[0001] Die Erfindung geht aus von einem Druck-Förderstromregler zum Verstellen einer Verstelleinheit
einer verstellbaren hydraulischen Verdrängermaschine. Des Weiteren geht die Erfindung
von einer Verstelleinheit für eine derartige Verdrängermaschine mit einem derartigen
Druck-Förderstromregler und von einem Verfahren zum Regeln der Verstelleinheit aus.
[0002] In der
DE 10 2010 048 070 A1 ist eine verstellbare Verdrängermaschine in Form einer Hydropumpe offenbart. Deren
Schwenkwinkel kann über zwei Stellzylinder verändert werden. Zum Verstellen des einen
Stellzylinders und somit zum Verstellen des Schwenkwinkels der Verdrängermaschine,
ist ein Druck-Förderstromregler vorgesehen. Dieser hat zwei Proportionalventile, über
die ein Zylinderraum des Stellzylinders mit einer an der Verdrängermaschine angeschlossenen
Druckleitung oder mit einer Tankleitung verbindbar ist. Die Proportionalventile werden
hydraulisch betätigt.
[0003] Nachteilig bei einem derartigen Druck-Förderstromregler ist, dass die Proportionalventile
vergleichsweise kostenintensiv sind und eine geringe Robustheit aufweisen. Des Weiteren
ist eine Leckage der Proportionalventile vergleichsweise hoch, was zu einem Wirkungsgradverlust
der Verdrängermaschine führt.
[0004] Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Druck-Förderstromregler
zum Verstellen einer Verstelleinheit zu schaffen, der die oben genannten Nachteile
beseitigt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine Verstelleinheit für eine
verstellbare hydraulische Verdrängermaschine mit einem derartigen Druck-Förderstromregler
zu schaffen, die ebenfalls die genannten Nachteile beseitigt. Außerdem ist es eine
Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Regeln einer derartigen Verstelleinheit vorzusehen,
mit dem auf äußerst einfache Weise eine Verdrängermaschine gesteuert werden kann.
[0005] Die Aufgabe hinsichtlich des Druck-Förderstromreglers wird gelöst gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1, hinsichtlich der Verstelleinheit gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs
6 und hinsichtlich dem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
[0006] Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
[0007] Erfindungsgemäß hat ein Druck-Förderstromregler zum Verstellen einer Verstelleinheit
einer verstellbaren hydraulischen Verdrängermaschine ein Schaltventil zum Ansteuern
der Verstelleinheit.
[0008] Diese Lösung hat den Vorteil, dass der Druck-Förderstromregler aufgrund des Schaltventils
vergleichsweise kostengünstig ist, da ein Schaltventil vergleichsweise geringe Fertigungskosten
aufweist und vorrichtungstechnisch einfach aufgebaut ist. Eine Leckage des Druck-Förderstromreglers
ist ebenfalls aufgrund des Schaltventils vergleichsweise gering. Des Weiteren weisen
Schaltventile eine sehr geringe Stellzeit auf, weswegen der Druck-Förderstromregler
ebenfalls eine sehr kurze Stellzeit hat. Durch das robuste Schaltventil hat der Druck-Förderstromregler
eine hohe Schockfestigkeit. Aufgrund einer geringen Anfälligkeit der Schaltventile
gegenüber verschmutzter Hydraulikflüssigkeit ist ein Wartungsaufwand des Druck-Förderstromreglers
gering. Eine Veränderung des Schaltverhaltens der Schaltventile aufgrund von Temperaturänderungen
ist ebenfalls im Vergleich zu Proportionalventilen sehr gering, wodurch der Druck-Förderstromregler
bei unterschiedlichsten Temperaturen sicher eingesetzt werden kann. Schaltventile
sind auch sehr robust gegenüber elektromagnetischen Störungen. Ferner ist es möglich,
die Schaltventile des Druck-Förderstromreglers direkt über eine digitale Steuereinheit
bzw. einen Mobilkontroller anzusteuern, im Gegensatz zum Stand der Technik, wo zur
Ansteuerung der Proportionalventile ein Digital/Analog-Wandler notwendig ist.
[0009] Bei den Schaltventilen handelt es sich beispielsweise um 2/2-Wegeventile, über die
eine Druckmittelverbindung auf- und zusteuerbar ist. Das Schaltventil kann als Schieberventil
oder bevorzugterweise als praktisch leckagefreies Sitzventil ausgestaltet sein. Vorzugsweise
ist ein Ventilkörper der Schaltventile in Richtung einer Schließposition mit einer
Federkraft einer Ventilfeder beaufschlagt und kann über einen elektromagnetischen
Aktuator in Richtung einer Öffnungsposition mit einer Öffnungskraft beaufschlagt werden.
[0010] Das zumindest eine Schaltventil kann flexibel im Pulse-Width-Modulated-Modus (PWM)
oder im Ballistischen Modus (BaM) eingesetzt werden. Somit können bei dem Schaltventil
unterschiedliche Öffnungsquerschnitte vorgesehen werden.
[0011] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Schaltventil zum Steuern
einer Verbindung zwischen der Verstelleinheit und einer Druckmittelquelle und zumindest
ein Schaltventil zum Steuern einer Verbindung zwischen der Verstelleinheit und einer
Druckmittelsenke vorgesehen. Hierdurch kann auf einfache Weise beispielsweise ein
Stellzylinder der Verstelleinheit verstellt werden.
[0012] Die Schaltventile zum Steuern einer Druckmittelverbindung zwischen der Druckmittelquelle
und der Verstelleinheit beziehungsweise der Druckmittelsenke und der Verstelleinheit
können im Meter-In/Meter-Out-Modus (MIO) angesteuert werden.
[0013] Um eine Verbindung zwischen der Verstelleinheit und der Druckmittelquelle oder der
Druckmittelsenke Pulse-Code-Modulated (PCM) zu steuern, sind zumindest zwei Schaltventile
in einem Druckmittelströmungspfad zwischen der Verstelleinheit und der Druckmittelquelle
und/oder zwischen der Verstelleinheit und der Druckmittelsenke vorgesehen. Die Schaltventile
eines Druckmittelströmungspfads haben hierbei vorzugsweise unterschiedliche Nenngrößen,
um diese eben im Pulse-Code-Modulated-Modus einzusetzen. Alternativ kann das größere
Schaltventil beispielsweise zur Grobverstellung des Stellzylinders der Verstelleinheit
und das kleinere Schaltventil zur Feinverstellung des Stellzylinders eingesetzt werden.
[0014] Erfindungsgemäß hat eine Verstelleinheit für eine verstellbare hydraulische Verdrängermaschine
einen erfindungsgemäßen Druck-Förderstromregler. Die Verstelleinheit hat hierbei zumindest
einen Stellzylinder zum Verstellen eines Hubraums der Verdrängermaschine, insbesondere
zum Einstellen eines Schwenkwinkels. Der Stellzylinder weist einen von einem Kolben
begrenzten Zylinderraum auf, der zum Verschieben des Kolbens in Richtung des sich
vergrößernden Zylinderraums über das Schaltventil des Druck-Förderstromreglers mit
einem von einer Druckleitung der Verdrängermaschine abgegriffenen Druckmittel beschickbar
ist und der zum Entlassen von Druckmittel aus dem Zylinderraum über ein weiteres Schaltventil
mit der Druckmittelsenke verbindbar ist. Beispielsweise wird bei einer Verschiebung
des Kolbens des Stellzylinders in Richtung des sich vergrößernden Zylinderraums ein
Hubraum der Verdrängermaschine vergrößert und beim Verschieben in umgekehrter Richtung
verkleinert.
[0015] Mit Vorteil wird der Kolben des Verstellzylinders über eine Stellfeder mit einer
Federkraft in Richtung des sich verkleinernden Zylinderraums beaufschlagt. Es kann
ein zweiter Stellzylinder vorgesehen sein, der einen einen Zylinderraum begrenzenden
Kolben hat. Der Zylinderraum kann hierbei mit der Druckleitung der Verdrängermaschine
verbunden sein. Der Kolben wirkt dann beispielsweise dem Kolben des ersten Stellzylinders
entgegen. Bei der Verdrängermaschine kann es sich um eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise
handeln, wobei die Kolben der Stellzylinder dann an eine Schrägscheibe zum Steuern
des Hubraums der Verdrängermaschine angreifen.
