EP2192308B1 - Verfahren und Regelungsvorrichtung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor - Google Patents

Verfahren und Regelungsvorrichtung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor Download PDF

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EP2192308B1
EP2192308B1 EP09014790.1A EP09014790A EP2192308B1 EP 2192308 B1 EP2192308 B1 EP 2192308B1 EP 09014790 A EP09014790 A EP 09014790A EP 2192308 B1 EP2192308 B1 EP 2192308B1
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EP
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pressure
controller
rotational speed
speed
signal
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Albert Dr. Koeckemann
Gerold Liebler
Christian Lebert
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F15B2211/6656—Closed loop control, i.e. control using feedback

Definitions

  • the invention relates to a method and a control device for controlling a pressure medium supply for a hydraulic actuator.
  • an electric motor drives a pump, which supplies the cylinder with a hydraulic pressure medium according to a pressure / volume flow control.
  • a pump which supplies the cylinder with a hydraulic pressure medium according to a pressure / volume flow control.
  • a method for controlling a pressure medium supply for a hydraulic actuator of a -z.B. cyclic working - machine provided.
  • the actuator is supplied by a variable displacement pump with a pressure medium quantity, wherein the variable displacement pump in turn by a speed-controlled motor -. an electric motor - is driven.
  • a signal indicative of the pressure of the pressure medium quantity is fed back to a regulator for driving the variable displacement pump.
  • the controller has a comparator and a control amplifier. Parallel to this pressure control circuit, the motor is driven by a speed signal.
  • a speed profile for adjusting the speed of the electric motor can be created within a work cycle of the machine to form the speed signal, as is the case EP 1 236 558 B1 describes.
  • the electric motor is operated according to the determined speed profile. But it can also be a speed signal from a higher-level control loop or an external control can be specified.
  • the properties of the regulator amplifier of the pressure regulator are varied according to the speed signal.
  • the control quality of the controller can be left constant at different speeds. As a result, the deterioration of the control quality can be counteracted at reduced speed. Without the corresponding variation of the characteristics of the control amplifiers, the loop gain would also decrease at reduced speed. This may increase a permanent control deviation, or the damping of the control loop will be worse, causing disturbances that affect the control loop, more noticeable. By varying the characteristics of the control amplifier this is counteracted.
  • the gain of the variable gain amplifier is adjusted as a function of the rotational speed. With a change in the gain of the control amplifier and the loop gain is changed, whereby this can be kept substantially constant even at different speeds.
  • the gain of the variable gain amplifier is increased to leave the loop gain substantially constant.
  • disturbances at low speed do not lead to a much larger control deviation than at high speed.
  • the pressure regulator has a differentiating element with a coefficient KD for differentiating the signal, which indicates the pressure of the pressure medium quantity.
  • the coefficient KD of the differentiating element is set as a function of the rotational speed.
  • the coefficient of the differentiator is set to higher values to counteract a drop in damping at low speeds.
  • the method is particularly suitable in a plastic processing machine in which liquid plastic is injected into a mold.
  • Other applications may be presses, in particular press brakes. In such machines, the same operations are often repeated so that the pressure medium requirement is the same for each working cycle.
  • the invention also relates to a control device for controlling a pressure medium supply for a hydraulic actuator of a - eg cyclically operating - machine.
  • the actuator of one of a speed-controlled motor - for example, an electric motor, possibly, for example, an internal combustion engine, a diesel engine, a gasoline engine - powered variable displacement pump supplied with a pressure medium.
  • the pressure regulator for driving the variable displacement pump and a pressure transducer for converting the pressure of the pressure medium quantity into a feedback signal for the pressure regulator are provided.
  • the control device may also include a device for establishing a speed profile for adjusting the speed of the motor during a cycle of the machine and an adjuster for operating the motor according to the determined speed profile in the working cycles of the machine.
  • the speed of the motor can also be controlled and adjusted by means of a control device supplied speed signal.
  • the control device includes a control adjustment device for adjusting the characteristics of the pressure regulator in accordance with the speed signal. The control device thus makes it possible to leave the control quality substantially constant over a large speed range.
  • the pressure regulator comprises a comparator and a variable gain control amplifier, wherein the gain of the variable gain amplifier is adjusted in response to the speed signal. This adjusts the loop gain and thus also the control deviation. Preferably, the gain of the control amplifier is increased when reducing the speed.
  • the pressure regulator has a differentiating element with a coefficient KD for differentiating that signal which indicates the pressure of the pressure medium quantity.
  • the control adjusting device is set to adjust the coefficient of the differentiating element in response to the rotational speed signal.
  • the coefficient KD of the differentiator is set to higher values.
  • the invention also relates to an assembly of a control device according to the invention and an actuator whose supply is provided with a hydraulic pressure by means of the control device.
