DE102022203051B3

DE102022203051B3 - Verfahren zum Betreiben einer drehzahlvariablen Pumpe

Info

Publication number: DE102022203051B3
Application number: DE102022203051.6A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bonefeld; Arnold Engber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2042-03-30
Also published as: EP4253754A1; CN116892502A; EP4253754B1; FI4253754T3

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 (VPu,Soll) für eine das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so, dass ein Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs (121) höchstens einem Spitzen-Antriebsmoment (Man,max) des Antriebs (121) oder einem Dauer-Antriebsmoment (Man,0) des Antriebs (121) entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer drehzahlvariablen Verstellpumpe, bei der ein in einem Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel verstellbares Förderwerk mittels eines drehzahlvariablen Antriebs angetrieben wird, sowie ein elektrohydraulisches System.
Der Erfindung zugrundeliegende Pumpen weisen ein Förderwerk mit variablem Verdrängungsvolumen pro Arbeitsspiel (sog. hydraulische Verdrängermaschine, z.B. Axialkolbenmaschine) auf, welches mittels eines Antriebs mit variabler Drehzahl angetrieben wird. Beim Betrieb solcher Pumpen werden üblicherweise der Volumenstrom und/oder der Förderdruck (d.h. Druckdifferenz zwischen Zulauf und Ablauf) durch entsprechende Anpassung des Verdrängungsvolumens des Förderwerks und der Drehzahl geregelt, d.h. solche Pumpen besitzen zwei Freiheitsgrade bei der Regelung.
Aus der EP 2 192 309 B1 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem eine solche Pumpe betrieben wird, indem ein Druck bzw. eine Druckmittelmenge durch Ansteuern der Volumeneinstellung der Pumpe geregelt wird. Dabei wird eine Drehzahlabweichung des Antriebs berücksichtigt.
Die DE 10 2019 220 322 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer drehzahlvariablen Verstellpumpe, bei der ein in einem Verdrängervolumen je Arbeitsspiel verstellbares Förderwerk mittels eines drehzahlvariablen Antriebs angetrieben wird, wobei im Rahmen einer Regelung wenigstens eine Größe durch Vorgabe eines Drehzahlsollwerts für eine Drehzahl des Antriebs und eines Sollwerts für eine das Verdrängervolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße auf einen Sollwert geregelt werden, wobei der Drehzahlsollwert bei einer Änderung des Sollwerts für die das Verdrängervolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße im Wege einer Vorsteuerung angepasst wird.
Die DE 10 2013 006 137 A1 betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für mindestens einen hydraulischen Aktor, der von einer drehzahlvariablen Verstellpumpe, bei der ein in einem Verdrängervolumen je Arbeitsspiel verstellbares Förderwerk von einem drehzahlvariablen Antrieb angetrieben wird, mit einer Druckmittelmenge versorgt wird, die durch ein vorgegebenes Druck- und/oder Volumenstrom-Profil bestimmt ist, wobei ein Drehzahlsollwert und ein Sollwert für die das Verdrängervolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße für einen Verfahrensablauf vorgegeben werden, indem ein modellbasiertes Optimierungsproblem, das durch eine Zielfunktion für den Verfahrensablauf vorgegeben wird, gelöst wird.
Die DE 10 2012 016 780 B4 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidpumpe, bei der ein je Umdrehung ein Fördervolumen förderndes Förderwerk von einem mit einer Drehzahl rotierenden elektrischen Antrieb angetrieben wird, wobei das Förderwerk verstellbar und der Antrieb drehzahlvariabel ausgebildet ist, wobei ein Ist-Volumenstrom auf einen Soll-Volumenstrom und/oder ein Ist-Förderdruck auf einen Soll-Förderdruck geregelt wird, indem bei festem Fördervolumen die Drehzahl des Antriebs als Stellgröße vorgegeben wird, wobei in einem Volllastbetrieb des Antriebs ein erstes, größeres Fördervolumen vorgegeben wird und in einem Teillastbetrieb des Antriebs ein zweites, kleineres Fördervolumen vorgegeben wird.
