O+P Fluidtechnik 5/2018

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN
die Hochdruckregeneration HD-R beim Ausfahren genutzt werden
kann (Bild 4), weil der künstlich angehobene Ablaufdruck den
Zulaufdruck dann auch bei größeren Lastkräften übersteigt. Neben
der Einsparung von Pumpenvolumenstrom durch die Rückführung
des Ablaufvolumenstroms in den Hochdruckkanal besteht ein positiver
Nebeneffekt in der Versteifung des Antriebes durch die
Druckerhöhung.
3.2 ACHSSTEUERUNG
Aufgabe der Achssteuerung ist das Einstellen der von der Zentralsteuerung
vorgegebenen Sollwerte v Soll
für die Geschwindigkeit und
p Zu,Soll
für den Zulaufdruck, unabhängig von der aktuell am
Zylinderkolben angreifenden Lastkraft. Hierzu ist eine Zustandsrückführung
für die Betätigung der Proportional- und Schaltventile
erforderlich. Viele in der Literatur bekannte Ansätze nutzen dazu
Mehrgrößenregelungen [And13; Bin00; Kol16]. Hier wird ein Ansatz
mit Eingrößen-Rückführung gewählt, weil die P-IDWs eine Aufspaltung
der Regelkreise für Geschwindigkeit und Druck erlauben:
Die Geschwindigkeit v wird mit dem Zulauf-Proportionalventil
y Zu
gesteuert; der Zulaufdruck p Zu
in einem geschlossenen Kreis
mithilfe des Proportionalventils y Ab
im Ablauf [Lüb16]. Weiterhin
berechnet die Achssteuerung den für die gewünschte Geschwindigkeit
erforderlichen Volumenstrom Q Erf
und den unter der aktuell
wirkenden Lastkraft F L
und minimalem Ablaufdruck erforderlichen
minimalen Zulaufkammerdruck p Erf,min
, der, ergänzt um die Druckverluste
im Zulaufpfad, von der Pumpe bereitgestellt werden muss.
Im Folgenden wird die Betätigung der beiden Proportionalventile
näher beleuchtet (Bild 5).
3.2.1 ZULAUFSTEUERUNG
Zusammen mit der Primärdruckwaage (P-IDW) wirkt die
Zulaufkante als Stromregelventil. Unter Annahme ausreichender
Versorgung, welche durch die Zentralsteuerung sichergestellt wird,
ist die Druckdifferenz ∆p m
über der Zulaufkante bekannt, da sie von
der Druckwaage auf dem eingestellten Wert gehalten wird. Damit
lässt sich die für den gewünschten Volumenstrom Q Zu
erforderliche
Ventilöffnung y Zu
aus dem bekannten Ventilkennfeld berechnen.
Softwareseitig handelt es sich um eine Steuerung in offener Kette,
da keine elektronische Rückführung von Istgrößen erfolgt.
3.2.2 ABLAUFSTEUERUNG
Um die gewünschte Geschwindigkeit auch bei ziehenden Lasten zu
erreichen und weiterhin das im Zulauf gewünschte Druckniveau
p Zu,Soll
einzustellen, ist softwareseitig eine lastabhängige Adaption
der Ablauföffnung erforderlich. Als Rückführgröße wird die Lastkraft
F L
genutzt, berechnet mithilfe zweier Kammerdrucksensoren.
Durch Einsetzen der Lastkraft F L
und des gewünschten Zulaufrucks
p Zu,Soll
in die Kräftegleichung des Zylinderkolbens
0 = pZu AZu − pAb AAb − FL
erhält man
1
p = ⋅ p A − F
( )
Ab, Soll Zu,
Soll Zu L
AAb
für den ablaufseitigen Kammerdruck, der sich einstellt, wenn in
der Zulaufkammer der Sollzulaufdruck p Zu,Soll
bei der aktuell
angreifenden Lastkraft F L
erreicht ist. Mit diesem gewünschten
() 1
(2)
Ablaufkammerdruck p Ab,Soll
, welcher bei angenommenem Tankdruck
Null dem Solldruckabfall über dem Ventil entspricht, und
dem gewünschten Ablaufvolumenstrom Q Ab
wird die erforderliche
Öffnung y Ab
des Ablaufventils bestimmt. Im Falle drückender
Lasten ist der gewünschte Ablaufkammerdruck p Ab,Soll
gering. Dies
führt zu einer weiten Öffnung der Ablauf-Steuerkante y Ab
und
damit einem energieeffizienten Betrieb unter weitgehender Vermeidung
der bei konventionellen Systemen mit gekoppeltem
Schieber auftretenden Ablauf-Drosselverluste. Ziehende Lasten
bewirken hohe Sollablaufdrücke, also große Druckdifferenzen
über der Ablaufsteuerkante, und somit kleine Öffnungen y Ab
.
