DE102017117595A1 - Verfahren zur regelung des ausgangsdrucks eines hydraulikantriebsystems, verwendung des verfahrens und hydraulikantriebsystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Regelung des Ausgangsdrucks (P) eines Hydraulikantriebsystems (10) unter Verwendung einer Drehzahl (ω) als Stellgröße, wobei das Hydraulikantriebsystem (10) eine Hydraulikpumpe (5) und einen die Hydraulikpumpe (5) antreibenden motorischen Antrieb (4) aufweist, mit den Verfahrensschritten: Ermitteln (101) eines Soll-Drehzahl-Hauptanteils (ω) des motorischen Antriebs (4) als Vorsteuersignal; Ermitteln (102) einer Fehlerdrehzahl (ω) als Regelabweichung aus einem Vergleich eines Druck-Istwertes (P) des Hydraulikantriebsystems (10) und einem Druck-Sollwert (P) des Hydraulikantriebsystems (10) und anschließendem Regelverstärker (2); Addieren (103) des ermittelten Soll-Drehzahl-Hauptanteils (ω) zur ermittelten Fehlerdrehzahl (ω) zum Bilden einer Soll-Drehzahl (ω) als die Stellgröße; und Umsetzen (104) der gebildeten Soll-Drehzahl (ω) in eine Eingangs-Drehzahl (ω) des motorischen Antriebs (4) zum Antreiben des Hydraulikantriebsystems (10) mit der umgesetzten Drehzahl (ω) zum Erzeugen des geregelten Ausgangsdrucks (P) des Hydraulikantriebsystems (10) als der Druck-Istwert (P).