Die DE 10 2007 007 005 B4 betrifft eine elektrohydraulische Steueranordnung zur Ansteuerung eines hydraulischen Verbrauchers, umfassend eine hinsichtlich ihres Verdrängungsvolumens verstellbare Fluidpumpe, einen zum Antreiben der Fluidpumpe an diese gekoppelten drehzahlvariablen elektrischen Antrieb sowie eine Druckerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Fluiddrucks, wobei ein Hauptregelkreis vorgesehen ist, dessen Stellglied ein Drehzahlstellglied des elektrischen Antriebs ist und durch den der Fluiddruck und/oder eine nachgeordnete Stellgröße erfassbar und regelbar ist, und mittels einer Nebenstellkette ein Verdrängungsvolumenstellglied der Fluidpumpe in Abhängigkeit von dem erfassten Fluiddruck ansteuerbar ist, wobei die Nebenstellkette nach Maßgabe eines ihr zugeführten Drucksollwerts auf das Verdrängungsvolumenstellglied im Sinne einer Druckregelung einwirkt, wobei der Hauptregelkreis und die Nebenstellkette im Sinne einer ablösenden Druck-/Geschwindigkeitsregelung des Verbrauchers zusammenwirken, und wobei in einem Druckbegrenzungsbetrieb das Drehzahlstellglied mit einem vorgegebenen reduzierten Drehzahlwert beaufschlagt wird und in einem Geschwindigkeitsbegrenzungsbetrieb das Verdrängungsvolumenstellglied auf seinen Maximalwert gestellt ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik soll die Erfindung eine Entkopplung des Antriebsmoments des Antriebs vom Lastdruck des angetriebenen Förderwerks durch Einstellung des Verdrängungsvolumens mit dem Ziel einer optimalen Motorauslastung schaffen.
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und ein elektrohydraulisches System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beschäftigt sich die Erfindung mit dem Betreiben einer drehzahlvariablen Verstellpumpe wie insbesondere einer Axialkolbenpumpe mit z.B. Proportionalverstellung, bei der ein in einem Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel verstellbares Förderwerk mittels eines drehzahlvariablen Antriebs wie z.B. eines Elektromotors angetrieben wird. Zur Verstellung des Förderwerks kann bei einer solchen Verstellpumpe z.B. eine sog. Schwenkscheibe vorgesehen sein. Auf Basis des Lastmoments (insbesondere Lastdruck bzw. Differenzdruck) an der Pumpe sowie Lastkennwerten des Antriebsmotors (z.B. Spitzen- und Dauerantriebsmoment, max. Überlastzeit (=Dauer des max. Moments)) wird zur Begrenzung des Antriebsmoments ein zielführender Sollwert für das Verdrängungsvolumen generiert. So schafft die Erfindung eine Entkopplung des Antriebsmoments des Antriebs vom Lastdruck des angetriebenen Förderwerks durch Einstellung des Verdrängungsvolumens mit dem Ziel einer optimalen Motorauslastung.
Der Strom bzw. das Antriebsmoment elektrischer Antriebe ist zumeist thermisch begrenzt und abhängig von der Belastungsdauer. Hydrostatische Motor-Pumpen-Einheiten müssen aber oftmals hohe Lastdrücke über relativ lange Zeit zur Verfügung stellen. Eine geeignete Verstellung des Verdrängungsvolumens entkoppelt hier Druck und Antriebsmoment. Die Erfindung verhindert eine Überlastung des Antriebs. Im Rahmen der Erfindung wird das Verdrängungsvolumen so vorgegeben, dass es stets durch den elektrischen Antrieb aufgebracht werden kann. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei Pumpen, die mit einer Verstelleinrichtung zur gezielten Beeinflussung ihres Verdrängungsvolumens aufgrund steuerungstechnischer Vorgaben ausgestattet sind. Insbesondere können zwei Betriebszustände, statisch und dynamisch, mit unterschiedlichen Vorgaben des Verdrängungsvolumens unterschieden werden
Erfindungsgemäß 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.