Durch diese Lastadaptivität der Ablaufkante wird ein ungewolltes
Beschleunigen ziehender Lasten vermieden. Ein besonderer
Vorteil der beschriebenen Zustandsrückführung besteht in der
einfachen Inbetriebnahme, weil keine Reglerparameter festgelegt
werden müssen. Aufwändige iterative Inbetriebnahmeverfahren
sind somit vermeidbar.
3.2.3 REGENERATIONSBETRIEB
Wenn der Ablaufdruck p Ab
den Zulaufdruck p Zu
um eine Reserve
∆p Reg,min
übersteigt schaltet die Achse beim Ausfahren in die Hochdruckregeneration
HD-R. Diese Regenerationsbedingung wird
mithilfe der beiden Kammerdrucksensoren ständig überprüft. Im
Regenerationsbetrieb fließt der Ablaufvolumenstrom in den
Zulaufpfad zwischen Druckwaage und Zulaufproportionalventil
zurück. Dementsprechend reduziert sich der Pumpenvolumenstrom.
Die größtmögliche Last, bis zu der Hochdruckregeneration
möglich ist, hängt vom gewünschten Zulaufdruck ab, der sich
gemäß der in der Zentralsteuerung hinterlegten Betriebsstrategie
am lasthöchsten Verbraucher orientiert.
3.3 VERSORGUNGSSTEUERUNG
In vielen mobilen Arbeitsmaschinen versorgt eine zentrale Pumpe
mehrere zugleich agierende Verbraucher. Die Energieeffizienz des
Gesamtsystems hängt dabei maßgeblich von der bedarfsgerechten
Versorgung der Verbraucher ab. Wie das Hydrauliksystem auf
Unter- oder Überversorgung reagiert hängt von der gewählten Ventilstruktur
ab. Nach diesem Verhalten richtet sich der Algorithmus
zur Pumpensteuerung.
Die vorgestellte Ventilstruktur nutzt Primär-Individualdruckwaagen,
welche als individuelle Stromregler für jede einzelne Achse
wirken. Im Unterversorgungsfall verlangsamt der höchstbelastete
Verbraucher, bei Überversorgung kommt es zu einem starken
Druckanstieg. Daher muss die Pumpe möglichst genau den erforderlichen
Gesamtvolumenstrom liefern. Dies geschieht mithilfe
eines geschlossenen Regelkreises. Der hierzu entwickelte Ansatz
verbindet die dynamischen Vorteile der Bedarfsstromsteuerung
[Web05] mit der Genauigkeit des konventionellen Load- Sensing-
Prinzips (Bild 6).
Die Achssteuerungen berechnen die erforderlichen Volumenströme,
welche die Zentralsteuerung summiert an die Pumpensteuerung
weitergibt(Q erf
). Weiterhin erhält die Pumpensteuerung
den höchsten der erforderlichen Zulaufkammerdrücke als Sollwert
(p Zu,Soll
). Auf diesen wird eine Zulauf-Druckreserve ∆p Z,0
zur
Überwindung der Zulauf-Widerstände addiert, womit sich der
Sollpumpendruck p 0,Soll
ergibt. Ein P-Regler vergleicht den aktuellen
Pumpendruck p 0
mit dem Sollwert p 0,Soll
und überlagert dem
Sollvolumenstrom Q erf
einen Korrekturvolumenstrom Q R
. Die
Pumpe wird gemäß dem resultierenden Volumenstrom Q P
ausgeschwenkt.
Durch den Vorsteueranteil Q erf
reagiert die Pumpe deut-
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