Description

• TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Ausgangsdrucks eines Hydraulikantriebsystems, eine Verwendung des Verfahrens sowie ein Hydraulikantriebsystem. Die Erfindung wird dabei bevorzugt für Hydraulikantriebsysteme von Zug-Druck-Umform-Vorrichtungen, beispielsweise einer Tiefzieh-Vorrichtung, bevorzugt bei einem aktivhydromechanischem Ziehen verwendet.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Ein Hydraulikantriebsystem, auch als hydraulischer Antrieb bezeichnet, kann unter Verwendung einer Pumpe und eines drehzahlveränderlichen Antriebs hergestellt werden. Dabei wird der Fluidstrom von bzw. zu einem Aktor, beispielsweise einem Hydrozylinder, nicht durch Schalt- oder Stetig-Ventile, sondern direkt durch die verwendete Pumpe gesteuert. Ein System bestehend aus Hydraulikpumpe, motorischem Antrieb und einem den motorischem Antrieb betreibenden Verstärker mit Frequenzumrichter wird nachfolgend als das Hydraulikantriebsystem bezeichnet. Umgangssprachlich wird dieses Hydraulikantriebsystem auch als „Servopumpe“ bezeichnet.
• Das Hydraulikantriebsystem kann zur Erzeugung eines geregelten Ausgangs-Volumenstromes verwendet werden. Darauf aufbauend kann eine Geschwindigkeits- oder Lage-Regelung eines Aktors im nachfolgenden auch unter dem Begriff Zylinder gefasst, bereitgestellt werden. Dieser Aktor kann wiederum dazu verwendet werden, Elemente einer Werkzeugmaschine zu bewegen, beispielsweise ein Ziehkissen einer Zieh-Vorrichtung.
• Ebenso kann dieses Hydraulikantriebsystem zur Erzeugung eines geregelten Ausgangsdruckes verwendet werden. Darauf aufbauend kann eine Kraft-Regelung bereitgestellt werden.
• US 6 379 119 B1 beschreibt die Verwendung eines Hydraulikantriebsystems zur Steuerung einer Tiefzieh-Vorrichtung unter Regelung der Ziehkissenkraft. Das darin beschriebene Regelungsverfahren basiert auf einem idealisierten linearen Zusammenhang zwischen dem Druck, einem baugrößenbestimmten Fördervolumen der Pumpe und einem treibendem Drehmoment an der Hydraulikpumpe. Dabei wird aus der Bestimmung von Soll- und Ist-Werten des Druckes der elektrische Strom für den motorischen Antrieb als Regelgröße bestimmt. Die Druckregelung berücksichtigt dabei nur die Pumpeneigenschaften. Dies führt zu einer brauchbaren Druckregelung, solange kein nennenswerter Volumenstrom abgenommen wird.
• Im bekannten Stand der Technik wird bislang nicht berücksichtigt, dass die notwendige Drehzahl nicht nur von dem Soll- und Ist-Druck, sondern auch vom tatsächlich benötigten Volumenstrom für eine Bewegung des Aktors, beispielsweise zur Abstützung des Ziehkissens, abhängt. Die im Stand der Technik beschriebene Art der Druck-Regelung ist für einen Verbraucher mit nennenswertem und veränderlichem Volumenstrom insofern nachteilig, als dass die Druckregelung für große Arbeitsbereiche zu ungenau ist.
• Zudem hat eine Drehmomenten-Regelung als Eingangsgröße das Soll- und Ist-Drehmoment und erzeugt als Stellsignal einen Strom-Sollwert für den Motorstrom. Dabei wird modellhaft für das Ist-Moment der Ist-Strom herangezogen, da eine Drehmoment-Messung in der Praxis nicht präzise durchführbar ist oder sehr teure Drehmomentsensoren erfordert. Tatsächlich wird also eine Stromregelung und keine Drehmoment-Regelung durchgeführt.
• Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, eine Ausgangsdruckregelung für einen Hydraulikantriebsystem zu schaffen, dass auch bei veränderlichem Volumenstrom und/oder großen Wertebereichen des Ausgangsdrucks der Hydraulikpumpe stabil und exakt ist. Die Aufgabe besteht beispielsweise auch darin, in einem Ziehprozess eines Tiefziehverfahrens, den Ausgangsdruck präzise, dynamisch und schwingungsarm zu regeln.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Patentansprüchen beschriebenen technischen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
• Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Regelung des Ausgangsdrucks eines Hydraulikantriebssystems unter Verwendung einer Drehzahl als Stellgröße gelöst, wobei das Hydraulikantriebssystem eine Hydraulikpumpe und einen die Hydraulikpumpe antreibenden motorischen Antrieb aufweist. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: Ermitteln eines Soll-Drehzahl-Hauptanteils des motorischen (bspw. elektromotorischen) Antriebs als Vorsteuersignal; Ermitteln einer Fehlerdrehzahl als Regelabweichung aus einem Vergleich eines Druck-Istwertes des Hydraulikantriebssystems und einem Druck-Sollwert des Hydraulikantriebssystems und anschließender Regelverstärkung; Addieren des ermittelten Soll-Drehzahl-Hauptanteils zu der ermittelten Fehlerdrehzahl zum Bilden einer Soll-Drehzahl als eine Stellgröße; und Umsetzen der gebildeten Soll-Drehzahl in eine Drehzahl des motorischen Antriebs zum Antreiben des Hydraulikantriebssystems mit der umgesetzten Drehzahl zum Erzeugen des geregelten Ausgangsdrucks des Hydraulikantriebssystems, der den Druck-Istwert darstellt. Der Druck-Istwert wird insbesondere mittels eines Drucksensors ermittelt.
• Die erfindungsgemäße Hydraulikpumpe arbeitet im erfindungsgemäßen Verfahren dabei beispielsweise in mindestens zwei Betriebszuständen. In einem ersten Betriebszustand arbeitet die Pumpe in ihrer Funktion als Pumpe unter Aufbau des geregelten Ausgangsdrucks. In einem zweiten Betriebszustand arbeitet die Pumpe als ein Hydromotor unter Aufnahme von Fluid, welches ggf. in Abhängigkeit einer anzutreibenden Vorrichtung notwendig ist. In beiden Betriebszuständen soll ein Aktor in eine bestimmte Position bewegt werden oder mit einem das Hydraulikantriebsystem beeinflussenden Element interagieren können. Diese beiden Betriebszustände sind bevorzugt innerhalb verschiedener Zeitabschnitte im erfindungsgemäßen Verfahren enthalten.
• Der erfindungsgemäße motorische Antrieb dient dazu, die Hydraulikpumpe anzutreiben. Der Antrieb ist dabei bevorzugt elektromotorisch, beispielsweise ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor, bevorzugt ein Drehstrom-Elektromotor.
• Dieser motorische Antrieb wird erfindungsgemäß mit einem Leistungsverstärker und mit einem Frequenzumrichter betrieben.
• Der erfindungsgemäße Soll-Drehzahl-Hauptanteil stellt einen Drehzahl-Wert bereit, der nominal, also beispielsweise nicht mehr als 20% vom einzustellenden Soll-Drehzahl-Wert abweicht. Damit ist eine grobe Soll-Drehzahl-Einstellung ermöglicht und der Regelbereich wird damit drastisch reduziert.
• Die erfindungsgemäße Ausgangsdruck-Reglung beeinflusst den Ausgangsdruck dahingehend, dass auch nichtlineare Störungen, Reibung und Leckagen als Störgrößen erfasst werden können.
• Erfindungsgemäß erfolgt die Ausgangsdruck-Regelung nicht über das Drehmoment des antreibenden Motors, beispielsweise einem motorischer Antrieb, sondern die Regelung erfolgt in vorteilhafter Weise unter Anwendung der Kenntnisse über das Betriebsverhalten der Hydraulikpumpe. Die Stellgröße für den motorischen Antrieb ist nunmehr nicht der elektrische Strom zur Steuerung des motorischen Antriebs, sondern erfindungsgemäß wird die Drehzahl des motorischen Antriebs als Stellgröße verwendet.
• Die erfindungsgemäße Drehzahlregelung hat als Eingangsgröße die Soll- und Ist-Drehzahl und erzeugt als Stellsignal eine Frequenz für das von einem Frequenzumrichter zu erzeugende Drehfeld. Diese erzeugte Frequenz wird in diesem Zusammenhang mit dem Begriff „Drehzahl-Sollwert“ gleichgesetzt.
• Dazu wird zunächst ein Soll-Drehzahl-Hauptanteil ohne Einfluss von Störgrößen als ein Vorsteuersignal der Regelung generiert bzw. ermittelt. Dies erfolgt beispielsweise mittels Recheneinheiten unter Verwendung von Parametern des Hydraulikantriebsystems in den verschiedenen Betriebszuständen, beispielsweise einer Maximaldruck-Erzeugung oder einem drucklosen Betrieb. In einem idealen System ohne Reibungen, Leckagen und sonstige Störungen würde eine allein auf diesen Soll-Drehzahl-Hauptanteil geregelte Hydraulikpumpe bereits zur Kompensation der Störgrößen führen können.
• Erfindungsgemäß wird zudem die Fehlerdrehzahl, auch als Korrektursignal bezeichnet, als Regelabweichung aus dem Druck-Sollwert (Führungsgröße) und dem Druck-Istwert (Regelgröße) und einem daran anschließendem Regelverstärker, beispielsweise einem PI oder PID-Regler ermittelt. Dazu wird der Druck-Istwert mittels eines Drucksensors ermittelt. Dieser Verfahrensschritt ermöglicht die Kompensation von verlustbehafteten und nichtlinearen Eigenschaften sowie Kompressions- und Dekompressionseffekten des Hydraulikantriebsystems. Das notwendige Korrektursignal ist jedoch klein im Verhältnis zur maximal möglichen Drehzahlamplitude des Hydraulikantriebsystems und kann daher leicht und robust mit dem Regelverstärker ermittelt werden. Da die Fehlerdrehzahl nicht den gesamten Wertebereich der Drehzahl des Hydraulikantriebsystems abbildet, können die Verstärkungsfaktoren des Regelverstärkers robust gewählt werden.
• Die aus dem Vergleich aus Druck-Sollwert und Druck-Istwert berechnete Korrektur-Drehzahl hat bei einer Beeinflussung des Hydraulikantriebsystems durch eine externe Last, beispielsweise einer Kraft durch ein Ziehkissen oder eines Werkzeugs in einer Werkzeugmaschine, einen vergleichsweise geringen Anteil an der Drehzahlführung. Dadurch ist die erfindungsgemäße Regelung robust und auch genau.
• Das anschließende Umsetzen der Soll-Drehzahl in die Betriebsdrehzahl erfolgt unter Verwendung eines Leistungsverstärkers und eines Frequenzumrichters.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der ermittelte Soll-Drehzahl-Hauptanteil einen ersten Soll-Drehzahl-Anteil und einen zweiten Soll-Drehzahl-Anteil, wobei der erste Soll-Drehzahl-Anteil aus dem Druck-Sollwert gebildet wird und der zweite Soll-Drehzahl-Anteil aus einem Volumenstrom-Sollwert des Hydraulikantriebssystems gebildet wird. Der Volumenstrom, auch Durchflussrate genannt, gibt an, wieviel Volumen des Fluides pro Zeitspanne durch einen festgelegten Querschnitt transportiert wird.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der erste Soll-Drehzahl-Anteil aus dem Druck-Sollwert, einem Maximaldruck der Hydraulikpumpe und einem Drehzahlparameter der Pumpe zur Erzeugung des Maximaldrucks errechnet. Die verwendete Hydraulikpumpe, beispielsweise eine Kolben- oder Zahnradpumpe, hat auch unter Druck einen hohen Wirkungsgrad. Zur Erzeugung eines Maximaldrucks der Pumpe ist typischerweise nur eine sehr geringe Drehzahl, beispielsweise 120 U/min notwendig. Diese Parameter werden bei blockiertem Ausgang der Hydraulikpumpe ermittelt.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der zweite Soll-Drehzahl-Anteil aus dem Volumenstrom-Sollwert und einem Fördervolumenparameter der Pumpe errechnet. Dieser zweite Soll-Drehzahl-Anteil ist notwendig, um mit der Hydraulikpumpe den durch die Bewegung eines Aktors hervorgerufenen Volumenstrom aufzunehmen oder abzugeben. Wenn die Hydraulikpumpe mit dieser Drehzahl angetrieben würde, würde noch kein Druckaufbau erfolgen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Volumenstrom-Sollwert des Hydraulikantriebssystems unter Verwendung zumindest eines Parameters eines vom Hydraulikantriebssystem angetriebenen Aktors beispielsweise eines Zylinders ermittelt. Damit kann auf den Volumenstrom durch eine vom Hydraulikantriebsystem verursachte Bewegung beispielsweise eines Elements in der Werkzeugmaschine geschlossen werden.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung wird zur Berechnung des zweiten Soll-Drehzahl-Anteils der zumindest eine Parameter mittels Sensorelement ermittelt. Der Parameter ist beispielsweise eine Aktor-Geschwindigkeit oder eine Aktor-Wegstrecke bzw. eine Element-Geschwindigkeit oder eine Element-Wegstrecke. Aus diesem Parameter kann mittels einfacher Berechnung auf den Volumenstrom geschlossen werden und so die Ausgangsdruck-Regelung wesentlich verbessert werden.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Berechnung des ersten Soll-Drehzahl-Anteils und des zweiten Soll-Drehzahl-Anteils vorzeichenrichtig. Bei einem Volumenstrom aus der fördernden Pumpe heraus, also im ersten Betriebszustand der Pumpe, sind die Vorzeichen des ersten und zweiten Soll-Drehzahl-Anteil identisch positiv. Bei einem Volumenstrom in die als Hydro-Motor arbeitende Pumpe, also im zweiten Betriebszustand der Pumpe, hinein ist das Vorzeichen des zweiten Soll-Drehzahl-Anteil negativ. Somit ist das Vorzeichen des zweiten Soll-Drehzahl-Anteils beim Tiefziehen negativ, weil bei der entsprechenden Bewegung des Aktors das Fluid im geschlossenen System in Richtung Hydraulikpumpe abtransportiert wird. Die Hydraulikpumpe arbeitet in diesem Arbeitsschritt als Hydromotor und nimmt das Fluid aus dem Zylinder auf.
• Gemäß einem Aspekt wird das vorhergehend beschriebene Verfahren für ein Hydraulikantriebssystem in einer Zug-Druck-Vorrichtung, bevorzugt einer Zieh-Vorrichtung eingerichtet zum aktiven hydromechanischen Tiefziehen eines oder mehrerer Bauteile verwendet.
• Gemäß einem Aspekt wird in einem Hydraulikantriebssystem zum Antreiben eines Aktors, bevorzugt eines Aktors in einer Tiefzieh-Vorrichtung, beispielsweise einem Ziehkissen, ein Ausgangsdruck des Hydraulikantriebssystems gemäß dem vorhergehend beschriebenen Verfahren geregelt. Das Hydraulikantriebsystem weist eine Hydraulikpumpe, einen motorischen Antrieb und einen Verstärker, beispielsweise einen Leistungsverstärker mit Frequenzumrichter auf.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Hydraulikantriebsystem von dem Aktor angetrieben oder das Hydraulikantriebssystem wird von einem weiteren Aktor, beispielsweise einem Ober- oder Unterwerkzeug, der Tiefzieh-Vorrichtung beeinflusst. Dabei umfasst der Aktor bzw. der weitere Aktor zumindest ein Sensorelement zum Ermitteln eines Bewegungs-Parameters des Aktors. Der Parameter wird für die Ermittlung des Soll-Drehzahl-Hauptanteils verwendet.
• Figurenliste
• Nachfolgend wird anhand von Figuren die Erfindung bzw. weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung näher erläutert, wobei die Figuren lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben. Gleiche Bestandteile in den Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht als maßstabsgetreu anzusehen, es können einzelne Elemente der Figuren übertrieben groß bzw. übertrieben vereinfacht dargestellt sein. Es zeigen:
• 1 eine Regelung des Ausgangsdrucks gemäß einem bekannten Verfahren;
• 2 eine erste Prinzip-Darstellung zur Ermittlung von Hydraulikpumpenparametern;
• 3 eine zweite Prinzip-Darstellung zur Ermittlung von Hydraulikpumpenparametern;
• 4 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrensablaufdiagramms eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
• 4a ein beispielhaftes einsträngiges Ersatzschaltbild eines ersten motorischen Antriebs für das erfindungsgemäße Verfahren;
• 4b ein beispielhaftes einsträngiges Ersatzschaltbild eines zweiten motorischen Antriebs für das erfindungsgemäße Verfahren;
• 5 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbilds einer erfindungsgemäßen Regelung des Ausgangsdrucks;
• 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbilds einer erfindungsgemäßen Regelung des Ausgangsdrucks;
• 7 ein Ausführungsbeispiel einer Tiefzieh-Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik; und
• 8 Beispielhafte Signalverläufe für die erfindungsgemäße Regelung des Ausgangsdrucks unter Verwendung von Aktor-Parametern.
• FIGURENBESCHREIBUNG
• In 1 ist eine Regelung eines Ausgangsdrucks P_OUT eines Hydraulikantriebsystems 10 gemäß einem bekannten Verfahren, wie es beispielsweise in US 6 379 119 B1 beschrieben ist, gezeigt. Das Hydraulikantriebsystem 10 besteht aus einem Leistungsverstärker 3, einem elektromotorischen Antrieb 4 und einer Hydraulikpumpe 5. Die Hydraulikpumpe 5 stellt an ihrem Ausgang einen Ausgangsdrucks P_OUT bereit, mit welchem beispielsweise eine Zug-Druck-Vorrichtung 8, wie sie beispielsweise in der 7 als Tiefzieh-Vorrichtung 8 dargestellt ist, angetrieben wird.
• Gemäß 1 erfolgt die Regelung des Ausgangsdrucks P_OUT auf Basis eines idealisierten linearen Zusammenhangs zwischen den physikalischen Größen Druck P, einem baugrößenbestimmten Fördervolumen Qp der Hydraulikpumpe 5 und einem Drehmoment M unter einer Bestimmung von Soll- und Ist-Werten eines Motorstroms I_MOT als Regelgröße.
• Für eine ideale Verdränger-Pumpe als Beispiel für eine Hydraulikpumpe 5, die ohne Reibung und Verluste am Dichtspalt zu betrachten ist, gilt folgendes hydrostatisches Lastmoment: $${\text{M}}_{\text{POUT}}={\text{Q}}_{\text{P}}\text{/}\left(2*\mathrm{\pi }\right)*{\text{P}}_{\text{OUT}}$$

