EP4253754A1 - Method for operating a variable-speed pump - 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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EP
European Patent Office
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drive
variable
torque
speed
peak
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Pending
Application number
EP23164373.5A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Arnold Engber
Ralf Bonefeld
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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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.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer drehzahlvariablen Verstellpumpe (120), bei der ein in einem Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel verstellbares Förderwerk (122) mittels eines drehzahlvariablen Antriebs (121) angetrieben wird, umfassend ein Bestimmen eines Lastmoments an der drehzahlvariablen Verstellpumpe (120), in Abhängigkeit von einem Betriebszustand, ein Vorgeben eines Sollwerts (V<sub>Pu,Soll</sub>) für eine das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so, dass ein Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs (121) höchstens einem Spitzen-Antriebsmoment (M<sub>an,max</sub>) des Antriebs (121) oder einem Dauer-Antriebsmoment (M<sub>an,0</sub>) des Antriebs (121) entspricht.The invention relates to a method for operating a variable-speed variable pump (120), in which a conveyor mechanism (122) which can be adjusted in a displacement volume per working cycle is driven by means of a variable-speed drive (121), comprising determining a load torque on the variable-speed variable pump (120), Depending on an operating state, specifying a setpoint (V<sub>Pu,Soll</sub>) for a parameter determining the displacement volume per working cycle so that a drive torque of the variable-speed drive (121) is at most a peak drive torque (M< sub>an,max</sub>) of the drive (121) or a continuous drive torque (M<sub>an,0</sub>) of the drive (121).

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.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.

Stand der TechnikState of the art

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.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. When operating such pumps, the volume flow and/or the delivery pressure (i.e. pressure difference between inlet and outlet) 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.

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.From the EP 2 192 309 B1 For example, a method is known in which such a pump is operated by regulating a pressure or a quantity of pressure medium by controlling the volume setting of the pump. A speed deviation of the drive is taken into account.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.According to the invention, a method and an electro-hydraulic system with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous refinements are the subject of the subclaims and the following description.

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.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. To adjust the conveyor system, a so-called swivel plate can be provided in such a variable pump. Based on the load torque (in particular load pressure or differential pressure) on the pump as well as load characteristics of the drive motor (e.g. peak and continuous drive torque, max. overload time (=duration of the max. torque)), 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.

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 werdenThe current or drive torque of electric drives is usually thermally limited and depends on the duration of the load. However, 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. Within the scope of the invention, 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

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.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.

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.According to a preferred embodiment, 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. This makes it possible to implement an operating state or load gradient dependency with a predeterminable time course, in particular in such a way that a timely change from the peak drive torque to the continuous drive torque takes place almost automatically before the motor is damaged. For this purpose, the first filter function preferably has a smaller time delay than the second filter function, preferably zero.

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.Preferably, in a dynamic operating state, 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. In this way, 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.

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.In particular, in the dynamic operating state, 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.

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.According to a further advantageous embodiment, in a static operating state, 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.

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.A computing unit according to the invention, 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.

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.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.

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.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for carrying out all method steps is also advantageous because this causes particularly low costs, especially if an executing control device is used for additional tasks and is therefore present anyway. 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.).

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawing.

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.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described in detail below with reference to the drawing.

FigurenbeschreibungCharacter description

  • 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. Figure 1 shows a circuit diagram of a hydraulic system, a drive motor and a controller with a device for adjusting the speed and a conveyor with a device for adjusting the delivery volume.
  • Figur 2 zeigt einen Signalflussplan eines Steuerschemas gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Figure 2 shows a signal flow diagram of a control scheme according to a preferred embodiment of the invention.
  • Figur 3 zeigt beispielhafte Verläufe von Betriebsgrößen Druck, Antriebsmoment und Fördervolumen bei Anwendung eines Steuerschemas gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Figure 3 shows exemplary curves of operating variables pressure, drive torque and delivery volume when using a control scheme according to a preferred embodiment of the invention.
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

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.In Figure 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.

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.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. By adjusting the angle of the swivel plate, i.e. the so-called swivel angle, the displacement volume of the conveyor can be changed per work cycle.

