WO2019025478A1

WO2019025478A1 - Verfahren zur regelung des ausgangsdrucks eines hydraulikantriebsystems, verwendung des verfahrens und hydraulikantriebsystem

Info

Publication number: WO2019025478A1
Application number: PCT/EP2018/070833
Authority: WO
Inventors: Bert Brahmer
Original assignee: Voith Patent Gmbh
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2019-02-07
Also published as: DE112018003927A5; CN110959071A; US11002266B2; DE112018003927B4; DE102017117595A1; US20200166029A1; CN110959071B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Regelung des Ausgangsdrucks (P_OUT) eines Hydraulikantriebsystems (10) unter Verwendung einer Drehzahl (ω) als Stellgröße, wobei das Hydraulikantriebsystem (10) eine Hydraulikpumpe (5) und einen die Hydraulikpumpe (5) antreibenden motorischen Antrieb (4) aufweist, mit den Verfahrensschritten: Ermitteln (101) eines Soll-Drehzahl-Hauptanteils (ω_SET1+2) des motorischen Antriebs (4) als Vorsteuersignal; Ermitteln (102) einer Fehlerdrehzahl (ω_ERR) als Regelabweichung aus einem Vergleich eines Druck-Istwertes (P_FBK) des Hydraulikantriebsystems (10) und einem Druck-Sollwert (P_SET) des Hydraulikantriebsystems (10) und anschließendem Regelverstärker (2); Addieren (103) des ermittelten Soll-Drehzahl-Hauptanteils (ω_SET1+2) zur ermittelten Fehlerdrehzahl (ω_ERR) zum Bilden einer Soll-Drehzahl (ω_SET) als die Stellgröße; und Umsetzen (104) der gebildeten Soll-Drehzahl (ω_SET) in eine Eingangs-Drehzahl (ω_in) des motorischen Antriebs (4) zum Antreiben des Hydraulikantriebsystems (10) mit der umgesetzten Drehzahl (ω_in) zum Erzeugen des geregelten Ausgangsdrucks (P_OUT) des Hydraulikantriebsystems (10) als der Druck-Istwert (P_FBK).

Description

VERFAHREN ZUR REGELUNG DES AUSGANGSDRUCKS EINES

HYDRAULIKANTRIEBSYSTEMS, VERWENDUNG DES VERFAHRENS UND

HYDRAULIKANTRIEBSYSTEM TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Ausgangsdrucks eines Hydraulikantriebsystems, eine Verwendung des Verfahrens sowie ein Hydraulikantrieb System. Die Erfindung wird dabei bevorzugt für Hydraulikantriebsysteme von Zug-Druck-Umform- Vorrichtungen, beispielsweise einer Tiefzieh- Vorrichtung, bevorzugt bei einem aktiv- hydromechanischem Ziehen verwendet.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Ein Hydraulikantrieb System, auch als hydraulischer Antrieb bezeichnet, kann unter Verwendung einer Pumpe und eines drehzahlveränderlichen Antriebs hergestellt werden. Dabei wird der Fluidstrom von bzw. zu einem Aktor, beispielsweise einem Hydrozylinder, nicht durch Schaltoder Stetig- Ventile, sondern direkt durch die verwendete Pumpe gesteuert. Ein System bestehend aus Hydraulikpumpe, motorischem Antrieb und einem den motorischem Antrieb betreibenden Verstärker mit Frequenzumrichter wird nachfolgend als das Hydraulikantriebsystem bezeichnet. Umgangssprachlich wird dieses Hydraulikantriebsystem auch als„Servopumpe" bezeichnet.

Das Hydraulikantrieb System kann zur Erzeugung eines geregelten Ausgangs- Volumenstromes verwendet werden. Darauf aufbauend kann eine Geschwindigkeits- oder Lage-Regelung eines Aktors im nachfolgenden auch unter dem Begriff Zylinder gefasst, bereitgestellt werden. Dieser Aktor kann wiederum dazu verwendet werden, Elemente einer Werkzeugmaschine zu bewegen, beispielsweise ein Ziehkissen einer Zieh- Vorrichtung.

Ebenso kann dieses Hydraulikantriebsystem zur Erzeugung eines geregelten Ausgangsdruckes verwendet werden. Darauf aufbauend kann eine Kraft-Regelung bereitgestellt werden.

DE 698 37 877 T2, DE 603 14 178 T2 und DE 698 30 633 T2 beschreiben jeweils eine Regelschleife für eine Hydraulikpumpe für eine Baumaschine, bspw. einen Bagger. Hydraulikpumpen sind dazu mit Reglern versehen. Servo-Ventile steuern den Druck einer Steuerdruckpumpe. Die Antriebsmaschine ist ein Dieselmotor. Um die Hydraulikpumpe zu steuern ist ein Regler vorgesehen. Dieser Regler erhält eine Soll-Drehzahl also Eingangsgröße und misst eine Ist-Drehzahl. Mittels arithmetischer Operationen werden Treiberströme für die Hydraulikpumpen ausgegeben. Ausgehend von der Soll-Drehzahl wird mittels abgespeicherter Tabellen ein Basisdrehmoment berechnet wird. Eine Drehzahlabweichung wird berechnet und anschließend verstärkt, um eine Drehmomentabweichung zu erhalten. Die Soll-Drehzahl wird vorgegeben und die Ist- Drehzahl gemessen, um einen Strom zu regeln. Die Drehzahlmesser sind teuer und ungenau. Nichtlineare Störungen werden dabei nicht berücksichtigt.

US 6 379 119 Bl beschreibt die Verwendung eines Hydraulikantriebsystems zur Steuerung einer Tiefzieh- Vorrichtung unter Regelung der Ziehkissenkraft. Das darin beschriebene Regelungsverfahren basiert auf einem idealisierten linearen Zusammenhang zwischen dem Druck, einem baugrößenbestimmten Fördervolumen der Pumpe und einem treibenden Drehmoment an der Hydraulikpumpe. Dabei wird aus der Bestimmung von Soll- und Ist-Werten des Druckes der elektrische Strom für den motorischen Antrieb als Regelgröße bestimmt. Die Druckregelung berücksichtigt dabei nur die Pumpeneigenschaften. Dies führt zu einer brauchbaren Druckregelung, solange kein nennenswerter Volumenstrom abgenommen wird.

Im bekannten Stand der Technik wird bislang nicht berücksichtigt, dass die notwendige Drehzahl nicht nur von dem Soll- und Ist-Druck, sondern auch vom tatsächlich benötigten Volumenstrom für eine Bewegung des Aktors, beispielsweise zur Abstützung des Ziehkissens, abhängt. Die im Stand der Technik beschriebene Art der Druck-Regelung ist für einen Verbraucher mit nennenswertem und veränderlichem Volumenstrom insofern nachteilig, als dass die Druckregelung für große Arbeitsbereiche zu ungenau ist.