[0016] Zum Ansteuern der Verdrängermaschine ist beispielsweise einfach eine elektronische
Steuereinheit vorgesehen, die die Schaltventile in Abhängigkeit eines Drucks, insbesondere
in der Druckleitung der Verdrängermaschine, und/oder in Abhängigkeit eines Verschiebewegs
des Kolbens des Stellzylinders oder eines Schwenkwinkels der Schrägscheibe steuert.
Zum Messen des Drucks ist vorzugsweise ein Drucksensor vorgesehen, der diesen in der
Druckleitung der Verdrängermaschine abgreift. Zum Messen des Verschiebewegs kann ein
Wegaufnehmer eingesetzt werden, der einen Verschiebeweg des Kolbens des Stellzylinders
misst.
[0017] Damit die Verstelleinheit auf einfache Weise auf plötzliche Druckspitzen in der Druckleitung
reagieren kann, kann ein Überströmventil vorgesehen sein, das fluidisch parallel zum
wenigsten einen zwischen der Druckleitung und dem Zylinderraum des Stellzylinders
angeordneten Schaltventil angeordnet werden kann. Bei dem Überströmventil handelt
es sich beispielsweise ein in Strömungsrichtung hin zum Zylinderraum sich öffnendes
Rückschlagventil.
[0018] Zum Ansteuern der Verstelleinheit durch die Steuereinheit werden die Schaltventile
beispielsweise einfach mit einer Dreipunktregelung geregelt. Die Schaltventile können
hierbei druckabhängig geregelt werden, insbesondere in Abhängigkeit von einem Druck
in der Druckleitung oder von einem Lastdruck. Denkbar ist auch, die Stellzylinder
wegabhängig vom Verschiebeweg des Kolbens zu regeln.
[0019] Um eine Überhitzung eines Schaltventils zu vermeiden kann ein Schaltzyklus des Schaltventils
ein vorbestimmtes Verhältnis von einer Einschalt- zu einer Ausschaltdauer aufweisen.
D. h., das Schaltventil wird mit einer bestimmten Zeitspanne bestromt und ist mit
einer sich daran anschließenden Zeitspanne unbestromt.
[0020] Zum einfachen Regeln mehrerer Schaltventile ist eine Schaltfrequenz von diesen gleich.
[0021] Eine Abtastung des Drucks und/oder des Verschiebewegs mit einer bestimmten Abtastfrequenz
kann etwa synchron zu einer Ansteuerung der Schaltventile mit einer bestimmten Schaltfrequenz
sein, was zu einer äußerst einfachen Regelung führt. Vorzugsweise beträgt die Abtastfrequenz
ein Vielfaches der Schaltfrequenz oder entspricht der Schaltfrequenz. Durch die Schaltfrequenz
wird ein Steuerimpuls an die Schaltventile nur in vorbestimmten Zeitabständen abgegeben.
[0022] Es ist auch denkbar, dass die Abtastfrequenz und die Schaltfrequenz nicht synchron
verlaufen, wodurch ermöglicht ist, dass die Schaltfrequenz erst bei Bedarf getriggert
wird, während eine Abtastung des Drucks und/oder des Verschiebewegs mit einer bestimmten
Abtastfrequenz erfolgt.
[0023] Vorzugsweise ist die Abtastfrequenz größer als die Schaltfrequenz, was dazu führt,
dass während der Bestromung des Schaltventils weiter der Druck und/oder der Verschiebeweg
abgetastet wird und bei Bedarf eine Einschaltdauer des bestromten Ventils unterbrochen
werden kann. Hierzu ist vorteilhaft, wenn die Einschaltdauer der Schaltventile während
eines Schaltzyklus variabel ist. Das Schaltventil kann hierbei vorzeitig schließen,
wenn beispielsweise der gemessene Druck dies erfordert.
[0024] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Schaltzyklen der Schaltventile unabhängig
zueinander, wodurch die Schaltventile somit unabhängig voneinander steuerbar sind
und somit unabhängig voneinander schalten können.
[0025] Ein äußerst einfaches erfindungsgemäßes Verfahren zum Regeln einer erfindungsgemäßen
Verstelleinheit weist folgende Schritte auf:
- Abtasten des Verschiebewegs des Kolbens des Stellzylinder und/oder des Drucks, insbesondere
mit einer bestimmten Abtastfrequenz;
- Steuern der Schaltventile in Abhängigkeit des Verschiebewegs und/oder des Drucks,
wobei die Steuerung insbesondere entsprechend der Dreipunktregelung erfolgt.
[0026] Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand schematischer
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen hydraulischen Schaltplan einer Verdrängermaschine mit einer erfindungsgemäßen
Verstelleinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 2 in einer schematischen Darstellung eine Dreipunktregelung der Verstelleinheit;
Figur 3 ein Blockschaltbild einer Reglerstruktur der erfindungsgemäßen Verstelleinheit;
Figur 4 einen geregelten Positionsverlauf eines Kolbens eines Stellzylinders der erfindungsgemäßen
Verstelleinheit;
Figur 5 ein Blockschaltbild einer Reglerstruktur der erfindungsgemäßen Verstelleinheit;
Figur 6 bis 9 einen geregelten Druckverlauf der Verdrängermaschine;
Figur 10 schematisch ein Funktionsprinzip einer digitalen Druckregelung;
Figur 11 schematisch einen Stromverlauf einer Endstufe einer Steuereinheit;
Figur 12 schematisch Schaltzyklen eines Schaltventils;
Figur 13 ein Blockschaltbild einer Reglerstruktur der erfindungsgemäßen Verstelleinheit
und
Figur 14 einen hydraulischen Schaltplan einer Verdrängermaschine mit einer erfindungsgemäßen
Verstelleinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
[0027] Gemäß Figur 1 ist ein hydraulischer Schaltplan mit einer verstellbaren Verdrängermaschine
1 dargestellt. Bei dieser kann es sich um eine Axial- oder Radialkolbenmaschine handeln,
die als Hydropumpe oder Hydromotor einsetzbar ist.
[0028] Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer verschwenkbaren Axialkolbenmaschine
mit einem Schrägscheiben-Triebwerk erläutert. Zum Verschwenken der nicht dargestellten
Schrägscheibe der Verdrängermaschine 1 ist ein Stellzylinder 2 vorgesehen. Dieser
hat einen von einem Kolben 4 begrenzten Zylinderraum 6. Der Kolben ist über eine einseitige
Kolbenstange 8 mit der nicht dargestellten Schrägscheibe der Verdrängermaschine 1
verbunden. Eine Verschiebung des Kolbens 4 in Richtung eines sich vergrößernden Zylinderraums
6 führt dazu, dass die Schrägscheibe in Richtung eines sich vergrößernden Hubraums
der Verdrängermaschine 1 verschwenkt wird. Dagegen führt eine Verschiebung des Kolbens
4 in Richtung des sich verkleinernden Zylinderraums 6 zu einem Verschwenken der Schrägscheibe
in Richtung eines sich verkleinernden Hubraums der Verdrängermaschine 1. Über eine
Federkraft einer Rückstellfeder 10, die in einem von der Kolbenstange 8 durchsetzten
Ringraum 12 des Stellzylinders 2 angeordnet ist, ist der Kolben 4 in Richtung des
sich verkleinernden Zylinderraums 6 mit einer Federkraft beaufschlagt.
