DE4327313C2 - Verfahren zur Druckregelung einer hydrostatischen Maschine mit verstellbarem Fördervolumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckregelung einer hydrostatischen Maschine mit verstellbarem Volumen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In Fig. 1 der beigefügten Zeichnung ist eine bekannte Druck- und Schwenkwinkelregelung einer Verstellpumpe 1 dargestellt (siehe Mannesmann Rexroth RD 67016/06.93 Elektrisches Regel­ system . . .). Die Verstellpumpe 1, insbesondere eine Axial­ kolben-Verstellpumpe fördert Druckmittel über eine Pumpen­ leitung 2 zu mehreren Verbrauchern 3. Ein elektrisch ange­ steuertes Proportionalventil 4 bestimmt über den Stellkolben der Verstelleinrichtung 6 die Position der Schrägscheibe in der Verstellpumpe 1. Der geförderte Volumenstrom in der Leitung 2 ist proportional der Stellung der Schrägscheibe. Der durch eine Feder 7 vorgespannte Stellkolben 5 wird ständig mit Pumpendruck beaufschlagt.

Das Regelsystem besteht aus je einem Ventilpositionsregler 8, einem Schwenkwinkelregler 9 und einem Druckregler 10. Der Druckistwert PIst wird mit einem an die Pumpenleitung 2 an­ geschlossenen Druckaufnehmer 11 erfaßt. Die Stellung der Schrägscheibe, also der Schwenkwinkel und damit der geför­ derte Volumenstrom wird durch einen induktiven Schwenkwin­ kelaufnehmer 12 ermittelt. Beide Istwerte für Druck und Schwenkwinkel werden in den Reglern 9 und 10 mit den Sollwerten für Druck bzw. den Schwenkwinkel verglichen und die Ausgangsgroßen der Regler werden einem Minimalwertbild­ ner 15 zugeführt. Durch den Minimalwertbildner 15 wird sichergestellt, daß stets der dem Arbeitspunkt entsprechende Regler aktiv ist.

Soll beispielsweise in der mit Druckmittel zu versorgenden Anlage ein Zylinder ausgefahren werden, so ergibt sich die gewünschte Geschwindigkeit, wenn der Sollwert der Druckmit­ telmenge gleich dem Istwert der Druckmittelmenge ist, während der sich am Zylinder einstellende Druck lastabhängig, also abhängig von der aufzubringenden Kraft ist, d. h. der Sollwert des Druckes wird größer eingestellt als der tatsächliche beim Ausfahren auftretende Istwert des Druckes. In diesem Betriebszustand des Zylinders ist somit die Differenz aus Sollwert und Istwert der Menge kleiner als die Differenz aus Sollwert und Istwert des Druckes, und der Minimalwertbildner 15 schaltet das kleinere Signal auf den Ventilregler 8, in diesem Fall das Signal vom Mengenregler 9. Mit anderen Worten ist beim Ausfahren des Zylinders der Mengenregler 9 aktiv.

Fährt der Zylinder nun gegen einen Anschlag, beispielsweise beim Schließen von Formhälften in einer Kunststofform­ maschine, bei einer Presse, oder bei Betriebsbedingungen, in denen nurmehr sehr geringe Hubänderungen des Zylinders erfolgen, jedoch entsprechend hohe Drücke erforderlich sind, so schaltet der Minimalwertbildner auf Druckregelung um, so daß der Druckregler 10 aktiv ist, wenn die Differenz aus Istwert und Sollwert des Druckes gleich Null ist, also der erforderliche Druck erzielt ist und die von der Verstell­ pumpe gelieferte Druckmittelmenge wesentlich geringer ist als der Sollwert der Menge. Bei Stillstand des Zylinders deckt die Menge nurmehr die im System auftretende Leckage.