Zudem hat eine Drehmomenten-Regelung als Eingangsgröße das Soll- und Ist-Drehmoment und erzeugt als Stellsignal einen Strom-Sollwert für den Motorstrom. Dabei wird modellhaft für das Ist-Moment der Ist-Strom herangezogen, da eine Drehmoment-Messung in der Praxis nicht präzise durchführbar ist oder sehr teure Drehmomentsensoren erfordert. Tatsächlich wird also eine Stromregelung und keine Drehmoment-Regelung durchgeführt.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, eine Ausgangsdruckregelung für ein Hydraulikantriebsystem zu schaffen, dass auch bei veränderlichem Volumenstrom und/oder großen Wertebereichen des Ausgangsdrucks der Hydraulikpumpe stabil und exakt ist. Die Aufgabe besteht beispielsweise auch darin, in einem Ziehprozess eines Tiefziehverfahrens, den Ausgangsdruck präzise, dynamisch und schwingungsarm zu regeln. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Patentansprüchen beschriebenen technischen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Regelung des Ausgangsdrucks eines Hydraulikantriebssystems unter Verwendung einer Drehzahl als Stellgröße gelöst, wobei das Hydraulikantriebssystem eine Hydraulikpumpe und einen die Hydraulikpumpe antreibenden motorischen Antrieb aufweist. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: Ermitteln eines Soll- Drehzahl-Hauptanteils des motorischen (bspw. elektromotorischen) Antriebs als Vorsteuersignal; Ermitteln einer Fehlerdrehzahl als Regelabweichung aus einem Vergleich eines Druck-Istwertes des Hydraulikantriebssystems und einem Druck-Sollwert des Hydraulikantriebssystems und anschließender Regelverstärkung; Addieren des ermittelten Soll-Drehzahl-Hauptanteils zu der ermittelten Fehlerdrehzahl zum Bilden einer Soll- Drehzahl als eine Stellgröße; und Umsetzen der gebildeten Soll-Drehzahl in eine Drehzahl des motorischen Antriebs zum Antreiben des Hydraulikantriebssystems mit der umgesetzten Drehzahl zum Erzeugen des geregelten Ausgangsdrucks des Hydraulikantriebssystems, der den Druck-Istwert darstellt. Der Druck-Istwert wird insbesondere mittels eines Drucksensors ermittelt.

Die erfindungsgemäße Hydraulikpumpe arbeitet im erfindungsgemäßen Verfahren dabei beispielsweise in mindestens zwei Betriebszuständen. In einem ersten Betriebszustand arbeitet die Pumpe in ihrer Funktion als Pumpe unter Aufbau des geregelten Ausgangsdrucks. In einem zweiten Betriebszustand arbeitet die Pumpe als ein Hydromotor unter Aufnahme von Fluid, welches ggf. in Abhängigkeit einer anzutreibenden Vorrichtung notwendig ist. In beiden Betriebszuständen soll ein Aktor in eine bestimmte Position bewegt werden oder mit einem das Hydraulikantriebsystem beeinflussenden Element interagieren können. Diese beiden Betriebszustände sind bevorzugt innerhalb verschiedener Zeitabschnitte im erfindungsgemäßen Verfahren enthalten.

Der erfindungsgemäße motorische Antrieb dient dazu, die Hydraulikpumpe anzutreiben. Der Antrieb ist dabei bevorzugt elektromotorisch, beispielsweise ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor, bevorzugt ein Drehstrom-Elektromotor. Dieser motorische Antrieb wird erfindungsgemäß mit einem Leistungsverstärker und mit einem Frequenzumrichter betrieben. Der erfindungsgemäße Soll-Drehzahl-Hauptanteil stellt einen Drehzahl- Wert bereit, der nominal, also beispielsweise nicht mehr als 20% vom einzustellenden Soll-Drehzahl- Wert abweicht. Damit ist eine grobe Soll-Drehzahl-Einstellung ermöglicht und der Regelbereich wird damit drastisch reduziert.

Die erfindungsgemäße Ausgangsdruck-Reglung beeinflusst den Ausgangsdruck dahingehend, dass auch nichtlineare Störungen, Reibung und Leckagen als Störgrößen erfasst werden können.

Erfindungsgemäß erfolgt die Ausgangsdruck- Regelung nicht über das Drehmoment des antreibenden Motors, beispielsweise einem motorischen Antrieb, sondern die Regelung erfolgt in vorteilhafter Weise unter Anwendung der Kenntnisse über das Betriebsverhalten der Hydraulikpumpe. Die Stellgröße für den motorischen Antrieb ist nunmehr nicht der elektrische Strom zur Steuerung des motorischen Antriebs, sondern erfindungsgemäß wird die Drehzahl des motorischen Antriebs als Stellgröße verwendet.

Die erfindungsgemäße Drehzahlregelung hat als Eingangsgröße die Soll- und Ist-Drehzahl und erzeugt als Stellsignal eine Frequenz für das von einem Frequenzumrichter zu erzeugende Drehfeld. Diese erzeugte Frequenz wird in diesem Zusammenhang mit dem Begriff„Drehzahl- Sollwert" gleichgesetzt.

Dazu wird zunächst ein Soll-Drehzahl-Hauptanteil ohne Einfluss von Störgrößen als ein Vorsteuersignal der Regelung generiert bzw. ermittelt. Dies erfolgt beispielsweise mittels Recheneinheiten unter Verwendung von Parametern des Hydraulikantriebsystems in den verschiedenen Betriebszuständen, beispielsweise einer Maximaldruck-Erzeugung oder einem drucklosen Betrieb. In einem idealen System ohne Reibungen, Leckagen und sonstige Störungen würde eine allein auf diesen Soll-Drehzahl-Hauptanteil geregelte Hydraulikpumpe bereits zur Kompensation der Störgrößen führen können.

Erfindungsgemäß wird zudem die Fehlerdrehzahl, auch als Korrektursignal bezeichnet, als Regelabweichung aus dem Druck-Sollwert (Führungsgröße) und dem Druck-Istwert (Regelgröße) und einem daran anschließendem Regelverstärker, beispielsweise einem PI oder PID-Regler ermittelt. Dazu wird der Druck-Istwert mittels eines Drucksensors ermittelt. Dieser Verfahrensschritt ermöglicht die Kompensation von verlustbehafteten und nichtlinearen Eigenschaften sowie Kompressions- und Dekompressionseffekten des Hydraulikantriebsystems. Das notwendige Korrektursignal ist jedoch klein im Verhältnis zur maximal möglichen Drehzahlamplitude des Hydraulikantriebsystems und kann daher leicht und robust mit dem Regelverstärker ermittelt werden. Da die Fehlerdrehzahl nicht den gesamten Wertebereich der Drehzahl des Hydraulikantriebsystems abbildet, können die Verstärkungsfaktoren des Regelverstärkers robust gewählt werden.

