Fig. 6 aufgetragen, wobei die zwei Störimpulse 15 deutlicher erkennbar sind. Als nächster bevorzugter Teilschritt wird eine Ableitung des gefilterten Stromsignals gebildet. Die Ableitung des gefilterten Stromsignals ist in dem unteren Diagramm der Fig. 6 aufgetragen. Auch in dem unteren Diagramm der Fig. 6 sind die zwei Störimpulse 15 noch deutlicher erkennbar.
Fig. 7 zeigt drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten gemäß bevorzugter Ausführungsformen, wobei die Teilschritte aufeinander folgen. Wie in Fig. 2 beschrieben werden die Störimpulse 15 im Stromsignal detektiert. Die Detektion erfolgt mittels eines vorbestimmten Schwellwertes. Im oberen Diagramm der Fig. 7 ist einer der detektierten Störimpulse 15 dargestellt, nachdem er in eine synchrone Impulsfolge umgewandelt wurde. Im mittleren Diagramm der Fig. 7 ist die Ableitung des Abschnittes des verwendeten gefilterten Stromsignals, in welchem der Störimpuls 15 detektiert wurde, gezeigt. Im unteren Diagramm der Fig. 7 ist ein zu dem detektierten Störimpuls 15 synchronisiertes Encodersignal aufgetragen. Als weiterer Teilschritt wird ein bevorzugt sägezahnförmiges synchronisiertes Signal generiert (gezeigt in Fig. 9). Das Signal bildet den Zeitraum der Position eines Störimpulses 15 zur Position des nachfolgenden Störimpulses 15 ab. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Inkremente bis zum nächsten der Störimpulse 15 gezählt. Somit sind die nachfolgenden Störimpulse 15 im Voraus berechenbar. Eine erneute Störungsdetektion mittels Schwellwert ist nicht erforderlich.
Fig. 8 zeigt drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das abgeleitete resultierende Stromsignal ist im unteren Diagramm der Fig. 8 dargestellt. Zu dem in Fig. 7 gezeigten Störimpuls 15 wird ein geschwindigkeitsbeeinflussender Vorsteuerwert bzw. ein Geschwindigkeitsoffset für das Kompensationssignal 08 (gezeigt in Fig. 2) generiert und synchronisiert. Bevorzugt erfolgt die Synchronisierung des Geschwindigkeitsoffsets anhand des Encodersignals. Die Form des Geschwindigkeitsoffsets wird durch die Breite und Amplitude der Störung vorgegeben. Das mittlere Diagramm der Fig. 8 zeigt den Geschwindigkeitsoffset. Im oberen Diagramm der Fig. 8 ist das Drehzahlsollwertsignal ohne Kompensation dargestellt.
Fig. 9 zeigt drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im mittleren Diagramm der Fig. 9 ist der in Fig. 9 beschriebene Geschwindigkeitsoffset dargestellt. Der Geschwindigkeitsoffset wird über einen Signalformgenerator geführt, um das Vorsteuerdrehzahlsollsignal, d. h. das kompensierende Drehzahlsollsignal 12 (gezeigt in Fig. 2), zu generieren. Das Vorsteuerdrehzahlsollsignal ist im oberen Diagramm der Fig. 9 abgebildet. Das Vorsteuerdrehzahlsollsignal umfasst das Kompensationssignal 08 (gezeigt in Fig. 2) und das Drehzahlsollwertsignal. Das Vorsteuerdrehzahlsollsignal gibt eine Geschwindigkeit bzw. Drehzahl zur Kompensation der zyklischen Störungen vor. Im unteren Diagramm der Fig. 9 ist das gefilterte Stromsignal nach der Kompensation gezeigt.
Erfindungsgemäß sind die detektierten Störimpulse 15 (gezeigt in Fig. 6) kompensiert.
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungseinheit 03. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform. Abweichend von der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist das den Elektromotor 05 regelnde Stromsignal 10, welches über die Vorsteuerung 07 der Regelungseinheit 03 geführt wird, ein Sollstromsignal oder alternativ bevorzugt ein Iststromsignal.
Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungseinheit 03. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 2 und der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsformen. Abweichend von der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform ist das Stromsignal 10 ein Iststromsignal. Die in Fig. 11 dargestellte Ausführungsform erlaubt die Kompensation von sinusförmigen Störungen. Abweichend zu der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform umfasst die Regelungseinheit 03 der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform die Ermittlung und Verwendung eines Lagesignals in der Vorsteuerung. Das Lagesignal wird bevorzugt durch ein Lageistwertsignal gebildet. Das Lageistwertsignal wird durch eine zeitlich abhängige Winkelposition des Elektromotors 05 gebildet. Es erfolgt eine Transformation, bevorzugt eine Park-Transformation. Unter Verwendung der Park-Transformation und des Lageistwertsignals erfolgt eine negative Vektordrehung des Iststromwertsignals. Anschließend erfolgt eine Tiefpassfilterung mit dem Filter 13 und der in Fig. 2 beschriebene Schritt der Kompensationssignalbildung. Das erzeugte Kompensationssignal wird der Park-Rücktransformation, unter wiederholter Verwendung des Lageistwertsignals, mit diesmal positiver Vektordrehung unterzogen.
Fig. 12 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungseinheit 03. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform. Die in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform erlaubt ebenso die Kompensation von sinusförmigen Störungen. Unter Verwendung des Stromistwertsignals erfolgt abweichend zu der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform eine Hochpassfilterung mit dem Filter 13. Abweichend zu der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform erfolgt keine Transformation, sodass auch eine Ermittlung des Lagesignals nicht erforderlich ist.