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.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. In the example shown, it has several modules 141, 142, 143, here a control module 141, a speed control module 142 and a displacement volume control module 143. However, it should be made clear that the individual modules do not have to be installed in a unit and do not have to be implemented in a programmatic manner. In particular, a displacement volume control module 143 is often designed, for example, as an analog swivel angle controller.

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.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).

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.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.

Zum Erfassen des Drucks p1, p2 vor und hinter dem Förderwerk sind vorliegend zwei Drucksensoren vorgesehen.In order to detect the pressure p 1 , p 2 in front of and behind the conveyor, two pressure sensors are provided in the present case.

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.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.

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.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.

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.By means of an adjustment device for the displacement volume of the pump and a suitable operating strategy, 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.

Eine Druckdifferenz am Pumpentriebwerk erfordert/erzeugt ein proportionales Moment ML,P an der Pumpenwelle gemäß: M L , p = V Pu , Ist 2 π p 1 p 2

Figure imgb0001
A pressure difference on the pump drive requires/generates a proportional torque M L,P on the pump shaft according to: M L , p = v Pu , Is 2 π p 1 p 2
Figure imgb0001

Eine Drehzahl erzeugt näherungsweise (abzüglich Leckagevolumenströmen) einen Volumenstrom gemäß: Q Pu = V Pu , Ist n

Figure imgb0002
A speed approximately generates (minus leakage volume flows) a volume flow according to: Q Pu = v Pu , Is n
Figure imgb0002

Insgesamt lautet die Momentenbilanz am Triebwerk der Motor-Pumpeneinheit: J MoPu ϕ ¨ = M an M L , p M R , ges

Figure imgb0003
wobei JMoPu das Trägheitsmoment der Einheit ist, ϕ̈ die Drehwinkelbeschleunigung und MR,ges das Gesamt-Reibmoment am Triebwerk.Overall, the torque balance on the engine of the motor-pump unit is: J MoPu ϕ ¨ = M at M L , p M R , total
Figure imgb0003
where J MoPu is the moment of inertia of the unit, ϕ̈ is the rotational angular acceleration and M R,ges is the total frictional moment on the engine.

Bei einer Begrenzung des Motormoments Man auf einen Grenzwert Man,max muss daher als Minimalforderung gelten: M L , p M an , max

Figure imgb0004
um die Kontrolle über die Antriebsdrehzahl zu behalten und ein ungewolltes Absinken derselben zu verhindern.When limiting the engine torque M an to a limit value M an,max, the following must therefore apply as a minimum requirement: M L , p M at , Max
Figure imgb0004
to maintain control over the drive speed and prevent it from dropping unintentionally.

Diese Bedingung kann durch eine geeignete Verstellung des Verdrängungsvolumens wie folgt erfüllt werden: V Pu , Soll , Spitze V Pu , max 2 π V Pu , max M an , max p 1 p 2 + p ^ R , ges , s c h ä tz

Figure imgb0005
This condition can be met by appropriately adjusting the displacement volume as follows: v Pu , Should , Great v Pu , Max 2 π v Pu , Max M at , Max p 1 p 2 + p ^ R , total , s c H ä tz
Figure imgb0005

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 R,ges,schätz berücksichtigt werden, die aus dem Antriebsmoment und dem Fördervolumen abgeleitet wird.This already takes into account that devices for adjusting the displacement volume of a pump (such as a swivel angle adjustment) often expect a target signal, which is related to the maximum displacement volume V PU,max , and the actual displacement volume is also given as a relational size. The real (total) friction on the engine can be taken into account as an estimated additional pressure difference R,tot , which is derived from the drive torque and the delivery volume.

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: α Soll , Spitze 2 π V Pu , max M an , max p 1 p 2 + p ^ R , ges , s c h ä tz

Figure imgb0006
welche in Abhängigkeit vom jeweils anstehenden Lastdruck die Pumpenverstellung so ausführt, dass das Spitzenmoment des Motors nicht durch das Abtriebsmoment überschritten wird.An alternative form can be given for Equation 5a if the relative quantity α is introduced for the relative displacement volume. This results in the requirement: α Should , Great 2 π v Pu , Max M at , Max p 1 p 2 + p ^ R , total , s c H ä tz
Figure imgb0006
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.

