DE10127996A1

DE10127996A1 - Pumpvorrichtung und Regelvorrichtung

Info

Publication number: DE10127996A1
Application number: DE2001127996
Authority: DE
Inventors: Michael Bender; Thomas Schmitz; Michael Feckler; Walter Haase; Horst Kappler
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2002-12-12

Abstract

Eine Pumpvorrichtung, insbesondere zur Bereitstellung eines mit einem vorwählbaren Druck beaufschlagbaren Mediums innerhalb eines hydraulischen Antriebs, mit zumindest einem oszillierend beweglichen, über einen oder mehrere Elektromagneten mit Kraft beaufschlagbaren Pumpenkolben, dessen Bewegung über einen durch den oder die Elektromagneten geleiteten und von einem Spannungs-Schalter eingestellten Steuerstrom (l¶m¶) beeinflußbar ist, wobei in Funktion der Pumpvorrichtung die momentane Stärke des Steuerstroms (i¶m¶) meßbar und als Eingangssignal für den Spannungs-Schalter (16) nutzbar ist, soll so verbessert werden, dass trotz möglichst großer Effizienz und Fördermenge des gepumpten hydraulischen Öls oder dergleichen Medium Anschläge des oder der Anker vermieden werden. Dazu wird vorgeschlagen, daß die Stärke des Steuerstroms (l¶m¶) über einen Zeitverlauf meßbar und hieraus die zeitliche Änderung des Steuerstroms (l¶m¶) ermittelbar und als Eingangssignal für den Spannungs-Schalter nutzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Regelvorrichtung zur Erzielung vorgegebener Ausgangsdrucke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Ist bspw. ein hydraulischer Verbraucher mit einem Ölstrom hohen Druckes zu ver sorgen, so kann der vom Verbraucher benötigte Druck der Magnetpumpe vorge geben werden, wodurch der von dieser weitergegebene Druck variabel und wahl weise einstellbar ist. Die Stärke des hierbei bewirkten Ölstromes hat sich dann dem Leistungsvermögen der Ölpumpe anzupassen. Um eine leistungsfähige An ordnung zu erreichen, soll der maximale Hub des betreibenden bzw. der betrei benden Elektromagnete ausgenutzt werden: Ein direkter Anschlag eines Ankers, der mit dem Pumpenkolben verbunden ist und zwischen Polen des oder der Elek tromagneten beweglich ist, auf Polflächen allerdings soll zur Geräusch- und Er schütterungsminderung sowie zur Senkung des Verschleißes vermieden werden. Da die Magnetpumpe die ihr zugeführte Leistung als elektrische Leistung auf nimmt, ist ihr eine Einrichtung zur elektrischen Ansteuerung vorgeordnet, welche die gewünschten Eigenschaften gewährleisten soll.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Ansteuerung so auszubilden, daß trotz möglichst großer Effizienz und Fördermenge des gepumpten hydraulischen Öls oder dergleichen Medium Anschläge des oder der Anker vermieden werden.

Die Erfindung löst dieses Problem durch eine Pumpvorrichtung mit den Merkma len des Anspruchs 1 und eine Regelvorrichtung mit den Merkmalen des An spruchs 10, die einzeln oder als Bestandteil einer Pumpvorrichtung nach Anspruch 1 vorliegen kann. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen 2 bis 9 und 11.

Erfindungsgemäß wird während der Bewegung des Ankers die Abschaltzeit fort während neu berechnet, wobei als Eingangsgrößen nicht nur die momentane Stromstärke, sondern auch deren zeitlicher Verlauf gemessen werden. Die Be rechnung kann daher mit großer Genauigkeit durchgeführt werden. Es muß kein Vergleich mit einem Standardverlauf herangezogen werden, durch die unmittelba re Berechnung der Abschaltzeit wird die Rechenzeit verkürzt. Es ist damit möglich, daß der Anker und der mit ihm verbundene Pumpenkolben noch nach Erreichen der Abschaltzeit aufgrund ihrer kinetischen Energie ein Stück weiterschwingen und dennoch vor dem Anschlagen abstoppen. Dies kann auch für variable Aus gangsdrücke der Pumpe aufgrund der Berechnung aus laufend ermittelten Werten und wegen der Entbehrlichkeit, einen Vergleich mit einem vorgegebenen Standard vornehmen zu müssen, erreicht werden.