Das Regelsystem weist ferner einen Ventilregler 8 auf, dem als Sollwert der Ausgang des Minimalwertbildners 15 und als Istwert die Stellung des Kolbens im Proportionalventil 4 zugeführt wird, die in einem Wegaufnehmer 16 aufgenommen wird. Das Ausgangssignal des Ventilreglers 8 gelangt über eine Ventiltreiberstufe 17 zum Proportionalventil 4. Ist der Druckregler 10 aktiv, so ist der Einschwingvorgang der Regelung, d. h. die Dämpfung des Druckreglers bei einer Änderung des Drucksollwerts in starkem Maße von dem Volumen des im hydraulischen System 2, 3 eingeschlossenen Druck­ mittelvolumens abhängig. Dieses Volumen ist anlagenspezi­ fisch entsprechend der Größe der Verbraucher, der Länge und Weite der Rohrleitungen usw. unterschiedlich, d. h. bei einer bestimmten Druckänderung wird die Regelung sehr träge verlaufen, wenn das eingeschlossene Volumen klein ist und der Regelvorgang wird zu starken Schwingungen neigen, wenn das eingeschlossene Volumen groß ist. Mit anderen Worten ist die Regeldämpfung vom eingeschlossenen Volumen abhängig. Um bei unterschiedlichen eingeschlossenen Volumina eine opti­ male Reglerdämpfung zu erhalten, ist man genötigt, die Dämpfung des Reglers an die jeweilige Anlage anzupassen. Dies erfolgt bei einem bekannten Verstärker (Mannesmann Rexroth VT 5041 in RD 67016/06.93) durch Auswählen einer für die jeweilige Anlage passenden Dämpfung durch entsprechende Steckerbelegung.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe liegt darin, bei der geschilderten Druckregelung eine adaptive Druckregelung vorzusehen, mit der es möglich ist, den Dämpfungsgrad für unterschiedliche hydraulische Systeme, also Systeme mit unterschiedlichem eingeschlossenen Druckmittelvolumen konstant zu halten, ohne daß es einer manuellen Justierung oder Anpassung bedarf.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Als erfindungswesentlich wird angesehen, daß der Istwert des Schwenkwinkels der Verstellpumpe mit dem differenzierten Ist­ wert des Förderdruckes, also mit einer der Änderung des För­ derdruckes entsprechenden Größe verknüpft wird, daß der auf diese Weise gebildete Korrekturwert von der Regeldifferenz des Förderdrucks subtrahiert wird und daß der resultierende Wert dem Regler als Eingangsgröße zugeführt wird. Auf diese Weise ist es möglich, daß bei Druck­ regelung eines Zylinders oder anderen Verbrauchers wie einer hydraulischen Maschine unabhängig von deren Größe und damit unabhängig von dem jeweils eingeschlossenen im System befindlichen Druckmittelvolumen der für die Druckregelung des Reglers notwendige optimale Dämpfungsgrad sich selbst­ tätig einstellt. Es wird also unabhängig vom eingeschlossenen Druckmittelvolumen ein optimaler Dämpfungsgrad konstant gehalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So ist es insbesondere zweckmäßig und verbessert das Regelverhalten, wenn die Dämpfung des Druck­ reglers dadurch realisiert wird, daß der Istwert der Druck­ änderung mit dem Schwenkwinkelistwert multipliziert wird, von diesem Produkt der Absolutbetrag gebildet und daraus die Wurzel gezogen wird, worauf das Ergebnis mit dem jeweiligen Vorzeichen des Druckanstieges multipliziert wird und dann dieser Korrekturwert vom Drucksollwert abgezogen wird. Als Druckregler wird insbesondere ein P-Regler, also ein Regler mit proporitonalem Regelverhalten, gewählt.

Ist dagegen das hydraulische System mengengeregelt, d. h. ist der Mengenregler 9 aktiv und ist damit der von der Verstell­ pumpe 1 zur Betätigung eines Verbrauchers 3 gelieferte Volumenstrom größer als Null, so ist an sich der Mengenreg­ ler 9 aktiv. Die Volumenänderung kann aber auch eine Um­ schaltung auf den Druckregler zur Folge haben, der diesen Betriebszustand als sehr großes eingeschlossenes Druckmit­ telvolumen identifiziert, was nicht zutrifft. Um diesen Zustand zu vermeiden, daß eine Druckregelung erfolgt, wenn ein Verbraucher angesteuert wird, wird gemäß Unteranspruch 5 der Schwenkwinkelistwert in einem Hochpaßfilter gefiltert und damit werden die statischen bzw. niederfrequenten Anteile im Schwenkwinkelistwert herausgefiltert. Damit werden dem Druckregler nur höherfrequente Signale zugeführt, die bei einer Druckregelung auftreten, während die bei der Mengenregelung auftretenden statischen bzw. niederfrequenten Anteile dem Druckregler nicht zugeführt werden, so daß in diesem Zustand der Minimalwertbildner wieder auf den Mengenregler zurückschaltet, ohne daß die Druckregelung wirksam wird.