Erfindungsgemäß werden aus dem Lastmoment und dem Spitzen-Antriebsmoment des Antriebs nach Maßgabe einer ersten Filterfunktion mit zeitlicher Verzögerung, insbesondere einer PDT1-Funktion, eine erste Stellgröße, und aus dem Lastmoment und dem Dauer-Antriebsmoment des Antriebs nach Maßgabe einer zweiten Filterfunktion mit zeitlicher Verzögerung, insbesondere einer PDT1-Funktion, eine zweite Stellgröße bestimmt, wobei der Sollwert für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße anhand der kleineren der ersten und zweiten Stellgröße vorgegeben wird. Damit lässt sich eine Betriebszustands- bzw. Lastgradientenabhängigkeit mit einem vorgebbaren zeitlichen Verlauf implementieren, insbesondere so, dass quasi automatisch ein rechtzeitiger Wechsel von dem Spitzen-Antriebsmoment auf das Dauer-Antriebsmoment stattfindet, bevor der Motor beschädigt wird. Dazu hat vorzugsweise die erste Filterfunktion eine geringere zeitliche Verzögerung als die zweite Filterfunktion, vorzugsweise null.
Vorzugsweise wird in einem dynamischen Betriebszustand der Sollwert für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so vorgegeben, dass das Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs größer ist als das Dauerantriebsmoment und höchstens dem Spitzen-Antriebsmoment des Antriebs entspricht. Auf diese Weise erfolgt die Steuerung bzw. Regelung des Verdrängungsvolumens so, dass dynamische Betriebszustände unter Ausnutzung der Eckleistung bzw. Spitzenleistung des elektrischen Antriebs realisiert werden.
Insbesondere wird in dem dynamischen Betriebszustand der Sollwert für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so vorgegeben, dass das Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs höchstens für eine zulässige Überlastzeit höchstens dem Spitzen-Antriebsmoment des Antriebs entspricht. Damit kann die Spitzenleistung so lange wie möglich abgerufen werden. Es kann zusätzlich vorgesehen sein, die Überlastzeit unter Verwendung einer ermittelten (insbesondere gemessen (z.B. mittels eines Temperaturfühlers) bzw. geschätzten) thermischen Antriebsauslastung anzupassen. Somit kann eine thermische Schädigung des Antriebs vermieden werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem statischen Betriebszustand der Sollwert für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so vorgegeben, dass das Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs höchstens dem Dauer-Antriebsmoment des Antriebs entspricht. Damit kann ein Langzeit- bzw. Dauerbetrieb sichergestellt werden; stationäre Betriebszustände werden unter Ausnutzung der Nennleistung des elektrischen Antriebs realisiert.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. eine Steuer- und/oder Regeleinheit für eine drehzahlvariable Verstellpumpe mit drehzahlvariablem Antrieb, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein elektrohydraulisches Antriebssystem wie z.B. eine elektrohydraulische Achse umfassend eine drehzahlvariable Verstellpumpe mit einem drehzahlvariablen Antrieb sowie eine erfindungsgemäße Recheneinheit.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

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.
2 zeigt einen Signalflussplan eines Steuerschemas gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt beispielhafte Verläufe von Betriebsgrößen Druck, Antriebsmoment und Fördervolumen bei Anwendung eines Steuerschemas gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

In 1 ist ein elektrohydraulisches System 100, wie es der Erfindung zugrunde liegen kann, schematisch dargestellt. Das elektrohydraulische System 100 weist einen als Hydraulikzylinder 110 mit einem entlang einer x-Achse beweglichen Kolben 111 ausgebildeten Aktor auf, der von einer drehzahlvariablen Verstellpumpe 120 betätigt wird. Zwischen der drehzahlvariablen Verstellpumpe 120 und dem Hydraulikzylinder 110 ist ein Hydraulikkreislauf 130 mit z.B. Öl als Medium bzw. Betriebsmedium angeordnet.
Die drehzahlvariable Verstellpumpe 120 weist einen als Elektromotor 121 ausgebildeten drehzahlvariablen Antrieb und ein Förderwerk 122 auf und ist beispielsweise als Axialkolbenpumpe in Schwenkscheibenbauweise ausgebildet. Durch Verstellung des Winkels der Schwenkscheibe, also des sog. Schwenkwinkels, kann das Verdrängungsvolumen des Förderwerks je Arbeitsspiel verändert werden.
Eine Steuer- und/oder Regeleinheit 140 ist programmtechnisch zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Im gezeigten Beispiel weist sie mehrere Module 141, 142, 143 auf, hier ein Steuermodul 141, ein Drehzahlregelmodul 142 und ein Verdrängungsvolumenregelmodul 143. Es sei jedoch klargestellt, dass die einzelnen Module nicht in einer Einheit verbaut und auch nicht programmtechnisch realisiert sein müssen. Insbesondere ein Verdrängungsvolumenregelmodul 143 ist häufig beispielsweise als analoger Schwenkwinkelregler ausgeführt.