[0029] An die Verdrängermaschine 1 ist an einen Druckanschluss P eine Druckleitung 14 und
an einen Tankanschluss T eine Tankleitung 16 angeschlossen. Die Druckleitung 14 ist
mit einem nicht dargestellten hydraulischen Verbraucher verbunden. Die Tankleitung
16 mündet in einen Tank 18. Der Zylinderraum 6 ist mit der Tankleitung 14 über ein
erstes und zweites Schaltventil 20 bzw. 22 verbindbar. Die Schaltventile 20 und 22
sind fluidisch parallel angeordnet und steuern jeweils eine Druckmittelverbindung
zwischen dem Zylinderraum 6 und der Druckleitung 14. Das in der Figur 1 obere Schaltventil
20 weist hierbei eine größere Nenngröße als das untere Schaltventil 22 auf. Fluidisch
gesehen zwischen dem kleineren Schaltventil 22 und dem Zylinderraum 6 ist eine Drossel
24 vorgesehen. Fluidisch parallel zu den Schaltventilen 20 und 22 ist ein Überströmventil
26 zwischen der Druckleitung 14 und dem Zylinderraum 6 angeordnet. Hierbei handelt
es sich um ein in einer Druckmittelströmungsrichtung hin zum Zylinderraum 6 sich öffnendes
Rückschlagventil. Zwischen dem Zylinderraum 6 und dem Tank 18 ist ein weiteres Schaltventil
28 vorgesehen, mit dem eine Druckmittelverbindung zwischen dem Zylinderraum 6 und
dem Tank 18 auf-und zusteuerbar ist.
[0030] Die Schaltventile 20, 22 und 28 sind als 2/2-Wegeventile ausgebildet. Ein Ventilkörper
der Schaltventile 20, 22 und 28 ist hierbei über eine Ventilfeder 30 in Richtung einer
Schließposition mit einer Federkraft beaufschlagt und mit einer Kraft entgegen der
Federkraft in Richtung einer Öffnungsposition über einen elektromagnetischen Aktuator
32 beaufschlagbar. Die Schaltventile 20, 22 und 28 sind somit in unbestromten Zustand
geschlossen. Das Schaltventil hat eine Durchströmungsrichtung und besitzt einen Öffnungsquerschnitt
von beispielsweise 3.34 mm
2, bei einem Ventilhub von beispielsweise 0,2 mm. Bei einer am Schaltventil anliegende
Druckdifferenz von 90 bar, ergibt sich beispielsweise ein Durchfluss von 20 l/min.
Die Anzugs- und Abfallzeiten belaufen sich auf beispielsweise ca. 0,3 ms. Die relative
Einschaltdauer (Verhältnis von bestromten Zustand zu stromloser Phase) ist auf maximal
20% festgelegt, da sonst die Überhitzung einer Magnetspule des Aktuators droht. Das
Schaltventil kann beispielsweise auf etwa 10
9 Schaltzyklen ausgelegt sein.
[0031] Zum Messen eines Verschiebewegs des Kolbens 4 bzw. der Kolbenstange 8 des Stellzylinders
2 ist ein Wegaufnehmer 34 vorgesehen. Dieser misst den Verschiebeweg mit einer bestimmten
Abtastfrequenz und meldet diesen an eine nicht dargestellte elektronische Steuereinheit.
Des Weiteren ist ein Drucksensor 36 vorgesehen, mit dem der Druck in der Druckleitung
14 gemessen wird und ebenfalls an die elektronische Steuereinheit gemeldet wird. Die
Messung des Drucks erfolgt hierbei ebenfalls mit einer bestimmten Abtastfrequenz.
[0032] Damit die Schaltventile 20, 22, 28 schnell geschaltet werden können, ist die elektronische
Steuereinheit vorzugsweise speziell ausgelegt. Hierbei handelt es sich beispielsweise
um eine Endstufenelektronik, bei der auf jeder Elektronik-Karte im Europaformat sich
zwei programmierbare Elektronikbausteine befinden, die einen speziellen Stromverlauf
generieren können. Über einen jeweiligen Elektronikbaustein, bei dem es sich beispielsweise
um den Typ CJ840 handelt, können insbesondere vier Schaltventile angesteuert werden.
Die CJ840-Bausteine sind beispielsweise über einen SPI-Bus anwendungsorientiert programmierbar.
Als Ausgangsgrößen sind insbesondere eine maximale Spannung von 65 Volt und Stromspitzen
von bis zu 12 Ampere möglich. Die Ansteuerung wird in der Regel über einen Mikrocontroller
vorgenommen, weshalb mit Spannungspegel auf TTL-Basis gearbeitet wird.
[0033] Das grundsätzliche Regelungskonzept für eine digitale Druckregelung der Verdrängermaschine
1 lässt sich als eine Regelung mit Dreipunktverhalten beschreiben, siehe Figur 2.
Der obere (Einschalt-) Punkt (P2) in Figur 2 markiert die Grenze zur Aktivierung des
großen Schaltventils 20. Der untere Punkt (P1) veranlasst die Aktivierung des ausgangsseitigen
Schaltventils 28. Zwischen den Schaltpunkten befindet sich die sogenannte Totzone
der Regelung. Die Totzone kann auch als Toleranzbereich für die Regelabweichung gesehen
werden, da die Regelung
[0034] Abweichungen innerhalb dieses Bereichs toleriert. In dieser Totzone hält die Regelung
so lange inne, bis die Regelgröße durch Störeinflüsse usw. wieder einen Schaltpunkt
überschreitet. Mit einem zusätzlichen kleinen Schaltventil 22 für die Feindosierung
erhält diese Dreipunktregelung eine Erweiterung. Die anfängliche Idee besagt, dass
das kleine Schaltventil 22 zur Feindosierung durch das große Schaltventil 20 verursachte
Überdosierungen mit kombiniertem Schalten abschwächen soll. Das Schaltventil 20, zuständig
für die grobe Dosierung (und damit für die schnelle Befüllung des Zylinderraums 6),
soll früher deaktiviert werden und den Ausgleich der restlichen Regelabweichung übernimmt
das kleine Schaltventil 22. Dieses bleibt also bis zur eigentlichen Einschaltgrenze
(P2) aktiviert, während der Schaltpunkt für das große Schaltventil 22 (P3) höher angesetzt
ist. Im Ganzen besitzt die über die Schaltventile 20, 22 und 28 gesteuerte Verstellung
jedoch ein Dreipunktverhalten. Die Dreipunktregelung agiert also nicht mit einem einzelnen
Aktor, welcher Ein-, Aus- und Haltephase ausführt. Vielmehr weist das Verstellsystem
im Gesamten, bestehend aus drei Aktoren und dem Verstellmechanismus der Verdrängermaschine
1, dieses Verhalten auf.
[0035] Zum Regeln der Verstelleinheit mit dem Stellzylinder 2 und den Schaltventilen 20,
22 und 28 sind unterschiedlichste Regelungsverfahren vorgesehen, die im Folgenden
erläutert sind.
[0036] Bei einem ersten Regelungsverfahren wird gemäß Figur 3 und 4 die Verdrängermaschine
1 aus Figur 1 in Abhängigkeit von dem Verschiebeweg des Kolbens 4 gesteuert, wobei
der Verschiebeweg vom Wegaufnehmer 34 erfasst ist.
[0037] Gemäß Figur 3 steuert der Dreipunktregler Stellglieder in Form der Schaltventile
20, 22 und 28, siehe Figur 1, mit einer Steuergröße u. Dies wiederum führt zu einer
Stellgröße y für den Stellkolben bzw. Kolben 4 des Stellzylinders 2. Daraus ergibt
sich dann der Verschiebeweg des Kolbens 4 als "Regelgröße Weg s", aus der zusammen
mit einer "Führungsgröße Weg s
soll" eine Regelabweichung e für den Dreipunktregler ermittelt wird. In Abhängigkeit von
der Regelgröße Weg s wird die nicht dargestellte Schwenkwiege bzw. Schrägscheibe der
Verdrängermaschine 1 aus Figur 1 angesteuert, was zu einem Schwenkwinkel α für das
Triebwerk der Verdrängermaschine 1 führt. Dies wiederum hat einen bestimmten Volumenstrom
Q zur Folge, der zum Verbraucher geführt wird, wodurch auf einen Druck p des Verbrauchers
reagiert werden kann.
[0038] Somit ändert sich proportional zur Positionsänderung des Kolbens 4 der Schwenkwinkel,
woraus ein veränderter Förderstrom resultiert. Abhängig vom Verbraucher ergibt sich
dann der Druck. Der Kolben 4 soll innerhalb seines Verstellbereichs (beispielsweise
max. 20 mm Verfahrweg) über die Befüllung des Zylinderraums 6 mittels der Schaltventile
20, 22, 28 in eine vorgegeben Position gebracht werden.