Der Patentanspruch 7 ist auf die Anwendung dieses Verfahrens auf ein sekundär geregeltes System gerichtet. Bei der soge­ nannten Sekundärregelung ist an ein hydraulisches Drucknetz, in dem ein eingeprägter Druck, also ein konstant zu halten­ der Druck, herrscht, eine hydrostatische Maschine ange­ schlossen, die zum Antrieb einer Last, beispielsweise eines Fahrzeuges oder einer Winde, dient. Die hydrostatische Maschine hat ebenfalls ein veränderliches Volumen, das von der über ein Proportionalventil angesteuerte Verstellein­ richtung eingestellt wird. Abhängig von der Größe der Last stellt sich dann entsprechend dem Schwenkwinkel der Maschine eine bestimmte Drehzahl ein. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf das deutsche Patent 34 41 185 hinge­ wiesen, in dem ein solches Sekundärsystem beschrieben ist. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch für die Drehzahlregelung eines solchen Sekundärsystems verwenden, d. h. die Ist- und Sollwerte für den Druck werden durch die Ist- und Sollwerte der Drehzahl ersetzt. In diesem Fall ist dann der Dämpfungsgrad des Drehzahlreglers optimal, unab­ hängig davon, welches Trägheitsmoment die angetriebene Last besitzt. Es handelt sich somit um eine adaptive Drehzahlre­ gelung, die entsprechend dem jeweiligen Trägheitsmoment der angetriebenen Last den Dämpfungsgrad des Drehzahlreglers automatisch auf den optimalen Wert bringt, ohne daß der Regler eigens von Hand auf das Trägheitsmoment des Antriebes eingestellt werden muß.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema einer bekannten Druck- und Schwenkwinkelregelung für eine Verstellpumpe;

Fig. 2 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Reglers für die Druckregelung des Systems gemäß Fig. 1; und

Fig. 3 ein Schema der Drehzahlregelung eines Sekundärsystems.

Das bekannte Druck- und Mengenregelsystem der Verstellpumpe 1 gemäß Fig. 1 wurde vorstehend geschildert. Fig. 2 zeigt den Schaltungsaufbau des Druckreglers 10 in Fig. 1, der im einzelnen wie folgt beschrieben wird. In den Fig. 1 und 3 wird die Verstellvorrichtung von einem Proportionalventil angesteuert, das auch z. B. durch ein Servoventil ersetzt werden kann. Solche Ventile können als Stetigventile bezeichnet werden. Ferner kann der Ventilpositionsregler 8 in Fig. 1 entfallen.

Wie bereits aus Fig. 1 ersichtlich, erhält der Druckregler 10 die gleichen Eingangssignale, nämlich den Istwert des Druckes vom Druckaufnehmer 11, den Sollwert des Druckes, der frei einstellbar ist und den Istwert für den Schwenkwinkel vom Wegaufnehmer 12 der Verstellvorrichtung 7. Der Ausgang des Druckreglers 10 wird auf den Minimalwertbildner 15 in Fig. 1 geführt. In Fig. 2 ist ein Regelverstärker 20 vor­ gesehen, der als P-Regler ausgeführt ist und dem eine Vergleichsstufe 21 vorgeschaltet ist, der der Drucksollwert über die Leitung 22 zugeführt wird. Die Vergleichsstufe 21 erhält ferner in der üblichen Weise den Druckistwert über die Leitung 23 sowie den Schwenkwinkelistwert αIst bzw. den in einem D-Glied 24 differenzierten Schwenkwinkelistwert über eine Leitung 25. Auch dies ist bekannt.