Bezugszeichenliste

01: Pumpe
02: -
03: Regelungseinheit
04: -
05: Elektromotor
06: -
07: Vorsteuerung
08: Kompensationssignal
09: Drehzahlsollwertsignal
10: Stromsignal
11: Drehzahlistwertsignal
12: kompensierendes Drehzahlsollsignal
13: Filter
14: -
15: Störimpuls
16: -
17: Geschwindigkeitsoffset

Claims

Verfahren zur Kompensation von zyklischen Störungen beim Betrieb einer durch einen Elektromotor (05) angetriebenen Pumpe (01), folgende Schritte umfassend:
- Bereitstellen eines Sollwertsignals zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors (05);

- Verwenden des Sollwertsignals zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors (05);

- Detektieren von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Störimpulsen (15) in einem zur Regelung des Elektromotors (05) verwendeten Signal (10), welches durch ein Stromsollwertsignal oder durch ein Stromistwertsignal eines inneren Regelkreises zur Regelung eines im Elektromotor (05) fließenden Stromes gebildet ist;

- Generieren eines zu den detektierten Störimpulsen (15) synchronen periodischen Kompensationssignals (08);

- Bilden eines kompensierenden Sollwertsignals (12) durch Aufschalten des periodischen Kompensationssignals (08) auf das Sollwertsignal, sodass das periodische Kompensationssignal (08) gemeinsam mit dem Sollwertsignal zum Vorsteuern verwendet wird; und

- Verwenden des kompensierenden Sollwertsignals (12) zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors (05).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zyklischen Störungen an Kolbenumkehrpunkten zwischen einer ersten ein Fluid ansaugenden Phase und einer weiteren das Fluid ausstoßenden Phase und zwischen der ausstoßenden Phase und der ansaugenden Phase der als eine Zweikolbenpumpe ausgebildeten Pumpe auftreten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zyklischen Störungen durch Signalausschläge, Signalspitzen, Signaleinbrüchen und/oder Signalsprünge gebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren der mindestens zwei aufeinanderfolgenden Störimpulse (15) ein Filtern des zur Regelung des Elektromotors (05) verwendeten Signals (10) zum Entfernen von Rauschanteilen und/oder eines Gleichanteiles umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der Störimpulse (15) in dem zur Regelung des Elektromotors (05) verwendeten Signal (10) unter Verwendung eines vorbestimmten Schwellwertes erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Kompensationssignal (08) in Bezug auf die Zeit eine periodische Fortsetzung der mindestens zwei detektierten Störimpulse (15) darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Kompensationssignal (08) als eine Folge von zeitlich beabstandeten Impulsen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulse zum Ausgleich von mechanischen Verzögerungen jeweils mit einer Vorhaltezeitdauer vor dem Auftreten der jeweiligen zyklischen Störung beginnen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Generierung des periodischen Kompensationssignals (08) folgende Teilschritte umfasst:
- fortlaufendes Generieren von Inkrementen;

- Bestimmen eines zeitlichen Abstandes der detektierten Störimpulse (15) durch Zählen der zwischen den detektierten Störimpulsen (15) aufgetretenen Inkremente; und

- Generieren jeweils eines der mehreren Impulse des periodischen Kompensationssignals (08), wenn die Anzahl der zwischenzeitlich aufgetretenen Inkremente der Anzahl der zwischen den detektierten Störimpulsen (15) gezählten Inkremente gleicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die generierten Impulse des periodischen Kompensationssignals (08) trapezförmig, rechteckförmig, dreieckförmig oder sägezahnförmig sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die generierten Impulse des periodischen Kompensationssignals (08) als ein Vorsteuersignal verwendet werden, welches einer Geschwindigkeitsänderung oder einem Geschwindigkeitsoffset entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt das zur Regelung des Elektromotors (05) verwendete Signal (10) transformiert wird, um sinusförmige Anteile der Störungen in dem zur Regelung des Elektromotors (05) verwendeten Signal (10) durch Minimierung eines Gleichanteiles zu kompensieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei der aufeinanderfolgenden Störimpulse (15) detektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Generieren des periodischen Kompensationssignals (08) kein Drucksignal verwendet wird.
Regelungseinheit für einen eine Pumpe (01) antreibenden Elektromotor (05), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 konfiguriert ist.