Die aus dem Vergleich aus Druck-Sollwert und Druck-Istwert berechnete Korrektur-Drehzahl hat bei einer Beeinflussung des Hydraulikantriebsystems durch eine externe Last, beispielsweise einer Kraft durch ein Ziehkissen oder eines Werkzeugs in einer Werkzeugmaschine, einen vergleichsweise geringen Anteil an der Drehzahlführung. Dadurch ist die erfindungsgemäße Regelung robust und auch genau. Das anschließende Umsetzen der Soll-Drehzahl in die Betriebsdrehzahl erfolgt unter Verwendung eines Leistungsverstärkers und eines Frequenzumrichters.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der ermittelte Soll-Drehzahl-Hauptanteil einen ersten Soll-Drehzahl-Anteil und einen zweiten Soll-Drehzahl-Anteil, wobei der erste Soll-Drehzahl- Anteil aus dem Druck-Sollwert gebildet wird und der zweite Soll-Drehzahl- Anteil aus einem Volumenstrom-Sollwert des Hydraulikantriebssystems gebildet wird. Der Volumenstrom, auch Durchflussrate genannt, gibt an, wieviel Volumen des Fluides pro Zeitspanne durch einen festgelegten Querschnitt transportiert wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der erste Soll-Drehzahl- Anteil aus dem Druck-Sollwert, einem Maximaldruck der Hydraulikpumpe und einem Drehzahlparameter der Pumpe zur Erzeugung des Maximaldrucks errechnet. Die verwendete Hydraulikpumpe, beispielsweise eine Kolben- oder Zahnradpumpe, hat auch unter Druck einen hohen Wirkungsgrad. Zur Erzeugung eines Maximaldrucks der Pumpe ist typischerweise nur eine sehr geringe Drehzahl, beispielsweise 120 U/min notwendig. Diese Parameter werden bei blockiertem Ausgang der Hydraulikpumpe ermittelt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der zweite Soll-Drehzahl- Anteil aus dem Volumenstrom- Sollwert und einem Fördervolumenparameter der Pumpe errechnet. Dieser zweite Soll-Drehzahl- Anteil ist notwendig, um mit der Hydraulikpumpe den durch die Bewegung eines Aktors hervorgerufenen Volumenstrom aufzunehmen oder abzugeben. Wenn die Hydraulikpumpe mit dieser Drehzahl angetrieben würde, würde noch kein Druckaufbau erfolgen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Volumenstrom-Sollwert des Hydraulikantriebssystems unter Verwendung zumindest eines Parameters eines vom Hydraulikantriebssystem angetriebenen Aktors beispielsweise eines Zylinders ermittelt. Damit kann auf den Volumenstrom durch eine vom Hydraulikantriebsystem verursachte Bewegung beispielsweise eines Elements in der Werkzeugmaschine geschlossen werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird zur Berechnung des zweiten Soll-Drehzahl-Anteils der zumindest eine Parameter mittels Sensorelement ermittelt. Der Parameter ist beispielsweise eine Aktor-Geschwindigkeit oder eine Aktor- Wegstrecke bzw. eine Element-Geschwindigkeit oder eine Element- Wegstrecke. Aus diesem Parameter kann mittels einfacher Berechnung auf den Volumenstrom geschlossen werden und so die Ausgangsdruck-Regelung wesentlich verbessert werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Berechnung des ersten Soll-Drehzahl- Anteils und des zweiten Soll-Drehzahl- Anteils vorzeichenrichtig. Bei einem Volumenstrom aus der fördernden Pumpe heraus, also im ersten Betriebszustand der Pumpe, sind die Vorzeichen des ersten und zweiten Soll-Drehzahl- Anteil identisch positiv. Bei einem Volumenstrom in die als Hydro-Motor arbeitende Pumpe, also im zweiten Betriebszustand der Pumpe, hinein ist das Vorzeichen des zweiten Soll-Drehzahl- Anteil negativ. Somit ist das Vorzeichen des zweiten Soll- Drehzahl- Anteils beim Tiefziehen negativ, weil bei der entsprechenden Bewegung des Aktors das Fluid im geschlossenen System in Richtung Hydraulikpumpe abtransportiert wird. Die Hydraulikpumpe arbeitet in diesem Arbeitsschritt als Hydromotor und nimmt das Fluid aus dem Zylinder auf. Gemäß einem Aspekt wird das vorhergehend beschriebene Verfahren für ein Hydraulikantriebssystem in einer Zug-Druck- Vorrichtung, bevorzugt einer Zieh- Vorrichtung eingerichtet zum aktiven hydromechanischen Tiefziehen eines oder mehrerer Bauteile verwendet.

Gemäß einem Aspekt wird in einem Hydraulikantriebssystem zum Antreiben eines Aktors, bevorzugt eines Aktors in einer Tiefzieh- Vorrichtung, beispielsweise einem Ziehkissen, ein Ausgangsdruck des Hydraulikantriebssystems gemäß dem vorhergehend beschriebenen Verfahren geregelt. Das Hydraulikantrieb System weist eine Hydraulikpumpe, einen motorischen Antrieb und einen Verstärker, beispielsweise einen Leistungsverstärker mit Frequenzumrichter auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Hydraulikantriebsystem von dem Aktor angetrieben oder das Hydraulikantriebssystem wird von einem weiteren Aktor, beispielsweise einem Oberoder Unterwerkzeug, der Tiefzieh- Vorrichtung beeinflusst. Dabei umfasst der Aktor bzw. der weitere Aktor zumindest ein Sensorelement zum Ermitteln eines Bewegungs-Parameters des Aktors. Der Parameter wird für die Ermittlung des Soll-Drehzahl-Hauptanteils verwendet. KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER FIGUREN

Nachfolgend wird anhand von Figuren die Erfindung bzw. weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung näher erläutert, wobei die Figuren lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben. Gleiche Bestandteile in den Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht als maßstabsgetreu anzusehen, es können einzelne Elemente der Figuren übertrieben groß bzw. übertrieben vereinfacht dargestellt sein. Es zeigen:

Fig.1 eine Regelung des Ausgangsdrucks gemäß einem bekannten Verfahren;

Fig.2 eine erste Prinzip-Darstellung zur Ermittlung von Hydraulikpumpenparametern;

Fig.3 eine zweite Prinzip-Darstellung zur Ermittlung von Hydraulikpumpenparametern;

Fig.4 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrensablaufdiagramms eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig.4a ein beispielhaftes einsträngiges Ersatzschaltbild eines ersten motorischen Antriebs für das erfindungsgemäße Verfahren;

Fig.4b ein beispielhaftes einsträngiges Ersatzschaltbild eines zweiten motorischen

Antriebs für das erfindungsgemäße Verfahren;

Fig.5 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbilds einer erfindungsgemäßen

Regelung des Ausgangsdrucks;

Fig.6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbilds einer erfindungsgemäßen

Regelung des Ausgangsdrucks;

Fig.7 ein Ausführungsbeispiel einer Tiefzieh- Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik;

und

Fig.8 Beispielhafte Signal Verläufe für die erfindungsgemäße Regelung des

Ausgangsdrucks unter Verwendung von Aktor-Parametern.

FIGURENBESCHREIBUNG

In Fig. l ist eine Regelung eines Ausgangsdrucks Ρουτ eines Hydraulikantriebsystems 10 gemäß einem bekannten Verfahren, wie es beispielsweise in US 6 379 119 Bl beschrieben ist, gezeigt. Das Hydraulikantriebsystem 10 besteht aus einem Leistungsverstärker 3, einem elektromotorischen Antrieb 4 und einer Hydraulikpumpe 5. Die Hydraulikpumpe 5 stellt an ihrem Ausgang einen Ausgangsdrucks Ρουτ bereit, mit welchem beispielsweise eine Zug-Druck- Vorrichtung 8, wie sie beispielsweise in der Fig.7 als Tiefzieh- Vorrichtung 8 dargestellt ist, angetrieben wird.

Gemäß Fig. l erfolgt die Regelung des Ausgangsdrucks Ρουτ auf Basis eines idealisierten linearen Zusammenhangs zwischen den physikalischen Größen Druck P, einem baugrößenbestimmten Fördervolumen Qp der Hydraulikpumpe 5 und einem Drehmoment M unter einer Bestimmung von Soll- und Ist-Werten eines Motorstroms IMOT als Regelgröße.

Für eine ideale Verdränger-Pumpe als Beispiel für eine Hydraulikpumpe 5, die ohne Reibung und Verluste am Dichtspalt zu betrachten ist, gilt folgendes hydrostatisches Lastmoment:

MpouT = Qp / (2 * 7t) * PouT (1) mit: Μρουτ = Drehmoment an der Hydraulikpumpe

QP = Fördervolumen der Hydraulikpumpe pro Umdrehung

Ρουτ = Ausgangsdruck an der Hydraulikpumpe. Gemäß Fig.l wird ein Druck-Sollwert PSET in einem Vergleicher 1 mit einem Druck-Istwert PFBK verglichen. Das Vergleichsergebnis ist ein Fehler-Druck PERR, der einem Regelverstärker 2 zugeführt wird. Der Regelverstärker 2 ist als PID-Regler ausgeführt. Als Stellgröße wird gemäß Fig.l ein Strom-Sollwert I_SET verwendet. Dieser Strom-Sollwert I_SET wird dem Verstärker 3 zugeführt. Der Verstärker 3 erzeugt aus dem Strom-Sollwert I_SET den Motorstrom IMOT- Der Motor 4 gibt das aus IMOT folgende Drehmoment Μ_Μοτ auf die Pumpe 5. Der Ausgangsdruck Ρουτ wird mittels eines Sensorelements erfasst und mittels eines Analog-Digital- Wandlers 6 als Druck- Istwert PFBK dem Vergleicher 1 zurückgeführt. Der Verstärker 3 ist dabei üblicherweise für Synchron- oder Asynchron-Motoren geeignet. Der Motorstrom Ι_Μοτ liegt beispielsweise als dreiphasiges System vor.

