EP4253754A1 - Verfahren zum betreiben einer drehzahlvariablen pumpe - Google Patents
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- EP4253754A1 EP4253754A1 EP23164373.5A EP23164373A EP4253754A1 EP 4253754 A1 EP4253754 A1 EP 4253754A1 EP 23164373 A EP23164373 A EP 23164373A EP 4253754 A1 EP4253754 A1 EP 4253754A1
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Definitions
- the present invention relates to a method for operating a variable-speed variable pump, in which a conveyor mechanism that can be adjusted in a displacement volume per working cycle is driven by means of a variable-speed drive, and to an electro-hydraulic system.
- Pumps on which the invention is based have a conveyor mechanism with a variable displacement volume per working cycle (so-called hydraulic displacement machine, e.g. axial piston machine), which is driven by a variable speed drive.
- hydraulic displacement machine e.g. axial piston machine
- the volume flow and/or the delivery pressure are usually regulated by appropriately adjusting the displacement volume of the conveyor and the speed, i.e. such pumps have two degrees of freedom in the control.
- the invention is concerned with the operation of a variable-speed variable pump, in particular an axial piston pump with, for example, proportional adjustment, in which a conveyor mechanism that can be adjusted in a displacement volume per working cycle is driven by means of a variable-speed drive, such as an electric motor.
- a so-called swivel plate can be provided in such a variable pump.
- load torque in particular load pressure or differential pressure
- an appropriate setpoint for the displacement volume is generated to limit the drive torque.
- the invention thus creates a decoupling of the drive torque of the drive from the load pressure of the driven conveyor by adjusting the displacement volume with the aim of optimal engine utilization.
- the current or drive torque of electric drives is usually thermally limited and depends on the duration of the load.
- hydrostatic motor-pump units often have to provide high load pressures over a relatively long period of time.
- a suitable adjustment of the displacement volume decouples pressure and drive torque.
- the invention prevents the drive from being overloaded.
- the displacement volume is specified so that it can always be applied by the electric drive.
- the invention is particularly applicable to pumps that are equipped with an adjusting device for specifically influencing their displacement volume based on control specifications. In particular, two operating states, static and dynamic, with different displacement volume specifications can be distinguished
- the dependence on the operating state is expediently taken into account by a dependence on a temporal change in the load torque on the variable-speed variable pump. This is an easy-to-implement option for characterizing the operating state.
- the load torque and the peak drive torque of the drive become a first manipulated variable in accordance with a first filter function with a time delay, in particular a PDT1 function, and the load torque and the continuous drive torque of the drive in accordance with a second filter function with a time delay, in particular a PDT1 function, a second manipulated variable is determined, the setpoint for the parameter determining the displacement volume per working cycle being specified based on the smaller of the first and second manipulated variables.
- the first filter function preferably has a smaller time delay than the second filter function, preferably zero.
- the setpoint for the parameter determining the displacement volume per working cycle is specified such that the drive torque of the variable-speed drive is greater than the continuous drive torque and corresponds at most to the peak drive torque of the drive.
- the displacement volume is controlled or regulated in such a way that dynamic operating states are realized using the corner power or peak power of the electric drive.
- the setpoint for the parameter determining the displacement volume per working cycle is specified such that the drive torque of the variable-speed drive corresponds at most to the peak drive torque of the drive for a permissible overload time. This means that peak performance can be maintained for as long as possible. It can additionally be provided to adapt the overload time using a determined (in particular measured (e.g. using a temperature sensor) or estimated) thermal drive utilization. This means that thermal damage to the drive can be avoided.
- the setpoint for the parameter determining the displacement volume per working cycle is specified so that the drive torque of the variable-speed drive corresponds at most to the continuous drive torque of the drive. This ensures long-term or continuous operation; Stationary operating states are achieved using the nominal power of the electric drive.
- a computing unit for example a control and/or regulating unit for a variable-speed variable pump with a variable-speed drive, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
- the invention furthermore relates to an electro-hydraulic drive system such as an electro-hydraulic axle comprising a variable-speed variable pump with a variable-speed drive and a computing unit according to the invention.
- an electro-hydraulic drive system such as an electro-hydraulic axle comprising a variable-speed variable pump with a variable-speed drive and a computing unit according to the invention.
- Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
- FIG. 1 an electro-hydraulic system 100, as may be the basis for the invention, is shown schematically.
- the electrohydraulic system 100 has an actuator designed as a hydraulic cylinder 110 with a piston 111 movable along an x-axis, which is actuated by a variable-speed variable pump 120.
- a hydraulic circuit 130 with, for example, oil as a medium or operating medium is arranged between the variable-speed variable pump 120 and the hydraulic cylinder 110.
- the variable-speed variable pump 120 has a variable-speed drive designed as an electric motor 121 and a conveyor mechanism 122 and is designed, for example, as an axial piston pump in a swashplate design.
- a variable-speed drive designed as an electric motor 121 and a conveyor mechanism 122 and is designed, for example, as an axial piston pump in a swashplate design.