[0039] Die Figur 4 zeigt, wie die Kolbenposition als Regelgröße dem Sollwert nachfolgt.
Dabei ist ein Sägezahnverlauf der Regelgröße zu erkennen. Dieser Verlauf ergibt sich
aus der schlagartigen Befüllung über die Schaltventile 20, 22 (steigende Flanken)
und der Entleerung durch das Schaltventil 28 (abfallende Flanken) bzw. der Leckage
über den Kolben 4 (leicht abfallender Verlauf). Da die Schaltventile 20, 22, 28 mit
fest eingestellter relativer Einschaltdauer von 20 % (maximal mögliche Einschaltdauer)
geschalten werden, ergeben sich aus Überdosierungen herrührende Überschwinger im Verlauf.
Um diese Überschwinger zu reduzieren und um die Leckage über den Kolben 4 auszugleichen,
soll das kleine Schaltventil 22, als gedrosseltes Einlassventil für die Feindosierung,
zum Einsatz kommen. Die Abtastung der Regelgröße wird nur zu Beginn des Schaltzyklus
(beispielsweise mit Schaltfrequenz 10 Hz) vorgenommen. Daher sind in Figur 4 entsprechend
verspätete Reaktionen der Regelgröße auf Änderungen der Führungsgröße zu erkennen.
Alle Schaltventile 20, 22, 28 werden mit derselben Taktung und Einschaltdauer angesteuert.
Das heißt, dass egal welches Schaltventil 20, 22, 28 geschalten hat, alle im Anschluss
die Pausenphase von 80% relativ zur Schaltperiodendauer einhalten, selbst wenn inzwischen
ein Schaltventil 20, 22, 28 ausregelnd reagieren müsste, das zuvor gar nicht geschalten
hat. Dies muss kein wesentlicher Nachteil sein, da ein gemeinsames Schalten von Schaltventilen
20 bzw. 22 und 28 in der Regel nicht notwendig ist. Wie vorstehend bereits angeführt
beträgt die Schaltfrequenz der Schaltventile 20, 22 und 28 10 Hertz. Eine Abtastfrequenz
des Wegaufnehmers 34 auf Figur 1 beträgt ebenfalls 10 Hertz.
[0040] Bei Sollwertsprüngen ergeben sich teilweise Überschwinger, die von Überdosierungen
herrühren, siehe Bezugszeichen 1 in Figur 4, verursacht durch die starr festgelegten
Einschaltdauern. Durch die vergleichsweise geringe Abtast- und Schaltfrequenz stellen
sich verzögerte Reaktionen der Regelgröße ein, siehe Bezugszeichen 2 in Figur 4. Der
Vorteil dieser geringen Schaltfrequenz ist die daraus resultierende geringe Schalthäufigkeit.
Durch die diskreten Dosierschritte wird nur so viel Volumen in die Stellkammer eingelassen,
wie notwendig. Daraus ergibt sich der große Vorteil, die Verluste beim Steueröl zum
großen Teil einsparen zu können.
[0041] Mit Hilfe der Positionsregelung des Kolbens 4 oder der davon ableitbaren Schwenkwiegenregelung
kann in erster Linie die Fördermenge der Verdrängereinheit 1 geregelt werden, da jeder
Kolbenposition bzw. jedem Schwenkwinkel ein entsprechender Förderstrom zugeordnet
werden kann. Der Druck baut sich jedoch abhängig von der Last unterschiedlich auf.
[0042] Gemäß Figur 5 wird bei einem weiteren Regelverfahren anstelle des Verschiebewegs
des Kolbens 4 der Druck in der Druckleitung 14 aus Figur 1 als Regelgröße vom Drucksensor
36 erfasst.
[0043] Bei Verdrängermaschinen mit einem hydraulischen Druckregler hat dieser hauptsächliche
die Aufgabe, den Druck an einen festgelegten Sollwert anzupassen. Es ist also keine
auf Führungsverhalten orientierte Regelung, sondern eine auf ein Störverhalten ausgerichtete
Regelung. Mit einem digitalen Druckregler ist auch eine auf Führungsverhalten orientierte
Regelung möglich.
[0044] In Figur 6 wird das Regelverfahren mit Regelgrößen ohne zusätzliche Störgrößeneinflüsse
(z.B. durch Pulsation usw.) betrachtet. Der Sollwert wird beispielhaft auf 100 bar
festgelegt. Die Schaltfrequenz der Schaltventile 20, 22, 28 weist beispielsweise 10Hz
auf. Je nach Zustand der Regelgröße wird zu Anfang des Schaltzyklus jenes Schaltventil
20, 22, 28 geschalten, das erforderlich ist, um die Regelgröße wieder der Führungsgröße
anzugleichen. Außerdem erfolgt für alle Schaltventile 20, 22, 28 dieselbe Taktung
und Schaltzykluserzeugung. Falls ein Druckanstieg schneller erfolgt, als die Regelung
darauf reagieren kann, bietet das Überströmventil 36 aus Figur 1 eine Absicherung
gegen zu hohe Druckspitzen. Das Überströmventil 36 arbeitet wie ein Sicherheitsventil.
Es bewirkt eine zusätzlich zum Schaltventil 20, 22 stattfindende Befüllung der Stellkammer,
wenn der Druck einen bestimmten Grenzwert überschritten hat. Um Überdosierungen zu
vermeiden sind die Einschaltdauern der Schaltventile 20, 22 und 28 variabel einstellbar.
Das heißt, die Schaltventile 20, 22, 28 können nach Bedarf auch früher abschalten,
bevor die maximal mögliche Einschaltdauer erreicht ist. Dies erfolgt dadurch, dass
nach dem notwendigen Schalten eines Schaltventils 20, 22, 28 im Abtasttakt die Regelgröße
abgefragt wird und falls erforderlich (je nach Ergebnis der Abfrage) das Schaltventil
wieder abgeschaltet wird. Die Abtastfrequenz beträgt vorzugsweise 1 kHz. Es wird weiterhin
das kleine Schaltventil 22 zur Feindosierung verwendet. Dies ist jedoch dank der variabel
einstellbaren Einschaltdauer des großen Schaltventils 20 nur noch für die intervallweise
Nachdosierung der Leckage notwendig. Die Grenzen der Regler-Totzone (Schaltpunkte),
siehe Figur 2, sind beispielsweise auf 5 bar über und 10 bar unter dem Sollwert festgelegt.
[0045] Figur 6 zeigt, wie nach einem anfänglichen Druckanstieg, siehe Bezugszeichen 1, durch
Lasterhöhung das Überströmventil 26 das System gegen einen Druckanstieg von mehr als
25% über dem Sollwert (100 bar) absichert, Siehe Bezugszeichen 2. Zusätzlich zu Ist-
und Sollwert ist in Figur 6 noch der Druckverlauf eingezeichnet, welcher sich ohne
Regelung ergeben würde. Erst zum zweiten Schaltzyklusbeginn nach 100 ms kann die Regelung
das erste Mal reagieren. Der darauffolgende Druckanstieg, siehe Bezugszeichen 3 ist
das Resultat der Leckage über den Kolben 4, welche die langsame Entleerung des Zylinderraums
4 zur Folge hat. Zum nächsten Anfang des Schaltzyklus ist durch die Leckage die Regelgröße
über den oberen Schaltpunkt des großen Schaltventils 20, siehe Bezugszeichen 4, angestiegen.
Das Schalten des Schaltventils 20 bewirkt ein Abfallen des Drucks. Zum Zeitpunkt 300
ms befindet sich die Regelgröße noch innerhalb der Totzone des Reglers. Lediglich
die zu jedem Beginn der Schaltzyklen aktive Nachdosierung der Leckage über das kleine
Schaltventil 22 bewirkt eine Anpassung des Druckverlaufs an die Führungsgröße, siehe
Bezugszeichen 5. Bei Reduzierung der Last und damit abfallendem Druck, siehe Bezugszeichen
6, kann die Regelung erst mit der Verspätung eines Schaltzyklus reagieren, siehe Bezugszeichen
7. Der zweite Lastanstieg (bemerkbar durch den ansteigenden ungeregelten Druck) bewirkt
weitere Abweichungen der Regelgröße, bis hinein in die Druckbegrenzung des Überströmventils
26, siehe Bezugszeichen 8.