Wenn besonders vorteilhaft auch die Geschwindigkeit der Stromstärkeänderung ermittelt wird, kann diese als weitere Eingangsgröße für die Regelvorrichtung ver wendet werden, um somit eine hohe Genauigkeit der Information über den Bewe gungsverlauf des Ankers zu erhalten und die Optimierung einer möglichst weitge henden Ausnutzung des Hubwegs unter Vermeidung eines Anschlags von be wegten Teilen zu ermöglichen. Hierzu kann ein Differenzierglied vorgesehen sein.

Bei einer Ausbildung mit zwei Hubmagneten kann jeder von diesen in der erfin dungsgemäßen Weise mit der daraus resultierenden Genauigkeit angesteuert werden.

Im einzelnen wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbin dung mit deren Darstellung in den beigegebenen Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 den Aufbau einer Magnetpumpe als Teil einer Pumpvorrichtung,

Fig. 2 im Blockschaltbild die Ausbildung einer elektrischen Regelvorrich tung als Bestandteil der Pumpvorrichtung mit der Magnetpumpe nach Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt insgesamt eine Magnetpumpe als Bestandteil einer Pumpvorrich tung. Die Magnetpumpe umfaßt ein Pumpenelement 1, das einen Druckraum 2 aufweist, in den ein mit einem Einlaßventil 3 ausgestatteter Einlaßkanal 4 sowie ein mit einem Auslaßventil 5 ausgestatteter Auslaßkanal 6 münden. Mit dem Pumpelement 1 ist ein Magnetfuß 7 eines Elektromagneten 8 verbunden, der in einem an den Druckraum 2 anschließenden Zylinder 9 als Pumpenkolben 10 ei nen Druckstab 11 führt, dessen mit einem Flansch versehenes Ende mittels einer Rückholfeder 12 gegen den Anker 13 des Elektromagneten 8 vorgespannt ist. Der Elektromagnet 8 ist mit einer ihn erregenden Magnetspule 14 ausgestattet. Das Pumpenelement 1 ist im Ausführungsbeispiel mit einem Druckaufnehmer 15 ver bunden, der den im Druckraum 2 oder, bei einer anderen Bauart, den im Auslaß kanal 6 herrschenden Druck aufnimmt.

Die Fig. 1 zeigt die beweglichen Teile der Magnetpumpe jeweils in ihrer Aus gangsstellung, bzw. bei nicht beaufschlagter Magnetspule 14. Zur elektrischen Beaufschlagung der Magnetspule 14 mit einem Steuerstrom I_m ist die in Fig. 2 im Blockschaltbild dargestellte Regelvorrichtung, die einen Spannungs-Schalter 16 aufweist, vorgesehen. Die Regelvorrichtung ist im Ausführungsbeispiel als spei cherprogrammierbare digitale Steuerung (SPS) ausgebildet, wobei ein modularer Aufbau möglich ist.

Der die Magnetspulen 14 beaufschlagende Steuerstrom I_m wird durch den Span nungs-Schalter 16 bewirkt, der mit einer Strombegrenzung ausgestattet ist, wel cher der abzugebende Maximalstrom I_max vorgegeben wird. Gesteuert wird der Spannungs-Schalter 16 durch eine Subtraktionsstufe 17, der die Ausgangsspan nung eines Oszillators 18 zugeführt wird, der einerseits mit seinem einsetzenden Signal die Arbeitsweise der Magnetpumpe bestimmt und andererseits als Amplitu de die Führungsgröße für den Lastdruck aufweist. Mit angeschlossen an den Aus gang des Oszillators ist eine Clock 19, die durch die vordere Front des Oszillator signales aktiviert wird. Ihr Ausgang, die Ist-Zeit T_c des betreffenden Arbeitszyklus' der Magnetpumpe, ist auf einen Eingang einer Vergleichsvorrichtung 20 geschal tet, der auch die Maximalzeit T_max eines Zyklus' zugeführt ist und deren drittem Eingang die in einer Rechenanordnung 21 ermittelte Abschaltzeit T_A vorgegeben wird. Diese Abschaltzeit T_A wird abgeleitet vom Steuerstrom I_m, der von der zur Magnetspule 14 führenden Leitung abgenommen und über eine Eingangsschal tung 22 für deren Stromsignal einmal direkt und ein zweites Mal über eine Diffe renzierstufe 23 auf die Rechenanordnung 21 zur Ermittlung der Abschaltzeit ge geben wird. Als Eingangsgrößen stehen somit die Stromstärke und deren Ablei tung, also die Geschwindigkeit der Stromstärkenänderung, zur Verfügung.