- a control and/or regulating unit 140 is set up in terms of programming to carry out a preferred embodiment of a method according to the invention.
- it has several modules 141, 142, 143, here a control module 141, a speed control module 142 and a displacement volume control module 143.
- a control module 141 a control module 141
- a speed control module 142 a speed control module 142
- a displacement volume control module 143 is often designed, for example, as an analog swivel angle controller.
- a speed setpoint n target and an actual speed value n ist are supplied to the speed control module 142, from which a setpoint M An for a drive torque is determined according to conventional regulation or control methods, for example using P and/or I and/or D transfer functions.
- the speed setpoint can, for example, be a controlled specification from a user or control value of a higher-level pressure/force/position/speed controller for the hydraulic circuit or the output machine (e.g. cylinder or hydraulic motor).
- the displacement volume control module 143 is supplied with a displacement volume setpoint V PU,soll and an actual displacement volume value V PU,ist , from which a manipulated variable for the conveyor system is determined using conventional methods.
- the control module 141 receives the pressure values p 1 , p 2 and the (setpoint or actual) value M An (in electrical machines, the time constant is significantly shorter compared to hydraulics, so that the setpoint and actual value are always viewed as the same when viewed in this way can be supplied for the drive torque, from which the setpoint for the displacement volume is determined.
- the drive torque can preferably be used here in order to take into account a portion of the friction in the total torque (which is present in addition to the external load, which is not negligible). As shown below, it is particularly taken into account in the form of additional load pressure.
- Hydrostatic pumps provide a volume flow that is essentially proportional to the product of the speed and the pump size characterized by the displacement volume. The flow occurs from one work connection to the other depending on the direction of rotation. If different pressures p 1 , p 2 prevail at the working connections, a drive machine must provide a corresponding torque. The required torque is proportional to the product of the pressure difference and the pump size characterized by the displacement volume.
- the area of application of the motor-pump unit can be significantly expanded compared to a system with a constant pump, in that a high volume flow can be provided at low load pressures, while the drive motor cannot be used at high load pressures is overloaded.
- the present invention takes into account both the limitation of the continuous torque M 0 and the peak torque M max and allows the time-limited utilization of the maximum power of the drive motor/converter.
- a speed approximately generates (minus leakage volume flows) a volume flow according to:
- Q Pu v Pu , Is ⁇ n
- J MoPu ⁇ ⁇ ⁇ M at ⁇ M L , p ⁇ M R , total
- J MoPu is the moment of inertia of the unit
- ⁇ is the rotational angular acceleration
- M R,ges is the total frictional moment on the engine.
- Equation 5a An alternative form can be given for Equation 5a if the relative quantity ⁇ is introduced for the relative displacement volume. This results in the requirement: ⁇ Should , Great ⁇ 2 ⁇ ⁇ v Pu , Max ⁇ M at , Max p 1 ⁇ p 2 + p ⁇ R , total , s c H ä tz which, depending on the load pressure, adjusts the pump in such a way that the peak torque of the motor is not exceeded by the output torque.
- a setpoint for the (relative) displacement volume can be derived, which ensures compliance with the (lower) continuous torque M an,0 of the drive motor: ⁇ Should , Length of time ⁇ 2 ⁇ ⁇ v Pu , Max ⁇ M at , 0 p 1 ⁇ p 2 + p ⁇ R , total , s c H ä tz
- the values from Eq. 5b and 6 resulting setpoint values for the swivel angle are advantageously filtered in order to influence them over time in such a way that the engine utilization is suitably optimized.
- the correction values designated K redM ⁇ take into account the fact that the torque limit values in a real drive system can deviate from the nominal values.
- a filter or a filter function g ( M an,max , ⁇ p , ⁇ ) can be designed in such a way that a dynamic delay of the adjusting device is compensated for in order to implement the limitation to the maximum torque without delay and thus the functionality even in the event of dynamic load changes to guarantee.
- a PDT1 transfer function can advantageously be used as a filter function.
- a filter or a filter function f (M an,0 , ⁇ p, ⁇ ) can be technically advantageously designed in such a way that as the load increases, the reduction in the displacement volume is delayed in a defined time in order to be able to optimally use the peak power of the drive. However, when the load drops, the displacement volume is adjusted back with as little delay as possible in order to be able to achieve a high volume flow for load reduction.
- a PDT1 transfer function can advantageously be used as a filter function.
- a change in the displacement volume is expediently taken into account in the speed specification n target.
- the product of speed and displacement is proportional to the requested or necessary volume flow.
- the difference between the pressure values p 1 and p 2 is first formed and fed to an amount formation 201.
- the amount 202 of the estimated additional pressure difference p ⁇ p ⁇ R,tot,estimate is added to form the total relevant differential pressure ⁇ p.
- This is offset in a division element 203 or 204 with the maximum drive torque M an,max or the continuous drive torque M an,0 and then in a Elements 205, 206 are offset against the mentioned correction values and the maximum volume in order to obtain the relational volume control values.
- the resulting output values or manipulated variables ⁇ S, peak and ⁇ S, duration are fed to a minimum value element 209, which selects the respective smaller displacement volume as the actual manipulated variable ⁇ target .