Dem Drehzahlregelmodul 142 werden ein Drehzahlsollwert n_soll und ein Drehzahlistwert n_ist zugeführt, woraus nach üblichen Regel-oder Steuerverfahren z.B. unter Verwendung von P- und/oder I- und/oder D-Übertragungsfunktionen ein Sollwert M_An für ein Antriebsdrehmoment bestimmt wird. Der Drehzahlsollwert kann z.B. als gesteuerte Vorgabe von einem Benutzer oder Stellwert eines überlagerten Druck-/Kraft-/Lage-/Geschwindigkeitsreglers für den Hydraulikkreis oder die Abtriebsmaschine (z.B. Zylinder oder Hydraulikmotor) stammen.
Dem Verdrängungsvolumenregelmodul 143 werden ein Verdrängungsvolumensollwert V_PU,soll und ein Verdrängungsvolumenistwert V_PU,ist zugeführt, woraus nach üblichen Verfahren eine Stellgröße für das Förderwerk bestimmt wird.
Zum Erfassen des Drucks p₁, p₂ vor und hinter dem Förderwerk sind vorliegend zwei Drucksensoren vorgesehen.
Dem Steuermodul 141 werden die Druckwerte p₁, p₂ und der (Soll- oder Ist-)Wert M_An (bei elektrischen Maschinen ist die Zeitkonstante im Vergleich zur Hydraulik deutlich kürzer, so dass bei dieser Betrachtung Soll- und Istwert immer als gleich angesehen werden können für das Antriebsdrehmoment zugeführt, woraus der Sollwert für das Verdrängungsvolumen bestimmt wird. Das Antriebsmoment kann hier vorzugsweise herangezogen werden, um einen (zusätzlich zur äußeren Last vorhandenen, nicht vernachlässigbaren) Anteil der Reibung am Gesamtmoment zu berücksichtigen. Wie unten dargestellt, wird er insbesondere in Form eines zusätzlichen Lastdrucks berücksichtigt.
Hydrostatische Pumpen stellen einen Volumenstrom zur Verfügung, der im Wesentlichen dem Produkt von Drehzahl und der durch das Verdrängungsvolumen gekennzeichneten Pumpenbaugröße proportional ist. Dabei erfolgt der Durchfluss abhängig von der Drehrichtung von einem Arbeitsanschluss zum anderen. Herrschen an den Arbeitsanschlüssen verschiedene Drücke p₁, p₂, so muss eine Antriebsmaschine ein entsprechendes Moment zur Verfügung stellen. Das notwendige Moment ist proportional zum Produkt aus der Druckdifferenz und der durch das Verdrängungsvolumen gekennzeichneten Pumpenbaugröße.
Durch eine Verstelleinrichtung für das Verdrängungsvolumen der Pumpe und eine geeignete Betriebsstrategie kann der Einsatzbereich der Motor-Pumpen-Einheit gegenüber einem System mit Konstantpumpe wesentlich erweitert werden, indem bei niedrigen Lastdrücken ein hoher Volumenstrom zur Verfügung gestellt werden kann, während bei hohen Lastdrücken der Antriebsmotor nicht überlastet wird. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt sowohl die Begrenzung des Dauerdrehmoments M₀ als auch des Spitzendrehmoments M_max und erlaubt dabei die zeitlich begrenzte Ausnutzung der Maximalleistung des Antriebsmotors / des Umrichters.
Eine Druckdifferenz am Pumpentriebwerk erfordert/erzeugt ein proportionales Moment M_L,P an der Pumpenwelle gemäß: $M_{L, p} = \frac{V_{P u, I s t}}{2 \cdot π} \cdot (p_{1} - p_{2})$
Eine Drehzahl erzeugt näherungsweise (abzüglich Leckagevolumenströmen) einen Volumenstrom gemäß: $Q_{P u} = V_{P u, I s t} \cdot n$
Insgesamt lautet die Momentenbilanz am Triebwerk der Motor-Pumpeneinheit: $J_{MoPu} \cdot \ddot{φ} = M_{a n} - M_{L, p} - M_{R, g e s}$
wobei J_MoPu das Trägheitsmoment der Einheit ist, φ̈ die Drehwinkelbeschleunigung und M_R,ges das Gesamt-Reibmoment am Triebwerk.