In dem D-Glied 26 wird der Druckistwert von der Leitung 23 differenziert und damit die erste Ableitung gebildet, also die Änderung des Druckistwerts, die einer Multiplikations­ stufe 28 zugeführt wird. Der andere Eingang der Multiplika­ tionsstufe 28 erhält den Schwenkwinkelistwert über eine Leitung 29 und 30. In der Multiplikationsstufe 28 wird das Produkt der beiden Eingangssignale gebildet und einem Glied 32 zugeführt, in dem aus dem Produkt der Absolutbetrag ge­ bildet und die Wurzel gezogen wird. In einer weiteren Multiplikationsstufe 33 wird das Ausgangssignal des Gliedes 32 mit dem Ausgangssignal eines weiteren Gliedes 34 multi­ pliziert, welches das Vorzeichen der Druckänderung ermit­ telt, also ob der Druck ansteigt oder absinkt. Der auf diese Weise ermittelte Korrekturwert, nämlich das Ausgangssignal des Multiplikators 33 wird über eine Leitung 35 dem Ver­ gleicher 21 zugeführt. Alle auf den Leitungen 23, 25 und 35 anstehenden Signale werden vom Drucksollwert auf der Leitung 22 subtrahiert und des resultierende Signal gelangt in den P- Regler.

Das Blockschaltbild in Fig. 2 läßt sich mit folgender Reglergleichung darstellen:

wobei K_R und K_A Konstanten des Reglers sind.

In der Reglergleichung ist der differenzierte Schwenkwinkel­ istwert nicht berücksichtigt, der zur Stabilisierung der Regelung dient und weggelassen werden kann. Es sei auch betont, daß die Verknüpfung des differenzierten Druckist­ wertes mit dem Schwenkwinkelistwert über die Multiplika­ tionsstufe 28 entscheidend ist, und die Signalverarbeitung in den Stufen 32, 33 und 34 das Ergebnis optimiert.

Mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltung des Reglers ist der Dämpfungsgrad unabhängig von angeschlossenen Druckmit­ telvolumen, das durch das System mit den mit der Leitung 2 und den Verbrauchern 3 vorgegeben ist. In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist nun dem Druckregler 10 der Minimalwertbildner 15 nachgeschaltet, der nach den eingangs geschilderten Kriterien entweder die Stellgröße des Druckreglers 10 oder des Mengenreglers 9 auswählt. Ist nun der Volumenstrom der Pumpe 1 größer Null, weil ein Ver­ braucher 3 angesteuert wird, so identifiziert der Druck­ regler 10, wenn er aktiviert werden sollte, dies als sehr großes Druckmittelvolumen, was in Wirklichkeit nicht zutrifft. Um den Zustand zu vermeiden, daß die Regelung unter diesen Bedingungen nicht wieder auf den Mengenregler zurückschalten sollte, wird der Schwenkwinkelistwert über einen Hochpaßfilter 40 in Fig. 2 geleitet, dies ist sym­ bolisch mit dem Schalter 31 angedeutet. In dem Hochpaßfilter 40 werden aus dem Schwenkwinkelistwert die statischen und niederfrequenten Anteile ausgefiltert und nur die höherfrequenten, auf Druckregelung hindeutenden Signalanteile werden der Multiplikatorstufe 28 zugeführt.