- T Stell corresponds to the parameter of a simplified model of the dynamics of the pump adjustment.
- T maximum torque is the time for which the drive should be able to generate its peak torque. This is to be seen as an essential operating parameter of the adjustment strategy presented and must be smaller than the actual time after which the drive reaches its thermal overload. Furthermore, e is Euler's number.
- the estimate of the frictional torque can be adapted to the current operating conditions using a suitable estimator.
- a possible device would be an integral controller for the static engine torque or other estimating devices that are common in control technology, such as observers.
- the effective limit value for the continuous torque can be adapted to the existing operating conditions using the measured or estimated thermal drive utilization by adapting the correction factor K redM0 .
- the permitted overload time T Maxmoment which is used in the signal filter, can be adapted to the existing operating conditions.
- the pressure difference 301 on the conveyor and a drive torque 302 on the electric drive are plotted in exemplary units against the time t, also in exemplary units.
- the pressure difference and thus the load is increased from 0 to approximately 100%.
- the displacement volume in percent is plotted against time t for different control variables. These include ⁇ should, duration, stat 303, ⁇ should , peak, dyn 304, ⁇ should, duration, dyn 305, ⁇ should , peak, stat 306. Furthermore, the actual swivel angle ⁇ lst 307 resulting from an exemplary actuating dynamic is plotted .
- the two conditions for the limitation to the maximum torque or the continuous torque result in the two static swivel angle setpoints ⁇ target, duration, stat 303 and ⁇ target, peak, stat 306 with the increasing pressure difference shown.
- the minimum value element 209 supplies the control device 143 for the swivel angle with the smaller value of ⁇ target, duration, dyn 305 and ⁇ target, peak, dyn 304 at the respective time as the valid target value.
- the filter 207 for the peak torque limitation compensates for the actuating dynamics of the control device 143 so that the actual value ⁇ is 307 exactly follows the static setpoint ⁇ setpoint, peak, stat 306, so that the peak torque is not exceeded despite the limited control dynamics of the swivel angle controller.
- the filter 208 for the permanent torque limitation is designed with a direction-dependent signal component, so that when the load torque increases, the effective setpoint ⁇ target, duration, dyn 305 lags behind the filter input ⁇ target , duration, stat 303 by the desired time-limited maximum load of the electric drive machine to be able to use it, while when the load torque is reduced, the effective setpoint ⁇ target, duration, dyn 305 leads the filter input ⁇ target, duration, stat 303.
- the filter 208 for the continuous torque limitation compensates for the control dynamics of the control device 143 so that the actual value ⁇ lst 307 exactly follows the static setpoint ⁇ target, duration, stat 303, so that when the load decreases
- the full performance of the motor-pump unit is available without delay and in compliance with the torque limitation despite the limited control dynamics of the swivel angle controller.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer drehzahlvariablen Verstellpumpe, bei der ein in einem Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel verstellbares Förderwerk mittels eines drehzahlvariablen Antriebs angetrieben wird, sowie ein elektrohydraulisches System.
- Der Erfindung zugrundeliegende Pumpen weisen ein Förderwerk mit variablem Verdrängungsvolumen pro Arbeitsspiel (sog. hydraulische Verdrängermaschine, z.B. Axialkolbenmaschine) auf, welches mittels eines Antriebs mit variabler Drehzahl angetrieben wird. Beim Betrieb solcher Pumpen werden üblicherweise der Volumenstrom und/oder der Förderdruck (d.h. Druckdifferenz zwischen Zulauf und Ablauf) durch entsprechende Anpassung des Verdrängungsvolumens des Förderwerks und der Drehzahl geregelt, d.h. solche Pumpen besitzen zwei Freiheitsgrade bei der Regelung.
- Aus der
EP 2 192 309 B1 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem eine solche Pumpe betrieben wird, indem ein Druck bzw. eine Druckmittelmenge durch Ansteuern der Volumeneinstellung der Pumpe geregelt wird. Dabei wird eine Drehzahlabweichung des Antriebs berücksichtigt. - Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und ein elektrohydraulisches System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
- Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Betreiben einer drehzahlvariablen Verstellpumpe wie insbesondere einer Axialkolbenpumpe mit z.B. Proportionalverstellung, bei der ein in einem Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel verstellbares Förderwerk mittels eines drehzahlvariablen Antriebs wie z.B. eines Elektromotors angetrieben wird. Zur Verstellung des Förderwerks kann bei einer solchen Verstellpumpe z.B. eine sog. Schwenkscheibe vorgesehen sein. Auf Basis des Lastmoments (insbesondere Lastdruck bzw. Differenzdruck) an der Pumpe sowie Lastkennwerten des Antriebsmotors (z.B. Spitzen- und Dauerantriebsmoment, max. Überlastzeit (=Dauer des max. Moments)) wird zur Begrenzung des Antriebsmoments ein zielführender Sollwert für das Verdrängungsvolumen generiert. So schafft die Erfindung eine Entkopplung des Antriebsmoments des Antriebs vom Lastdruck des angetriebenen Förderwerks durch Einstellung des Verdrängungsvolumens mit dem Ziel einer optimalen Motorauslastung.