Bei einer Begrenzung des Motormoments M_an auf einen Grenzwert M_an,max muss daher als Minimalforderung gelten: $M_{L, P} \leq M_{a n, m a x}$
um die Kontrolle über die Antriebsdrehzahl zu behalten und ein ungewolltes Absinken derselben zu verhindern.
Diese Bedingung kann durch eine geeignete Verstellung des Verdrängungsvolumens wie folgt erfüllt werden: $\frac{V_{P u, S o l l, S p i t z e}}{V_{P u, m a x}} \leq \frac{2 \cdot π}{V_{P u, m a x}} \cdot \frac{M_{a n, m a x}}{| p_{1} - p_{2} | + | {\hat{p}}_{R, g e s, s c h \ddot{a} t z} |}$
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 V_PU,max bezogen ist, und das tatsächliche Verdrängungsvolumen ebenso als relationale Größe angegeben ist. Die reale (gesamte) Reibung am Triebwerk kann als geschätzte zusätzliche Druckdifferenz P̂_{R,ges,schätz} berücksichtigt werden, die aus dem Antriebsmoment und dem Fördervolumen abgeleitet wird.
Für Gleichung 5a kann eine alternative Form angegeben werden, wenn für das relative Verdrängungsvolumen die relative Größe α eingeführt wird. Damit ergibt sich die Forderung: $α_{S o l l, S p i t z e} \leq \frac{2 \cdot π}{V_{P u, m a x}} \cdot \frac{M_{a n, m a x}}{| p_{1} - p_{2} | + | {\hat{p}}_{R, g e s, s c h \ddot{a} t z} |}$
welche in Abhängigkeit vom jeweils anstehenden Lastdruck die Pumpenverstellung so ausführt, dass das Spitzenmoment des Motors nicht durch das Abtriebsmoment überschritten wird.
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: $α_{S o l l, D a u e r} \leq \frac{2 \cdot π}{V_{P u, m a x}} \cdot \frac{M_{a n,0}}{| p_{1} - p_{2} | + | {\hat{p}}_{R, g e s, s c h \ddot{a} t z} |}$
Da M_an,0 ≤ M_an,max ist, würde bei einer direkten Anwendung der Regeln für die Momentenbegrenzung wie in Gl. 5b und 6 formuliert das Verdrängungsvolumen stets soweit reduziert werden, dass das Dauerdrehmoment nicht überschritten wird. Eine Nutzung der Eckleistung des Antriebsmotors würde damit verhindert.
Zur (kurzzeitigen) Ausnutzung der Maximalleistung des Antriebs werden daher die aus Gl. 5b und 6 resultierenden Sollwerte für den Schwenkwinkel vorteilhaft gefiltert, um sie zeitlich so zu beeinflussen, dass die Motorauslastung geeignet optimiert wird.
Daraus ergibt sich vorteilhaft die Vorschrift für die Vorgabe eines Pumpen-Verdrängungsvolumens zur Momentenbegrenzung in allgemeiner Form: $α_{S o l l, D a u e r} \leq \frac{2 \cdot π}{V_{Pu,max}} \cdot MIN [\begin{matrix} ƒ (\frac{K_{r e d M 0} \cdot M_{a n,0}}{| p_{1} - p_{2} | + | p_{R, g e s, s c h \ddot{a} t z} |}, ω) \\ g (\frac{K_{r e d M m a x} \cdot M_{a n, m a x}}{| p_{1} - p_{2} | + | {\hat{p}}_{R, g e s, s c h \ddot{a} t z} |}, ω) \end{matrix}]$
Darin berücksichtigen die mit K_redM* bezeichneten Korrekturwerte, dass an einem realen Antriebssystem die Momentengrenzwerte von den Nominalwerten abweichen können.
Technisch vorteilhaft kann ein Filter bzw. eine Filterfunktion g(M_am,max, Δp, ω) so ausgestaltet werden, dass eine dynamische Verzögerung der Verstelleinrichtung kompensiert wird, um die Begrenzung auf das Maximalmoment verzögerungsfrei umzusetzen und damit die Funktionalität auch bei dynamischen Laständerungen zu garantieren. Als Filterfunktion kann vorteilhaft eine PDT1-Übertragungsfunktion verwendet werden.