  

  mit:

M_POUT

= Drehmoment an der Hydraulikpumpe

Q_P

= Fördervolumen der Hydraulikpumpe pro Umdrehung

P_OUT

= Ausgangsdruck an der Hydraulikpumpe.

• Gemäß 1 wird ein Druck-Sollwert P_SET in einem Vergleicher 1 mit einem Druck-Istwert P_FBK verglichen. Das Vergleichsergebnis ist ein Fehler-Druck P_ERR , der einem Regelverstärker 2 zugeführt wird. Der Regelverstärker 2 ist als PID-Regler ausgeführt. Als Stellgröße wird gemäß 1 ein Strom-Sollwert I_SET verwendet. Dieser Strom-Sollwert I_SET wird dem Verstärker 3 zugeführt. Der Verstärker 3 erzeugt aus dem Strom-Sollwert I_SET den Motorstrom I_MOT . Der Motor 4 gibt das aus I_MOT folgende Drehmoment M_MOT auf die Pumpe 5. Der Ausgangsdruck P_OUT wird mittels eines Sensorelements erfasst und mittels eines Analog-Digital-Wandlers 6 als Druck-Istwert P_FBK dem Vergleicher 1 zurückgeführt. Der Verstärker 3 ist dabei üblicherweise für Synchron- oder Asynchron-Motoren geeignet. Der Motorstrom I_MOT liegt beispielsweise als dreiphasiges System vor.
• Der Regelung nach 1 liegt folgende Systemüberlegung zu Grunde. Dem antreibenden Drehmoment M_MOT stehen das hydrostatisches Lastmoment M_POUT nach Gleichung (1), eine Reibungskomponente der Pumpe 5 und eine Rotor-Trägheit des Motors 4 sowie der Pumpe 5 gegenüber.
• Es gilt: $${\text{M}}_{\text{MOT}}={\text{M}}_{\text{POUT}}+{\text{M}}_{\text{FRICT}}+\left({\text{J}}_{\text{TOTAL}}*\mathrm{\alpha }\right)$$

  

  mit:
• α = Winkelbeschleunigung,
• M_FRICT = mech. Reibung der Pumpe durch Baugröße und -Art,
• J_TOTAL = J_MOTOR + J_PUMP als Rotorträgheit Pumpe und Motor.
• Für die Winkelbeschleunigung α der Pumpe 5 ergibt sich durch Umstellung von Gleichung (2): $$\mathrm{\alpha }=\left({\text{M}}_{\text{MOT}}-{\text{M}}_{\text{POUT}}-{\text{M}}_{\text{FRICT}}\right)\text{/}\left({\text{J}}_{\text{MOT}}+{\text{J}}_{\text{PUMP}}\right)$$