In analoger Art und Weise kann ein Sollwert für das (relative) Verdrängungsvolumen abgeleitet werden, der die Einhaltung des (niedrigeren) Dauerdrehmoments M an,0 des Antriebsmotors gewährleistet: α Soll , Dauer 2 π V Pu , max M an , 0 p 1 p 2 + p ^ R , ges , s c h ä tz

Figure imgb0007
In an analogous manner, 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: α Should , Length of time 2 π v Pu , Max M at , 0 p 1 p 2 + p ^ R , total , s c H ä tz
Figure imgb0007

Da M an,0M 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.Since M an,0M an, max , a direct application of the torque limitation rules as in Eq. 5b and 6 formulate the displacement volume must always be reduced to such an extent that the continuous torque is not exceeded. This would prevent the basic power of the drive motor from being used.

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.In order to (short-term) utilize the maximum power of the drive, 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.

Daraus ergibt sich vorteilhaft die Vorschrift für die Vorgabe eines Pumpen-Verdrängungsvolumens zur Momentenbegrenzung in allgemeiner Form: α Soll , Dauer 2 π V Pu , max MIN f K redM 0 M an , 0 p 1 p 2 + p ^ R , ges , s c h ä tz ω g K redMmax M an , max p 1 p 2 + p ^ R , ges , s c h ä tz ω

Figure imgb0008
This advantageously results in the regulation for specifying a pump displacement volume for torque limitation in general form: α Should , Length of time 2 π v Pu , Max MIN f K redM 0 M at , 0 p 1 p 2 + p ^ R , total , s c H ä tz ω G K redMmax M at , Max p 1 p 2 + p ^ R , total , s c H ä tz ω
Figure imgb0008

Darin berücksichtigen die mit KredM bezeichneten Korrekturwerte, dass an einem realen Antriebssystem die Momentengrenzwerte von den Nominalwerten abweichen können.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.

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.Technically advantageously, a filter or a filter function g ( M an,max , Δ p , ω ) 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.

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.Furthermore, a filter or a filter function f (M an,0 , Δ p, ω ) 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.

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.In order to maintain an application-related volume flow in particular, 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.

Den Signalflussplan einer bevorzugten Umsetzung eines solchen Filterkonzepts ist in Figur 2 gezeigt und insgesamt mit 200 bezeichnet.The signal flow plan of a preferred implementation of such a filter concept is in Figure 2 shown and labeled 200 in total.

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 = R,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.On the input side (left), the difference between the pressure values p 1 and p 2 is first formed and fed to an amount formation 201. Likewise, the amount 202 of the estimated additional pressure difference = R,tot,estimate is added to form the total relevant differential pressure Δp. 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.

Diese werden einer Filterfunktion 207, 208 zugeführt, welche insbesondere gemäß der nachfolgenden Gleichung ein PDT,-Übertragungsverhalten darstellt. Die entsprechenden Übertragungsfunktionen lauten: g : G s = T N , Spitze s + 1 T P , Spitze s + 1

Figure imgb0009
f : G s = T N , Dauer s + 1 T P , Dauer s + 1
Figure imgb0010
These are fed to a filter function 207, 208, which represents a PDT transmission behavior in particular according to the following equation. The corresponding transfer functions are: G : G s = T N , Great s + 1 T P , Great s + 1
Figure imgb0009
f : G s = T N , Length of time s + 1 T P , Length of time s + 1
Figure imgb0010

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.The resulting output values or manipulated variables α S, peak and α S, duration are fed to a minimum value element 209, which selects the respective smaller displacement volume as the actual manipulated variable α target .