Weiterhin kann ein Filter bzw. eine Filterfunktion f(M_an,0, Δρ, ω) technisch vorteilhaft so ausgestaltet werden, dass bei ansteigender Last die Verkleinerung des Verdrängungsvolumens zeitlich definiert verzögert wird, um die Spitzenleistung des Antriebs optimal nutzen zu können. Bei abfallender Last jedoch erfolgt die Rückverstellung des Verdrängungsvolumens möglichst verzögerungsfrei, um einen hohen Volumenstrom für den Lastabbau realisieren zu können. Als Filterfunktion kann vorteilhaft eine PDT1-Übertragungsfunktion verwendet werden.
Um insbesondere einen anwendungsbedingten Volumenstrom aufrechtzuerhalten, wird eine Änderung des Verdrängungsvolumens zweckmäßigerweise bei der Drehzahlvorgabe n_soll berücksichtigt. Das Produkt aus Drehzahl und Verdrängungsvolumen ist zum angeforderten bzw. notwendigen Volumenstrom proportional.
Den Signalflussplan einer bevorzugten Umsetzung eines solchen Filterkonzepts ist in 2 gezeigt und insgesamt mit 200 bezeichnet.
Eingangsseitig (links) wird zunächst die Differenz der Druckwerte p₁ und p₂ gebildet und einer Betragsbildung 201 zugeführt. Ebenso wird der Betrag 202 der geschätzten zusätzlichen Druckdifferenz P = P̂_{R,ges,schätz} addiert, um den gesamten maßgeblichen Differenzdruck Δp zu bilden. Dieser wird in einem Divisionsglied 203 bzw. 204 mit dem maximalen Antriebsmoment M_an,max bzw. dem Dauerantriebsmoment M_an,0 verrechnet und anschließend in einem Glied 205, 206 mit den genannten Korrekturwerten und dem Maximalvolumen verrechnet, um die relationalen Volumenstellwerte zu erhalten.
Diese werden einer Filterfunktion 207, 208 zugeführt, welche insbesondere gemäß der nachfolgenden Gleichung ein PDT₁-Übertragungsverhalten darstellt. Die entsprechenden Übertragungsfunktionen lauten: $g : G (s) = \frac{T_{N, S p i t z e} \cdot s + 1}{T_{P, S p i t z e} \cdot s + 1}$
$ƒ : G (s) = \frac{T_{N, D a u e r} \cdot s + 1}{T_{P, D a u e r} \cdot s + 1}$
Die sich ergebenden Ausgangwerte bzw. Stellgrößen α_S,Spitze und α_S,Dauer werden einem Minimalwertglied 209 zugeführt, welches das jeweilige kleinere Verdrängungsvolumen als tatsächliche Stellgröße α_Soll auswählt.

Eine vorteilhafte Parametrierung der Filterparameter lautet wie folgt:

Vorhaltzeit:	T_N,Spitze = T_Stell
Verzögerungszeit:	T_P,Spitze = 0
Vorhaltzeit:	$T_{N, D a u e r} = T_{M a x m o m e n t} \cdot (1 - \frac{1}{e}) \cdot S G N ({\dot{\propto}}_{S, D a u e r, s t a t})$
Verzögerungszeit:	$T_{P, D a u e r} = T_{M a x m o m e n t} \cdot (1 - \frac{1}{e})$

Darin entspricht T_Stell dem Parameter eines vereinfachten Modells der Dynamik der Pumpenverstellung. T_Maxmoment ist diejenige Zeit, die der Antrieb sein Spitzenmoment aufbringen können soll. Diese ist als wesentlicher Betriebsparameter des vorgestellten Verstellstrategie zu sehen und muss kleiner sein als die tatsächliche Zeit, nach der der Antrieb seine thermische Überlastung erreicht. Weiterhin ist e die Eulersche Zahl.
Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens kann durch eine geeignete Schätzeinrichtung die Schätzung des Reibmoments auf die aktuellen Betriebsbedingungen angepasst werden. Eine mögliche Einrichtung wäre ein Integralregler für das statische Motormoment oder andere regelungstechnisch übliche Schätzeinrichtungen wie z.B. Beobachter.
Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens kann unter Verwendung der gemessenen oder geschätzten thermischen Antriebsauslastung über Adaption des Korrekturfaktors K_redM0 der effektive Grenzwert für das Dauerdrehmoment an die vorliegenden Betriebsbedingungen angepasst werden. In ähnlicher Art und Weise kann die zugelassene Überlastzeit T_Maxmoment, welche im Signalfilter Verwendung findet, an die vorliegenden Betriebsbedingungen abgepasst werden.
Einen beispielhaften Verlauf von Betriebsgrößen bei Verwendung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in 3 gezeigt.
Dort sind im oberen Diagramm die Druckdifferenz 301 am Förderwerk sowie ein Antriebsmoment 302 am elektrischen Antrieb in beispielhaften Einheiten gegen die Zeit t ebenfalls in beispielhaften Einheiten aufgetragen. Insbesondere wird dabei ausgehend von einem Zeitpunkt 0 bis zu einem Zeitpunkt ca. 0,85 die Druckdifferenz und damit die Last von 0 bis ca. 100% erhöht.
Im unteren Diagramm sind das Verdrängungsvolumen in Prozent gegen die Zeit t für unterschiedliche Ansteuergrößen aufgetragen. Diese umfassen α_{soll,Dauer,stat} 303, α_{soll,Spitze,dyn} 304, α_{soll,Dauer,dyn} 305, α_{soll,Spitze,stat} 306. Weiterhin ist der sich bei einer beispielhaften Stelldynamik ergebende Ist-Schwenkwinkel α_Ist 307 aufgetragen.
Die beiden Bedingungen für die Begrenzung auf das Maximalmoment bzw. das Dauermoment ergeben bei der gezeigten ansteigenden Druckdifferenz die beiden statischen Schwenkwinkelsollwerte α_{Soll,Dauer,stat} 303 und α_{Soll,Spitze,stat} 306. Nach Filterung durch die entsprechenden Signalfilter 207 und 208 liegen die für die Schwenkwinkelregelung gültigen Sollwerte α_{Soll,Dauer,dyn} 305 und α_{Soll,Spitze,dyn} 304 vor. Das Minimalwertglied 209 führt der Regeleinrichtung 143 für den Schwenkwinkel den zum jeweiligen Zeitpunkt kleineren Wert von α_{Soll,Dauer,dyn} 305 und α_{Soll,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 α_Ist 307 gezeigt ist.
Bei einer vorteilhaften Parametrierung der Filterzeiten kompensiert der Filter 207 für die Spitzenmomentenbegrenzung die Stelldynamik der Regeleinrichtung 143 so, dass der Istwert α_Ist 307 exakt dem statischen Sollwert α_{Soll,Spitze,stat} 306 folgt, so dass das Spitzenmoment trotz begrenzter Stelldynamik des Schwenkwinkelreglers nicht überschritten wird.
Weiterhin ist der Filter 208 für die Dauermomentenbegrenzung mit einer richtungsabhängigen Signalkomponente ausgestaltet, so dass bei Erhöhung des Lastmoments der wirksame Sollwert α_{Soll,Dauer,dyn} 305 dem Filtereingang α_{Soll,Dauer,stat} 303 nacheilt, um die gewünschte zeitlich begrenzte Maximallast der elektrischen Antriebsmaschine ausnutzen zu können, während bei Erniedrigung des Lastmoments der wirksame Sollwert α_{Soll,Dauer,dyn} 305 dem Filtereingang α_{Soll,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 α_Ist 307 exakt dem statischen Sollwert α_{Soll,Dauer,stat} 303 folgt, so dass bei sinkender Last die volle Leistungsfähigkeit der Motor-Pumpen-Einheit trotz begrenzter Stelldynamik des Schwenkwinkelreglers ohne Zeitverzug und unter Einhaltung der Drehmomentenbegrenzung zur Verfügung steht.