Gleichzeitig wird dieser Rechenanordnung 21 bei entsprechender, jedoch nicht dargestellter Schaltstellung eines Schalters, der Wert des im Druckraum 2 oder im Auslaßkanal 6 herrschenden Lastdruckes vom Druckaufnehmer 15 zugeführt. Aus dem Wert des Stromstärkesignales und dem Änderungswert des Stromstärkesi gnales, also der Ableitung, ermittelt in der Differenzierstufe 23, sowie der anste henden Förderhöhe bzw. dem anstehenden Lastdruck wird in der Rechenanord nung 21 die Abschaltzeit T_A ermittelt. In der Vergleichsvorrichtung 20 wird unter Berücksichtigung der bereits verstrichenen Zeit der Arbeitsperiode sowie der Ma ximalzeit T_max derselben festgestellt, wann die von der Clock 19 ermittelte Peri oden-Istzeit T_c die vorgegebene Maximalzeit T_max, vermindert um die Abschaltzeit T_A, erreicht, so daß die Vergleichsvorrichtung 20 der Subtraktionsstufe 17 das Ab schaltsignal übermittelt und damit die Leitfähigkeit des Spannungs-Schalters 16 beendet und den Steuerstrom I_m unterbricht. In jedem Fall wird spätestens dann, wenn die Ist-Zeit T_c die Maximalzeit Tmax erreicht, von der Vergleichsvorrichtung 20 ein Abschaltsignal S₁ herausgegeben.

Es ist dabei nicht zwingend, daß als weitere Eingangsgröße für die Regelvorrich tung auch der Lastdruck zur Verfügung steht, dies führt jedoch zu einer verbes serten Anpassung an die jeweiligen Bedingungen. Auf eine gesonderte Anordnung eines Druckaufnehmers kann noch verzichtet werden, wenn die Schaltungsanord nung so ausgebildet wird, dass der Lastdruck aufgrund des Stromsignales und der Clockzeit ermittelt wird. Hier wird zunächst ein Vergleicher 24 benutzt, der den Ist- Strom I_c mit dem Maximalstrom I_max vergleicht und den Quotienten einem Speicher 25 übermittelt, der auch die Istzeit T_c aufnimmt. Von diesem Speicher aus läßt sich der Lastdruck berechnen oder aufgrund empirisch ermittelter Tabellenfunktionen bestimmen.

Die Abschaltzeit T_A wird so bemessen, daß der mögliche Hub fast völlig ausge nutzt ist, jedoch der Anker 13 nicht mehr zum Anschlag gelangt. Die Abschaltung erfolgt soweit vor dem Anschlag, daß dieser auch mit dem im bewegten Anker 13 innewohnenden Schwung nicht mehr erreicht wird. Nach Abschalten und nach Erreichung des Stillstandes werden durch die Rückholfeder 12 der Pumpenkolben 10 und der Anker 13 zurück in die in Fig. 1 dargestellte Ausgangslage geschoben. Hierbei schließt das Auslaßventil 5, und das Einlaßventil 3 öffnet sich zum Nach strömen von Hydrauliköl in den freigegebenen Zylinderbereich. Nach Erreichen der Ausgangslage wird der Oszillator 18 erneut tätig und erregt den Spannungs- Schalter 16 zu einem neuen Arbeitszyklus. Wegen des insgesamt relativ kleinen Hubwege insbesondere in kompakten Gehäusen und um eine hohe Zahl an Ar beitszyklen erreichen zu können, sind die Anforderungen an die einzuhaltenden Toleranzen bei der Steuerung des Pumpenkolbens 10 zur Erzielung einer guten Effizienz der Pumpvorrichtung hoch. Die Abschaltzeit T_A wird während der Bewe gung des Pumpenkolbens 10 fortwährend neu berechnet. Hierfür wird die Nähe rungsformel T_A = T_E - T_B/K zur Berechnung verwendet, wobei T_E die Zeit bis zum ungebremsten Anschlag des Pumpenkolbens, T_B die Abbremszeit des Pumpen kolbens aus der momentanen Geschwindigkeit bis zum Stillstand und K ein empi risch ermittelter Parameter ist.

