[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Kompensation von zyklischen
Störungen beim Betrieb einer durch einen Elektromotor angetriebenen Pumpe. Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Regelungseinheit für einen eine Pumpe antreibenden Elektromotor.
[0002] Pumpen dienen der Förderung inkompressibler Fluide. Für Förderaufgaben werden oft
Kolbenpumpen eingesetzt, da sie sehr hohe Drücke erreichen können. Die Bestandteile
einer Kolbenpumpe sind u. a. ein Gehäuse mit einem Kolbenraum, Kolben, verschiedenartige
Ventile sowie ein Pumpenantrieb. Die Arbeitsweise einer Kolbenpumpe ist durch den
Wechsel zwischen dem Ansaugen eines Mediums und dem Ausstoßen desselben Mediums gekennzeichnet.
Aufgrund des Pumpenaufbaus kommt es zu Förderunterbrechungen im Pumpenbetrieb an den
beiden Umkehrpunkten der Kolbenpumpe. Die Förderunterbrechungen stellen Störungen
dar, weshalb sie beseitigt werden sollen, wofür sie ausgeglichen werden bzw. ihnen
entgegengewirkt wird.
[0003] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Kompensation von Förderunterbrechungen
bekannt.
[0004] In der
DE 10 2012 023 902 B3 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Hydraulikeinrichtung beschrieben, bei welchem
eine Kompensation einer zyklischen Störung durch Druckregelung und Drehzahlregelung
stattfindet. Für diese Regelung sind der Drehwinkel einer Pumpe und/oder Servomotors
sowie ein Druckistwert notwendig. Eine Bestimmung der Systemmodellparameter erfolgt
hierbei über Modellanalyse.
[0005] Aus der
DE 10 2013 216 342 A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung einer drehzahlvariablen Fluidpumpe mit einem Soll-Drehzahlsignal
bekannt. Der Druck wird in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung des Lagers der Pumpenwelle
bestimmt. Ein Kompensationssignal wird entsprechend der Druckstörung ermittelt und
auf einen Drehzahlsollwert aufaddiert.
[0006] In der
DE 697 29 772 T2 ist ein Verfahren zur zumindest teilweisen Kompensation von Störungen bei Kolbenpumpen
beschrieben. Die Kompensation erfolgt durch Berechnung einer Druckkurve unter Verwendung
des abgefragten Drucks. Des Weiteren wird die Rotationsstellung eines Motors erfasst.
[0007] Aus der
DE 10 2008 061 828 A1 ist eine hydrostatische Axialkolbenpumpe bekannt. Die Kompensation einer auftretenden
Störung erfolgt mechanisch, wobei eine durch einen Aktor erzeugte oszillierende Bewegung
eine Drehbewegung der Antriebswelle überlagert.
[0008] In der
DE 10 2011 121 837 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer drehzahlvariablen Pumpe beschrieben, bei welchem
eine teilweise Kompensierung einer auftretenden Störung erfolgt. Zur Kompensation
ist eine Vorsteuerung realisiert, wobei eine Antriebseinrichtung mit einem vorgegebenen
Drehzahlverlauf gesteuert wird. Zur Steuerung wird ein Lageistwert bestimmt.
[0009] Die
WO 2014/206339 A1 und die
WO 2014/206340 A1 lehren Verfahren für VFD-basierte Pumpen und entsprechende Regelungssysteme. Ein
die Pumpe antreibender Elektromotor wird durch einen VFD bzw. durch einen Frequenzumrichter
geregelt. Das Regelungssystem umfasst ein Anti-Welligkeits-Einspeisungsmodul zum Einspeisen
eines Anti-Welligkeitssignals in einen Steuerungspfad. Das Anti-Welligkeits-Einspeisungsmodul
erzeugt ein Strom-Anti-Welligkeitssignal bzw. ein Geschwindigkeits-Anti-Welligkeitssignal.
Durch das Anti-Welligkeitssignal sollen Druckschwankungen am Pumpenausgang zumindest
teilweise aufgehoben werden.
[0010] Zur Störungsermittlung und zur zumindest teilweisen Störungskompensation benötigen
die bekannten Verfahren einen Druckistwert und/oder einen Drehzahlistwert der Pumpe.
Um Druckwerte zu bestimmen, sind Drucksensoren erforderlich. Teilweise erfolgt die
Erzeugung des Kompensationssignals über umfangreiche Algorithmen.
[0011] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher ausgehend vom Stand der Technik
darin, den zur Störungskompensation notwendigen Aufwand bei einer durch einen Elektromotor
angetriebenen Pumpe zu verringern.
[0012] Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie
durch eine Regelungseinheit gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 15 gelöst.
[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Kompensation von zyklischen Störungen, welche
beim Betrieb einer durch einen Elektromotor angetriebenen Pumpe auftreten. Die zumindest
partielle Kompensation erfolgt als eine Vorsteuerung in einem Regelkreis, wobei erfindungsgemäß
ein Kompensationssignal aufgeschaltet wird.