Der Regelung nach Fig.l liegt folgende Systemüberlegung zu Grunde. Dem antreibenden Drehmoment MMOT stehen das hydrostatisches Lastmoment Μρουτ nach Gleichung (1), eine Reibungskomponente der Pumpe 5 und eine Rotor-Trägheit des Motors 4 sowie der Pumpe 5 gegenüber.

Es gilt:

MMOT - Μρουτ + MFRICT + ( JTOTAL (2) mit: α = Winkelbeschleunigung,

M_FRICT = mech. Reibung der Pumpe durch Baugröße und -Art, JTOTAL = JMOTOR + JPUMP als Rotorträgheit Pumpe und Motor.

Für die Winkelbeschleunigung α der Pumpe 5 ergibt sich durch Umstellung von Gleichung (2): α = ( MMOT - Μρουτ - MFRICT ) / (JMOT + JPUMP) (3)

Für die Drehzahl ω der Pumpe 5 gilt: ω(ΐ) = /₀ a(t) * dt (4)

Bei einem Verbraucher mit nennenswertem und veränderlichem Volumenstrom Q_(t) ist diese Regelung nachteilig, da die notwendige Drehzahl ω der Pumpe 5 auch vom tatsächlich benötigten Volumenstrom Q_(t), beispielsweise für eine Hubbewegung des Zylinders zur Abstützung des Ziehkissens, abhängt.

In den Fig.2 und Fig.3 sind Prinzip-Darstellungen zur Ermittlung von Hydraulikpumpenparametern dargestellt, die für das erfindungsgemäße Regeln des Ausgangsdrucks Ρουτ verwendet werden.

Fig. 2 zeigt eine Kennlinie des Fördervolumens Q in Abhängigkeit der Drehzahl ω einer Konstantpumpe 5 im drucklosen Betrieb. In sehr guter Näherung ist bei drucklosem Betrieb der Volumenstrom Q proportional zur Drehzahl ω. Typische Maximaldrehzahlen CÜ_MAX sind 314 rad/s, also 3000 Umdrehungen pro Minute. Das Fördervolumen Q_OU_T in einem drucklosen Betrieb errechnet sich dabei wie folgt:

mit: Qp = Fördervolumen der Pumpe 5 pro Umdrehung.

Fig.3 zeigt eine zweite Prinzip-Darstellung zur Ermittlung von Hydraulikpumpenparametern. Dabei ist eine Druck-Drehzahl- Kennlinie der Pumpe 5, beispielsweise einer Konstantpumpe im Betrieb gegen blockierten Druckausgang dargestellt. Der Ausgangsdruck Ρουτ errechnet sich dabei wie folgt:

PoUT(Cü) - PM IN / OpMAX (6) mit: P_MAX = Maximaldruck,

ωΐΝ = Eingangs-Drehzahl,

CO_PMAX = Drehzahl bei Maximaldruck bei blockiertem Druckausgang. Die verwendeten Pumpen 5, insbesondere Kolben- oder Zahnradpumpen, haben auch unter großem Druck P einen hohen Wirkungsgrad. Daher ist zur Erzeugung des Maximaldruck P_MAX typischerweise nur eine geringe Drehzahl CÜ_PMAX notwendig. Beispielsweise kann die Drehzahl copMAx einer vergleichsweise guten Pumpe 5 bei Maximaldruck P_MAX 12 rad/s (=120 U/min) betragen, wohingegen die Drehzahl CÜ_PMAX einer vergleichsweise schlechten Pumpe bei P_MAX ca. 31 rad/s (=300 U/min) aufweist.

Wie bereits erwähnt, berücksichtigt die Druckregelung gemäß Fig.l nur die Pumpeneigenschaften nach Fig.3. Dies führt in nachteiliger Weise nur zu einer stabilen Druckregelung, solange kein nennenswerter Volumenstrom Q abgenommen wird. Bei einem Drehzahl- Wert co größer als wenige hundert Umdrehungen pro Minute versagt die Regelung.

Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Regelung in einer Tiefzieh- Vorrichtung 8 nach Fig.7, muss beachtet werden, dass sich ein Element, beispielsweise das Ziehkissen, funktionsgemäß bewegt. Die Pumpe 5 muss dabei das verdrängte Fluid- Volumen aufnehmen können und den Volumenstrom Q abführen. Die Pumpe 5 ist dabei so ausgelegt, dass der maximal zu erwartende Volumenstrom Q_MAX eine Maximaldrehzahl CÜ_MAX, (beispielsweise ca. 3000 U/min) zur Folge hat. Der Drehzahl-Regelbereich, den es zu regeln gilt, liegt bevorzugt zwischen sehr wenigen Umdrehungen pro Minute, resultierend aus der geringen Drehzahl CÜ_PMAX bei Maximaldruck P_MAX, und mehreren tausend Umdrehungen pro Minute, resultierend aus dem zu erwartenden hohen Volumenstrom Q_MAX-

Im konventionellen Regelverfahren kann der Regelkreis nur für einen Bruchteil dieses Drehzahlregelbereichs stabil parametriert werden, bevorzugt auf einen Drehzahlbereich von 0 bis wenige hundert Umdrehungen pro Minute. Um den tatsächlichen Drehzahlenbereich von bis zu mehreren tausend Umdrehungen pro Minute abzubilden, müssen im Regelkreis entsprechend große Regelabstände bearbeitet werden. Dies ist mit den PID-Reglern aufgrund der zu berücksichtigenden Zeitkonstanten nicht möglich.

In der Fig.4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrensablaufdiagramms eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Verfahren 100 umfasst die Verfahrensschritte 101 bis 104, wie nachstehend erläutert wird. Im Schritt 101 wird ein Soll-Drehzahl-Hauptanteil CO_SETI+₂ des elektromotorischen Antriebs 4 als Vorsteuersignal ermittelt. Im Schritt 102 wird eine Fehlerdrehzahl CÜ_ERR als Regelabweichung aus einem Vergleich eines Druck-Istwertes P_FBK des Hydraulikantriebsystems 10 und einem Druck-Sollwert P_SET des Hydraulikantriebsystems 10 und anschließendem Regelverstärker 2 ermittelt. Im Schritt 103 erfolgt das Addieren des ermittelten Soll-Drehzahl-Hauptanteils CÜ_SETI+₂ ZU der ermittelten Fehlerdrehzahl CÜ_ERR zum Bilden einer Soll- Drehzahl CO_SET als die Stellgröße in der erfindungsgemäßen Regelung. Im Schritt 104 erfolgt das Umsetzen der gebildeten Soll-Drehzahl CÜ_SET in eine Drehzahl CÜ_IN des motorischen Antriebs 4 zum Antreiben des Hydraulikantriebsystems 10 mit der umgesetzten Drehzahl zum Erzeugen des geregelten Ausgangsdrucks Ρουτ des Hydraulikantriebsystems 10 als der Druck-Istwert P_FBK-