Sind zwei Hubmagnete vorgesehen, so wird der Strom des zweiten Magneten nach der Hubumkehr eingeschaltet, so daß die Federkraft und die Kraft des zwei ten Magneten sich bis zum Erreichen der Mittellage unterstützen. Dadurch wird das Betriebsverhalten stabilisiert gegenüber einer Ausbildung mit nur einem Ma gneten.

Bei einer abgeänderten Ausführung läßt sich eine relativ langsam arbeitende Re chenvorrichtung benutzen, indem von der Tatsache Gebrauch gemacht wird, daß sich der Lastdruck im Vergleich zu der Zykluszeit nur langsam ändert. Hierzu wer den die Meßwerte, die in einem Arbeitszyklus anfallen, erst in folgenden Zyklen zur Ermittlung der Abschaltzeit T_A benutzt.

Im Vergleich zu bekannten Pumpvorrichtungen mit Antrieb durch einen oder meh rere Hubmagnete wird bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Kolbenhub durch Messung der Momentanwerte, des Verlaufs und vorteilhaft der Geschwin digkeit der Änderung des Steuerstromverlaufs überwacht. Dadurch ist es auch bei variabler Förderhöhe der Pumpe möglich, den Hub des Hubmagneten fast voll kommen auszunutzen, ohne den Anker 13 oder Pumpenkolben 10 gegen An schläge fahren zu lassen. Ohne eine solche Stromüberwachung paßt sich die Pumpvorrichtung der Förderhöhe nur unvollkommen an: Ist das System für einen konstanten Druck optimal ausgelegt, dann nimmt der Hub bei höherem Druck stark ab, und bei niedrigerem Druck schlagen Anker 13 und/oder Pumpenkolben 10 mit hoher Geschwindigkeit gegen den Anschlag und erzeugen sowohl störende Geräusche als auch unerwünschte Erschütterungen bei erhöhtem Verschleiß.

Ein Wert für den Lastdruck läßt sich rechnerisch aus der Zeit ermitteln, die bis zum Erreichen des Maximalwertes des Steuerstromes I_m verstrichen ist. Die restliche Zeit bis zur Abschaltung kann fortlaufend aus dem Stromverlauf ermittelt werden. Dazu wird zweckmäßig eine empirisch ermittelte Tabelle benutzt, die in Abhängig keit vom Lastdruck, vom Strom und von Stromänderungsgeschwindigkeiten die zur Abbremsung benötigte Zeit T_B ermitteln. Aus dem Stromverlauf lässt sich au ßerdem noch ein Schätzwert für die Zeit T_E des ungebremsten Auftreffens am An schlag ermitteln. Die Abschaltzeit läßt sich dann gemäß der oben beschriebenen Formel T_A = T_E - T_B/K berechnen. Zur ggfs. weiteren Verbesserung der Genauig keit wird das tatsächliche Anschlagen von Anker 13 oder Pumpenkolben 10 über die Stromänderung überwacht: Kommt es zu solchen Anschlägen, so wird die Ab schaltzeit T_A für folgende Zyklen derart verkürzt, daß das Anschlagen gerade eben vermieden ist.

Bezugszeichenliste

1

Pumpenelement

2

Druckraum

3

Einlassventil

4

Einlasskanal

5

Auslassventil

6

Auslasskanal

7

Magnetfuß

8

Elektromagnet

9

Zylinder

10

Pumpenkolben

11

Druckstab

12

Rückholfeder

13

Anker

14

Magnetspule

15

Druckaufnehmer

16

Spannungs-Schalter

17

Subtraktionsstufe

18

Oszillator

19

Clock

20

Vergleichsvorrichtung

21

Rechenanordnung (zur Ermittlung der Abschaltzeit)

22

Eingangsschaltung

23

Differenzierstufe

24

Vergleicher

25

Speicher

26

Rechenvorrichtung (zur Ermittlung des Lastdrucks)
Im Steuerstrom
I_max

Maximalstrom
T_max

Maximalzeit
T_c

Istzeit
T_A

Abschaltzeit
T_E

Zeit des Auftreffens am Auslaß
T_B

zum Bremsen benötigte Zeit

Claims

1. Pumpvorrichtung, insbesondere zur Bereitstellung eines mit einem vor wählbaren Druck beaufschlagbaren Mediums innerhalb eines hydraulischen Antriebs, mit zumindest einem oszillierend beweglichen, über einen oder mehrere Elektromagneten mit Kraft beaufschlagbaren Pumpenkolben (10), dessen Bewegung über einen durch den oder die Elektromagneten gelei teten und von einem Spannungs-Schalter (16) eingestellten Steuerstrom (I_m) beeinflußbar ist, wobei in Funktion der Pumpvorrichtung die momenta ne Stärke des Steuerstroms (I_m) meßbar und als Eingangssignal für den Spannungs-Schalter (16) nutzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Steuerstroms (I_m) über einen Zeitverlauf meßbar und hieraus die zeitliche Änderung des Steuerstroms (I_m) ermittelbar und als Eingangssignal für den Spannungs-Schalter (16) nutzbar ist.

2. Pumpvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Spannungs-Schalter (16) aus mehreren Stromstärke-Zeit- Zuordnungen die Abschaltzeit (T_A) für den Steuerstrom (I_m) bei Annäherung des Pumpenkolbens (10) an eine Extremalstellung seiner oszillierenden Bewegung ermittelbar ist.

3. Pumpvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die momentane, zeitaufgelöste Stromstärke als auch die Ge schwindigkeit der zeitlichen Änderung der Stromstärke als Eingangsgrößen für den Spannungs-Schalter (16) nutzbar sind.

4. Pumpvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die noch verbleibende Zeit bis zur Abschaltung des Steuerstroms (I_m) während der Bewegung des oder der Pumpenkolben (10) fortlaufend neu berechenbar ist.

5. Pumpvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit bis zum Abschalten des Steuerstroms über die Näherungsfor mel T_A = T_E - T_B/K berechenbar ist, wobei T_E die Zeit bis zum ungebrem sten Anschlag des Pumpenkolbens, T_B die Abbremszeit des Pumpenkol bens aus der momentanen Geschwindigkeit bis zum Stillstand und K ein empirisch ermittelter Parameter ist.

6. Pumpvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Überwachung eines möglichen Anschlags des Pumpenkolbens (10) und eine Nachregulierung der Abschaltzeit (T_A) für den nächsten Zyklus im Falle eines Anschlags.

7. Pumpvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Differenzierstufe (23) vorgesehen ist, die aus gemessenen Strom stärken eine zeitliche Änderung der Stromstärke als Ableitung der Strom stärke als Funktion der Zeit berechnet.

8. Pumpvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spannungs-Schalter (16) zur Ermittlung der Abschaltzeit (T_A) als zusätzliches Eingangssignal der in einer Rechenvorrichtung (26) errechnete oder der mittels eines Druckaufnehmers (15) ermittelte Lastdruck zur Ver fügung steht.

9. Pumpvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der errechnete bzw. ermittelte Lastdruck zur Berechnung der Abschalt zeit T_A des folgenden Arbeitszyklus verwendet werden.

10. Regelvorrichtung zur Erzielung vorgegebener Ausgangsdrucke einer Ma gnetpumpe, die einen mit einem Einlaß- (3) sowie einem Auslaßventil (5) ausgestatteten Druckraum (2) aufweist, an den sich ein Zylinder (9) an schließt, in dem ein oszillierend beweglicher, über ein oder mehrere Elek tromagneten mit Kraft beaufschlagbarer Anker (13) für einen Pumpenkol ben (10) angeordnet ist, insbesondere als Bestandteil einer Pumpvorrich tung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder einer Magnetspule (14) des Elektromagneten (8) ein Span nungs-Schalter (16) vorgeordnet ist, die mit vorgegebener Strombegren zung durch eine Subtraktionsstufe (17) betätigt wird, der die Signale eines steuernden Oszillators (18) sowie die Ausgangssignale einer Rechenan ordnung (21) zur Ermittlung der Abschaltzeit (T_A) zugeführt werden, wobei der die Magnetspule (14) beaufschlagende Steuerstrom (I_m) durch eine Eingangsschaltung (22) für Steuersignale ermittelt und das Ergebnis als Hinweis auf den vom Pumpenkolben (10) zurückgelegten Weg der Re chenanordnung (21) zur rechnerischen Ermittlung der Abschaltzeit zuge führt wird.

11. Regelvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichsvorrichtung (20) die Maximalzeit (T_max) eines Arbeitszy klus' mit der Summe aus Istzeit (T_c) und Abschaltzeit (T_A) vergleicht und beim Erreichen der Maximalzeit (T_max) durch die Summe der Subtraktions stufe (17) das Abschaltsignal (S₁) übermittelt.