Eine vorteilhafte Parametrierung der Filterparameter lautet wie folgt:

  • Vorhaltzeit: T N , Spitze = T Stell
    Figure imgb0011
  • Verzögerungszeit: T P , Spitze = 0
    Figure imgb0012
  • Vorhaltzeit: T N , Dauer = T Maxmoment 1 1 e SGN ˙ S , Dauer , stat
    Figure imgb0013
  • Verzögerungszeit: T P , Dauer = T Maxmoment 1 1 e
    Figure imgb0014
An advantageous parameterization of the filter parameters is as follows:
  • Lead time: T N , Great = T Place
    Figure imgb0011
  • Delay Time: T P , Great = 0
    Figure imgb0012
  • Lead time: T N , Length of time = T Max moment 1 1 e SGN ˙ S , Length of time , stat
    Figure imgb0013
  • Delay Time: T P , Length of time = T Max moment 1 1 e
    Figure imgb0014

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.Therein 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.

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.To further improve the method, 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.

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.To further improve the method, 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 . In a similar way, the permitted overload time T Maxmoment , which is used in the signal filter, can be adapted to the existing operating conditions.

Einen beispielhaften Verlauf von Betriebsgrößen bei Verwendung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 3 gezeigt.An exemplary course of operating variables when using a preferred embodiment of the invention is shown in Figure 3 shown.

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.There, in the upper diagram, 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. In particular, starting from a time of 0 to a time of approximately 0.85, the pressure difference and thus the load is increased from 0 to approximately 100%.

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.In the diagram below, the displacement volume in percent is plotted against time t for different control variables. These include α should, duration, stat 303, α should , peak, dyn 304, α should, duration, dyn 305, α should , peak, stat 306. Furthermore, the actual swivel angle α lst 307 resulting from an exemplary actuating dynamic is plotted .

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.The two conditions for the limitation to the maximum torque or the continuous torque result in the two static swivel angle setpoints α target, duration, stat 303 and α target, peak, stat 306 with the increasing pressure difference shown. After filtering through the corresponding signal filters 207 and 208, they are The setpoint values α target, duration, dyn 305 and α target, peak, dyn 304 are valid for the swivel angle control. The minimum value element 209 supplies the control device 143 for the swivel angle with the smaller value of α target, duration, dyn 305 and α target, peak, dyn 304 at the respective time as the valid target value. With a usual configuration of the control device 143 for the swivel angle as a proportional controller, there is a time delay of the actual swivel angle value compared to the setpoint, which is shown, for example, by the actual value curve α lst 307.

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.With an advantageous parameterization of the filter times, the filter 207 for the peak torque limitation compensates for the actuating dynamics of the control device 143 so that the actual value α is 307 exactly follows the static setpoint α setpoint, peak, stat 306, so that the peak torque is not exceeded despite the limited control dynamics of the swivel angle controller.

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.Furthermore, 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 α target, duration, dyn 305 lags behind the filter input α 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 α target, duration, dyn 305 leads the filter input α target, duration, stat 303. With an advantageous parameterization of the filter times, as shown above, the filter 208 for the continuous torque limitation compensates for the control dynamics of the control device 143 so that the actual value α lst 307 exactly follows the static setpoint α 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.