[0014] Die Pumpe umfasst bevorzugt zwei oder mehr Kolben. Bevorzugt ist die Pumpe als eine
Mehrkolbenpumpe ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Pumpe als eine Zweikolbenpumpe
ausgebildet. Die zyklischen Störungen beim Betrieb der Pumpe treten an aufbaubedingten
Kolbenumkehrpunkten zwischen einer ersten ein Fluid ansaugenden Phase und einer weiteren
das Fluid fördernden bzw. ausstoßenden Phase auf. Genauso treten die zyklischen Störungen
zwischen der fördernder Phase und der ansaugenden Phase auf. Somit gibt es je Zyklus
zwei der Kolbenumkehrpunkte mit jeweils einer Störung, sodass die Störungen zyklisch
sind. Diese sind als eine Laständerung während des Pumpenbetriebs in einem zur Regelung
des Elektromotors verwendeten Signal ersichtlich. Die zyklischen Störungen werden
auch als Pulsation bezeichnet. Die Kolben arbeiten synchron und/oder zeitversetzt
zueinander. Bei zeitversetzt arbeitenden Kolben erfolgt eine partielle Kompensation
der zyklischen Störungen.
[0015] Der Elektromotor ist bevorzugt als ein Servomotor ausgebildet. Auch andere Motorenarten
können zur Anwendung kommen. Der Elektromotor treibt die Pumpe an und ist dementsprechend
eine Komponente eines Pumpenantriebs.
[0016] Zur gezielten Regelung des Elektromotors wird der Regelkreis konstruiert. Erfindungsgemäß
umfasst der Regelkreis die Vorsteuerung. Die erfindungsgemäße Vorsteuerung dient der
zumindest partiellen Kompensation der zyklischen Störungen, die beim Pumpenbetrieb
auftreten.
[0017] Ein Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Sollwertsignal
bereitgestellt wird. Das Sollwertsignal, welches noch keine zusätzliche Vorsteuerung
aufweist, d. h. noch nicht kompensieren soll, wird zunächst zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit
des Elektromotors verwendet, sodass in dieser anfänglichen Phase noch keine Kompensation
der zyklischen Störungen erfolgt.
[0018] Ein weiterer Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine
Detektion von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Störimpulsen in einem zur Regelung
des Elektromotors verwendeten Signal erfolgt. In dem zur Regelung des Elektromotors
verwendeten Signal sind die zyklischen Störungen in Form von Signalausschlägen, Signalspitzen,
Signaleinbrüchen bzw. Signalsprüngen abgebildet. Bevorzugt erfolgt die Detektion der
Störimpulse unter Verwendung eines vorbestimmten Schwellwertes. Die Signalwerte des
zur Regelung des Elektromotors verwendeten Signals werden anhand ihrer zeitlichen
Abfolge fortlaufend mit dem Schwellwert verglichen. Liegt der jeweils betrachtete
Signalwert oberhalb bzw. unterhalb des Schwellwertes, wird der Signalwert als Störimpuls
detektiert. Der Schwellwert ist variabel festlegbar; bevorzugt unter Beachtung der
Amplitude des zur Regelung des Elektromotors verwendeten Signals. Der Schwellwert
ist bevorzugt dynamisch berechenbar.
[0019] Gemäß einem weiteren Verfahrensschritt wird ein periodisches Kompensationssignal
generiert und mit den mindestens zwei detektierten Störimpulsen synchronisiert. Das
Kompensationssignal umfasst bevorzugt eine Folge von Impulsen, wobei jeweils zwei
aufeinanderfolgende der Impulse den gleichen zeitlichen Abstand wie die beiden detektierten
Störimpulse aufweisen. Insoweit stellt das Kompensationssignal in Bezug auf die Zeit
eine periodische Fortsetzung der mindestens zwei detektierten Störimpulse dar.
[0020] In einem weiteren Verfahrensschritt wird das periodische Kompensationssignal auf
das Sollwertsignal aufgeschaltet und somit ein kompensierendes Sollwertsignal erzeugt.
Demzufolge wird die Vorsteuerung aus dem periodischen Kompensationssignal gemeinsam
mit dem Sollwertsignal gebildet.
[0021] Das kompensierende Sollwertsignal wird anschließend zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit
des Elektromotors im Regelkreis verwendet, sodass ab diesem Zeitpunkt eine Kompensation
der Störimpulse erfolgt. Durch Anwendung des kompensierenden Sollwertsignals werden
die zyklischen Störungen ganz oder zumindest teilweise kompensiert und sind in dem
zur Regelung des Elektromotors verwendeten Signal nicht mehr oder kaum noch vorhanden.
Das Kompensationssignal wird somit zeitlich zum Störsignal vorgesteuert, um die Wirkung
der Störung vor deren Auftreten zu eliminieren.
[0022] Das zur Regelung der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors verwendete Signal ist
durch ein Stromsollwertsignal oder durch ein Stromistwertsignal eines inneren Regelkreises
zur Regelung eines im Elektromotor fließenden Stromes gebildet. Das Stromsollwertsignal
stellt eine fortlaufende Reihe von Stromsollwerten dar. Das Stromistwertsignal stellt
eine fortlaufende Reihe von Stromistwerten dar.
[0023] Ein Vorteil der Erfindung ist, dass ein zur Regelung des Elektromotors ohnehin ermitteltes
Signal auch zur Erzeugung des Kompensationssignals verwendet wird. Ein Drucksignal,
welches durch eine Reihe von Druckistwerten oder Drucksollwerten gebildet wird, ist
nicht notwendig. Somit wird kein Drucksensor zum Erfassen des von der Pumpe erzeugten
Drucks benötigt.