  • FIG. 1 shows an actuator of a production machine and the control used to provide hydraulic pressure means for this actuator.
  • Actuator 11 is a cylinder for a cyclical manufacturing machine that injects liquid plastic into a mold.
  • a duty cycle is divided into several consecutive sections of the cycle, which differ in terms of the required amount of pressure. Each of these sections is a work process. Operations include, for example, "close tool”, “inject plastic”, “open the tool”, “wait for a hold phase”, or the like.
  • variable displacement pump 13 conveys pressure medium into the line 16 from a tank 15, whereupon the hydraulic fluid in the line 16 has a pressure p.
  • the valve 17 is provided between the conduit 16 and the actuator 11. This valve 17 controls the volume flow from the variable displacement pump 13 to the cylinder 11 and from there back to the tank 15.
  • the valve 17 is electrically controlled by a higher-level controller 25 with the signal u1, which is conducted via the line 27.
  • a Wegemessumformer 21 measures the position of the piston rod of the cylinder 11, converts this position into an electrical signal s1, which is output via the line 23 to the higher-level controller 25.
  • a control device which includes the means for controlling the pressure medium supply 10, the pressure transducer 40, the actuator 31, the transmitter 32, the frequency converter 33, the electric motor 14, the shaft 34 and the variable displacement pump 13 contains.
  • the device 10 receives from the higher-level controller 25 a setpoint for the pressure ps and a setpoint for the volume flow Qs.
  • the setpoints ps and Qs correspond to a pressure volumetric flow profile P (t) / Q (t) stored in the higher-level controller.
  • the device 10 receives a cycle start signal yt0 indicating when a new cycle begins.
  • the device 10 receives the signal pi from the pressure transducer 40, which converts the pressure p in the line 16 into a corresponding electrical signal pi.
  • the device 10 outputs a desired value for the rotational speed ns and an output signal for the delivery volume yVF.
  • the signal ns receives the frequency converter 33, which accordingly drives the electric motor 14 at a frequency f such that the rotational speed n of the electric motor 14 is equal to the target value for the rotational speed ns.
  • the rotational movement of the electric motor is transmitted via the shaft 34 to the variable displacement pump 13.
  • the speed n of the electric motor 14 is not measured and fed back, the speed n is thus controlled in the open circuit.
  • the actuator 31 receives the output signal yVF from the device 10 and controls the delivery volume VF of the variable displacement pump 13.
  • the transducer 32 outputs an electrical signal indicative of the actual value of the delivery volume VFi of the variable displacement pump 13.
  • the device 10 includes a pump controller 41, a motor controller 42, a multiplier 44, and a calculator 45.
  • the multiplier 44 is implemented as a proportional element with a controllable gain KQ.
  • the arithmetic unit 45 receives as an input signal the setpoint value for the speed ns and outputs its reciprocal value to its output as the signal KQ.
  • the multiplier receives at its inputs the setpoint for the volume flow QS and the signal KQ.
  • the multiplier 44 thus forms from the desired value QS for the volume flow to be supplied to the cylinder, taking into account the rotational speed n of the electric motor 14, a desired value VFs for the delivery volume of the variable displacement pump 13.
  • the pump regulator 41 receives as input the actual value for the delivery volume VFi, the actual Value for the pressure pi, the setpoint for the delivery volume VFs and the setpoint for the pressure ps and outputs at its output the output signal for the delivery volume yVF.
  • FIG. 2 shows details of the pump controller 41 FIG. 1 ,
  • the pressure regulator 41 has a first summation element 48, a second summation element 51, a delivery volume regulator 49, a pressure regulator 52 and a minimum value selection element 50.
  • the first summation element 48 forms from the desired value VFs and the actual value VFi a control difference, which is supplied to the delivery volume controller 49 as an input signal.
  • the output signal of the delivery volume controller 49 is added to the minimum value selection element 50 as the first input signal.
  • the second summation element 51 receives the desired value for the pressure ps and the actual value for the pressure pi, from which the control difference for the pressure is formed by subtraction and output to the pressure regulator 52.
  • the pressure regulator 52 outputs as an output the value yp to the minimum value selector 50 which receives the value yp at its second input.
  • the minimum value selector element 50 selects the smaller of the two input signals yVF1 and yp and forwards this minimum value as manipulated variable yVF for the delivery volume VF to the actuator 31. Both the regulation of the delivery volume VF and the regulation of the pressure p takes place with the aid of adjusting the delivery volume of the variable displacement pump 13.
  • the transmission characteristics of the delivery flow regulator 49 and the pressure regulator 52 each have a proportional and a differential component.
  • a pressure / volume flow profile p (t) / Q (t) for the pressure medium supply of the cylinder 11 is stored.
  • a speed profile n (t) for the electric motor is as in the document EP 1 236 558 B1 created.