- Der Strom bzw. das Antriebsmoment elektrischer Antriebe ist zumeist thermisch begrenzt und abhängig von der Belastungsdauer. Hydrostatische Motor-Pumpen-Einheiten müssen aber oftmals hohe Lastdrücke über relativ lange Zeit zur Verfügung stellen. Eine geeignete Verstellung des Verdrängungsvolumens entkoppelt hier Druck und Antriebsmoment. Die Erfindung verhindert eine Überlastung des Antriebs. Im Rahmen der Erfindung wird das Verdrängungsvolumen so vorgegeben, dass es stets durch den elektrischen Antrieb aufgebracht werden kann. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei Pumpen, die mit einer Verstelleinrichtung zur gezielten Beeinflussung ihres Verdrängungsvolumens aufgrund steuerungstechnischer Vorgaben ausgestattet sind. Insbesondere können zwei Betriebszustände, statisch und dynamisch, mit unterschiedlichen Vorgaben des Verdrängungsvolumens unterschieden werden
- Zweckmäßigerweise wird die Abhängigkeit von dem Betriebszustand durch eine Abhängigkeit von einer zeitlichen Veränderung des Lastmoments an der drehzahlvariablen Verstellpumpe berücksichtigt. Hierbei handelt es sich um eine einfach umzusetzende Möglichkeit, den Betriebszustand zu charakterisieren.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden wird aus dem Lastmoment und dem Spitzen-Antriebsmoment des Antriebs nach Maßgabe einer ersten Filterfunktion mit zeitlicher Verzögerung, insbesondere einer PDT1-Funktion, eine erste Stellgröße, und aus dem Lastmoment und dem Dauer-Antriebsmoment des Antriebs nach Maßgabe einer zweiten Filterfunktion mit zeitlicher Verzögerung, insbesondere einer PDT1-Funktion, eine zweite Stellgröße bestimmt, wobei der Sollwert für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße anhand der kleineren der ersten und zweiten Stellgröße vorgegeben wird. Damit lässt sich eine Betriebszustands- bzw. Lastgradientenabhängigkeit mit einem vorgebbaren zeitlichen Verlauf implementieren, insbesondere so, dass quasi automatisch ein rechtzeitiger Wechsel von dem Spitzen-Antriebsmoment auf das Dauer-Antriebsmoment stattfindet, bevor der Motor beschädigt wird. Dazu hat vorzugsweise die erste Filterfunktion eine geringere zeitliche Verzögerung als die zweite Filterfunktion, vorzugsweise null.
- Vorzugsweise wird in einem dynamischen Betriebszustand der Sollwert für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so vorgegeben, dass das Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs größer ist als das Dauerantriebsmoment und höchstens dem Spitzen-Antriebsmoment des Antriebs entspricht. Auf diese Weise erfolgt die Steuerung bzw. Regelung des Verdrängungsvolumens so, dass dynamische Betriebszustände unter Ausnutzung der Eckleistung bzw. Spitzenleistung des elektrischen Antriebs realisiert werden.
- Insbesondere wird in dem dynamischen Betriebszustand der Sollwert für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so vorgegeben, dass das Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs höchstens für eine zulässige Überlastzeit höchstens dem Spitzen-Antriebsmoment des Antriebs entspricht. Damit kann die Spitzenleistung so lange wie möglich abgerufen werden. Es kann zusätzlich vorgesehen sein, die Überlastzeit unter Verwendung einer ermittelten (insbesondere gemessen (z.B. mittels eines Temperaturfühlers) bzw. geschätzten) thermischen Antriebsauslastung anzupassen. Somit kann eine thermische Schädigung des Antriebs vermieden werden.
- Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem statischen Betriebszustand der Sollwert für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so vorgegeben, dass das Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs höchstens dem Dauer-Antriebsmoment des Antriebs entspricht. Damit kann ein Langzeit- bzw. Dauerbetrieb sichergestellt werden; stationäre Betriebszustände werden unter Ausnutzung der Nennleistung des elektrischen Antriebs realisiert.
- Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. eine Steuer- und/oder Regeleinheit für eine drehzahlvariable Verstellpumpe mit drehzahlvariablem Antrieb, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
- Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein elektrohydraulisches Antriebssystem wie z.B. eine elektrohydraulische Achse umfassend eine drehzahlvariable Verstellpumpe mit einem drehzahlvariablen Antrieb sowie eine erfindungsgemäße Recheneinheit.
- Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
- Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
- Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figur 1 zeigt einen Schaltplan eines hydraulischen Systems, einen Antriebsmotor und eine Steuerung mit einer Einrichtung zur Einstellung der Drehzahl und ein Förderwerk mit einer Einrichtung zur Einstellung des Fördervolumens umfasst. -
Figur 2 zeigt einen Signalflussplan eines Steuerschemas gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. -
Figur 3 zeigt beispielhafte Verläufe von Betriebsgrößen Druck, Antriebsmoment und Fördervolumen bei Anwendung eines Steuerschemas gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. - In
Figur 1 ist ein elektrohydraulisches System 100, wie es der Erfindung zugrunde liegen kann, schematisch dargestellt. Das elektrohydraulische System 100 weist einen als Hydraulikzylinder 110 mit einem entlang einer x-Achse beweglichen Kolben 111 ausgebildeten Aktor auf, der von einer drehzahlvariablen Verstellpumpe 120 betätigt wird. Zwischen der drehzahlvariablen Verstellpumpe 120 und dem Hydraulikzylinder 110 ist ein Hydraulikkreislauf 130 mit z.B. Öl als Medium bzw. Betriebsmedium angeordnet. - Die drehzahlvariable Verstellpumpe 120 weist einen als Elektromotor 121 ausgebildeten drehzahlvariablen Antrieb und ein Förderwerk 122 auf und ist beispielsweise als Axialkolbenpumpe in Schwenkscheibenbauweise ausgebildet. Durch Verstellung des Winkels der Schwenkscheibe, also des sog. Schwenkwinkels, kann das Verdrängungsvolumen des Förderwerks je Arbeitsspiel verändert werden.
- Eine Steuer- und/oder Regeleinheit 140 ist programmtechnisch zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Im gezeigten Beispiel weist sie mehrere Module 141, 142, 143 auf, hier ein Steuermodul 141, ein Drehzahlregelmodul 142 und ein Verdrängungsvolumenregelmodul 143. Es sei jedoch klargestellt, dass die einzelnen Module nicht in einer Einheit verbaut und auch nicht programmtechnisch realisiert sein müssen. Insbesondere ein Verdrängungsvolumenregelmodul 143 ist häufig beispielsweise als analoger Schwenkwinkelregler ausgeführt.
- Dem Drehzahlregelmodul 142 werden ein Drehzahlsollwert nsoll und ein Drehzahlistwert nist zugeführt, woraus nach üblichen Regel-oder Steuerverfahren z.B. unter Verwendung von P- und/oder I- und/oder D-Übertragungsfunktionen ein Sollwert MAn für ein Antriebsdrehmoment bestimmt wird. Der Drehzahlsollwert kann z.B. als gesteuerte Vorgabe von einem Benutzer oder Stellwert eines überlagerten Druck-/Kraft-/Lage-/Geschwindigkeitsreglers für den Hydraulikkreis oder die Abtriebsmaschine (z.B. Zylinder oder Hydraulikmotor) stammen.
- Dem Verdrängungsvolumenregelmodul 143 werden ein Verdrängungsvolumensollwert VPU,soll und ein Verdrängungsvolumenistwert VPU,ist zugeführt, woraus nach üblichen Verfahren eine Stellgröße für das Förderwerk bestimmt wird.
- Zum Erfassen des Drucks p1, p2 vor und hinter dem Förderwerk sind vorliegend zwei Drucksensoren vorgesehen.
- Dem Steuermodul 141 werden die Druckwerte p1, p2 und der (Soll- oder Ist-)Wert MAn (bei elektrischen Maschinen ist die Zeitkonstante im Vergleich zur Hydraulik deutlich kürzer, so dass bei dieser Betrachtung Soll- und Istwert immer als gleich angesehen werden können für das Antriebsdrehmoment zugeführt, woraus der Sollwert für das Verdrängungsvolumen bestimmt wird. Das Antriebsmoment kann hier vorzugsweise herangezogen werden, um einen (zusätzlich zur äußeren Last vorhandenen, nicht vernachlässigbaren) Anteil der Reibung am Gesamtmoment zu berücksichtigen. Wie unten dargestellt, wird er insbesondere in Form eines zusätzlichen Lastdrucks berücksichtigt.
- Hydrostatische Pumpen stellen einen Volumenstrom zur Verfügung, der im Wesentlichen dem Produkt von Drehzahl und der durch das Verdrängungsvolumen gekennzeichneten Pumpenbaugröße proportional ist. Dabei erfolgt der Durchfluss abhängig von der Drehrichtung von einem Arbeitsanschluss zum anderen. Herrschen an den Arbeitsanschlüssen verschiedene Drücke p1, p2, so muss eine Antriebsmaschine ein entsprechendes Moment zur Verfügung stellen. Das notwendige Moment ist proportional zum Produkt aus der Druckdifferenz und der durch das Verdrängungsvolumen gekennzeichneten Pumpenbaugröße.
- Durch eine Verstelleinrichtung für das Verdrängungsvolumen der Pumpe und eine geeignete Betriebsstrategie kann der Einsatzbereich der Motor-Pumpen-Einheit gegenüber einem System mit Konstantpumpe wesentlich erweitert werden, indem bei niedrigen Lastdrücken ein hoher Volumenstrom zur Verfügung gestellt werden kann, während bei hohen Lastdrücken der Antriebsmotor nicht überlastet wird. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt sowohl die Begrenzung des Dauerdrehmoments M0 als auch des Spitzendrehmoments Mmax und erlaubt dabei die zeitlich begrenzte Ausnutzung der Maximalleistung des Antriebsmotors / des Umrichters.