  
• Für die Drehzahl ω der Pumpe 5 gilt: $$\mathrm{\omega }\left(\text{t}\right)={\displaystyle {\int }_0^{\infty }\mathrm{\alpha }\left(\text{t}\right)\ast dt}$$

  
• Bei einem Verbraucher mit nennenswertem und veränderlichem Volumenstrom Q_(t) ist diese Regelung nachteilig, da die notwendige Drehzahl ω der Pumpe 5 auch vom tatsächlich benötigten Volumenstrom Q_(t) , beispielsweise für eine Hubbewegung des Zylinders zur Abstützung des Ziehkissens, abhängt.
• In den 2 und 3 sind Prinzip-Darstellungen zur Ermittlung von Hydraulikpumpenparametern dargestellt, die für das erfindungsgemäße Regeln des Ausgangsdrucks P_OUT verwendet werden.
• 2 zeigt eine Kennlinie des Fördervolumens Q in Abhängigkeit der Drehzahl ω einer Konstantpumpe 5 im drucklosen Betrieb. In sehr guter Näherung ist bei drucklosem Betrieb der Volumenstrom Q proportional zur Drehzahl ω. Typische Maximaldrehzahlen ω_MAX sind 314 rad/s, also 3000 Umdrehungen pro Minute. Das Fördervolumen Q_OUT in einem drucklosen Betrieb errechnet sich dabei wie folgt: $${\text{Q}}_{\text{OUT}}\left(\mathrm{\omega }\right)={\mathrm{\omega }}_{\text{IN}}*{\text{Q}}_{\text{P}}$$

  

  mit: Q_P = Fördervolumen der Pumpe 5 pro Umdrehung.
• 3 zeigt eine zweite Prinzip-Darstellung zur Ermittlung von Hydraulikpumpenparametern. Dabei ist eine Druck-Drehzahl-Kennlinie der Pumpe 5, beispielsweise einer Konstantpumpe im Betrieb gegen blockierten Druckausgang dargestellt. Der Ausgangsdruck P_OUT errechnet sich dabei wie folgt: $${\text{P}}_{\text{OUT}}\left(\mathrm{\omega }\right)={\text{P}}_{\text{MAX}}*{\mathrm{\omega }}_{\text{IN}}\text{/}{\mathrm{\omega }}_{\text{PMAX}}$$

  

  mit:

P_MAX

= Maximaldruck,

ω_IN

= Eingangs-Drehzahl,

ω_PMAX

= Drehzahl bei Maximaldruck bei blockiertem Druckausgang.