[0024] Das Sollwertsignal wird zur Regelung der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors
verwendet. Die Messgröße des Regelkreises zur Regelung der Winkelgeschwindigkeit des
Elektromotors wird bevorzugt durch die Winkelgeschwindigkeit bzw. eine Drehzahl des
Elektromotors gebildet. Bekanntermaßen ist die Winkelgeschwindigkeit aus der Drehzahl
umrechenbar und umgekehrt. Die Winkelgeschwindigkeit wird mittels eines Winkelgeschwindigkeitssensors
oder eines Lagegebers bzw. die Drehzahl mittels eines Drehzahlsensors gemessen.
[0025] Das Kompensationssignal wird bevorzugt als eine Folge von zeitlich beabstandeten
Impulsen gebildet. Die Impulse werden jeweils während des Auftretens der zyklischen
Störung generiert, wobei die Impulse zum Ausgleich von mechanischen Verzögerungen
jeweils mit einer Vorhaltezeitdauer vor dem Auftreten der jeweiligen zyklischen Störung
beginnen können.
[0026] Die Generierung des Kompensationssignals umfasst bevorzugt mehrere Teilschritte.
In einem Teilschritt werden zeitlich äquidistante Inkremente fortlaufend mittels z.
B. eines Kodierers bzw. Encoders generiert. In einem weiteren Teilschritt werden die
zwischen den detektierten Störimpulsen auftretenden Inkremente gezählt und somit der
zeitliche Abstand zwischen den Störimpulsen bestimmt. Demzufolge können nachfolgende
Störimpulse anhand der Inkrementanzahl vorausgesagt werden. Gemäß einem weiteren Teilschritt
wird immer dann, wenn die Anzahl der zwischenzeitlich aufgetretenen gezählten Inkremente
der Anzahl der zwischen den detektierten Störimpulsen gezählten Inkremente gleicht,
jeweils einer der Impulse des periodischen Kompensationssignals generiert. Im zeitlichen
Verlauf wird eine Impulsfolge des Kompensationssignals erzeugt, sodass die aufeinanderfolgenden
Impulse genauso wie die detektierten Störimpulse zeitlich beabstandet sind.
[0027] Die Impulse des periodischen Kompensationssignals werden in verschiedenen Ausführungsformen
erzeugt. Bevorzugt sind die Impulse jeweils rechteckförmig ausgebildet. Alternativ
bevorzugt sind die Impulse trapez-, dreieck-, sinus-, sprung- oder sägezahnförmig
ausgebildet.
[0028] Die Detektion der mindestens zwei Störimpulse und die nachfolgende Bestimmung der
Impulse des Kompensationssignals stellt eine Synchronisation des Kompensationssignals
dar. Bevorzugt endet die Detektion nach dem Detektieren der zwei Störimpulse, was
als Abschalten der Synchronisation, d. h. als Beenden der zeitlichen Phase der Synchronisation
angesehen werden kann. Somit werden genau zwei Störimpulse detektiert. Entsprechend
wird nach Ermittlung der Inkrementanzahl bis zum nächsten Störimpuls die Synchronisation
abgeschaltet, da alle weiteren Störimpulse, d. h. die Zeitpunkte aller weiteren Störimpulse
vorausgesagt werden. Außerdem treten nach der Kompensation die zuvor detektierten
zyklischen Störungen nicht mehr auf. In einer weiteren Ausführungsform wird die Detektion
von Störimpulsen auch während des Generierens der Impulse des Kompensationssignals
fortgesetzt, um beispielsweise anderweitige Störungen zu ermitteln und nachfolgend
zu kompensieren.
[0029] In einer besonderen Ausführungsform wird das zur Regelung des Elektromotors verwendete
Signal, insbesondere das Stromsollwertsignal bzw. das Stromistwertsignal in einem
vorab durchzuführenden Teilschritt gefiltert, um Rauschanteile oder Gleichanteile
zu entfernen. Bevorzugt erfolgt die Rauschanteilunterdrückung mit einem Tiefpassfilter
bzw. die Gleichanteilunterdrückung mit einem Hochpassfilter.
[0030] Ein vorab durchführbarer Teilschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht in einer
Ausführungsform vor, dass eine zeitliche Ableitung des Stromsollwertsignals bzw. des
Stromistwertsignals gebildet wird, um die Störimpulse in der zeitlichen Ableitung
des Stromsollwertsignals bzw. des Stromistwertsignals leichter detektieren zu können.
[0031] Das Kompensationssignal, insbesondere die Impulse des Kompensationssignals stellen
einen Vorsteuerwert bzw. ein Vorsteuersignal dar. Bevorzugt entspricht der Vorsteuerwert
einer Geschwindigkeitsänderung bzw. einem Geschwindigkeitsoffset. In einem bevorzugt
durchzuführenden Schritt wird die detektierte Störung ausgemessen und ausgehend davon
wird die Form der Impulse des Kompensationssignals ausgewählt. Auf diese Weise werden
bevorzugt die Breite und Amplitude der Impulse festgelegt.
[0032] In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Form der Impulse des Kompensationssignals
mit einem Signalformgenerator generiert. Besonders bevorzugt ist der Signalformgenerator
ein Rampengenerator. Alternativ besonders bevorzugt ist der Signalformgenerator ein
Sinusgenerator.
[0033] Das Kompensationssignal ist für die zyklischen Störungen gleichbleibend, solang die
Komponenten des Pumpenantriebs, beispielsweise der Elektromotors, nicht geändert bzw.
ausgetauscht werden. Bei der Änderung der Komponenten der Pumpenantriebs müssen die
Verfahrensschritte zur Generierung des Kompensationssignals erneut durchgeführt werden.