[0046] Die variable Einschaltdauer trägt wesentlich dazu bei, die Reaktionsfähigkeit und
die Genauigkeit des Druckverlaufs zu erhöhen. Dabei kann hinsichtlich der Funktion
zur Reduzierung von Überdosierungen sogar auf das kleine Schaltventil 22 verzichtet
werden. Für die Feindosierung kommt es dagegen noch zum Einsatz. Weiterhin positiv
bleibt der Aspekt der Verlustreduzierung beim Steueröl.
[0047] Im Folgenden wir anhand der Figur 7 ein Regelverfahren einer Druckregelung der Verdrängereinheit
1 mit einem "verschachteltem Schaltzyklus" beschrieben. Um noch schnellere Reaktionen
der Regelgröße zu ermöglichen, wird im Folgenden nicht mit einem starren Schaltzyklus
gefahren. Wenn ein neuer Schaltzyklus beginnt und an dessen Anfang kein Schalten erforderlich
ist, wird nicht ein weiterer Schaltzyklus gänzlich pausiert, sondern ab diesem Zeitpunkt
im Abtasttakt von beispielsweise 1 kHz nach einer notwendigen Schaltanforderung gefragt.
Wenn dann nach einigen Abfragezeitpunkten ein Schalten der Schaltventile 20, 22, 28
notwendig ist, wird anschließend der normale Schaltzyklus abgefahren, mit dem entsprechend
erforderlichen Einschaltverhältnis und dem notwendigen Pausenverhältnis.
[0048] In Figur 7 ist zu erkennen, dass beispielsweise schon einige Millisekunden vor dem
Zeitpunkt 500 ms eine Reaktion des Schaltventils 20 erfolgt, siehe Bezugszeichen 1
in Figur 7, da nach dem Ablauf der letzten Pausendauer kein Schalten notwendig war.
Diese Reaktion wäre mit dem vorherigen Regelungskonzept erst zum Zeitpunkt 500 ms
erfolgt. Somit ergibt sich eine weitere Maßnahme zur Eindämmung des durch die Leckage
verursachten Drifts im Druckverlauf.
[0049] Durch die Abschaffung des starren Schaltzyklus wird die Reaktion der Regelgröße weiter
erhöht. Wenn hierbei das kleine Schaltventil 22 zusätzlich noch eingesetzt wird, kann
der Regelverlauf noch geringfügig weiter verbessert werden.
[0050] Anhand Figur 8 wird ein Regelverfahren einer Druckregelung mit einer getrennten Ventilansteuerung
der Schaltventile 20, 22 und 28 erläutert.
[0051] Bei Betrachtung der reinen Befüllung und Entleerung des Zylinderraums 6, ist ein
gemeinsames Schalten von Schaltventilen 20 bzw. 22 und 28 in der Regel nicht notwendig
und somit eine gemeinsame Ansteuerung nicht nachteilig. Jedoch bringt ein kombiniertes
Schalten der Schaltventile 20, 22, 28 hinsichtlich der gezielten Dosierung und hinsichtlich
der besseren Reaktion bei schnellen mehrfachen Lastwechseln einen Vorteil.
[0052] Durch die Trennung der Ansteuerung bezüglich Abtastrate und Schaltzykluserzeugung
können die Schaltventile 20, 22, 28 nun unabhängig voneinander und sogar gleichzeitig
schalten. Das Öffnen des Schaltventils 28 hat nicht einen gleich großen Volumenstrom
aus dem Zylinderraum 6 zur Folge wie der Volumenstrom in Zylinderraum 6, der sich
bei gleich langem Öffnen des Schaltventils 20 ergibt. Am Schaltventil 28 liegt eine
geringere Druckdifferenz an (Zylinderraumdruck zu Tankdruck) als am Schaltventil 20
(Hochdruck zu Zylinderraumdruck). Durch die geringere Druckdifferenz ergibt sich der
kleinere Volumenstrom. Durch kombiniertes Schalten ist nun auch eine fein dosierende
Befüllung möglich. Der Druckverlauf in Figur 8 zeigt, wie zu große Druckabfälle (durch
Überdosierungen des Schaltventils 20) mit gleich im Anschluss erfolgenden Reaktionen
des Schaltventils 28 teilweise ausgeglichen werden, siehe Bezugszeichen 1 in Figur
8. Schnelle Druckanstiege durch Lasterhöhung müssen nach wie vor vom Überströmventil
26 abgefangen werden, siehe Bezugszeichen 2 in Figur 8.
[0053] Das kombinierte Schalten erhöht die Genauigkeit des Regelverlaufs und macht dadurch
auch die Notwendigkeit eines zur Feindosierung verwendeten Schaltventils 22 überflüssig.
[0054] Durch Erhöhung der Schaltfrequenz kann eine noch bessere Reaktionsfähigkeit ermöglicht
sein.
[0055] In Figur 9 wird ein Regelverfahren einer Druckregelung mit einer hohen Schaltfrequenz
erläutert. Die Optimierung der Reaktionsfähigkeit im Schaltverhalten kann schnelle
Druckanstiege nach wie vor nicht verhindern, da große Schaltzyklen eine schnelle Reaktion
der Regelung verschlechtern. Mit Erhöhung der Schaltfrequenz ergeben sich innerhalb
eines bestimmten Zeitraums mehr Gelegenheiten zum Schalten der Schaltventile 20, 22,
28 und dadurch eine größere Reaktionsfähigkeit der Regelung auf Störeinflüsse.
[0056] Figur 9 zeigt, dass die Lasterhöhungen, welche zuvor von dem Überströmventil 26 abgefangen
werden, nun größtenteils ausgeregelt werden können bevor die Absicherungsgrenze erreicht
wird, siehe Bezugszeichen 1 in Figur 9. Wo sich zuvor noch größere Druckschwankungen
im Regelverlauf zeigten, sind kaum noch größere Abweichungen zu erkennen, siehe Bezugszeichen
2 in Figur 9.
[0057] Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz, beispielsweise auf 100 Hz, können schnelle
Druckanstiege rechtzeitig ausgeregelt werden, so dass die Absicherung durch das Überströmventil
36 weniger oder gar nicht in Anspruch genommen werden muss. Durch die deutlich erhöhte
Reaktionsfähigkeit wird auch der Regelverlauf merklich genauer. Störeinflüsse werden
schneller ausgeregelt und der Druckverlauf passt sich deutlich besser der Führungsgröße
an. Einziger Nachteil hierbei ist die Erhöhung der maximalen Schalthäufigkeit. Die
Gesamtzahl der Schaltzyklen ist begrenzt und durch das vermehrte Schalten kann sich
eine kürzere Lebensdauer der Schaltventile 20, 22, 28 ergeben. Die Schalthäufigkeit
ist jedoch auch abhängig von der Dynamik der Regelgröße d.h. abhängig von den Lastzyklen,
welche die Regelung bewältigen muss. Laständerungen haben Störeinflüsse in der Regelgröße
zur Folge. Ein weiterer Einfluss auf das Schaltverhalten hat auch die Leckage über
den Stellkolben. Je größer die Leckage konstruktiv bedingt ausfällt, desto mehr muss
entsprechend nachgeregelt werden. Mit diesem Regelungskonzept kann nun ein relativ
guter Verlauf der Regelgröße erzeugt werden.
[0058] Die hauptsächliche Aufgabe der Regelung besteht darin, die Regelabweichung mit den
festgelegten Schaltpunkten der Schaltventile 20, 22, 28 zu vergleichen. Überschreitet
die Regelabweichung den Wert eines Schaltpunkts, so wird nachfolgend die Aufforderung
zur Öffnung des Schaltventils 20, 22, 28, dessen Schaltpunkt überschritten wurde,
weitergeleitet. Im Subsystem "Pegelsteuerung" erfolgt die in der Abtastfrequenz vorgenommene
Abfrage des Vergleichergebnisses. Wenn zu einem Abfragezeitpunkt die Regelung eine
Reaktion des Schaltventils 20, 22, 28 erfordert, dann wird ein Schaltimpuls gestartet.