Das erfindungsgemäße Regelverfahren 100 ist einfach zu parametrisieren, ist im Betrieb stabil und weist eine wesentlich geringere Regelabweichung als das Regelverfahren nach Fig. l auf. In Fig.4 erfolgt die Druckregelung nicht über das Drehmoment Μ_Μοτ des antreibenden Motors, sondern über die Soll-Drehzahl CÜ_SET (bzw. die daraus resultierende Frequenz f des motorischen Antriebs) als Stellgröße. In Fig.4a ist ein beispielhaftes Ersatzschaltbild einer Phase eines drei-phasigen motorischen Antriebs 4 (Drehstrommaschine) für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt, mit dem sich der erfindungsgemäße Umsetz-Schritt 104 und die daraus resultierende Drehzahlregulierung verdeutlichen lässt. Wie erwähnt, ist der Antrieb 4 beispielsweise eine Asynchron- Drehstrommaschine. Dazu ist in Fig.4a zum besseren Verständnis der Vorgänge einer Drehzahlregelung des motorischen Antriebs 4 beispielsweise die Betrachtung des Ersatzschaltbilds der Asynchronmaschine sinnvoll. Dieses Ersatzschaltbild zeigt eine zum motorischen Antrieb 4 elektrisch äquivalente Schaltung, wie sie auch der Verstärker 3 mit dem Frequenzumrichter 7 sieht. Auf der linken Seite der Fig.4a ist das Ersatzschaltbild der Ständerwicklung dargestellt. Diese besteht aus dem ohmschen Widerstand Rs, insbesondere ein Kupferwiderstand und äquivalenter Serienwiderstand der Um-Magnetisierungsverluste, und einem Blindwiderstand Xs der Ständerwicklungs-Induktivität bei asynchronem Lauf. Auf der rechten Seite der Fig.4a ist das Ersatzschaltbild der Rotorwicklung (Läufer) dargestellt. Dieser besteht aus einem Blindwiderstand Xr der Rotorwicklungs-Induktivität und dem ohmschen Wirkwiderstand Rr. Der Blindwiderstand Xr stellt die bei stillstehendem Motor resultierende Induktivität dar. Der Wirkwiderstand Rr des Rotors setzt sich zusammen aus dem äquivalenten Wert der vom motorischen Antrieb 4 abgegebenen Wirkleistung und dem entsprechend dem Quadrat der Stator- Windungszahl herauftransformierten ohmschen Widerstand des Kurzschlusskäfigs zusammen. Der äquivalente Wert der Wirkleistung verändert sich mit der Veränderung des Drehmoments M bzw. der Belastung des motorischen Antriebs 4. Somit besteht im Leerlauf, also bei drucklosem Betrieb des Hydraulikantriebsystems 10, das Ersatzschaltbild des motorischen Antriebs 4 im Wesentlichen aus den Widerständen Rs und Xs. Der im Leerlauf aufgenommene Strom I_MOT entspricht nahezu dem Nennstrom. Mit zunehmender Belastung, also bei sich aufbauendem Ausgangs-Druck P_MAX im Hydraulikantriebsystem 10, steigt der Wirkstrom durch den Widerstand Rr an. Der Phasenwinkel zwischen Strom Ϊ_ΜΟΤ und Spannung U_MOT verringert sich von nahezu φ = 90° auf kleinere Werte.

Der belastungsabhängige Wirkstrom erzeugt einen Spannungsabfall am Widerstand Rr, aber nur einen unwesentlich höheren Spannungsabfall am Widerstand Rs. Folglich steigen die Verluste bei zunehmender Belastung im Läufer schneller an als im Stator. Die Widerstände Rs und Rr verursachen mit dem Quadrat der Stromaufnahme steigende Verluste, daher nimmt der Wirkungsgrad des motorischen Antriebs 4 mit steigender Belastung ab.

Im Umrichter-Betrieb wird bei immer kleiner werdender Frequenz fMOT der Blindwiderstand Xs ebenfalls immer kleiner. Bei Einhaltung des Nennstromes muss daher die vom Frequenzumrichter 7 gelieferte Spannung sinken. Damit wird das Verhältnis des Spannungsteilers Rs zu Xs immer ungünstiger und führt zu steigenden Verlusten relativ zur verfügbaren Motorleistung. Der Frequenzumrichter 7 kann ggf. das Spannungsteiler- Verhältnis Rs/Rr selbst erfassen. Ein (nicht dargestellter) Frequenzumrichter 7 ermöglicht es nun stufenlos die Drehzahl ω von nahezu null bis zur Nenndrehzahl einzustellen, ohne dass das Drehmoment M_MOT dabei sinkt (Grundstellbereich). Der motorische Antrieb 4 kann auch über Nenndrehfrequenz betrieben werden, dann sinkt das abgegebene Moment Μ_Μοτ jedoch ab, da die Betriebsspannung nicht weiter der erhöhten Frequenz angepasst werden kann.

Zwar zeigt Fig.4a die Anwendung der Drehzahl-Regelung für Asynchron-Motoren, jedoch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Die Regelung wird bevorzugt auch bei Synchron-Motoren, beispielsweise Drehstrom-Synchron-Motoren angewendet. In Fig.4b ist ein beispielhaftes Ersatzschaltbild einer Phase eines drei-phasigen motorischen Antriebs 4 (Drehstrommaschine) für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt, mit dem sich der erfindungsgemäße Umsetz-Schritt 104 und die daraus resultierende Drehzahlregulierung verdeutlichen lässt. Gemäß Fig.4b ist der motorische Antrieb 4 beispielsweise eine Synchron- Drehstrommaschine. Das Ersatzschaltbild gemäß Fig.4b zeigt eine zum motorischen Antrieb 4 elektrisch äquivalente Schaltung, wie sie auch der Verstärker 3 mit dem Frequenzumrichter 7 sieht. Damit die Synchronmaschine als elektromotorischer Antrieb 4, also als Drehstrom- Synchronmotor, arbeiten kann, ist ein Erregerfeld im Läuferkreis notwendig, sodass durch eine gleichstromerregte Läuferwicklung (Erregerwicklung) oder einen Permanentmagneten ein magnetisches Feld (Erregerfeld) erzeugt wird, das in den einzelnen Strängen der Ständerwicklung eine Ständerspannung Us induziert. Außerdem muss über die Ständerwicklungen elektrische Energie zugeführt werden, damit der Drehstrom-Synchronmotor das Drehmoment M_MOT (siehe Gleichung 2) abgeben kann.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der in Fig.4b dargestellten Synchronmaschine im Motor- Betrieb kurz beschrieben. Die Synchronmaschine befindet sich im Leerlauf am starren Netz. Es erfolgt eine Belastung an der Motorwelle durch die Pumpe 5. Der Motor 4 würde seine Drehzahl ω verringern, doch nimmt der Motor 4 nun elektrische Leistung auf und der in Fig.4b gezeigte Ständerstrom Is steigt an. Es wirkt nun ein Motormoment M_MOT, das dem Lastmoment M_LOAD entgegenwirkt. Der Ständerstrom Is verursacht eine Differenzspannung Ud an der synchronen Reaktanz Xd. Der induktive Blindwiderstand der Ständerwicklung und dessen ohmscher Widerstand können dabei vernachlässigt werden. Durch den Spannungsabfall Xd bildet sich ein vom Ständerstrom Is abhängiger Polradwinkel, der im Motorbetrieb entgegen der Drehrichtung wirkt. Infolgedessen verschiebt sich die Polradspannung Up hin zur Netzspannung Us mit dem Winkel des Polrades entgegen der Drehrichtung. Der Motor läuft mit synchroner Drehzahl ω weiter; es entsteht kein Schlupf wie beim Asynchronmotor.