[0034] Bei Mehrkolbenpumpen treten die zyklischen Störungen als sinusförmige und/oder impulsförmige
Störungen auf. Impulsförmige Störungen im Signal sind beispielsweise auf mechanische
Mängel zurückzuführen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die zumindest partielle
Kompensation der impulsförmigen Störungen möglich. Somit können beispielsweise Deformationen
einer Welle oder auch Betriebsstörungen wie plötzliche Förderunterbrechungen ermittelt
und es kann entsprechend reagiert werden.
[0035] In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden auch
die sinusförmigen Störungen kompensiert. Hierfür wird in einem weiteren Schritt das
zur Regelung des Elektromotors verwendete Signal, d. h. insbesondere das Stromsollwertsignal
bzw. das Stromistwertsignal transformiert, um sinusförmige Anteile der Störungen in
diesem Signal durch Minimierung eines Gleichanteiles im transformierten Signal zu
kompensieren. Diese Transformation ist bevorzugt durch die Park-Transformation gebildet.
Nachdem der Gleichanteil minimiert wurde, erfolgt bevorzugt eine Rücktransformation.
Das rücktransformierte Signal wird als Vorsteuerung zusätzlich zum Sollwertsignal
mit aufgeschaltet. Für die Transformation und die Rücktransformation wird bevorzugt
eine Winkelposition des Elektromotors verwendet, bei welcher es sich um einen Lageistwert
handelt. Die Winkelposition wird mit einem Winkelsensor oder bevorzugt mit einem auch
zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit verwendeten Sensor gemessen. Je nach Frequenz
der zyklischen Störungen muss die Frequenz der Winkelposition angepasst werden. Das
zur Regelung des Elektromotors verwendete rücktransformierte Signal entspricht dem
periodischen Kompensationssignal, welches gemeinsam mit dem Sollwertsignal die Vorsteuerung
bildet.
[0036] Die erfindungsgemäße Regelungseinheit dient der Regelung eines Elektromotors, welcher
eine Pumpe antreibt.
Die Regelungseinheit ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert,
sodass die zyklischen Störungen beim Betrieb der durch den Elektromotor angetriebenen
Pumpe kompensiert werden. Die Regelungseinheit ist bevorzugt zur Ausführung bevorzugter
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert. Im Übrigen weist
die Regelungseinheit bevorzugt auch solche Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren angegeben sind.
[0037] Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter
Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- Fig. 1:
- ein Blockschaltbild einer Pumpeneinheit mit einer erfindungsgemäßen Regelungseinheit;
- Fig. 2:
- ein Blockschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Regelungseinheit;
- Fig. 3:
- eine feldorientierte Regelung, wie sie in der in Fig. 2 gezeigten Regelungseinheit
zur Anwendung kommt;
- Fig. 4:
- eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß erzeugten Kompensationssignals;
- Fig. 5:
- weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäß erzeugten Kompensationssignals;
- Fig. 6:
- drei Diagramme mit jeweils einem Signal in aufeinanderfolgenden Teilschritten des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
- Fig. 7:
- drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
- Fig. 8:
- drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
- Fig. 9:
- drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
- Fig. 10:
- ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten
Regelungseinheit;
- Fig. 11:
- ein Blockschaltbild einer alternativ bevorzugten Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten
Regelungseinheit; und
- Fig. 12:
- ein Blockschaltbild einer weiteren alternativ bevorzugten Ausführungsform der in Fig.
2 dargestellten Regelungseinheit.
[0038] Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Pumpeneinheit mit einer Pumpe 01 und einer
erfindungsgemäßen Regelungseinheit 03 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Die
Pumpe 01 dient der Förderung eines Fluids und weist zwei Kolben auf. Die Pumpe 01
weist je Pumpenzyklus zwei Kolbenumkehrpunkte auf, die im Förderungsverlauf durch
zyklische Störungen ersichtlich sind. Die Pumpe 01 wird durch einen Elektromotor 05
angetrieben. Der Elektromotor 05 wird durch die erfindungsgemäße Regelungseinheit
03 geregelt. Die Regelungseinheit 03 benötigt Stromwerte und Gebersignale des Elektromotors
05 zur Regelung des Elektromotors 05. Die Regelungseinheit 03 steht in Verbindung
mit einem Rechner in Form eines PC. Die erfindungsgemäße Regelungseinheit 03 erlaubt
eine Kompensation der zyklischen Störungen beim Betrieb der durch den Elektromotor
05 angetriebenen Pumpe 01.
[0039] Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Regelungseinheit 03. Gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorsteuerung 07 im Regelkreis der Regelungseinheit
03 durchgeführt. Die Vorsteuerung 07 umfasst Verfahrensschritte zur Bestimmung eines
Kompensationssignals 08. Es wird ein Drehzahlsollwertsignal 09, welches aus einer
zeitlichen Folge von Drehzahlwerten besteht, durch eine übergeordnete Steuerung bereitgestellt.
Von dem Drehzahlsollwertsignal 09 wird ein Drehzahlistwertsignal 11 subtrahiert. Das
Drehzahlistwertsignal 11 wird mittels eines Drehzahlsensors (nicht gezeigt) am Elektromotor
05 gemessen. Das resultierende Signal wird zu einem Drehzahlregler geführt, beispielsweise
einem PI-Regler, und zur Regelung des Elektromotors 05 verwendet. Zur Störungskompensation
wird das den Elektromotor 05 regelnde Stromsignal 10 über die Vorsteuerung 07 geführt.