Der Schaltimpuls ist logisch gekoppelt an ein Einschaltdauersignal. Dies wird zu Beginn
eines jeden Schaltzyklus gestartet und dauert maximal 20 % der Schaltperiode. Somit
ist gewährleistet, dass keine Einschaltdauer die vorgeschriebene relative Einschaltdauer
überschreitet, selbst wenn danach das Schaltventil 20, 22, 28 laut Regelabweichung
weiterhin geöffnet bleiben sollte. Der Schaltimpuls wird wiederum rückgekoppelt mit
den Abtastimpulsen verknüpft, so dass während des Einschaltzustands eine Abfrage des
Vergleichsergebnisses im Abtasttakt möglich ist. Dadurch ist dann eine frühere Abschaltung
möglich, falls die Regelabweichung vor Ende der 20 % Einschaltdauer wieder ausgeglichen
wurde.
[0059] Die Ansteuerung des Schaltventils 28 ermöglicht nach der Pegelsteuerung die Option
einer Schaltsicherung. In bestimmten Fällen muss die Möglichkeit in Betracht gezogen
werden, dass die Regelgröße über eine längere Zeitspanne an die Führungsgröße nicht
heranreichen kann. Das ist beispielsweise der Fall, wenn trotz ausgeschwenktem Zustand
der Verdrängermaschine 1 (maximaler Schwenkwinkel) die Förderleistung nicht ausreicht,
um den Druck-Sollwert aufbauen zu können. Damit nun das Schaltventil 28 nicht ständig
zum Schalten aufgefordert wird, obwohl der Zylinderraum 6 schon entleert ist, hilft
die Schaltsicherung dabei unnötiges Schalten des Schaltventils 28 zu vermeiden. Einfach
ausgedrückt, zählt die Sicherung bei positivem Vergleichsergebnis (Schaltventil 20
muss schalten) die Schaltzyklen. Ändert sich die Regelweichung trotz einer ausreichend
großen Anzahl von Schaltvorgängen nicht, geht die Sicherung davon aus, dass der Zylinderraum
6 schon entleert ist und weitere Schaltvorgänge vorerst keine Änderungen mehr erzeugen
würden. Ein weiteres Schalten des Schaltventils 28 wird solange unterdrückt, bis sich
die Regelabweichung wieder innerhalb der Totzone des Reglers befindet.
[0060] In Figur 10 wird nochmals das grundsätzliche Funktionsprinzip grafisch verdeutlicht.
Wenn sich die Regelgröße (Ist-Zustand) über die durch die Schaltpunkte markierten
Grenzen der Totzone der Regelung begibt, werden entsprechend der vorgeschriebenen
Schaltcharakteristika die Schaltventile 20, 22, 28 aktiviert, um die Regelgröße wieder
der Führungsgröße (Sollwert) anzugleichen.
[0061] Im Folgenden wird anhand Figur 11 eine Konfiguration der Ventilansteuerung erläutert.
Figur 11 zeigt die Charakteristik des Stromverlaufs, welche die Endstufe generiert,
um den Ventilen schnelles Schalten zu ermöglichen. Die Programmierung (setzten von
Bits in Registern des CJ840-Elektronikbausteins) wird beispielsweise über einen Computer
manuell durchgeführt. Verschiedene Bit-Kombinationen in fünf Registern stehen für
unterschiedliche Eigenschaften, die veränderbar sind. Nach Einschalten der Spannungsversorgung
werden die Register auf eine Default-Einstellung gesetzt. Der Stromverlauf in Figur
11 zeigt die Stromwerte, welche sich durch die Ausgangseinstellung ergeben.
[0062] Das Einschaltverhalten der Schaltventile 20, 22, 28 ist im Wesentlichen in fünf Phasen
aufgeteilt. Das Ansteuersignal der Regelung gibt den Befehl zum Öffnen des Schaltventils
20, 22, 28 an die Endstufe weiter. Um das Schaltventil 20, 22, 28 zu öffnen, wird
zunächst ein großer Strom benötigt, der über eine Spannung von maximal 65 Volt erreicht
wird. Der Strom dieser sogenannten Boostphase ist genauso wie der Zeitrahmen, der
dem Boost zur Verfügung steht, einstellbar. Je größer dieser Stromboost ist, desto
schneller kann sich das Magnetfeld in einer Magnetspule des Aktuators 32 aus Figur
1 aufbauen und den Ventilanker in Bewegung versetzten. Ebenfalls programmierbar ist
die darauf folgende "Pick-Up"-Phase, welche über pulsweitenmodulierte Spannung einen
bestimmten Stromwert einnimmt, bis das Schaltventil 20, 22, 28 garantiert geöffnet
hat. Danach erfolgt eine Schnelllöschung des Stroms über eine hohe negative Spannung
und verharrt bei einem ebenfalls über PWM geregelten Haltestrom. Die Phase der Haltestromregelung
dient zum Einhalten des geöffneten Zustands und wird bei Anforderung zum Schließen
ebenfalls durch Schnelllöschung beendet. Auch hier sind Zeitrahmen und Stromwerte
einstellbar.
[0063] Im Einsatz der Verdrängermaschine 1 können Volumenstrompulsationen auftreten, aus
denen wiederum eine Pulsation des Drucks erfolgen kann. Die Regelgröße weist durch
die
[0064] Pulsation einen signalverrauschten Verlauf auf. Für eine möglichst genaue und effiziente
Regelung ist aber die Abtastung einer möglichst genauen Regelgröße notwendig. Zur
Glättung der Abtastgröße gibt es verschiedene Möglichkeiten, die nachfolgend erläutert
werden.
[0065] Es ist denkbar, die Abtastgröße mit einem Hardwarefilter zu glätten, wie beispielsweise
das Bessel-Tiefpassfilter.
[0066] Möglich ist auch, die Abtastgröße mittels eines Softwarefilters zu glätten. Die Anwendung
digital programmierter Filtermethoden bietet verschiedene Möglichkeiten. Softwarefilter,
welche durch den gleitenden Mittelwert ein geglättetes Signal errechnen, erreichen
geringere Laufzeiten als Hardware-basierte Filter. Doch erhält man nur dann eine ausreichende
Signalglättung, je mehr Messwerte in der Mittelwertbildung verarbeitet werden. Da
bei der digitalen Druckregelung mit einer Abtastfrequenz von 1 kHz gearbeitet wird,
hätte dies eine Verzögerung von mehreren Millisekunden zur Folge. So eine Zeitverzögerung
würde die Regelung instabil machen. Die Instabilität ergäbe sich aus Überdosierungen
der Schaltventile 20, 22, 28. Diese würden aufgrund der durch die Filterung verursachten
Zeitverzögerungen nicht rechtzeitig schalten.
[0067] Das beste Glättungsergebnis wird erreicht, wenn die Abtastung der zu mittelnden Werte
gerade noch dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem (Formel 1) entspricht, woraus wiederum
eine zu große Zeitverzögerung des Signals resultiert.
[0068] Eine höhere Abtastfrequenz ermöglicht zwar die erwünschte geringere Zeitverzögerung,
jedoch wird dadurch die Glättung immer weniger effizient, da sich dann auch wieder
die hochfrequenten Schwingungen aus dem Mittelwert der größeren Anzahl von Abtastpunkten
ergeben.
[0069] Bei einer Glättung mit einem Tiefpassfilter kann die Filterung des Signals mittels
eines einfachen PT1-Gliedes umgesetzt werden. Die Eckfrequenz der Übertragung f
E wird über die Zeitkonstante T
z verändert.