• Die verwendeten Pumpen 5, insbesondere Kolben- oder Zahnradpumpen, haben auch unter großem Druck P einen hohen Wirkungsgrad. Daher ist zur Erzeugung des Maximaldruck P_MAX typischerweise nur eine geringe Drehzahl ω_PMAX notwendig. Beispielsweise kann die Drehzahl ω_PMAX einer vergleichsweise guten Pumpe 5 bei Maximaldruck P_MAX 12 rad/s (=120 U/min) betragen, wohingegen die Drehzahl ω_PMAX einer vergleichsweise schlechten Pumpe bei P_MAX ca. 31 rad/s (=300 U/min) aufweist.
• Wie bereits erwähnt, berücksichtigt die Druckregelung gemäß 1 nur die Pumpeneigenschaften nach 3. Dies führt in nachteiliger Weise nur zu einer stabilen Druckregelung, solange kein nennenswerter Volumenstrom Q abgenommen wird. Bei einem Drehzahl-Wert ω größer als wenige hundert Umdrehungen pro Minute versagt die Regelung.
• Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Regelung in einer Tiefzieh-Vorrichtung 8 nach 7, muss beachtet werden, dass sich ein Element, beispielsweise das Ziehkissen, funktionsgemäß bewegt. Die Pumpe 5 muss dabei das verdrängte Fluid-Volumen aufnehmen können und den Volumenstrom Q abführen. Die Pumpe 5 ist dabei so ausgelegt, dass der maximal zu erwartende Volumenstrom Q_MAX eine Maximaldrehzahl ω_MAX , (beispielsweise ca. 3000 U/min) zur Folge hat. Der Drehzahl-Regelbereich, den es zu regeln gilt, liegt bevorzugt zwischen sehr wenigen Umdrehungen pro Minute, resultierend aus der geringen Drehzahl ω_PMAX bei Maximaldruck P_MAX , und mehreren tausend Umdrehungen pro Minute, resultierend aus dem zu erwartenden hohen Volumenstrom Q_MAX .
• Im konventionellen Regelverfahren kann der Regelkreis nur für einen Bruchteil dieses Drehzahlregelbereichs stabil parametriert werden, bevorzugt auf einen Drehzahlbereich von 0 bis wenige hundert Umdrehungen pro Minute. Um den tatsächlichen Drehzahlenbereich von bis zu mehreren tausend Umdrehungen pro Minute abzubilden, müssen im Regelkreis entsprechend große Regelabstände bearbeitet werden. Dies ist mit den PID-Reglern aufgrund der zu berücksichtigenden Zeitkonstanten nicht möglich.
• In der 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrensablaufdiagramms eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Verfahren 100 umfasst die Verfahrensschritte 101 bis 104, wie nachstehend erläutert wird. Im Schritt 101 wird ein Soll-Drehzahl-Hauptanteil ω_SET1+2 des elektromotorischen Antriebs 4 als Vorsteuersignal ermittelt. Im Schritt 102 wird eine Fehlerdrehzahl ω_ERR als Regelabweichung aus einem Vergleich eines Druck-Istwertes P_FBK des Hydraulikantriebsystems 10 und einem Druck-Sollwert P_SET des Hydraulikantriebsystems 10 und anschließendem Regelverstärker 2 ermittelt. Im Schritt 103 erfolgt das Addieren des ermittelten Soll-Drehzahl-Hauptanteils ω_SET1+2 zu der ermittelten Fehlerdrehzahl ω_ERR zum Bilden einer Soll-Drehzahl ω_SET als die Stellgröße in der erfindungsgemäßen Regelung. Im Schritt 104 erfolgt das Umsetzen der gebildeten Soll-Drehzahl ω_SET in eine Drehzahl ω_IN des motorischen Antriebs 4 zum Antreiben des Hydraulikantriebsystems 10 mit der umgesetzten Drehzahl zum Erzeugen des geregelten Ausgangsdrucks P_OUT des Hydraulikantriebsystems 10 als der Druck-Istwert P_FBK .
• Das erfindungsgemäße Regelverfahren 100 ist einfach zu parametrisieren, ist im Betrieb stabil und weist eine wesentlich geringere Regelabweichung als das Regelverfahren nach 1 auf. In 4 erfolgt die Druckregelung nicht über das Drehmoment M_MOT des antreibenden Motors, sondern über die Soll-Drehzahl ω_SET (bzw. die daraus resultierende Frequenz f des motorischen Antriebs) als Stellgröße.
• In 4a ist ein beispielhaftes Ersatzschaltbild einer Phase eines drei-phasigen motorischen Antriebs 4 (Drehstrommaschine) für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt, mit dem sich der erfindungsgemäße Umsetz-Schritt 104 und die daraus resultierende Drehzahlregulierung verdeutlichen lässt. Wie erwähnt, ist der Antrieb 4 beispielsweise eine Asynchron-Drehstrommaschine. Dazu ist in 4a zum besseren Verständnis der Vorgänge einer Drehzahlregelung des motorischen Antriebs 4 beispielsweise die Betrachtung des Ersatzschaltbilds der Asynchronmaschine sinnvoll. Dieses Ersatzschaltbild zeigt eine zum motorischen Antrieb 4 elektrisch äquivalente Schaltung, wie sie auch der Verstärker 3 mit dem Frequenzumrichter 7 sieht.
• Auf der linken Seite der 4a ist das Ersatzschaltbild der Ständerwicklung dargestellt. Diese besteht aus dem ohmschen Widerstand Rs, insbesondere ein Kupferwiderstand und äquivalenter Serienwiderstand der Um-Magnetisierungsverluste, und einem Blindwiderstand Xs der Ständerwicklungs-Induktivität bei asynchronem Lauf. Auf der rechten Seite der 4a ist das Ersatzschaltbild der Rotorwicklung (Läufer) dargestellt. Dieser besteht aus einem Blindwiderstand Xr der Rotorwicklungs-Induktivität und dem ohmschen Wirkwiderstand Rr. Der Blindwiderstand Xr stellt die bei stillstehendem Motor resultierende Induktivität dar. Der Wirkwiderstand Rr des Rotors setzt sich zusammen aus dem äquivalenten Wert der vom motorischen Antrieb 4 abgegebenen Wirkleistung und dem entsprechend dem Quadrat der Stator-Windungszahl herauftransformierten ohmschen Widerstand des Kurzschlusskäfigs zusammen. Der äquivalente Wert der Wirkleistung verändert sich mit der Veränderung des Drehmoments M bzw. der Belastung des motorischen Antriebs 4.
• Somit besteht im Leerlauf, also bei drucklosem Betrieb des Hydraulikantriebsystems 10, das Ersatzschaltbild des motorischen Antriebs 4 im Wesentlichen aus den Widerständen Rs und Xs. Der im Leerlauf aufgenommene Strom I_MOT entspricht nahezu dem Nennstrom. Mit zunehmender Belastung, also bei sich aufbauendem Ausgangs-Druck P_MAX im Hydraulikantriebsystem 10, steigt der Wirkstrom durch den Widerstand Rr an. Der Phasenwinkel zwischen Strom i_MOT und Spannung u_MOT verringert sich von nahezu φ = 90° auf kleinere Werte.
• Der belastungsabhängige Wirkstrom erzeugt einen Spannungsabfall am Widerstand Rr, aber nur einen unwesentlich höheren Spannungsabfall am Widerstand Rs. Folglich steigen die Verluste bei zunehmender Belastung im Läufer schneller an als im Stator. Die Widerstände Rs und Rr verursachen mit dem Quadrat der Stromaufnahme steigende Verluste, daher nimmt der Wirkungsgrad des motorischen Antriebs 4 mit steigender Belastung ab.
• Im Umrichter-Betrieb wird bei immer kleiner werdender Frequenz f_MOT der Blindwiderstand Xs ebenfalls immer kleiner. Bei Einhaltung des Nennstromes muss daher die vom Frequenzumrichter 7 gelieferte Spannung sinken. Damit wird das Verhältnis des Spannungsteilers Rs zu Xs immer ungünstiger und führt zu steigenden Verlusten relativ zur verfügbaren Motorleistung. Der Frequenzumrichter 7 kann ggf. das Spannungsteiler-Verhältnis Rs/Rr selbst erfassen.
• Ein (nicht dargestellter) Frequenzumrichter 7 ermöglicht es nun stufenlos die Drehzahl ω von nahezu null bis zur Nenndrehzahl einzustellen, ohne dass das Drehmoment M_MOT dabei sinkt (Grundstellbereich). Der motorische Antrieb 4 kann auch über Nenndrehfrequenz betrieben werden, dann sinkt das abgegebene Moment M_MOT jedoch ab, da die Betriebsspannung nicht weiter der erhöhten Frequenz angepasst werden kann.
• Zwar zeigt 4a die Anwendung der Drehzahl-Regelung für Asynchron-Motoren, jedoch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Die Regelung wird bevorzugt auch bei Synchron-Motoren, beispielsweise Drehstrom-Synchron-Motoren angewendet.
• In 4b ist ein beispielhaftes Ersatzschaltbild einer Phase eines drei-phasigen motorischen Antriebs 4 (Drehstrommaschine) für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt, mit dem sich der erfindungsgemäße Umsetz-Schritt 104 und die daraus resultierende Drehzahlregulierung verdeutlichen lässt. Gemäß 4b ist der motorische Antrieb 4 beispielsweise eine Synchron-Drehstrommaschine. Das Ersatzschaltbild gemäß 4b zeigt eine zum motorischen Antrieb 4 elektrisch äquivalente Schaltung, wie sie auch der Verstärker 3 mit dem Frequenzumrichter 7 sieht.
• Damit die Synchronmaschine als elektromotorischer Antrieb 4, also als Drehstrom-Synchronmotor, arbeiten kann, ist ein Erregerfeld im Läuferkreis notwendig, sodass durch eine gleichstromerregte Läuferwicklung (Erregerwicklung) oder einen Permanentmagneten ein magnetisches Feld (Erregerfeld) erzeugt wird, das in den einzelnen Strängen der Ständerwicklung eine Ständerspannung Us induziert. Außerdem muss über die Ständerwicklungen elektrische Energie zugeführt werden, damit der Drehstrom-Synchronmotor das Drehmoment M_MOT (siehe Gleichung 2) abgeben kann.
• Nachfolgend wird die Wirkungsweise der in 4b dargestellten Synchronmaschine im MotorBetrieb kurz beschrieben. Die Synchronmaschine befindet sich im Leerlauf am starren Netz. Es erfolgt eine Belastung an der Motorwelle durch die Pumpe 5. Der Motor 4 würde seine Drehzahl ω verringern, doch nimmt der Motor 4 nun elektrische Leistung auf und der in 4b gezeigte Ständerstrom Is steigt an. Es wirkt nun ein Motormoment M_MOT , das dem Lastmoment M_LOAD entgegenwirkt. Der Ständerstrom Is verursacht eine Differenzspannung Ud an der synchronen Reaktanz Xd. Der induktive Blindwiderstand der Ständerwicklung und dessen ohmscher Widerstand können dabei vernachlässigt werden. Durch den Spannungsabfall Xd bildet sich ein vom Ständerstrom Is abhängiger Polradwinkel, der im Motorbetrieb entgegen der Drehrichtung wirkt. Infolgedessen verschiebt sich die Polradspannung Up hin zur Netzspannung Us mit dem Winkel des Polrades entgegen der Drehrichtung. Der Motor läuft mit synchroner Drehzahl ω weiter; es entsteht kein Schlupf wie beim Asynchronmotor.
• 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbilds einer erfindungsgemäßen Regelung des Ausgangsdrucks P_OUT . Dabei wird einer Recheneinheit 9 das Sollfördervolumen Q_SET zugeführt. Zudem wird der Recheneinheit 9 der Druck-Sollwert P_SET zugeführt. Die Recheneinheit 9 ermittelt daraus einen Soll-Drehzahl-Hauptanteil ω_SET1+2 als Vorsteuersignal. Der Soll-Drehzahl-Hauptanteil ω_SET1+2 der Soll-Drehzahl ω_SET wird dabei in vorteilhafter Weise ohne Einfluss von Störgrößen generiert. Dazu werden die in 2 und 3 bereits erwähnten Zusammenhänge vorteilhaft genutzt, was in Bezug auf 6 näher erläutert wird. Zudem wird ein Druck-Istwert P_FBK , erhalten von einem Drucksensor 113 und mittels AD-Wandler 6 in einen digitalisierten Sensorausgangswert zur Bestimmung des Ausgangsdrucks P_OUT gewandelt, mit dem Druck-Sollwert P_SET in einem Vergleicher 1c verglichen und der Fehler-Druck P_ERR einem PID-Regelverstärker 2 zugeführt. Der Regelverstärker 2 stellt eine Fehler-Drehzahl ω_ERR an einen Addierer 1b bereit.
• Der Soll-Drehzahl-Hauptanteil ω_SET1+2 wird im Addierer 1b zur Fehler-Drehzahl ω_ERR addiert und eine Soll-Drehzahl ω_SET als Stellgröße erhalten. Somit ist die Stellgröße für den Motor nicht mehr der Motor-Strom I_MOT , sondern die Motor-Drehzahl ω_SET . Dieses Korrektursignal ω_ERR hat bei einer Aktor-Bewegung einen geringen Anteil an der Drehzahl-Führung. Dieser Anteil liegt bei weit unter 50%, bevorzugt weniger als 20%. Dadurch kann die Regelung des Hydraulikantriebssystems robust und gleichzeitig genau erfolgen.
• Durch das erfindungsgemäße Regelungsverfahren werden die verlustbehafteten und nichtlinearen Eigenschaften des Hydraulikantriebssystems 10 sowie dessen Kompressions- und Dekompressionseffekte berücksichtigt. Der dafür notwendige Korrekturwert - Fehler-Drehzahl ω_ERR - hat dazu einen kleinen Anteil im Vergleich zum Gesamtdrehzahlbereich der Pumpe 5. Diese Fehler-Drehzahl ω_ERR kann nunmehr leicht und robust mit einer weiteren Komponente aus einem einfachen PID Regler 2 ermittelt werden, denn es gilt: $${\mathrm{\omega }}_{\text{ERR}}=\text{PID}\left({\text{P}}_{\text{SET}}-{\text{P}}_{\text{FBK}}\right)$$