Claims

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 (M_An,max) und ein Dauer-Antriebsmoment (M_An,0) hat, angetrieben wird, umfassend: Bestimmen eines Lastmoments (Δp) an der drehzahlvariablen Verstellpumpe (120), in Abhängigkeit von einem Betriebszustand, Vorgeben eines Sollwerts (V_Pu,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 (M_an,0) und höchstens dem Spitzen-Antriebsmoment (M_an,max) des Antriebs (121), oder höchstens dem Dauer-Antriebsmoment (M_an,0) des Antriebs (121) entspricht, wobei die Abhängigkeit von dem Betriebszustand durch eine Abhängigkeit von einer zeitlichen Veränderung des Lastmoments (Δp) an der drehzahlvariablen Verstellpumpe (120) berücksichtigt wird, wobei aus dem Lastmoment (Δp) und dem Spitzen-Antriebsmoment (M_An,max) des Antriebs (121) nach Maßgabe einer ersten Filterfunktion (207) mit zeitlicher Verzögerung (T_P,Spitze) eine erste Stellgröße (α_S,spitze) und aus dem Lastmoment (Δp) und dem Dauer-Antriebsmoment (M_An,0) des Antriebs (121) nach Maßgabe einer zweiten Filterfunktion (208) mit zeitlicher Verzögerung (T_P,Dauer) eine zweite Stellgröße (α_S,Dauer) bestimmt wird, wobei der Sollwert (V_Pu,Soll) für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße anhand der kleineren der ersten und zweiten Stellgröße vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Filterfunktion (207) eine geringere zeitliche Verzögerung (T_P,Spitze) als die zweite Filterfunktion (208) hat, vorzugsweise null.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Filterfunktion (207) und/oder die die zweite Filterfunktion (208) eine PDT1-Übertragungsfunktion mit einer Vorhaltzeit (T_N,Spitze, T_N,Dauer) und einer Verzögerungszeit (T_P,Spitze, T_P,Dauer) sind, wobei die Vorhaltzeit (T_N,Spitze, T_N,Dauer) insbesondere in Abhängigkeit von einer Stelldynamik der Verstelleinrichtung (143) des Förderwerks vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einem dynamischen Betriebszustand der Sollwert (V_Pu,Soll) für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so vorgegeben wird, dass das Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs (121) mehr als dem Dauer-Antriebsmoment (M_An,0) des Antriebs (121) und höchstens dem Spitzen-Antriebsmoment des Antriebs (121) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem dynamischen Betriebszustand der Sollwert (V_Pu,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 (M_An,0) des Antriebs (121) und höchstens dem Spitzen-Antriebsmoment des Antriebs (121) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Überlastzeit unter Verwendung einer ermittelten thermischen Antriebsauslastung angepasst wird, und vorzugsweise in Rückbezug auf Anspruch 3, wobei die zeitliche Verzögerung (T_P,Dauer) der zweiten Filterfunktion (208) in Abhängigkeit von der Überlastzeit vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einem statischen Betriebszustand der Sollwert (V_Pu,Soll) für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße so vorgegeben wird, dass das Antriebsmoment des drehzahlvariablen Antriebs (121) höchstens dem Dauer-Antriebsmoment des Antriebs (121) entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Lastmoments an der drehzahlvariablen Verstellpumpe (120) ein Bestimmen einer Druckdifferenz (Δp) zwischen einem Einlass und einem Auslass des Förderwerks (122) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Lastmoments an der drehzahlvariablen Verstellpumpe (120) ein Bestimmen einer Reibung als zusätzliche Druckdifferenz (p) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Spitzen-Antriebsmoment (M_an,max) des Antriebs (121) und/oder das Dauer-Antriebsmoment (M_an,0) des Antriebs (121) als Produkt mit einem Korrekturfaktor (K_redMmax, K_redM0) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Korrekturfaktor (K_redMmax, K_redM0) unter Verwendung einer ermittelten thermischen Antriebsauslastung angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend: Vorgeben eines Sollwerts (n_Soll) für die Drehzahl des drehzahlvariablen Antriebs (121) in Abhängigkeit von dem Sollwert (V_Pu,Soll) oder einem Istwert (V_Pu,Sst) für die das Verdrängungsvolumen je Arbeitsspiel bestimmende Kenngröße.
Recheneinheit (140), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Elektrohydraulisches System (100) umfassend eine drehzahlvariable Verstellpumpe (120) mit einem drehzahlvariablen Antrieb (121) und eine Recheneinheit (140) nach Anspruch 13.
Computerprogramm, das die Recheneinheit (140) des elektrohydraulischen Systems (100) nach Anspruch 14 veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (140) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 15.