[0070] Die im Übertragungsverhalten des PT1-Glieds bemerkbare Phasenverschiebung (=Signallaufzeit)
wird mit größer werdender Eckfrequenz für relativ kleine Frequenzen auf den Mikrosekundenbereich
reduziert. Jedoch muss beachtet werden, dass die Eckfrequenz nicht viel größer als
die Pulsationsfrequenz sein darf, da der Filter sonst wirkungslos wäre.
[0071] Eine weitere Möglichkeit einer Tiefpassfilterung bietet die Kompressibilität und
Trägheit des Hydraulikmediums. Der Ansatz sieht also eine Glättung oder Dämpfung des
Pulsationssignals vor, die schon vor dem Messglied im Übertragungsmedium stattfindet.
Abhängig vom Volumen zwischen Druckaufnahme und Triebwerk (Erzeuger der Pulsation)
und allgemein vom gesamten Systemvolumen kommt die Pulsation entsprechend gedämpft
beim Sensor an.
[0072] Eine weitere Möglichkeit zur Glättung bietet ein numerischer Pulsationsfilter. Der
maßgebliche Störfaktor in der Regelgröße stellt die Pulsation dar. Sie ist hauptsächlich
abhängig von der Drehzahl und der Anzahl von Triebwerkskolben. Deshalb kann die Pulsation
mathematisch annähernd durch einen Sinus beschrieben werden. Dadurch ergibt sich der
Ansatz aus dem durch den Druckaufnehmer ermittelten Drucksignal die Pulsation gewissermaßen
herauszurechnen. Die Pulsation stellt im Realfall jedoch keinen idealen Sinus dar,
sondern eine Überlagerung mehrerer Sinus-Signale mit unterschiedlichen Frequenzen
und Amplituden. Daher können bei der Filterung mithilfe eines vereinfachten Sinus
lediglich die größten Störeinflüsse herausgefiltert werden. Für eine effektivere Glättung
müssten alle weiteren Sinus-Signale in die Filterung mit ein berechnet, sowie weitere
Einflüsse berücksichtigt werden. Einflüsse auf die Charakteristik der Pulsation ergeben
sich unter anderem auch aus dem Lastverhalten, das jedoch schwer vorzusagen ist.
[0073] Eine weitere Möglichkeit die Regelung zu optimieren liegt darin, die Schaltfrequenz
zu ändern, siehe Figur 12. Ein größeres Reaktionsvermögen der Regelung sollte eine
höhere Schaltfrequenz mit sich bringen können. Dabei kann die Schaltfrequenz jedoch
nicht beliebig erhöht werden. Die Dynamik der Schaltventile gibt die Grenzen der maximal
möglichen Schaltfrequenz vor. Das heißt, dass die maximal mögliche relative Einschaltdauer
innerhalb der Schaltperiodendauer nicht kleiner sein darf, als das Schaltverhalten
des Schaltventils 20, 22, 28 es zulässt. Wie in Figur 12 zu sehen, liegt die relative
Einschaltdauer bei der Schaltfrequenz von 200 Hz bei einer Millisekunde. Da das Ventil
bestenfalls allein 0,6 ms für Öffnungs- und Schließvorgang benötigt, ständen in dem
Fall nur 0,7 ms für den geöffneten Zustand zur Verfügung und das für die maximale
Einschaltdauer.
[0074] Im Endeffekt ist bei dieser Schaltfrequenz die Reaktion der Regelung nicht mehr von
einer änderbaren Einschaltdauer abhängig, sondern von der Summe der Schaltvorgänge
mit gleichbleibenden Einschaltdauern von einer Millisekunde. Die einzige Möglichkeit
die Einschaltdauer zu beeinflussen bietet die Erhöhung der Abtastrate um das Zweifache.
Dadurch sind Öffnungsdauern mit der Hälfte der maximalen Einschaltdauer möglich. Da
die Öffnungs-und Schließdauern des Ventils fix bleiben, ergibt sich in diesem Fall
eine Reduzierung des Dosierungsvorgangs um 0,2 ms. Daher kann die Schaltfrequenz von
200 Hz als Obergrenze betrachtet werden. Die Realisierung größerer Schaltfrequenzen
wäre nicht lohnenswert, da die Schaltdynamik der Magnetventile die Schaltanforderungen
nicht mehr ausführen könnte.
[0075] Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des Reaktionsvermögens könnte die Erweiterung
der Regelung durch eine innere Rückführung mit einstellbarem Zeitverhalten bieten.
Wie der Regelkreis in Figur 13 zeigt, wird dies über eine interne Rückkopplung mit
einem PT1-Glied realisiert.
[0076] Je nach Parametereinstellung der PT1-Übertragungsfunktion wird die Regelabweichung
damit entsprechend modifiziert, so dass die Schaltpunkte des Dreipunktreglers früher
erreicht werden. Die Regelabweichung erhält durch die rückführende Korrektur sozusagen
einen vorauseilenden Charakter. Die Regelung veranlasst dadurch früher die Stellgrößenänderung
und kann so schneller einer vom Sollwert abweichenden Regelgröße entgegenwirken. Die
Größe des Korrekturschritts ergibt sich aus den Rückführgrößen, der Verstärkung K
r und der Zeitkonstante T
r und ist proportional zur Größe des Eingangssprungs. Der P-Anteil des Reglers ergibt
sich aus der Stellgrößenänderung, welche aus dem Korrekturschritt resultiert. Die
Verstellung zählt durch ihren integrativen Charakter im Regelkreis zum Bestandteil
der Reglerfunktion (I-Anteil).
[0077] Näherungsweise ergibt sich für einen Dreipunktregler mit nachgeschaltetem integralem
Stellsystem folgende Übertragungsfunktion:
[0078] Bei der Übertragungsfunktion wird deutlich, dass dieser Regler ein PI-Verhalten aufweist.
Der Faktor vor der Klammer aus Formel 3 kann mit dem Verstärkungsfaktor K der Übertragungsfunktion
des PI-Reglers gleichgesetzt werden, sowie die Zeitkonstanten T
r und TN:
[0079] Je größer die Verstärkung der Rückkopplung Kr (oder je kleiner Tr), desto größer
wird die Vorauseilung (Korrekturschritt) der Regelabweichung, welche sich durch die
interne Rückführung ergibt. Die Gesamtverstärkung des Quasi-PI-Reglers wird dabei
kleiner. Durch den vorauseilenden Charakter der durch die Rückführung modifizierten
Regelabweichung werden die Schaltpunkte der Regelung früher erreicht.
[0080] Hinsichtlich des unterschiedlichen Volumenstroms über Ein- und Auslassventil 20,
28 (verursacht durch unterschiedlichen Druckabfall), ist eine zweifache, für jedes
Ventil 20, 28 getrennte Rückführung besser geeignet. Eine gemeinsame Rückführung würde
nicht der Tatsache gerecht werden, dass über das Auslassventil 28 durch den geringeren
Druckabfall ein kleinerer Volumenstrom zu erwarten ist. Unterschiedlich große Volumenströme
bedeuten unterschiedliche Einflüsse auf die Verstärkung der Verstellung.
[0081] Das Einlassventil besitzt durch den größeren Volumenstrom, den es zur Verfügung stellen
kann, sozusagen auch eine größere verstärkende Wirkung als das Auslassventil 28. Deshalb
sollte für das Auslassventil 28 eine geringere Vorauseilung ermöglicht werden, da
hier die Gefahr der Überdosierungen durch die kleinere Volumenstrom-Verstärkung geringer
ist als beim Einlassventil 20. Eine für jedes Ventil 20, 28 eigene Rückführung ermöglicht
so individuelle Konfigurationen, welche den unterschiedlichen Volumenstrom-Verstärkungen
gerecht werden kann.
[0082] Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Dosierauflösung kann eine höhere Abtastrate bieten.
Genau wie bei der Schaltfrequenz ergeben sich jedoch auch hier Grenzen, welche durch
die Dynamik der Magnetventile vorgegeben werden. Eine Abtastfrequenz von mehr als
2 kHz wäre nicht mehr lohnenswert, da die Ventile 20, 22, 28 mindestens 300 µs benötigen
bis diese ganz geöffnet oder geschlossen haben. Ein Abtastzeitfenster von größer als
die Öffnungs- bzw. Schließdauer garantiert, dass das Ventil 20, 22 28 beim Öffnungs-
oder Schließvorgang nicht unterbrochen werden kann. So kann besser gewährleistet werden,
dass das Ventil 20, 22, 28 nicht unnötig oft vergeblich bestromt wird.