  

  mit:

PID

= Funktion eines PID Reglers 2

P_SET

= Druck-Sollwert

P_FBK

= Druck-Istwert

• Das Korrektursignal ω_ERR muss nicht den vollständigen Drehzahlbereich der Pumpe 5 abdecken, da es zum Soll-Drehzahl-Hauptanteil ω_SET1+2 addiert wird. Daher müssen nur die Abweichung zwischen dem vereinfacht linearisierten Modell und dem realen System ausgeregelt werden.
• Das Hydraulikantriebssystem 10 gemäß 5 weist einen Leistungsverstärker 3 und einen Frequenz-Umrichter 7 auf, um aus der Soll-Drehzahl ω_SET eine Eingangsdrehzahl ω_IN des motorischen Antriebs 4 zu erzeugen, mit der der motorische Antrieb 4 betrieben wird, um die Hydraulikpumpe 5 anzutreiben und den Ausgangsdruck P_OUT zu erzeugen.
• In 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbilds einer erfindungsgemäßen Regelung des Ausgangsdrucks P_OUT dargestellt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist die Recheneinheit 9 detaillierter dargestellt und es ist zudem ein Verbraucher 8 (beispielsweise ein Zylinder) angedeutet. Die nachfolgende Beschreibung basiert auf der vorangegangenen Figurenbeschreibung zur 5, die hier nicht wiederholt wird.
• Gemäß 6 wird aus dem Druck-Sollwert P_SET ein erster Soll-Drehzahl-Anteil ω_SET1 gebildet. Dazu wird der in Gleichung (6) und 3 dargestellte Zusammenhang in einer Recheneinheit 9a angewendet. Es gilt: $${\mathrm{\omega }}_{\text{SET1}}={\text{P}}_{\text{SET}}{\text{/P}}_{\text{MAX}}*{\mathrm{\omega }}_{\text{PMAX}}$$

  
• Das Vorzeichen des ersten Soll-Drehzahl-Anteils ω_SET1 ist positiv, um den Ausgangsdruck P_OUT aufzubauen.
• Aus dem Volumenstrom-Sollwert Q_SET wird ein zweiter Soll-Drehzahl-Anteil ω_SET2 gebildet. Dazu wird der in Gleichung (5) und 2 dargestellte Zusammenhang in einer Recheneinheit 9a angewendet. Es gilt: $${\mathrm{\omega }}_{\text{SET2}}={\text{Q}}_{\text{SET}}{\text{/Q}}_{\text{P}}$$

  
• Dieser zweite Soll-Drehzahl-Anteil ω_SET2 ist notwendig, um mit der Pumpe 5 den durch die Bewegung des Aktors hervorgerufenen Volumenstrom Q aufzunehmen. Das Vorzeichen des zweiten Soll-Drehzahl-Anteil ω_SET2 kann positiv oder negativ sein, je nach Bewegungsrichtung im Aktor 8. Beispielsweise ist während des Ziehprozesses (siehe 8, Zeitraum von t_CP bis t_BDC ) das Vorzeichen negativ, die Pumpe 5 arbeitet in diesem Zeitabschnitt als Hydromotor und muss das Fluid aus dem Zylinder des Aktors aufnehmen. Würde die Pumpe 5 allein mit diesem zweiten Soll-Drehzahl-Anteil ω_SET2 angetrieben werden, würde kein Ausgangsdruck P_OUT aufgebaut werden.
• Die beiden Soll-Drehzahl-Anteile ω_SET1 und ω_SET2 werden im Addierer 1a addiert.
• 6 zeigt, wie mit den Rechenwerken 9a und 9b die wesentlichen Drehzahl-Sollwert-Komponenten bestimmt werden. Daneben ist es in weiteren Ausgestaltungen möglich, weitere bekannte physikalische Systemeigenschaften in diese oder weitere Rechenwerke einzuarbeiten. Beispielsweise kann die Fluidtemperatur oder die davon abhängende Fluid-Viskosität in die vorhandenen oder weitere Rechenwerke eingehen, um den Effekt der veränderlichen Viskosität auf die Pumpen-Kenngrößen zu berücksichtigen.
• Wie bereits in 5 beschrieben, wird aus der Differenz des Druck-Sollwerts P_SET und des Druck-Istwerts P_FBK , ermittelt über den Drucksensor 113 (in 6 nicht dargestellt), mittels des Vergleichers 1c und dem PID Regler 2 die Korrekturdrehzahl ω_ERR gebildet. Am Ausgang des Addierers 1b wird sodann die Soll-Drehzahl ω_SET wie folgt erhalten: $${\mathrm{\omega }}_{\text{SET1}}={\mathrm{\omega }}_{\text{SET1}}\mathrm{+}{\mathrm{\omega }}_{\text{SET2}}\mathrm{+}{\mathrm{\omega }}_{\text{ERR}}$$

  

  
  mit:

ω_SET1

= Anteil für Volumenstrom,

ω_SET2

= Anteil für Druckaufbau,

ω_ERR

= Anteil zur Kompensation von Nichtlinearität und Störungen

• Der nun gewonnene Drehzahl-Sollwert ω_SET wird, wie in 5 beschrieben, dem Verstärker 3 als Stellgröße übergeben.
• In 6 ist bereits angedeutet, dass eine Vorrichtung 8 als Verbraucher an die Pumpe 5 angeschlossen ist. Diese Vorrichtung 8 weist einen Aktor auf, der durch das Hydraulikantriebsystem 10 angetrieben wird. Beispielsweise ist der Aktor ein Zylinder, welcher ein Ziehkissen als Element in einer Tiefzieh-Vorrichtung abstützt, wie sie beispielsweise in 7 dargestellt ist. Ein Sensorelement (nicht dargestellt) am oder im Aktor erfasst den Druck-Istwert P_FBK , der mittels eines ersten AD-Wandlers 6a dem Vergleicher 1c bereitgestellt wird.
• Zudem ist in 6 angedeutet, dass der Vorrichtung 8 der Volumenstrom Q_SET entnommen wird, der entsprechende Wert wird mittels eines zweiten AD-Wandlers 6b der Recheneinheit 9b zugeführt, um den zweiten Soll-Drehzahl-Anteil ω_SET2 zu ermitteln. Dieser Volumenstrom Q_SET wird mittels eines an einem weiteren Element, beispielsweise das Ober-Werkzeug oder UnterWerkzeug einer Tiefzieh-Vorrichtung der 7, angebrachten Sensorelements (nicht dargestellt) erfasst, wobei das weitere Element das Hydraulikantriebssystem 10 beeinflusst.
• Der Soll-Volumenstrom Q_SET kann beispielsweise einfach aus einer Aktor-Geschwindigkeit und einer Aktor-Wirkfläche bzw. einer Element-Geschwindigkeit und Element-Wirkfläche ermittelt werden. Das Geschwindigkeitssignal kann beispielsweise durch eine Ableitung (Differenzierung) eines mittels Sensorelements erfassten Weges ermittelt werden. Aus der 1. Ableitung der Position des Aktors oder des Elements kann beispielsweise auf die Geschwindigkeit des weiteren Aktors rückgeschlossen werden. Es gilt: $${\text{V}}_{\text{Aktor}}={\text{d/dt POS}}_{\text{Aktor}}$$

  

  mit:

V_Aktor

= Geschwindigkeit des Aktors/Elements,

POS_Aktor

= Position des Aktors/Elements.