  • a speed profile n (t) is created for the electric motor 14, which specifies the course of the rotational speed n during a production cycle.
  • the electric motor 14 is first operated at the constant speed nmax.
  • the control of the cylinder 11 supplied volume flow is carried out solely by the pump controller 41.
  • the pump controller 41 ensures that the variable displacement pump 13 to the cylinder 11, the volume flow which is required to the by the pressure / flow profile p (t) / Q (t) specified values. This volume flow is also referred to below as the volume flow requirement QA.
  • nmax the highest speed with which the electric motor 14 is to be operated in the production cycles. This speed is usually the rated speed of the electric motor 14th
  • the optimization process has a series of learning cycles in which the variable displacement pump 13 is driven at the constant speed nmax.
  • a first learning cycle the duration of a manufacturing cycle is determined by measuring the time between two cycle start pulses. From the duration of a production cycle and the number of memory locations available in the motor controller 42 for storing values, the time interval ⁇ t for the detection of the values to be stored is determined.
  • the actual values VFi of the delivery volume are detected at a distance of ⁇ t and stored in the engine control unit 42. The values stored there form a delivery volume profile VFI (t).
  • the actual values pi of the pressure are detected and stored in the engine controller 42.
  • the stored values form a pressure profile pi (t).
  • a volume flow demand profile QA (t) is obtained.
  • a speed profile n (t) is obtained. It is advisable to choose the constant value so that it is close to the nominal value of the delivery volume VF of the variable displacement pump 13.
  • the constant value is chosen such that it corresponds to approximately 90% of the nominal value of the delivery volume VF of the variable displacement pump 13. This value is denoted below by VFgO.
  • the stored value of the volume flow demand QA can be replaced by the speed value n calculated from it. If one controls the speed of the electric motor 14 in accordance with the speed profile n (t) determined in this way, the delivery volume VF of the variable displacement pump 13 would adjust to the value VFgO under ideal conditions. In practice, however, the delivery volume VF of the variable displacement pump 13 is not constant during a cycle, in particular because the speed n of the electric motor 14 can not be changed as fast as the delivery volume VF of the variable displacement pump 13. In addition, especially with regard to the lubrication of Variable 13, the cooling of the electric motor 14 and the maximum torque of the electric motor 14 its speed n may not be arbitrarily reduced.
  • FIG. 3 shows details of the pressure regulator 52 in a schematic overview.
  • the pressure regulator 52 includes a differentiating member 521, a proportional member 522, a summing member 524, and an adjusting block 523.
  • the proportional member 522 receives the control difference for the pressure from the second summing member 51 of the pressure regulator 41. This control difference is multiplied by the coefficient Kp and the result of this Multiplication to a first input of the summation 524 out.
  • the differentiator 521 receives the actual value for the pressure pi, which is derived in the differentiator 521 and multiplied by the factor KD, which is the coefficient of the differentiator 521.
  • the result of this multiplication is fed to the second input of the summation element 524.
  • the summer 524 subtracts the value at its second input from the value at its first input and outputs the result of this difference as the output yp.
  • the adjustment block 523 receives at its input the setpoint for the speed ns and outputs at its outputs values with which the coefficients Kp and KD are varied.
  • a value table is stored in the adjustment block 523, which indicates how large the factors Kp and KD are in the different value ranges of the setpoint speed ns. For example, in a speed range of 600 to 800 rpm, the factor Kp is set twice as large as in the speed range of 1300 to 1500 rpm. Accordingly, the factor KD is increased in the low speed range in comparison to the high speed range.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelungsvorrichtung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor. Bei Kunststoffspritzgießmaschinen mit einem hydraulisch betriebenen Zylinder treibt ein Elektromotor eine Pumpe an, die dem Zylinder ein hydraulisches Druckmittel gemäß einer Druck/Volumenstrom-Regelung zuführt. In dem Arbeitszyklus der Kunststoffspritzgießmaschine gibt es Bereiche, in denen der Druck geregelt wird, sowie weitere Bereiche, in denen der Volumenstrom geregelt wird.
  • In der EP 1 236 558 B1 wird vorgeschlagen, die Drehzahl des Elektromotors an den angeforderten Druck oder den angeforderten Volumenstroms anzupassen. Dafür wird ein Drehzahl-Profil erstellt. Dieses Drehzahl-Profil wird verwendet, um die Drehzahl während des Ablaufs des Zyklus zu verändern. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass bei einer Änderung, insbesondere einer Verringerung der Drehzahl des Elektromotors die Regelgüte sinkt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Regelvorrichtung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor bereitzustellen, wobei die Regelgüte im Vergleich zu bekannten Lösungen verbessert wird.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor einer -z.B. zyklisch arbeitenden - Maschine bereitgestellt. Der Aktor wird von einer Verstellpumpe mit einer Druckmittelmenge versorgt, wobei die Verstellpumpe ihrerseits von einem drehzahlgesteuerten Motor - z.B. ein Elektromotor - angetrieben ist.