Fig.5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbilds einer erfindungsgemäßen Regelung des Ausgangsdrucks Ρουτ- Dabei wird einer Recheneinheit 9 das Sollfördervolumen Q_SET zugeführt. Zudem wird der Recheneinheit 9 der Druck-Sollwert P_SET zugeführt. Die Recheneinheit 9 ermittelt daraus einen Soll-Drehzahl-Hauptanteil CÜ_SETI+₂ als Vorsteuersignal. Der Soll-Drehzahl-Hauptanteil CÜ_SETI+₂ der Soll-Drehzahl CÜ_SET wird dabei in vorteilhafter Weise ohne Einfluss von Störgrößen generiert. Dazu werden die in Fig.2 und Fig.3 bereits erwähnten Zusammenhänge vorteilhaft genutzt, was in Bezug auf Fig.6 näher erläutert wird. Zudem wird ein Druck-Istwert P_FBK, erhalten von einem Drucksensor 113 und mittels AD- Wandler 6 in einen digitalisierten Sensorausgangs wert zur Bestimmung des Ausgangsdrucks Ρουτ gewandelt, mit dem Druck-Sollwert P_SET in einem Vergleicher lc verglichen und der Fehler-Druck P_ERR einem PID-Regelverstärker 2 zugeführt. Der Regelverstärker 2 stellt eine Fehler-Drehzahl CÜ_ERR an einen Addierer lb bereit. Der Soll-Drehzahl-Hauptanteil CÜ_SETI+₂ wird im Addierer lb zur Fehler-Drehzahl CÜ_ERR addiert und eine Soll-Drehzahl CÜ_SET als Stellgröße erhalten. Somit ist die Stellgröße für den Motor nicht mehr der Motor-Strom I_MOT, sondern die Motor-Drehzahl CÜ_SET- Dieses Korrektursignal CÜ_ERR hat bei einer Aktor-Bewegung einen geringen Anteil an der Drehzahl-Führung. Dieser Anteil liegt bei weit unter 50%, bevorzugt weniger als 20%. Dadurch kann die Regelung des Hydraulikantriebssystems robust und gleichzeitig genau erfolgen.

Durch das erfindungsgemäße Regelungsverfahren werden die verlustbehafteten und nichtlinearen Eigenschaften des Hydraulikantriebssystems 10 sowie dessen Kompressions- und Dekompressionseffekte berücksichtigt. Der dafür notwendige Korrekturwert - Fehler-Drehzahl CÜ_ERR - hat dazu einen kleinen Anteil im Vergleich zum Gesamtdrehzahlbereich der Pumpe 5. Diese Fehler-Drehzahl CÜ_ERR kann nunmehr leicht und robust mit einer weiteren Komponente aus einem einfachen PID Regler 2 ermittelt werden, denn es gilt:

CÜERR = PID ( PSET - PFBK ) (7) mit: PID = Funktion eines PID Reglers 2

PS_ET = Druck-Sollwert

P_FBK = Druck-Istwert Das Korrektursignal CÜ_ERR muss nicht den vollständigen Drehzahlbereich der Pumpe 5 abdecken, da es zum Soll-Drehzahl-Hauptanteil CO_SETI+₂ addiert wird. Daher müssen nur die Abweichung zwischen dem vereinfacht linearisierten Modell und dem realen System ausgeregelt werden.

Das Hydraulikantriebssystem 10 gemäß Fig.5 weist einen Leistungsverstärker 3 und einen Frequenz-Umrichter 7 auf, um aus der Soll-Drehzahl CÜ_SET eine Eingangsdrehzahl CO_IN des motorischen Antriebs 4 zu erzeugen, mit der der motorische Antrieb 4 betrieben wird, um die Hydraulikpumpe 5 anzutreiben und den Ausgangsdruck Ρουτ zu erzeugen.

In Fig.6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbilds einer erfindungsgemäßen Regelung des Ausgangsdrucks Ρουτ dargestellt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig.5 ist die Recheneinheit 9 detaillierter dargestellt und es ist zudem ein Verbraucher 8 (beispielsweise ein Zylinder) angedeutet. Die nachfolgende Beschreibung basiert auf der vorangegangenen Figurenbeschreibung zur Fig.5, die hier nicht wiederholt wird. Gemäß Fig.6 wird aus dem Druck-Sollwert P_SET ein erster Soll-Drehzahl-Anteil CÜ_SETI gebildet. Dazu wird der in Gleichung (6) und Fig.3 dargestellte Zusammenhang in einer Recheneinheit 9a angewendet. Es gilt:

CÜSETI - PSET / PMAX * CÜPMAX (8) Das Vorzeichen des ersten Soll-Drehzahl-Anteils CÜ_SETI ist positiv, um den Ausgangsdruck Ρουτ aufzubauen.

Aus dem Volumenstrom-Sollwert Q_SET wird ein zweiter Soll-Drehzahl-Anteil CÜ_SET2 gebildet. Dazu wird der in Gleichung (5) und Fig.2 dargestellte Zusammenhang in einer Recheneinheit 9a angewendet. Es gilt:

CÜSET2 ⁼ QsET Qp (9)

Dieser zweite Soll-Drehzahl-Anteil CÜ_SET2 ist notwendig, um mit der Pumpe 5 den durch die Bewegung des Aktors hervorgerufenen Volumenstrom Q aufzunehmen. Das Vorzeichen des zweiten Soll-Drehzahl- Anteil CÜ_SET2 kann positiv oder negativ sein, je nach Bewegungsrichtung im Aktor 8. Beispielsweise ist während des Ziehprozesses (siehe Fig. 8, Zeitraum von t_Cp bis tßDc) das Vorzeichen negativ, die Pumpe 5 arbeitet in diesem Zeitabschnitt als Hydromotor und muss das Fluid aus dem Zylinder des Aktors aufnehmen. Würde die Pumpe 5 allein mit diesem zweiten Soll-Drehzahl- Anteil CÜ_SET2 angetrieben werden, würde kein Ausgangsdruck Ρουτ aufgebaut werden.

Die beiden Soll-Drehzahl- Anteile CÜ_SETI und CÜ_SET2 werden im Addierer la addiert. Wie bereits in Fig.5 beschrieben, wird aus der Differenz des Druck-Sollwerts P_SET und des Druck- Istwerts P_FBK, ermittelt über den Drucksensor 113 (in Fig.6 nicht dargestellt), mittels des Vergleichers lc und dem PID Regler 2 die Korrekturdrehzahl CÜ_ERR gebildet. Am Ausgang des Addierers lb wird sodann die Soll-Drehzahl CO_SET wie folgt erhalten:

CÜSETI ⁼ CÜSETI + CÜSET2 + CÜERR (10) mit: CÜ_SETI = Anteil für Volumenstrom,

osET2 = Anteil für Druckaufbau,

CÜ_ERR = Anteil zur Kompensation von Nichtlinearität und Störungen

Der nun gewonnene Drehzahl-Sollwert CO_SET wird, wie in Fig.5 beschrieben, dem Verstärker 3 als Stellgröße übergeben.

In Fig.6 ist bereits angedeutet, dass eine Vorrichtung 8 als Verbraucher an die Pumpe 5 angeschlossen ist. Diese Vorrichtung 8 weist einen Aktor auf, der durch das Hydraulikantriebsystem 10 angetrieben wird. Beispielsweise ist der Aktor ein Zylinder, welcher ein Ziehkissen als Element in einer Tiefzieh- Vorrichtung abstützt, wie sie beispielsweise in Fig.7 dargestellt ist. Ein Sensorelement (nicht dargestellt) am oder im Aktor erfasst den Druck-Istwert P_FBK, der mittels eines ersten AD- Wandlers 6a dem Vergleicher lc bereitgestellt wird.