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.Method for operating a variable-speed variable pump (120), in which a conveyor mechanism (122) which can be adjusted in a displacement volume per working cycle by means of a variable-speed drive (121) which has a peak drive torque (M An,max ) and a continuous drive torque (M An ,0 ), is driven, comprising: determining a load torque (Δp) on the variable-speed variable pump (120), depending on an operating state, specifying a setpoint (V Pu,Soll ) for a parameter determining the displacement volume per working cycle to an adjusting device (143) of the conveyor so that a drive torque of the variable-speed drive (121) is either more than the continuous drive torque (M an,0 ) and at most the peak drive torque (M an,max ) of the drive (121), or at most the Continuous drive torque (M an,0 ) of the drive (121) corresponds. 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.Method according to claim 1, wherein the dependence on the operating state is taken into account by a dependence on a temporal change in the load torque (Δp) on the variable-speed variable pump (120). 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.Method according to claim 1 or 2, wherein a first manipulated variable is formed from the load torque (Δp) and the peak drive torque (M An,max ) of the drive (121) in accordance with a first filter function (207) with a time delay ( TP,peak ). (α S,peak ) and from the load torque (Δp) and the continuous drive torque (M An,0 ) of the drive (121) in accordance with a second filter function (208) with a time delay ( TP,duration ) a second manipulated variable ( α S,Duration ) is determined, whereby the setpoint (V Pu,Soll ) for the parameter determining the displacement volume per work cycle is specified based on the smaller of the first and second manipulated variables. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Filterfunktion (207) eine geringere zeitliche Verzögerung (TP,Spitze) als die zweite Filterfunktion (208) hat, vorzugsweise null.Method according to claim 3, wherein the first filter function (207) has a smaller time delay ( TP, peak ) than the second filter function (208), preferably zero. 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.Method according to claim 3 or 4, wherein the first filter function (207) and/or the second filter function (208) is a PDT1 transfer function with a lead time (T N, peak , T N, duration ) and a delay time (T P, peak , T P,Duration ), where the lead time (T N, peak , T N, duration ) is specified in particular depending on an actuating dynamic of the adjusting device (143) of the conveyor system. 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.Method according to one of the preceding claims, wherein in a dynamic operating state the setpoint (V Pu,Soll ) for the parameter determining the displacement volume per working cycle is specified such that the drive torque of the variable-speed drive (121) is more than the continuous drive torque (M An .0 ) of the drive (121) and at most corresponds to the peak drive torque of the drive (121). 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.Method according to claim 6, wherein in the dynamic operating state the setpoint (V Pu,Soll ) for the parameter determining the displacement volume per working cycle is specified such that the drive torque of the variable-speed drive (121) is more than the continuous drive torque for a maximum of a permissible overload time (M An,0 ) of the drive (121) and at most corresponds to the peak drive torque of the drive (121). 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.Method according to claim 7, wherein the overload time is adjusted using a determined thermal drive load, and preferably with reference to claim 3, wherein the time delay ( TP, duration ) of the second filter function (208) is predetermined as a function of the overload time. 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.Method according to one of the preceding claims, wherein in a static operating state the setpoint (V Pu,Soll ) for the parameter determining the displacement volume per working cycle is specified such that the drive torque of the variable-speed drive (121) is at most the continuous drive torque of the drive (121 ) corresponds. 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.Method according to one of the preceding claims, wherein determining the load torque on the variable-speed variable pump (120) comprises determining a pressure difference (Δp) between an inlet and an outlet of the conveyor (122). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Lastmoments an der drehzahlvariablen Verstellpumpe (120) ein Bestimmen einer Reibung als zusätzliche Druckdifferenz () umfasst.Method according to one of the preceding claims, wherein determining the load torque on the variable speed variable pump (120) comprises determining a friction as an additional pressure difference ( ). 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.Method according to one of the preceding claims, wherein the peak drive torque (M an,max ) of the drive (121) and / or the continuous drive torque (M an,0 ) of the drive (121) as a product with a correction factor ( K redMmax , K redM0 ) are taken into account. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Korrekturfaktor (KredMmax, KredM0 ) unter Verwendung einer ermittelten thermischen Antriebsauslastung angepasst wird.Method according to claim 12, wherein the correction factor ( K redMmax , K redM0 ) is adjusted using a determined thermal drive utilization. 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.Method according to one of the preceding claims, additionally comprising: specifying a target value (n Soll ) for the speed of the variable-speed drive (121) depending on the target value (V Pu,Soll ) or an actual value (V Pu,Sst ) for the displacement volume determining parameter for each work cycle. Recheneinheit (140), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.Computing unit (140), which is set up to carry out a method according to one of the preceding claims. Elektrohydraulisches System (100) umfassend eine drehzahlvariable Verstellpumpe (120) mit einem drehzahlvariablen Antrieb (121) und eine Recheneinheit (140) nach Anspruch 15.Electro-hydraulic system (100) comprising a variable-speed variable pump (120) with a variable-speed drive (121) and a computing unit (140) according to claim 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.Computer program which causes the computing unit (140) of the electro-hydraulic system (100) according to claim 16 to carry out a method according to one of claims 1 to 15 when it is executed on the computing unit (140). Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 17.Machine-readable storage medium with a computer program stored thereon according to claim 17.
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