• Der Volumenstrom Q_SET berechnet sich dann zu: $${\text{Q}}_{\text{SET}}={\text{V}}_{\text{Aktor}}*{\text{A}}_{\text{Wirk}}$$

  

  mit:

A_Wirk

= Wirkfläche des Aktors/Elements

• Mit dem ermittelten Volumenstrom Q_SET kann dann der zweite Soll-Drehzahl-Anteil ω_SET2 gemäß Gleichung (9) gebildet werden.
• In einer weiteren Ausführung kann der Volumenstrom Q_SET auch direkt aus der Weg/Zeit-Vorgabe einer übergeordneten Bewegungssteuerung erfolgen. Beispielsweise ist die Geschwindigkeit von einem Element der Vorrichtung 8, beispielsweise dem Oberwerkzeug und/oder dem Ziehkissen, einer übergeordneten CNC Steuerung bekannt. Diese kann bei einem Kurbeltrieb für das Oberwerkzeug z.B. aus der Winkelposition und Winkelgeschwindigkeit des Kurbeltriebs berechnet werden. Diese CNC kann somit die Rechengröße V_Aktor oder das Rechenergebnis Q_SET direkt der Recheneinheit 9 zuführen.
• 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 8 der 6 gemäß dem Stand der Technik. Die Vorrichtung 8 ist beispielsweise eine Tiefzieh-Vorrichtung, die mit dem Hydraulikantriebsystem 10 verbunden und von diesem zumindest teilweise angetrieben wird.
• Bei der in 7 gezeigten Vorrichtung 8 ist eine Auflage 105 vorgesehen. Ein Ziehkissentisch 107, wird als Element vorgesehen, um ein Material 108 auf dessen Oberseite anzuordnen. Das angeordnete Material 108 wird mittels der Vorrichtung 8 geformt, beispielsweise in einem ZiehVorgang, um daraus ein Bauteil zu fertigen. Das Material 108 ist dazu in einem Material-Halter 109 eingespannt. Der Ziehkissentisch 107 wird mittels eines Hydraulikzylinders 106 bewegt. Ein Ziehstempel 112 ist in vertikaler Richtung ortsfest. Ein Positions-Sensorelement 114 ist vorgesehen, um die Position Pos_AKTOR des Ziehkissentisches 107 zu erfassen. Der Hydraulikzylinder 106 wird mittels des Hydraulikantriebsystems 10 bestehend aus Verstärker 3, Motor 4 und Pumpe 5 in vertikaler Richtung bewegt und bewegt so den Ziehkissentisch 107. Ein weiteres Positions-Sensorelement 114 ist vorgesehen, um die Position Pos_AKTOR des Hydraulikzylinders 106 zu erfassen. Ein durch die Pumpe 5 erzeugter Druck wird mittels Drucksensor 113 erfasst, um den Druck-Istwert P_PFK zu erfassen.
• Ein weiteres Element 110, hier ein Oberwerkzeug, wird in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung in 7 durch einen Kurbelmechanismus mittels einer nicht gezeigten Antriebsvorrichtung bewegt. Das weitere Element 110 umfasst beispielsweise eine Matrize 111 und einen Stößel 115. Ein weiteres Positions-Sensorelement 114 ist vorgesehen, um die Position Pos_AKTOR des weiteren Elements 110, beispielsweise der Matrize 111, zu erfassen.
• Die Funktionsweise der Vorrichtung wird mit der Figurenbeschreibung zu 8 erläutert. Zum Vorgang des Tiefziehens und den entsprechenden technischen Ausgestaltungen und Kraftwirkungen wird auf das Fachbuch „Handbuch der Umformtechnik“, Springer-Verlag, Auflage 1, 1996, Herausgeber Schuler GmbH, insbesondere das Kapitel 4 verwiesen. 8 zeigt beispielhafte Signalverläufe für die erfindungsgemäße Regelung des Ausgangsdrucks P_OUT unter Verwendung von Aktoren und deren Sensordaten.
• 8 zeigt einen Weg-Zeit-Verlauf des weiteren Elements 110, auch als Oberwerkzeug oder „Slide“ bezeichnet, und den Weg-Zeit-Verlauf des Elements 107, auch als Ziehkissen oder „Die Cushion, kurz: DC“ bezeichnet.
• Das weitere Element 110 kann beispielsweise mittels des Kurbelmechanismus auf- und abwärts bewegt werden. Im Falle eines Kurbelmechanismus folgt das weitere Element 110 dem Verlauf einer Cosinus-Funktion. Bei alternativen servo-elektrischen oder servo-hydraulischen Antrieben kann das weitere Element 110 jede beliebige Weg-Zeit-Beziehung sein.
• Aus dem Verlauf der 8 oben ist gut zu erkennen, dass das Element 107 auf einer Kollisionsposition CP wartet und sich die Position zunächst nicht verändert. Sobald das weitere Element 110 durch den Kurbelmechanismus in der Kollisionsposition CP zum Zeitpunkt t_CP auf das Element 107 auftrifft, bestimmt das weitere Element 110 das Weg-Zeit-Verhalten des Elements 107 bis zu einem unteren Totpunkt BDC zu einem weiteren Zeitpunkt t_BDC . In der Zeitspanne zwischen den beiden Zeitpunkten t_CP und t_BDC erfolgt der Ziehprozess des Materials 108. Nachdem das weitere Element 110 durch den Kurbelmechanismus aufwärts bewegt wird und dabei vom Element 107 abhebt, erfolgt die regelungstechnisch unkritische Rückbewegung des Elements 107 zurück zum Kollisionspunkt CP, sodass nach zwischenzeitlicher Entnahme des gefertigten/geformten Bauteils, ein neues Material 108 aufgelegt werden kann.
• In dem unteren Signalverlauf der 8 ist zudem für den Ziehprozess der Druck-Sollwert P_SET für die erfindungsgemäße Druckregelung des Ausgangsdrucks P_OUT gezeigt. Dies kann gemäß dem ersten Verlauf a ein konstanter Druck oder jeder andere beliebige Verlauf b, beispielsweise gemäß einer Look-Up-Table LUT sein. Dieser wird mit dem mittels Drucksensor 113 erfassten Druck-Istwert P_PFK verglichen.
• Im Rahmen der Erfindung können alle beschriebenen und/oder gezeichneten und/oder beanspruchten Elemente beliebig miteinander kombiniert werden.
• Bezugszeichenliste