Das den Elektromotor 05 regelnde Stromsignal 10 ist störungsbehaftet. Das Stromsignal
10 ist bei der gezeigten Ausführungsform ein Sollwertsignal. Das Stromsignal 10 wird
gefiltert, um Rauschanteile im Stromsignal 10 zu entfernen, wozu ein Filter 13 zur
Anwendung kommt. Das Filter 13 ist beispielsweise ein PT1-Glied. Zur Kompensation
der zyklischen Störungen wird das Kompensationssignal 08 anhand der Störungen des
Stromsignals 10 ermittelt. Zur Ermittlung werden mindestens zwei aufeinanderfolgende
Störimpulse des Stromsignals 10 detektiert und das periodische Kompensationssignal
08 synchron dazu generiert. Das Kompensationssignal 08 wird anschließend auf das Drehzahlsollwertsignal
09 aufgeschaltet. Dadurch entsteht ein kompensierendes Drehzahlsollsignal 12, welches
zur Regelung der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors 05 verwendet wird. Das kompensierende
Drehzahlsollsignal 12 wird weiterhin über einen einen Stromregler, einen Umrichter
und einen elektrischen Teil des Elektromotors umfassenden inneren Stromregelkreis
zum Elektromotor 05 geführt, wobei der mechanische Teil des Elektromotors die Pumpe
01 antreibt.
[0040] Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer feldorientierten Regelung, wie sie in der
in Fig. 2 gezeigten Regelungseinheit 03 zur Anwendung kommt. Der Motor ist durch eine
dreiphasige permanenterregte Synchronmaschine gebildet. Insofern eine zweiphasige
permanenterregte Synchronmaschine als Motor verwendet wird, werden der 2/3-Wandler
und der 3/2-Wandler nicht benötigt. Das bereits in Fig. 2 gezeigte durch das Stromsollwertsignal
gebildete Stromsignal 10 und das von diesem abgezogene Stromistwertsignal gleichen
dem Stromsollwertsignal i
q,soll und dem Stromistwertsignal i
q,ist in Fig. 3. Bei dem Stromsollwertsignal i
q,soll und dem Stromistwertsignal i
q,ist handelt es sich um Gleichgrößen.
[0041] Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäß ermittelten Kompensationssignals
08. In dem Diagramm ist die x-Achse als Zeitachse gegenüber der y-Achse, welche die
Amplitude des Signals abbildet, aufgeführt. Das Kompensationssignal 08 besteht aus
periodisch auftretenden Impulsen, welche im Diagramm abgebildet sind. Die Impulse
sind zeitlich beabstandet, wiederkehrend und weisen eine dreieckige Form auf. Die
Zeit wird in Inkrementen [Ink] gemessen, die fortlaufend generiert und gezählt werden.
[0042] Fig. 5 zeigt weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kompensationssignals
08. Abweichend von der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind im Diagramm weitere
bevorzugte Formen des Kompensationssignals 08 dargestellt. Die weiteren bevorzugten
Formen sind rechteckig und trapezförmig.
[0043] Fig. 6 zeigt drei Diagramme mit jeweils einem Signal in einem Teilschritt gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Teilschritte
aufeinander folgen. In dem oberen Diagramm der Fig. 6 ist die zeitliche Abfolge des
Stromsignals 12, welches in Fig. 2 beschrieben ist, aufgetragen. Im abgebildeten Stromsignal
12 sind zwei Störimpulse 15 erkennbar. Wie in Fig. 2 beschrieben, wird das Stromsignal
12 zur Rauschunterdrückung gefiltert. Das gefilterte Stromsignal ist im mittleren
Diagramm der Fig. 6 aufgetragen, wobei die zwei Störimpulse 15 deutlicher erkennbar
sind. Als nächster bevorzugter Teilschritt wird eine Ableitung des gefilterten Stromsignals
gebildet. Die Ableitung des gefilterten Stromsignals ist in dem unteren Diagramm der
Fig. 6 aufgetragen. Auch in dem unteren Diagramm der Fig. 6 sind die zwei Störimpulse
15 noch deutlicher erkennbar.
[0044] Fig. 7 zeigt drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten gemäß
bevorzugter Ausführungsformen, wobei die Teilschritte aufeinander folgen. Wie in Fig.
2 beschrieben werden die Störimpulse 15 im Stromsignal detektiert. Die Detektion erfolgt
mittels eines vorbestimmten Schwellwertes. Im oberen Diagramm der Fig. 7 ist einer
der detektierten Störimpulse 15 dargestellt, nachdem er in eine synchrone Impulsfolge
umgewandelt wurde. Im mittleren Diagramm der Fig. 7 ist die Ableitung des Abschnittes
des verwendeten gefilterten Stromsignals, in welchem der Störimpuls 15 detektiert
wurde, gezeigt. Im unteren Diagramm der Fig. 7 ist ein zu dem detektierten Störimpuls
15 synchronisiertes Encodersignal aufgetragen. Als weiterer Teilschritt wird ein bevorzugt
sägezahnförmiges synchronisiertes Signal generiert (gezeigt in Fig. 9). Das Signal
bildet den Zeitraum der Position eines Störimpulses 15 zur Position des nachfolgenden
Störimpulses 15 ab. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Inkremente bis
zum nächsten der Störimpulse 15 gezählt. Somit sind die nachfolgenden Störimpulse
15 im Voraus berechenbar. Eine erneute Störungsdetektion mittels Schwellwert ist nicht
erforderlich.