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- Hierin ist bereits berücksichtigt, dass Einrichtungen zur Verstellung des Verdrängungsvolumens einer Pumpe (wie z.B. eine Schwenkwinkelverstellung) oftmals ein Sollsignal erwarten, das auf das maximale Verdrängungsvolumen VPU,max bezogen ist, und das tatsächliche Verdrängungsvolumen ebenso als relationale Größe angegeben ist. Die reale (gesamte) Reibung am Triebwerk kann als geschätzte zusätzliche Druckdifferenz p̂R,ges,schätz berücksichtigt werden, die aus dem Antriebsmoment und dem Fördervolumen abgeleitet wird.
- Für Gleichung 5a kann eine alternative Form angegeben werden, wenn für das relative Verdrängungsvolumen die relative Größe α eingeführt wird. Damit ergibt sich die Forderung:
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- Da M an,0 ≤ M an,max ist, würde bei einer direkten Anwendung der Regeln für die Momentenbegrenzung wie in Gl. 5b und 6 formuliert das Verdrängungsvolumen stets soweit reduziert werden, dass das Dauerdrehmoment nicht überschritten wird. Eine Nutzung der Eckleistung des Antriebsmotors würde damit verhindert.
- Zur (kurzzeitigen) Ausnutzung der Maximalleistung des Antriebs werden daher die aus Gl. 5b und 6 resultierenden Sollwerte für den Schwenkwinkel vorteilhaft gefiltert, um sie zeitlich so zu beeinflussen, dass die Motorauslastung geeignet optimiert wird.
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- Darin berücksichtigen die mit KredM∗ bezeichneten Korrekturwerte, dass an einem realen Antriebssystem die Momentengrenzwerte von den Nominalwerten abweichen können.
- Technisch vorteilhaft kann ein Filter bzw. eine Filterfunktion g(M an,max, Δp, ω) so ausgestaltet werden, dass eine dynamische Verzögerung der Verstelleinrichtung kompensiert wird, um die Begrenzung auf das Maximalmoment verzögerungsfrei umzusetzen und damit die Funktionalität auch bei dynamischen Laständerungen zu garantieren. Als Filterfunktion kann vorteilhaft eine PDT1-Übertragungsfunktion verwendet werden.
- Weiterhin kann ein Filter bzw. eine Filterfunktion f(Man,0, Δp, ω) technisch vorteilhaft so ausgestaltet werden, dass bei ansteigender Last die Verkleinerung des Verdrängungsvolumens zeitlich definiert verzögert wird, um die Spitzenleistung des Antriebs optimal nutzen zu können. Bei abfallender Last jedoch erfolgt die Rückverstellung des Verdrängungsvolumens möglichst verzögerungsfrei, um einen hohen Volumenstrom für den Lastabbau realisieren zu können. Als Filterfunktion kann vorteilhaft eine PDT1-Übertragungsfunktion verwendet werden.
- Um insbesondere einen anwendungsbedingten Volumenstrom aufrechtzuerhalten, wird eine Änderung des Verdrängungsvolumens zweckmäßigerweise bei der Drehzahlvorgabe nsoll berücksichtigt. Das Produkt aus Drehzahl und Verdrängungsvolumen ist zum angeforderten bzw. notwendigen Volumenstrom proportional.
- Den Signalflussplan einer bevorzugten Umsetzung eines solchen Filterkonzepts ist in
Figur 2 gezeigt und insgesamt mit 200 bezeichnet. - Eingangsseitig (links) wird zunächst die Differenz der Druckwerte p1 und p2 gebildet und einer Betragsbildung 201 zugeführt. Ebenso wird der Betrag 202 der geschätzten zusätzlichen Druckdifferenz p̂ = p̂R,ges,schätz addiert, um den gesamten maßgeblichen Differenzdruck Δp zu bilden. Dieser wird in einem Divisionsglied 203 bzw. 204 mit dem maximalen Antriebsmoment Man,max bzw. dem Dauerantriebsmoment Man,0 verrechnet und anschließend in einem Glied 205, 206 mit den genannten Korrekturwerten und dem Maximalvolumen verrechnet, um die relationalen Volumenstellwerte zu erhalten.
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- Die sich ergebenden Ausgangwerte bzw. Stellgrößen αS,Spitze und αS,Dauer werden einem Minimalwertglied 209 zugeführt, welches das jeweilige kleinere Verdrängungsvolumen als tatsächliche Stellgröße αSoll auswählt.
- Eine vorteilhafte Parametrierung der Filterparameter lautet wie folgt:
- Vorhaltzeit:
- Verzögerungszeit:
- Vorhaltzeit:
- Verzögerungszeit:
- Darin entspricht TStell dem Parameter eines vereinfachten Modells der Dynamik der Pumpenverstellung. TMaxmoment ist diejenige Zeit, die der Antrieb sein Spitzenmoment aufbringen können soll. Diese ist als wesentlicher Betriebsparameter des vorgestellten Verstellstrategie zu sehen und muss kleiner sein als die tatsächliche Zeit, nach der der Antrieb seine thermische Überlastung erreicht. Weiterhin ist e die Eulersche Zahl.
- Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens kann durch eine geeignete Schätzeinrichtung die Schätzung des Reibmoments auf die aktuellen Betriebsbedingungen angepasst werden. Eine mögliche Einrichtung wäre ein Integralregler für das statische Motormoment oder andere regelungstechnisch übliche Schätzeinrichtungen wie z.B. Beobachter.
- Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens kann unter Verwendung der gemessenen oder geschätzten thermischen Antriebsauslastung über Adaption des Korrekturfaktors KredM0 der effektive Grenzwert für das Dauerdrehmoment an die vorliegenden Betriebsbedingungen angepasst werden. In ähnlicher Art und Weise kann die zugelassene Überlastzeit TMaxmoment, welche im Signalfilter Verwendung findet, an die vorliegenden Betriebsbedingungen abgepasst werden.
- Einen beispielhaften Verlauf von Betriebsgrößen bei Verwendung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in
Figur 3 gezeigt. - Dort sind im oberen Diagramm die Druckdifferenz 301 am Förderwerk sowie ein Antriebsmoment 302 am elektrischen Antrieb in beispielhaften Einheiten gegen die Zeit t ebenfalls in beispielhaften Einheiten aufgetragen. Insbesondere wird dabei ausgehend von einem Zeitpunkt 0 bis zu einem Zeitpunkt ca. 0,85 die Druckdifferenz und damit die Last von 0 bis ca. 100% erhöht.
- Im unteren Diagramm sind das Verdrängungsvolumen in Prozent gegen die Zeit t für unterschiedliche Ansteuergrößen aufgetragen. Diese umfassen αsoll, Dauer, stat 303, αsoll, Spitze, dyn 304, αsoll, Dauer, dyn 305, αsoll, Spitze, stat 306. Weiterhin ist der sich bei einer beispielhaften Stelldynamik ergebende Ist-Schwenkwinkel αlst 307 aufgetragen.
- Die beiden Bedingungen für die Begrenzung auf das Maximalmoment bzw. das Dauermoment ergeben bei der gezeigten ansteigenden Druckdifferenz die beiden statischen Schwenkwinkelsollwerte αSoll,Dauer,stat 303 und αSoll,Spitze,stat 306. Nach Filterung durch die entsprechenden Signalfilter 207 und 208 liegen die für die Schwenkwinkelregelung gültigen Sollwerte αSoll,Dauer,dyn 305 und αSoll,Spitze,dyn 304 vor. Das Minimalwertglied 209 führt der Regeleinrichtung 143 für den Schwenkwinkel den zum jeweiligen Zeitpunkt kleineren Wert von αSoll,Dauer,dyn 305 und αSoll,Spitze,dyn 304 als gültigen Sollwert zu. Bei einer üblichen Ausprägung der Regeleinrichtung 143 für den Schwenkwinkel als Proportionalregler ergibt sich eine zeitliche Verzögerung des Schwenkwinkel-Istwertes gegenüber dem Sollwert, welche beispielhaft durch den Istwertverlauf αlst 307 gezeigt ist.
- Bei einer vorteilhaften Parametrierung der Filterzeiten kompensiert der Filter 207 für die Spitzenmomentenbegrenzung die Stelldynamik der Regeleinrichtung 143 so, dass der Istwert αlst 307 exakt dem statischen Sollwert αSoll,Spitze,stat 306 folgt, so dass das Spitzenmoment trotz begrenzter Stelldynamik des Schwenkwinkelreglers nicht überschritten wird.
- Weiterhin ist der Filter 208 für die Dauermomentenbegrenzung mit einer richtungsabhängigen Signalkomponente ausgestaltet, so dass bei Erhöhung des Lastmoments der wirksame Sollwert αSoll,Dauer,dyn 305 dem Filtereingang αSoll,Dauer,stat 303 nacheilt, um die gewünschte zeitlich begrenzte Maximallast der elektrischen Antriebsmaschine ausnutzen zu können, während bei Erniedrigung des Lastmoments der wirksame Sollwert αSoll,Dauer,dyn 305 dem Filtereingang αSoll,Dauer,stat 303 voreilt. Bei einer vorteilhaften Parametrierung der Filterzeiten, wie oben dargestellt, kompensiert der Filter 208 für die Dauermomentenbegrenzung die Stelldynamik der Regeleinrichtung 143 so, dass der Istwert αlst 307 exakt dem statischen Sollwert αSoll,Dauer,stat 303 folgt, so dass bei sinkender Last die volle Leistungsfähigkeit der Motor-Pumpen-Einheit trotz begrenzter Stelldynamik des Schwenkwinkelreglers ohne Zeitverzug und unter Einhaltung der Drehmomentenbegrenzung zur Verfügung steht.