• 1	a,b	Addierer
  	1c	Vergleicher
  2		PID-Regler
  3		Verstärker
  4		Motorischer Antrieb
  5		Pumpe
  6	a,b	Analog-Digital-Wandler
  7		Frequenzumrichter
  8		Vorrichtung zum Tiefziehen mit hydraulischem Aktor
  9	a,b	Recheneinheit
  10		Hydraulikantriebsystem
  100		Verfahren
  101-104		Verfahrensschritte
  105		Auflage
  106		Zylinder
  107		Ziehkissentisch
  108		Material, Platine
  109		Material-Halter
  110		Weiteres Element - Oberwerkzeug
  111		Matrize
  112		Ziehstempel
  113		Drucksensor
  114		Sensorelement für Positionserfassung
  115		Stößel-Auswerfer
  AWIRK		Wirkfläche des Aktor/Zylinder
  a		Konstanter Solldruck beim Ziehvorgang
  b		Beliebiger Solldruck beim Ziehvorgang
  BDC		Unterer Totpunkt des Oberwerkzeugs
  CP		Kollisionspunkt zwischen Oberwerkzeug und Ziehkissen
  DC		Ziehkissen
  IMOT		Motor-Strom
  Is		Ständer-Strom
  ISET		Strom-Sollwert
  JMOTOR		Rotorträgheit Motor
  JPUMP		Rotorträgheit Pumpe
  JTOTAL		Gesamtrotorträgheit
  MFRICT		Mechanische Reibung der Pumpe
  MMOT		Motor-Drehmoment
  MPOUT		Drehmoment der Pumpe, hydrostatisches Lastmoment
  PERR		Fehler-Druck
  PFBK		Druck-Istwert
  PMAX		Maximal-Druck
  POUT		Ausgangsdruck
  PSET, PCMD		Druck-Sollwert
  QOUT		Ausgangs-Fördervolumen der Pumpe im Betrieb
  QP		Fördervolumen der Pumpe pro Umdrehung
  QSET		Sollfördervolumen der Pumpe im Betrieb
  RS		Ständerwicklungs-Wirkwiderstand
  Rr		Rotorwicklungs-Wirkwiderstand
  s		Wegstrecke des weiteren Aktor
  t		Zeit
  tBDC		Zeitpunkt unterer Totpunkt
  tCP		Zeitpunkt Kollisionspunkt
  Ud		Differenzspannung
  Us		Ständerspannung
  Up		Polradspannung
  VAktor		Geschwindigkeit des weiteren Aktor
  XS		Ständerwicklungs-Blindwiderstand
  Xr		Rotorwicklungs-Blindwiderstand
  Xd		Blindwiderstand Synchronmotor - Synchrone Reaktanz
  α		Winkelbeschleunigung
  ω		Drehzahl
  ωERR		Fehlerdrehzahl der Pumpe zur Kompensation von Nichtlinearitäten, Störungen
  ωIN		Eingangs-Drehzahl
  ωMAX		Maximaldrehzahl der Pumpe
  ωPMAX		Drehzahl der Pumpe zur Erzeugung des Maximaldrucks gegen blockierten Druckausgang
  ωSET		Soll-Drehzahl der Pumpe
  ωSET1		Erster Soll-Drehzahl-Anteil für Druckaufbau der Pumpe
  ωSET2		Zweiter Soll-Drehzahl-Anteil für Volumenstrom der Pumpe
  ωSET1+2		Soll-Drehzahl-Hauptanteil als Vorsteuersignal

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 6379119 B1 [0005, 0032]

Claims (10)

1. Verfahren (100) zur Regelung des Ausgangsdrucks (P_OUT) eines Hydraulikantriebsystems (10) unter Verwendung einer Drehzahl (ω) als Stellgröße, wobei das Hydraulikantriebsystem (10) eine Hydraulikpumpe (5) und einen die Hydraulikpumpe (5) antreibenden motorischen Antrieb (4) aufweist, mit den Verfahrensschritten: Ermitteln (101) eines Soll-Drehzahl-Hauptanteils (ω_SET1+2) des motorischen Antriebs (4) als Vorsteuersignal; Ermitteln (102) einer Fehlerdrehzahl (ω_ERR) als Regelabweichung aus einem Vergleich eines Druck-Istwertes (P_FBK) des Hydraulikantriebsystems (10) und einem Druck-Sollwert (P_SET) des Hydraulikantriebsystems (10) und anschließender Regelverstärkung; Addieren (103) des ermittelten Soll-Drehzahl-Hauptanteils (ω_SET1+2) zu der ermittelten Fehlerdrehzahl (ω_ERR) zum Bilden einer Soll-Drehzahl (ω_SET) als die Stellgröße; und Umsetzen (104) der gebildeten Soll-Drehzahl (ω_SET) in eine Eingangs-Drehzahl (ω_in) des motorischen Antriebs (4) zum Antreiben des Hydraulikantriebsystems (10) mit der umgesetzten Drehzahl (ω_in) zum Erzeugen des geregelten Ausgangsdrucks (P_OUT) des Hydraulikantriebsystems (10), der den Druck-Istwert (P_FBK) darstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der ermittelte Soll-Drehzahl-Hauptanteil (ω_SET1+2) einen ersten Soll-Drehzahl-Anteil (ω_SET1) und einen zweiten Soll-Drehzahl-Anteil (ω_SET2) umfasst, wobei der erste Soll-Drehzahl-Anteil (ω_SET1) aus dem Druck-Sollwert (P_SET) gebildet wird und der zweite Soll-Drehzahl-Anteil (ω_SET2) aus einem Volumenstrom-Sollwert (Q_SET) des Hydraulikantriebsystems (10) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Soll-Drehzahl-Anteil (ω_SET1) aus dem Druck-Sollwert (P_SET), einem Maximaldruck (P_MAX) der Hydraulikpumpe (5) und einem Drehzahlparameter (ω_PMAX) des motorischen Antriebs (4) zur Erzeugung des Maximaldrucks (P_MAX) errechnet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der zweite Soll-Drehzahl-Anteil (ω_SET2) aus dem Volumenstrom-Sollwert (Q_SET) und einem Fördervolumenparameter (Q_P) des Hydraulikantriebsystems (10) errechnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei der Volumenstrom-Sollwert (Q_SET) des Hydraulikantriebsystems (10) unter Verwendung zumindest eines Parameters eines vom Hydraulikantriebsystem (10) angetriebenen Aktors und/oder Elements (128) oder eines das Hydraulikantriebsystem (10) beeinflussende Elements (110) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zumindest eine Parameter mittels Sensorelement ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Vorzeichen des ersten Soll-Drehzahl-Anteils (ω_SET1) dem Vorzeichen des zweiten Soll-Drehzahl-Anteils (ω_SET2) entgegengesetzt ist.
8. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für ein Hydraulikantriebsystem (10) einer Vorrichtung (8), bevorzugt eingerichtet zum aktiven hydromechanischen Tiefziehen von Bauteilen.
9. Hydraulikantriebsystem (10) zum Antreiben eines Elements (128), bevorzugt eines Elements (128) in einer Vorrichtung (8), wobei ein Ausgangsdruck (P_OUT) des Hydraulikantriebsystems (10) gemäß einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7 geregelt wird, und dazu der Druck-Istwert (P_FBK) mittels Druck-Sensor (113) ermittelt wird, aufweisend: eine Hydraulikpumpe (5), einen motorischen Antrieb (4), und einen Verstärker (3).
10. Hydraulikantriebsystem (10) nach Anspruch 9, wobei das Hydraulikantriebsystem (10) das Element (107) antreibt oder von einem weiteren Element (110) der Vorrichtung (8) beeinflusst wird; wobei das Element (107) bzw. das weitere Element (110) zumindest ein Sensorelement (114) zum Ermitteln eines Bewegungs-Parameters (s, v, CP, BDP) des Element (107) oder des weiteren Element (110) umfasst; und wobei der Parameter (s, v, CP, BDP) für die Ermittlung des Soll-Drehzahl-Hauptanteils (ω_SET1+2) verwendet wird.

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