[0045] Fig. 8 zeigt drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Das abgeleitete resultierende Stromsignal ist im unteren
Diagramm der Fig. 8 dargestellt. Zu dem in Fig. 7 gezeigten Störimpuls 15 wird ein
geschwindigkeitsbeeinflussender Vorsteuerwert bzw. ein Geschwindigkeitsoffset für
das Kompensationssignal 08 (gezeigt in Fig. 2) generiert und synchronisiert. Bevorzugt
erfolgt die Synchronisierung des Geschwindigkeitsoffsets anhand des Encodersignals.
Die Form des Geschwindigkeitsoffsets wird durch die Breite und Amplitude der Störung
vorgegeben. Das mittlere Diagramm der Fig. 8 zeigt den Geschwindigkeitsoffset. Im
oberen Diagramm der Fig. 8 ist das Drehzahlsollwertsignal ohne Kompensation dargestellt.
[0046] Fig. 9 zeigt drei Diagramme mit jeweils einem Signal in weiteren Teilschritten des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Im mittleren Diagramm der Fig. 9 ist der in Fig. 9 beschriebene
Geschwindigkeitsoffset dargestellt. Der Geschwindigkeitsoffset wird über einen Signalformgenerator
geführt, um das Vorsteuerdrehzahlsollsignal, d. h. das kompensierende Drehzahlsollsignal
12 (gezeigt in Fig. 2), zu generieren. Das Vorsteuerdrehzahlsollsignal ist im oberen
Diagramm der Fig. 9 abgebildet. Das Vorsteuerdrehzahlsollsignal umfasst das Kompensationssignal
08 (gezeigt in Fig. 2) und das Drehzahlsollwertsignal. Das Vorsteuerdrehzahlsollsignal
gibt eine Geschwindigkeit bzw. Drehzahl zur Kompensation der zyklischen Störungen
vor. Im unteren Diagramm der Fig. 9 ist das gefilterte Stromsignal nach der Kompensation
gezeigt.
[0047] Erfindungsgemäß sind die detektierten Störimpulse 15 (gezeigt in Fig. 6) kompensiert.
[0048] Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Regelungseinheit 03. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsform. Abweichend von der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist das den
Elektromotor 05 regelnde Stromsignal 10, welches über die Vorsteuerung 07 der Regelungseinheit
03 geführt wird, ein Sollstromsignal oder alternativ bevorzugt ein Iststromsignal.
[0049] Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Regelungseinheit 03. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 2 und der
in Fig. 10 gezeigten Ausführungsformen. Abweichend von der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform
ist das Stromsignal 10 ein Iststromsignal. Die in Fig. 11 dargestellte Ausführungsform
erlaubt die Kompensation von sinusförmigen Störungen. Abweichend zu der in Fig. 10
gezeigten Ausführungsform umfasst die Regelungseinheit 03 der in Fig. 11 gezeigten
Ausführungsform die Ermittlung und Verwendung eines Lagesignals in der Vorsteuerung.
Das Lagesignal wird bevorzugt durch ein Lageistwertsignal gebildet. Das Lageistwertsignal
wird durch eine zeitlich abhängige Winkelposition des Elektromotors 05 gebildet. Es
erfolgt eine Transformation, bevorzugt eine Park-Transformation. Unter Verwendung
der Park-Transformation und des Lageistwertsignals erfolgt eine negative Vektordrehung
des Iststromwertsignals. Anschließend erfolgt eine Tiefpassfilterung mit dem Filter
13 und der in Fig. 2 beschriebene Schritt der Kompensationssignalbildung. Das erzeugte
Kompensationssignal wird der Park-Rücktransformation, unter wiederholter Verwendung
des Lageistwertsignals, mit diesmal positiver Vektordrehung unterzogen.
[0050] Fig. 12 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Regelungseinheit 03. Diese Ausführungsform gleicht zunächst der in Fig. 11 gezeigten
Ausführungsform. Die in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform erlaubt ebenso die Kompensation
von sinusförmigen Störungen. Unter Verwendung des Stromistwertsignals erfolgt abweichend
zu der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform eine Hochpassfilterung mit dem Filter
13. Abweichend zu der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform erfolgt keine Transformation,
sodass auch eine Ermittlung des Lagesignals nicht erforderlich ist.