Zudem ist in Fig.6 angedeutet, dass der Vorrichtung 8 der Volumenstrom Q_SET entnommen wird, der entsprechende Wert wird mittels eines zweiten AD-Wandlers 6b der Recheneinheit 9b zugeführt, um den zweiten Soll-Drehzahl-Anteil CÜ_SET2 ZU ermitteln. Dieser Volumenstrom Q_SET wird mittels eines an einem weiteren Element, beispielsweise das Ober- Werkzeug oder UnterWerkzeug einer Tiefzieh- Vorrichtung der Fig.7, angebrachten Sensorelements (nicht dargestellt) erfasst, wobei das weitere Element das Hydraulikantriebssystem 10 beeinflusst.

Der Soll- Volumenstrom Q_SET kann beispielsweise einfach aus einer Aktor-Geschwindigkeit und einer Aktor- Wirkfläche bzw. einer Element-Geschwindigkeit und Element- Wirkfläche ermittelt werden. Das Geschwindigkeitssignal kann beispielsweise durch eine Ableitung (Differenzierung) eines mittels Sensorelements erfassten Weges ermittelt werden. Aus der 1. Ableitung der Position des Aktors oder des Elements kann beispielsweise auf die Geschwindigkeit des weiteren Aktors rückgeschlossen werden. Es gilt:

V_Aktor = d/dt POS_Aktor (Π) mit: V_{A OI} = Geschwindigkeit des Aktors/Elements,

POSAktor = Position des Aktors/Elements.

Der Volumenstrom Q_SET berechnet sich dann zu:

QsET = VAktor * Awirk (12) mit: Awirk = Wirkfläche des Aktors/Elements

Mit dem ermittelten Volumenstrom Q_SET kann dann der zweite Soll-Drehzahl- Anteil CÜ_SET2 gemäß Gleichung (9) gebildet werden. In einer weiteren Ausführung kann der Volumenstrom Q_SET auch direkt aus der Weg/Zeit- Vorgabe einer übergeordneten Bewegungssteuerung erfolgen. Beispielsweise ist die Geschwindigkeit von einem Element der Vorrichtung 8, beispielsweise dem Oberwerkzeug und/oder dem Ziehkissen, einer übergeordneten CNC Steuerung bekannt. Diese kann bei einem Kurbeltrieb für das Oberwerkzeug z.B. aus der Winkelposition und Winkelgeschwindigkeit des Kurbeltriebs berechnet werden. Diese CNC kann somit die Rechengröße VAktor oder das Rechenergebnis Q_SET direkt der Recheneinheit 9 zuführen. Fig.7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 8 der Fig.6 gemäß dem Stand der Technik. Die Vorrichtung 8 ist beispielsweise eine Tiefzieh- Vorrichtung, die mit dem Hydraulikantriebsystem 10 verbunden und von diesem zumindest teilweise angetrieben wird.

Bei der in Fig.7 gezeigten Vorrichtung 8 ist eine Auflage 105 vorgesehen. Ein Ziehkissentisch 107, wird als Element vorgesehen, um ein Material 108 auf dessen Oberseite anzuordnen. Das angeordnete Material 108 wird mittels der Vorrichtung 8 geformt, beispielsweise in einem Zieh- Vorgang, um daraus ein Bauteil zu fertigen. Das Material 108 ist dazu in einem Material-Halter 109 eingespannt. Der Ziehkissentisch 107 wird mittels eines Hydraulikzylinders 106 bewegt, wodurch ein Ziehstempel 112 in vertikaler Richtung bewegt wird. Ein Po sitions- Sensorelement 114 ist vorgesehen, um die Position POS_AKTOR des Ziehkissentisches 107 zu erfassen. Der Hydraulikzylinder 106 wird mittels des Hydraulikantriebsystems 10 bestehend aus Verstärker 3, Motor 4 und Pumpe 5 in vertikaler Richtung bewegt und bewegt so den Ziehkissentisch 107 und damit auch den Ziehstößel 112. Ein weiteres Positions-Sensorelement 114 ist vorgesehen, um die Position POS_AKTOR des Hydraulikzylinders 106 zu erfassen. Ein durch die Pumpe 5 erzeugter Druck wird mittels Drucksensor 113 erfasst, um den Druck-Istwert P_PFK ZU erfassen.

Ein weiteres Element 110, hier ein Oberwerkzeug, wird in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung in Fig.7 durch einen Kurbelmechanismus mittels einer nicht gezeigten Antriebsvorrichtung bewegt. Das weitere Element 110 umfasst beispielsweise eine Matrize 111 und einen Stößel 115. Ein weiteres Positions-Sensorelement 114 ist vorgesehen, um die Position POS_AKTOR des weiteren Elements 110, beispielsweise der Matrize 111, zu erfassen. Die Funktionsweise der Vorrichtung wird mit der Figurenbeschreibung zu Fig.8 erläutert. Zum Vorgang des Tiefziehens und den entsprechenden technischen Ausgestaltungen und Kraftwirkungen wird auf das Fachbuch „Handbuch der Umformtechnik", Springer- Verlag, Auflage 1, 1996, Herausgeber Schuler GmbH, insbesondere das Kapitel 4 verwiesen.

Fig.8 zeigt beispielhafte Signalverläufe für die erfindungsgemäße Regelung des Ausgangsdrucks Ρουτ unter Verwendung von Aktoren und deren Sensordaten.

Fig.8 zeigt einen Weg-Zeit- Verlauf des weiteren Elements 110, auch als Oberwerkzeug oder „Slide" bezeichnet, und den Weg-Zeit- Verlauf des Elements 107, auch als Ziehkissen oder„Die Cushion, kurz: DC" bezeichnet.

Das weitere Element 110 kann beispielsweise mittels des Kurbelmechanismus auf- und abwärts bewegt werden. Im Falle eines Kurbelmechanismus folgt das weitere Element 110 dem Verlauf einer Cosinus-Funktion. Bei alternativen servo-elektrischen oder servo -hydraulischen Antrieben kann das weitere Element 110 jede beliebige Weg-Zeit-Beziehung sein.

Aus dem Verlauf der Fig.8 oben ist gut zu erkennen, dass das Element 107 auf einer Kollisionsposition CP wartet und sich die Position zunächst nicht verändert. Sobald das weitere Element 110 durch den Kurbelmechanismus in der Kollisionsposition CP zum Zeitpunkt tcp auf das Element 107 auftrifft, bestimmt das weitere Element 110 das Weg-Zeit- Verhalten des Elements 107 bis zu einem unteren Totpunkt BDC zu einem weiteren Zeitpunkt t_ßDc- In der Zeitspanne zwischen den beiden Zeitpunkten t_Cp und t_ßDc erfolgt der Ziehprozess des Materials 108. Nachdem das weitere Element 110 durch den Kurbelmechanismus aufwärts bewegt wird und dabei vom Element 107 abhebt, erfolgt die regelungstechnisch unkritische Rückbewegung des Elements 107 zurück zum Kollisionspunkt CP, sodass nach zwischenzeitlicher Entnahme des gefertigten/geformten Bauteils, ein neues Material 108 aufgelegt werden kann. In dem unteren Signalverlauf der Fig.8 ist zudem für den Ziehprozess der Druck-Sollwert P_SET für die erfindungsgemäße Druckregelung des Ausgangsdrucks Ρουτ gezeigt. Dies kann gemäß dem ersten Verlauf a ein konstanter Druck oder jeder andere beliebige Verlauf b, beispielsweise gemäß einer Look-Up-Table LUT sein. Dieser wird mit dem mittels Drucksensor 113 erfassten Druck- Istwert P_PFK verglichen.

Im Rahmen der Erfindung können alle beschriebenen und/oder gezeichneten und/oder beanspruchten Elemente beliebig miteinander kombiniert werden.