In Fig. 3 ist ein sekundär geregeltes System dargestellt, bei dem in einer Druckleitung 45 mit einem Speicher 46 ein eingeprägter Druck von einer nicht dargestellten Pumpe auf­ rechterhalten wird. An diese Druckleitung 45 ist eine hydro­ statische Maschine 47 mit verstellbarem Schluckvolumen ange­ schlossen, die über eine Welle 48 eine nicht dargestellte Last antreibt. Zur Hubverstellung der Maschine 47 ist eine Verstellvorrichtung 49 vorgesehen, die von einem Propor­ tionalventil 50 in der bereits anhand der Fig. 1 geschilder­ ten Weise angesteuert wird. Der in Fig. 1 dargestellte Druckregler 10 ist in Fig. 3 ein P-Regler 100, der die Drehzahl der Maschine 47 regelt. Als Eingänge für den Drehzahlregler 100 sind somit der Drehzahlsollwert, der Drehzahlistwert von einem an die Welle 48 angeschlossenen Tachogenerator 51 und der Schwenkwinkelistwert vom Weg­ aufnehmer 52 der Verstellvorrichtung 49 zugeführt. Der Aufbau des Drehzahlreglers 100 entspricht voll dem Aufbau des Druckreglers, der in Fig. 2 dargestellt ist, lediglich mit dem Unterschied, daß anstelle der Ist- und Sollwerte für den Druck die Ist- und Sollwerte für die Drehzahl treten. Damit läßt sich eine adaptive Drehzahlregelung der Maschine 47 erzielen, die somit unabhängig von Trägheitsmoment der von der Welle 48 angetriebenen Last ist. Fig. 3 ist eine vereinfachte Darstellung, in der nur die Drehzahlregelung dargestellt ist, während die Drucküberwachung für das Drucksystem 45 und eine zusätzliche Mengenregelung für die Maschine 47 oder ein unterlagerter Ventilregler weggelassen sind. Vielmehr wird die Stellgröße aus dem Drehzahlregler 100 unmittelbar dem Ventilverstärker 53 zugeführt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Druckregelung einer hydrostatischen Maschine mit verstellbarem Fördervolumen, die zur Druckmittelversorgung eines hydraulischen Systems dient und deren Verstelleinrich­ tung von einem Stetigventil angesteuert wird, das eine Stell­ größe von einem Regler erhält, die aus der Regeldifferenz des Förderdrucks (Drucksollwert minus Druckistwert) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der differenzierte Druckistwert mit dem Schwenkwinkelistwert multipliziert und das Produkt als Korrekturwert von der Regeldifferenz des Förderdrucks subtra­ hiert wird, um bei unterschiedlichem Volumen des an die Ma­ schine angeschlossenen hydraulischen Systems den Dämpfungsgrad der Regelung konstant zu halten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Absolutbetrag des Produktes aus dem diffe­ renzierten Druckistwert und dem Schwenkwinkelistwert gebil­ det wird, aus dem Absolutbetrag die Wurzel gezogen und mit dem Vorzeichen des Druckanstieges multipliziert und dieser Korrekturwert vom Drucksollwert abgezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsgröße des Reglers durch Subtraktion des Druck­ istwertes, des Schwenkwinkelistwertes oder des differenzierten Schwenkwinkelistwertes und des Korrekturwertes vom Drucksoll­ wert gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Regler ein P-Regler verwen­ det wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Stetigventil zum Ansteuern der Verstelleinrichtung der Pumpe die Stellgröße von einem Minimalwertbildner er­ hält, dem die Ausgangsgrößen eines Druckreglers und eines Mengenreglers zugeführt werden, und von dem die jeweils kleinere Größe zur Weitergabe ausgewählt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schwenkwinkelistwert gefiltert wird, um statische und niederfrequente, Mengenänderungen entspre­ chende Werte auszufiltern und höherfrequente, Druckänderun­ gen entsprechende Werte des Schwenkwinkelistwertes zur Produktbildung mit dem differenzierten Druckistwert durch­ zulassen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße des Druck- bzw. Mengenreglers einem Ventilpositionsregler zugeführt wird.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf die Drehzahlregelung einer hydrosta­ tischen Maschine mit verstellbarem Volumen, die an ein Drucksystem mit eingeprägtem Druck angeschlossen ist und zum Antrieb einer Last dient, und deren Verstelleinrichtung von einem Stetigventil angesteuert wird, das eine Stellgröße von einem Regler erhält, in dem aus dem vom Drehzahl-sollwert subtrahierten Drehzahlistwert die Stellgröße gebildet wird, wobei zur Bildung des Produktes bzw. des Korrekturwertes der Drehzahlsollwert bzw. Drehzahlistwert anstelle des Drucksollwertes bzw. des Druckistwertes verwendet werden, um bei unterschiedlichem Trägheitsmoment der von der Maschine angetriebenen Last den Dämpfungsgrad der Drehzahlregelung konstant zu halten.