Bezugszeichenliste
[0051]
- 01
- Pumpe
- 02
- -
- 03
- Regelungseinheit
- 04
- -
- 05
- Elektromotor
- 06
- -
- 07
- Vorsteuerung
- 08
- Kompensationssignal
- 09
- Drehzahlsollwertsignal
- 10
- Stromsignal
- 11
- Drehzahlistwertsignal
- 12
- kompensierendes Drehzahlsollsignal
- 13
- Filter
- 14
- -
- 15
- Störimpuls
- 16
- -
- 17
- Geschwindigkeitsoffset
1. Verfahren zur Kompensation von zyklischen Störungen beim Betrieb einer durch einen
Elektromotor (05) angetriebenen Pumpe (01), bei welchem eine Regelung des Elektromotors
(05) mit einem Regelkreis erfolgt, in welchem eine Vorsteuerung (07) erfolgt, wobei
das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines Sollwertsignals zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors
(05);
- Verwenden des Sollwertsignals zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors
(05);
- Detektieren von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Störimpulsen (15) in einem
zur Regelung des Elektromotors (05) verwendeten Signal (10), welches durch ein Stromsollwertsignal
oder durch ein Stromistwertsignal eines inneren Regelkreises zur Regelung eines im
Elektromotor (05) fließenden Stromes gebildet ist;
- Generieren eines zu den detektierten Störimpulsen (15) synchronen periodischen Kompensationssignals
(08);
- Bilden eines kompensierenden Sollwertsignals (12) durch Aufschalten des periodischen
Kompensationssignals (08) auf das Sollwertsignal, sodass das periodische Kompensationssignal
(08) gemeinsam mit dem Sollwertsignal zum Vorsteuern verwendet wird; und
- Verwenden des kompensierenden Sollwertsignals (12) zum Regeln der Winkelgeschwindigkeit
des Elektromotors (05) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zyklischen Störungen an Kolbenumkehrpunkten zwischen einer ersten ein Fluid ansaugenden
Phase und einer weiteren das Fluid ausstoßenden Phase und zwischen der ausstoßenden
Phase und der ansaugenden Phase der als eine Zweikolbenpumpe ausgebildeten Pumpe auftreten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zyklischen Störungen durch Signalausschläge, Signalspitzen, Signaleinbrüchen
und/oder Signalsprünge gebildet sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren der mindestens zwei aufeinanderfolgenden Störimpulse (15) ein Filtern
des zur Regelung des Elektromotors (05) verwendeten Signals (10) zum Entfernen von
Rauschanteilen und/oder eines Gleichanteiles umfasst.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der Störimpulse (15) in dem zur Regelung des Elektromotors (05) verwendeten
Signal (10) unter Verwendung eines vorbestimmten Schwellwertes erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Kompensationssignal (08) in Bezug auf die Zeit eine periodische Fortsetzung
der mindestens zwei detektierten Störimpulse (15) darstellt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Kompensationssignal (08) als eine Folge von zeitlich beabstandeten
Impulsen gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulse zum Ausgleich von mechanischen Verzögerungen jeweils mit einer Vorhaltezeitdauer
vor dem Auftreten der jeweiligen zyklischen Störung beginnen.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Generierung des periodischen Kompensationssignals (08) folgende Teilschritte
umfasst:
- fortlaufendes Generieren von Inkrementen;
- Bestimmen eines zeitlichen Abstandes der detektierten Störimpulse (15) durch Zählen
der zwischen den detektierten Störimpulsen (15) aufgetretenen Inkremente; und
- Generieren jeweils eines der mehreren Impulse des periodischen Kompensationssignals
(08), wenn die Anzahl der zwischenzeitlich aufgetretenen Inkremente der Anzahl der
zwischen den detektierten Störimpulsen (15) gezählten Inkremente gleicht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die generierten Impulse des periodischen Kompensationssignals (08) trapezförmig,
rechteckförmig, dreieckförmig oder sägezahnförmig sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die generierten Impulse des periodischen Kompensationssignals (08) als ein Vorsteuersignal
verwendet werden, welches einer Geschwindigkeitsänderung oder einem Geschwindigkeitsoffset
entspricht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt das zur Regelung des Elektromotors (05) verwendete Signal
(10) transformiert wird, um sinusförmige Anteile der Störungen in dem zur Regelung
des Elektromotors (05) verwendeten Signal (10) durch Minimierung eines Gleichanteiles
zu kompensieren.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei der aufeinanderfolgenden Störimpulse (15) detektiert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Generieren des periodischen Kompensationssignals (08) kein Drucksignal verwendet
wird.
15. Regelungseinheit für einen eine Pumpe (01) antreibenden Elektromotor (05), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 konfiguriert
ist.
1. A method for compensating cyclical faults during the operation of a pump (01) driven
by an electric motor (05), in which a closed-loop control of the electric motor (05)
takes place using a closed control loop, in which a pilot control (07) takes place,
the method comprising the following steps:
- providing a set-point-value signal for controlling the angular speed of the electric
motor (05);
- using the set-point-value signal for controlling the angular speed of the electric
motor (05);
- detecting at least two successive interference pulses (15) in a signal (10) used
for controlling the electric motor (05), which signal is formed by a current set-point-value
signal or by a current actual-value signal of an internal closed control loop for
the closed-loop control of a current flowing in the electric motor (05);
- generating a synchronous periodic compensation signal (08) for the detected interference
pulses (15) ;
- forming a compensating set-point-value signal (12) by connecting the periodic compensation
signal (08) to the set-point-value signal, so that the periodic compensation signal
(08) is used together with the set-point-value signal for the pilot control; and
- using the compensating set-point-value signal (12) for controlling the angular speed
of the electric motor (05).
2. The method according to Claim 1, characterized in that the cyclical faults occur at piston reversal points between a first fluid-sucking
phase and a further phase expelling the fluid and between the expelling phase and
the sucking phase of the pump constructed as a two-piston pump.
3. The method according to Claim 1 or 2, characterized in that the cyclical faults are formed by signal deflections, signal peaks, signal drops
and/or signal steps.
4. The method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the detection of the at least two successive interference pulses (15) comprises filtering
the signal (10) used for controlling the electric motor (05) to remove noise components
and/or a direct component.
5. The method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the detection of the interference pulses (15) takes place in the signal (10) used
for the closed-loop control of the electric motor (05) using a predetermined threshold
value.
6. The method according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the periodic compensation signal (08) represents a periodic continuation of the at
least two detected interference pulses (15) with respect to time.
7. The method according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the periodic compensation signal (08) is formed as a sequence of temporally spaced
pulses.
8. The method according to Claim 7, characterized in that the pulses for compensating mechanical delays in each case begin with a hold-back
time duration before the occurrence of the respective cyclical fault.