Claims (18)
- Verfahren zum Betreiben einer drehzahlvariablen Verstellpumpe (120), bei der ein in einem Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel verstellbares Förderwerk (122) mittels eines drehzahlvariablen Antriebs (121), der ein Spitzen-Antriebsmoment (MAn,max) und ein Dauer-Antriebsmoment (MAn,0) hat, angetrieben wird, umfassend: Bestimmen eines Lastmoments (Δp) an der drehzahlvariablen Verstellpumpe (120), in Abhängigkeit von einem Betriebszustand, Vorgeben eines Sollwerts (VPu,Soll) für eine das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße an eine Verstelleinrichtung (143) des Förderwerks so, dass ein Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs (121) entweder mehr als dem Dauer-Antriebsmoment (Man,0) und höchstens dem Spitzen-Antriebsmoment (Man,max) des Antriebs (121), oder höchstens dem Dauer-Antriebsmoment (Man,0) des Antriebs (121) entspricht.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abhängigkeit von dem Betriebszustand durch eine Abhängigkeit von einer zeitlichen Veränderung des Lastmoments (Δp) an der drehzahlvariablen Verstellpumpe (120) berücksichtigt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei aus dem Lastmoment (Δp) und dem Spitzen-Antriebsmoment (MAn,max) des Antriebs (121) nach Maßgabe einer ersten Filterfunktion (207) mit zeitlicher Verzögerung (TP,Spitze) eine erste Stellgröße (αS,Spitze) und aus dem Lastmoment (Δp) und dem Dauer-Antriebsmoment (MAn,0) des Antriebs (121) nach Maßgabe einer zweiten Filterfunktion (208) mit zeitlicher Verzögerung (TP,Dauer) eine zweite Stellgröße (αS,Dauer) bestimmt wird, wobei der Sollwert (VPu,Soll) für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße anhand der kleineren der ersten und zweiten Stellgröße vorgegeben wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Filterfunktion (207) eine geringere zeitliche Verzögerung (TP,Spitze) als die zweite Filterfunktion (208) hat, vorzugsweise null.
- Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die erste Filterfunktion (207) und/oder die die zweite Filterfunktion (208) eine PDT1-Übertragungsfunktion mit einer Vorhaltzeit (TN,Spitze, TN,Dauer) und einer Verzögerungszeit (TP,Spitze, TP,Dauer) sind, wobei die Vorhaltzeit (TN,Spitze, TN,Dauer) insbesondere in Abhängigkeit von einer Stelldynamik der Verstelleinrichtung (143) des Förderwerks vorgegeben wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einem dynamischen Betriebszustand der Sollwert (VPu,Soll) für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so vorgegeben wird, dass das Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs (121) mehr als dem Dauer-Antriebsmoment (MAn,0) des Antriebs (121) und höchstens dem Spitzen-Antriebsmoment des Antriebs (121) entspricht.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei in dem dynamischen Betriebszustand der Sollwert (VPu,Soll) für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so vorgegeben wird, dass das Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs (121) höchstens für eine zulässige Überlastzeit mehr als dem Dauer-Antriebsmoment (MAn,0) des Antriebs (121) und höchstens dem Spitzen-Antriebsmoment des Antriebs (121) entspricht.
- Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Überlastzeit unter Verwendung einer ermittelten thermischen Antriebsauslastung angepasst wird, und vorzugsweise in Rückbezug auf Anspruch 3, wobei die zeitliche Verzögerung (TP,Dauer) der zweiten Filterfunktion (208) in Abhängigkeit von der Überlastzeit vorgegeben wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einem statischen Betriebszustand der Sollwert (VPu,Soll) für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so vorgegeben wird, dass das Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs (121) höchstens dem Dauer-Antriebsmoment des Antriebs (121) entspricht.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Lastmoments an der drehzahlvariablen Verstellpumpe (120) ein Bestimmen einer Druckdifferenz (Δp) zwischen einem Einlass und einem Auslass des Förderwerks (122) umfasst.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Lastmoments an der drehzahlvariablen Verstellpumpe (120) ein Bestimmen einer Reibung als zusätzliche Druckdifferenz (p̂) umfasst.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Spitzen-Antriebsmoment (Man,max) des Antriebs (121) und/oder das Dauer-Antriebsmoment (Man,0) des Antriebs (121) als Produkt mit einem Korrekturfaktor (KredMmax, KredM0 ) berücksichtigt werden.
- Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Korrekturfaktor (KredMmax, KredM0 ) unter Verwendung einer ermittelten thermischen Antriebsauslastung angepasst wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend: Vorgeben eines Sollwerts (nSoll) für die Drehzahl des drehzahlvariablen Antriebs (121) in Abhängigkeit von dem Sollwert (VPu,Soll) oder einem Istwert (VPu,Sst) für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße.
- Recheneinheit (140), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
- Elektrohydraulisches System (100) umfassend eine drehzahlvariable Verstellpumpe (120) mit einem drehzahlvariablen Antrieb (121) und eine Recheneinheit (140) nach Anspruch 15.
- Computerprogramm, das die Recheneinheit (140) des elektrohydraulischen Systems (100) nach Anspruch 16 veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (140) ausgeführt wird.
- Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 17.
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