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O+P Fluidtechnik 5/2018

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STEUERUNGEN UND

STEUERUNGEN UND REGELUNGEN FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 04 05 p Zu, Soll V Soll Erweiterung des Regenerationsbereiches durch Anheben des Druckniveaus im Differentialzylinder bei unveränderter Lastkraft p p 0 Normalbetrieb HD-R möglich A B A B v F L y Zu y Ab y Zu y Ab Signalflussplan der Achssteuerung F L p B p A HD-Regeneration Anheben des Druckniveaus (F L = konst.) m p Ab,Soll A Ab y(Q,Δp) Q Ab Y Ab U p U p Q Zu y(Q,Δp) Δp m Zylinder Kräftegleichgewicht Lastkraft Y Zu Δp m v F L v F L 3.1.1 SOLLGESCHWINDIG- KEITEN DER VERBRAUCHER Im Normalfall werden die vom Bediener geforderten Sollgeschwindigkeiten direkt an die Achssteuerung weitergegeben. Wenn der Bediener jedoch einen Summenvolumenstrom anfordert, der den Maximalvolumenstrom der Pumpe (Baugröße, Drehzahl Verbrennungsmotor) oder die Höchstleistung des Verbrennungsmotors übersteigt, tritt Unterversorgung ein. Dies muss softwareseitig vermieden werden, weil die Ventilschaltung mit Primär-IDW in diesem Falle den lasthöchsten Verbraucher benachteiligt. Die Zentralsteuerung berechnet den vom Bediener geforderten Summenvolumenstrom und vergleicht ihn mit dem aktuellen Maximalförderstrom der Pumpe unter Berücksichtigung der Leistungsbegrenzung. Übersteigt der Bedienerwunsch den Maximalvolumenstrom, so skaliert die Zentralsteuerung alle Sollgeschwindigkeiten in gleichem Maße so weit herunter, dass genau der verfügbare Maximalvolumenstrom angefordert wird, und gibt die reduzierten Sollgeschwindigkeiten an die Achssteuerung weiter. Dadurch erfährt der Bediener das von einem Stromteilersystem mit nachgeschalteten Druckwaagen gewohnte Verhalten. 3.1.2 SOLLZULAUFDRÜCKE DER VERBRAUCHER Beim gleichzeitigen Betrieb mehrerer Verbraucher entstehen oft große Drosselverluste an den niederbelasteten Verbrauchern. In konventionellen mechanisch lastkompensierten Systemen sind diese Verluste an den Zulauf-Druckwaagen der betreffenden Verbraucher lokalisiert. In [Sit14] wird vorgeschlagen, die Zulaufdrücke aller Verbraucher durch Drosseln ihrer Ablaufpfade auf das Niveau p Z,min,LF , zu heben, welches für die Bewegung des höchstbelasteten Verbrauchers minimal erforderlich ist. Der Mindestzulaufdruck p Z,min jedes Verbrauchers ergibt sich dabei aus seiner jeweiligen Lastkraft F L und minimalen Ablaufkammerdruck p Ab,min . Durch die Anhebung des Druckniveaus der niederbelasteten Verbraucher erhöht sich im motorischen Betrieb die Maximalkraft, bis zu der 36 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- O+P Fluidtechnik 5/2018 37

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