9. The method according to Claim 7 or 8,
characterized in that the generation of the periodic compensation signal (08) comprises the following partial
steps:
- continuously generating increments;
- determining a temporal spacing of the detected interference pulses (15) by counting
the increments which have occurred between the detected interference pulses (15);
and
- generating one of the plurality of pulses of the periodic compensation signal (08)
in each case when the number of intermittently occurred increments equals the number
of increments counted between the detected interference pulses (15) .
10. The method according to one of Claims 7 to 9, characterized in that the generated pulses of the periodic compensation signal (08) are trapezoidal, square-wave-shaped,
triangular or sawtooth-shaped.
11. The method according to one of Claims 7 to 10, characterized in that the generated pulses of the periodic compensation signal (08) are used as a pilot
signal, which corresponds to a speed change or a speed offset.
12. The method according to one of Claims 1 to 11, characterized in that in a further step, the signal (10) used for the closed-loop control of the electric
motor (05) is transformed, in order to compensate sinusoidal components of the faults
in the signal (10) used for the closed-loop control of the electric motor (05) by
minimizing a direct component.
13. The method according to one of Claims 1 to 12, characterized in that exactly two of the successive interference pulses (15) are detected.
14. The method according to one of Claims 1 to 13, characterized in that no pressure signal is used for generating the periodic compensation signal (08).
15. A control unit for an electric motor (05) driving a pump (01), characterized in that the control unit is configured for executing the method according to one of Claims
1 to 14.
1. Procédé de compensation des pannes cycliques au cours du fonctionnement d'une pompe
(01) entraînée par un moteur électrique (05), pour lequel une régulation du moteur
électrique (05) a lieu avec un circuit de régulation, dans lequel a lieu une commande
préliminaire (07), le procédé comprenant les étapes suivantes :
- préparation d'un signal de valeur théorique pour réguler la vitesse angulaire du
moteur électrique (05) ;
- utilisation du signal de valeur théorique pour réguler la vitesse angulaire du moteur
électrique (05) ;
- détection d'au moins deux impulsions perturbatrices successives (15) dans un signal
(10) utilisé pour réguler le moteur électrique (05), lequel est formé par un signal
de valeur théorique de courant ou par un signal de valeur réelle de courant d'un circuit
de régulation interne pour réguler un courant passant dans le moteur électrique (05)
;
- génération d'un signal de compensation périodique (08) synchrone aux impulsions
perturbatrices détectées (15) ;
- formation d'un signal de valeur théorique compensatoire (12) par application du
signal de compensation périodique (08) au signal de valeur théorique de sorte que
le signal de compensation périodique (08) est utilisé en commun pour la commande préliminaire
avec le signal de valeur théorique ; et
- utilisation du signal de valeur théorique compensatoire (12) pour réguler la vitesse
angulaire du moteur électrique (05).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pannes cycliques aux points d'inversion de piston se produisent entre une première
phase aspirant un liquide et une autre phase expulsant le liquide et entre la phase
d'expulsion et la phase d'aspiration de la pompe constituée sous la forme d'une pompe
à deux pistons.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les pannes cycliques sont formées par des déviations de signal, des pointes de signal,
des effractions de signal et/ou des sauts de signal.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la détection d'au moins deux impulsions perturbatrices (15) successives comprend
un filtrage du signal (10) utilisé pour la régulation du moteur électrique (05) pour
éliminer des parts de bruit et/ou d'une partie continue.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la détection des impulsions perturbatrices (15) dans le signal (10) utilisé pour
la régulation du moteur électrique (05) a lieu en utilisant une valeur seuil prédéfinie.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le signal de compensation périodique (08) représente eu égard au temps une suite
périodique d'au moins deux impulsions perturbatrices détectées (15).
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le signal de compensation périodique (08) est formé sous la forme d'une suite d'impulsions
éloignées dans le temps.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les impulsions pour équilibrer des retards mécaniques commencent respectivement avec
une durée de temps de rétention avant l'apparition de la panne cyclique respective.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8,
caractérisé en ce que la génération du signal de compensation périodique (08) comprend les étapes partielles
suivantes :
- génération continue des pas de progression ;
- détermination d'une distance temporelle des impulsions perturbatrices (15) détectées
par comptage des pas de progression survenus entre les impulsions perturbatrices (15)
détectées ; et
- génération respectivement d'une des plusieurs impulsions du signal de compensation
périodique (08), si le nombre des pas de progression survenus entre temps est égal
au nombre des pas de progression dénombrés entre les impulsions perturbatrices (15)
détectées.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les impulsions générées du signal de compensation périodiques (08) sont de forme
trapézoïdale, rectangulaire, triangulaire ou en dents de scie.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que les impulsions générées du signal de compensation périodique (08) sont utilisées
sous la forme d'un signal de commande préliminaire, lequel correspond à une modification
de la vitesse ou à un décalage de la vitesse.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que dans une autre étape, le signal (10) utilisé pour la régulation du moteur électrique
(05) est transformé pour compenser des parties sinusoïdales des pannes dans le signal
(10) utilisé pour la régulation du moteur électrique (05) en minimisant une partie
continue.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'exactement deux impulsions perturbatrices (15) successives sont détectées.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que pour générer le signal de compensation périodique (08) aucun signal de pression n'est
utilisé.
15. Unité de régulation pour un moteur électrique (05) entraînant une pompe (01), caractérisé en ce qu'elle est configurée pour exécuter le procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 14.