[0083] Durch die Verzweifachung der Abtastfrequenz kann die Dosierauflösung ebenfalls verdoppelt
werden. Das heißt es können feinere Dosierungen vorgenommen werden und dadurch Überdosierungen
besser vermieden werden. Gleichzeitig würde eine größere Abtastung eventuell eine
Erhöhung des Reaktionsvermögens mit sich bringen. Die Steuerung der relativen Einschaltdauer
kann dadurch in einer größeren Auflösung vorgenommen werden, d.h. es kann gegebenenfalls
früher mit dem Abschalten der Ventile 20 22, 28 begonnen werden, als mit den üblichen
1 kHz.
[0084] Gemäß Figur 14 ist ein hydraulischer Schaltplan dargestellt, der eine Verdrängermaschine
38 zeigt, die als Hydropumpe und- Motor einsetzbar ist. Neben dem Stellzylinder 2
ist ein weiterer Stellzylinder 40 dargestellt, der einen Kolben 42 aufweist. Vom Kolben
42 aus erstreckt sich eine Kolbenstange 44, die an einer nicht dargestellten Schrägscheibe
der Verdrängermaschine 38 angreift. Der Kolben 42 begrenzt mit seiner von der Kolbenstange
44 wegweisenden Seite einen Zylinderraum 46, der mit der Druckleitung 14 der Verdrängermaschine
38 verbunden ist. In dem Zyliriderraum 46 ist eine Feder 48 angeordnet, die den Kolben
42 mit einer Federkraft in Richtung des sich vergrößernden Zylinderraums 46 beaufschlagt.
Der Kolben 42 des Stellzylinders 40 wirkt gegen den Kolben 4 des Stellzylinders 2.
Eine Verschiebung des Kolbens 42 in Richtung des sich vergrößernden Zylinderraums
46 führt somit zu einer Verschiebung des Kolbens 4 in Richtung eines sich verkleinernden
Zylinderraums 6 und umgekehrt. Im Unterschied zum hydraulischen Schaltplan aus Figur
1 sind gemäß Figur 14 kein zweites Schaltventil zwischen dem Zylinderraum 6 und der
Druckleitung 14 und auch kein Überströmventil vorgesehen.
[0085] Die Schaltventile 20, 22 und 28 aus Figur 1 bzw. die Schaltventile 20 und 28 aus
Figur 14 sind im Pulse-Width-Modulated-Modus (PWM), im Meter-In/Meter-Out (MIO) oder
im ballistischen Modus (BAM) ansteuerbar. Gemäß Figur 1, bei der zwei Schaltventile
20 und 22 am Druckmittelströmungspfad zwischen der Druckleitung 14 und dem Zylinderraum
6 vorgesehen sind, können die Schaltventile im Pulscode-Modulated-Modus (PCM) angesteuert
werden. Die Ansteuerung von Schaltventilen im ballistischen Modus ist beispielsweise
in dem Dokument
DE 10 2009 052 285 A1 offenbart.
[0086] Offenbart ist insbesondere erfindungsgemäß eine Verstellstelleinheit für eine verstellbare
hydraulische Verdrängermaschine mit einem Druck-Förderstromregler. Die Verstelleinheit
hat zumindest einen Stellzylinder zum Verstellen eines Hubraums der Verdrängermaschine.
Der Stellzylinder wird über Schaltventile angesteuert.
Bezugszeichenliste:
1 |
Verdrängermaschine |
2 |
Stellzylinder |
3 |
Verstelleinheit |
4 |
Kolben |
6 |
Zylinderraum |
8 |
Kolbenstange |
10 |
Rückstellfeder |
12 |
Ringraum |
14 |
Druckleitung |
16 |
Tankleitung |
18 |
Tank |
20 |
erstes Schaltventil |
22 |
zweites Schaltventil |
24 |
Drossel |
26 |
Überströmventil |
28 |
Schaltventil |
30 |
Ventilfeder |
32 |
Aktuator |
34 |
Wegaufnehmer |
36 |
Drucksensor |
37 |
Steuereinheit |
38 |
Verdrängermaschine |
40 |
Stellzylinder |
42 |
Kolben |
44 |
Kolbenstange |
46 |
Zylinderraum |
48 |
Feder |
1. Druck-Förderstromregler zum Verstellen einer Verstelleinheit (3) einer verstellbaren
hydraulischen Verdrängermaschine (1), wobei ein Schaltventil (20, 22, 28) zum Ansteuern
der Verstelleinheit (3) vorgesehen ist.
2. Druck-Förderstromregler nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Schaltventil (20,
22, 28) im Pulse-Width-Modulated-Modus (PWM) oder im ballistischen Modus (BaM) eingesetzt
ist.
3. Druck-Förderstromregler nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zumindest eine Schaltventil
(20, 22, 28) zum Steuern einer Verbindung zwischen der Verstelleinheit und einer Druckmittelquelle
(14) und zumindest ein Schaltventil (20, 22, 28) zum Steuern einer Verbindung zwischen
der Verstelleinheit und einer Druckmittelsenke (18) vorgesehen ist.
4. Druck-Förderstromregler nach Anspruch 3, wobei die Schaltventile (20, 22, 28) im Meter-In/Meter-Out
(MIO) angesteuert sind.
5. Druck-Förderstromregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei
Schaltventile (20, 22, 28) zum Steuern einer Verbindung zwischen der Verstelleinheit
und der Druckmittelquelle (14) und/oder zwei Schaltventile (20, 22, 28) zum Steuern
einer Verbindung zwischen der Verstelleinheit und einer Druckmittelsenke (18) vorgesehen
sind.
6. Verstelleinheit für eine verstellbare hydraulische Verdrängermaschine (1) mit einem
Druck-Förderstromregler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit zumindest einem
Stellzylinder (2) zum Verstellen eines Hubraums der Verdrängermaschine (1), wobei
der Stellzylinder (2) einen von einem Kolben (4) begrenzten Zylinderraum (6), der
zum Verschieben des Kolbens (4) in Richtung des sich vergrößernden Zylinderraum (6)
über das Schaltventil (20, 22) des Druck-Förderstromreglers mit einem von einer Druckleitung
(14) der Verdrängermaschine (1) abgegriffenen Druckmittel beschickbar ist und der
zum Entlassen von Druckmittel aus dem Zylinderraum (6) über ein weiteres Schaltventil
(28) mit der Druckmittelsenke (18) verbindbar ist.
7. Verstelleinheit nach Anspruch 6, wobei eine elektronische Steuereinheit (37) vorgesehen
ist, die die Schaltventile (20, 22, 28) in Abhängigkeit eines Drucks, insbesondere
in der Druckleitung (14), und/oder eines Verschiebewegs des Kolbens (4) des Stellzylinders
(2) steuert.
8. Verstelleinheit nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit (37) die Schaltventile (20,
22, 28) mit einer Dreipunktregelung ansteuert.
9. Verstelleinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein Schaltzyklus eines Schaltventils
(20, 22, 28) ein vorbestimmtes Verhältnis von einer Einschalt- zu einer Ausschaltdauer
aufweist.
10. Verstelleinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei eine Abtastung des Drucks
und/oder des Verschiebewegs mit einer bestimmten Abtastfrequenz und einer Ansteuerung
der Schaltventile (20, 22, 28) mit einer bestimmten Schaltfrequenz etwa synchron erfolgt.
11. Verstelleinheit nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Schaltzyklen der Schaltventile
(20, 22, 28) unabhängig voneinander sind.
12. Verfahren zum Regeln einer Verstelleinheit gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, mit
den Schritten:
- Abtasten des Verschiebewegs des Kolbens (4) des Stellzylinders (2) und/oder eines
Drucks
- Steuern der Schaltventile (20, 22, 28) in Abhängigkeit des Verschiebewegs und/oder
des Drucks.