BEZUGSZEICHENLISTE UND ABKÜRZUNGEN

1 a,b Addierer

lc Vergleicher

2 PID-Regler

3 Verstärker

4 Motorischer Antrieb

5 Pumpe

6 a,b Analog-Digital- Wandler

7 Frequenzumrichter

8 Vorrichtung zum Tiefziehen mit hydraulischem Aktor 9 a,b Recheneinheit

10 Hydraulikantriebsystem

100 Verfahren

- 104 Verfahrensschritte

105 Auflage

106 Zylinder

107 Ziehkissentisch

108 Material, Platine

109 Material-Halter

1 10 Weiteres Element - Oberwerkzeug

1 1 1 Matrize

1 12 Ziehstempel

1 13 Drucksensor

1 14 Sensorelement für Positionserfassung

1 15 Stoß el- Auswerfer

AwiRK Wirkfläche des Aktor/Zy linder

a Konstanter Solldruck beim Ziehvorgang

b Beliebiger Solldruck beim Ziehvorgang

BDC Unterer Totpunkt des Oberwerkzeugs

CP Kollisionspunkt zwischen Oberwerkzeug und Ziehkissen

DC Ziehkissen

IMOT Motor-Strom

Is Ständer- Strom

IsET Strom-Sollwert

JMOTOR Rotorträgheit Motor

JPUMP Rotorträgheit Pumpe

JTOTAL Gesamtrotorträgheit

MFRICT Mechanische Reibung der Pumpe

MOT Motor-Drehmoment

MPOUT Drehmoment der Pumpe, hydrostatisches Lastmoment

PERR Fehler-Druck P_FBK Druck-Istwert

P_MAX Maximal-Druck

Ρουτ Ausgangsdruck

P_SET, Pc_MDÜruck-Sollwert

Q_OU_T Ausgangs-Fördervolumen der Pumpe im Betrieb

Q_P Fördervolumen der Pumpe pro Umdrehung

Q_SET Sollfördervolumen der Pumpe im Betrieb

Rs Ständerwicklungs- Wirkwiderstand

R_r Rotorwicklungs- Wirkwiderstand

s Wegstrecke des weiteren Aktor

t Zeit

t_ßDc Zeitpunkt unterer Totpunkt

tcp Zeitpunkt Kollisionspunkt

Ud Differenzspannung

Us Ständerspannung

Up Polradspannung

VAktor Geschwindigkeit des weiteren Aktor

Xs Ständerwicklungs-Blindwiderstand

X_r Rotorwicklungs-Blindwiderstand

Xd Blindwiderstand Synchronmotor - Synchrone Reaktanz

α Winkelbeschleunigung

ω Drehzahl

CÜ_ERR Fehlerdrehzahl der Pumpe zur Kompensation von Nichtlinearitäten, Störungen

CO_IN Eingangs-Drehzahl

M_AX Maximaldrehzahl der Pumpe

copMAx Drehzahl der Pumpe zur Erzeugung des Maximaldrucks gegen blockierten Druckausgang

CO_SET Soll-Drehzahl der Pumpe

CO_SETI Erster Soll-Drehzahl- Anteil für Druckaufbau der Pumpe

CO_SET2 Zweiter Soll-Drehzahl- Anteil für Volumenstrom der Pumpe

CO_SETI+₂ Soll-Drehzahl-Hauptanteil als Vorsteuersignal

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren (100) zur Regelung des Ausgangsdrucks (Ρουτ) eines Hydraulikantriebsystems (10) unter Verwendung einer Drehzahl (ω) als Stellgröße, wobei das Hydraulikantriebsystem (10) eine Hydraulikpumpe (5) und einen die Hydraulikpumpe (5) antreibenden motorischen Antrieb (4) aufweist, mit den Verfahrensschritten:

Ermitteln (101) eines Soll-Drehzahl-Hauptanteils (CÜ_SETI+2) des motorischen Antriebs (4) als Vorsteuersignal;

Ermitteln (102) einer Fehlerdrehzahl (CÜ_ERR) als Regelabweichung aus einem Vergleich eines Druck-Istwertes (P_FBK) des Hydraulikantriebsystems (10) und einem Druck-Sollwert (PS_ET) des Hydraulikantriebsystems (10) und anschließender Regelverstärkung;

Addieren (103) des ermittelten Soll-Drehzahl-Hauptanteils (CÜ_SETI+2) ZU der ermittelten Fehlerdrehzahl (CÜ_ERR) zum Bilden einer Soll-Drehzahl (CÜ_SET) als die Stellgröße; und

Umsetzen (104) der gebildeten Soll-Drehzahl (CÜ_SET) in eine Eingangs-Drehzahl (cOi_n) des motorischen Antriebs (4) zum Antreiben des Hydraulikantriebsystems (10) mit der umgesetzten Drehzahl (ω;_η) zum Erzeugen des geregelten Ausgangsdrucks (Ρουτ) des Hydraulikantriebsystems (10), der den Druck-Istwert (P_FBK) darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der ermittelte Soll-Drehzahl-Hauptanteil (CÜ_SETI+2) einen ersten Soll-Drehzahl-Anteil (COS_ETI) und einen zweiten Soll-Drehzahl-Anteil (CÜS_ET2) umfasst, wobei der erste Soll-Drehzahl- Anteil (COS_ETI) aus dem Druck-Sollwert (PS_ET) gebildet wird und der zweite Soll-Drehzahl-Anteil (CÜS_ET2) aus einem Volumenstrom-Sollwert (QS_ET) des Hydraulikantriebsystems (10) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Soll-Drehzahl- Anteil (CO_SETI) aus dem Druck- Sollwert (P_SET), einem Maximaldruck (P_MAX) der Hydraulikpumpe (5) und einem Drehzahlparameter (CÜ_PMAX) des motorischen Antriebs (4) zur Erzeugung des Maximaldrucks (P_MAX) errechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der zweite Soll-Drehzahl-Anteil (CO_SET2) aus dem Volumenstrom-Sollwert (Q_SET) und einem Fördervolumenparameter (Q_P) des Hydraulikantriebsystems (10) errechnet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei der Volumenstrom- Sollwert (Q_SET) des Hydraulikantriebsystems (10) unter Verwendung zumindest eines Parameters eines vom Hydraulikantriebsystem (10) angetriebenen Aktors und/oder Elements (128) oder eines das Hydraulikantriebsystem (10) beeinflussende Elements (110) ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zumindest eine Parameter mittels Sensorelement ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Vorzeichen des ersten Soll- Drehzahl-Anteils (COS_ETI) dem Vorzeichen des zweiten Soll-Drehzahl-Anteils (CÜS_ET2) entgegengesetzt ist.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für ein Hydraulikantriebsystem (10) einer Vorrichtung (8), bevorzugt eingerichtet zum aktiven hydromechanischen Tiefziehen von Bauteilen.

9. Hydraulikantriebsystem (10) zum Antreiben eines Elements (128), bevorzugt eines Elements (128) in einer Vorrichtung (8), wobei ein Ausgangsdruck (Ρουτ) des Hydraulikantriebsystems (10) gemäß einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7 geregelt wird, und dazu der Druck-Istwert (P_FBK) mittels Druck-Sensor (113) ermittelt wird, aufweisend:

eine Hydraulikpumpe (5),

einen motorischen Antrieb (4), und

einen Verstärker (3).

10. Hydraulikantriebsystem (10) nach Anspruch 9,

wobei das Hydraulikantriebsystem (10) das Element (128) antreibt oder von einem weiteren Element (110) der Vorrichtung (8) beeinflusst wird;

wobei das Element (128) bzw. das weitere Element (110) zumindest ein Sensorelement (114) zum Ermitteln eines Bewegungs-Parameters (s, v, CP, BDP) des Element (128) oder des weiteren Element (110) umfasst; und

wobei der Parameter (s, v, CP, BDP) für die Ermittlung des Soll-Drehzahl-Hauptanteils (CÜSETI+₂) verwendet wird.