  • Ein Signal, das den Druck der Druckmittelmenge anzeigt, wird zu einem Regler zum Ansteuern der Verstellpumpe rückgekoppelt. Der Regler weist einen Vergleicher sowie einen Regelverstärker auf. Parallel zu diesem Druckregelkreis wird der Motor anhand eines Drehzahlsignals angesteuert. Es kann z.B. ein Drehzahl-Profil zum Einstellen der Drehzahl des Elektromotors innerhalb eines Arbeitszyklus der Maschine erstellt werden, um das Drehzahlsignal zu bilden, wie es an sich die EP 1 236 558 B1 beschreibt. In den Arbeitszyklen der Maschine wird der Elektromotor entsprechend dem ermittelten Drehzahl-Profil betrieben. Es kann aber auch ein Drehzahlsignal von einem übergeordneten Regelkreis oder einer externen Steuerung vorgegeben werden. Erfindungsgemäß werden die Eigenschaften des Reglerverstärkers des Druckreglers entsprechend dem Drehzahlsignal variiert.
  • Durch die Variation der Eigenschaften des Regelverstärkers kann die Regelgüte des Reglers bei unterschiedlichen Drehzahlen konstant gelassen werden. Dadurch kann dem Verschlechtern der Regelgüte bei erniedrigter Drehzahl entgegen gewirkt werden. Ohne die entsprechende Variation der Eigenschaften der Regelverstärker würde sich bei verringerter Drehzahl auch die Kreisverstärkung verringern. Damit vergrößert sich unter Umständen eine bleibende Regelabweichung, oder die Dämpfung des Regelkreises wird schlechter, wodurch sich Störungen, die auf den Regelkreis einwirken, stärker bemerkbar machen. Durch die Variation der Eigenschaften des Regelverstärkers wird dem entgegengewirkt.
  • In einer Ausführungsform wird die Verstärkung des Regelverstärkers in Abhängigkeit der Drehzahl eingestellt. Mit einer Veränderung der Verstärkung des Regelverstärkers wird auch die Kreisverstärkung verändert, wodurch diese auch bei unterschiedlichen Drehzahlen im Wesentlich konstant gehalten werden kann.
  • Vorzugsweise wird bei der Verringerung der Drehzahl die Verstärkung des Regelverstärkers erhöht, um die Kreisverstärkung im Wesentlichen konstant zu lassen. Damit führen Störungen bei niedriger Drehzahl nicht zu einer wesentlich größeren Regelabweichung als bei hoher Drehzahl.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist der Druckregler ein Differenzierglied mit einem Beiwert KD zum Differenzieren des Signals, das den Druck der Druckmittelmenge anzeigt, auf. Dabei wird der Beiwert KD des Differenzierglieds in Abhängigkeit von der Drehzahl eingestellt. Hiermit kann auch das dynamische Verhalten des Druckreglers über den gesamten Drehzahlbereich im Wesentlichen stabil gehalten werden. Somit dauern Einschwingvorgänge auch bei unterschiedlich eingestellten Drehzahlen ähnlich lang. Es wird insbesondere eine bei allen Drehzahlen gleiche, im Wesentlichen konstante Dämpfung erreicht. Einschwingvorgänge haben damit immer die gleiche Charakteristik und Dauer.
  • Bevorzugt wird dabei, dass bei verringerter Drehzahl der Beiwert des Differenzierglieds auf höhere Werte eingestellt wird, um einem Abfall der Dämpfung bei niedrigen Drehzahlen entgegen zu wirken. Besonders geeignet ist das Verfahren bei einer Kunststoffverarbeitungsmaschine, bei der flüssiger Kunststoff in eine Form eingespritzt wird. Weitere Anwendungen können Pressen, insbesondere Abkantpressen sein. Bei solchen Maschinen werden die gleichen Arbeitsschritte oft wiederholt, so dass der Druckmittelbedarf bei jedem Arbeitszyklus gleich verläuft.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Regelvorrichtung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor einer - z.B. zyklisch arbeitenden - Maschine. Bei dieser Maschine wird der Aktor von einer von einem drehzahlgesteuerten Motor - z.B. ein Elektromotor, ggf. z.B. auch ein Verbrennungsmotor, ein Dieselmotor, ein Ottomotor.- angetriebenen Verstellpumpe mit einer Druckmittelmenge versorgt. Der Druckregler zum Ansteuern der Verstellpumpe und ein Druckumformer zum Umsetzen des Drucks der Druckmittelmenge in ein Rückkopplungssignal für den Druckregler sind vorgesehen. Die Regelvorrichtung weist unter Umständen auch eine Vorrichtung zum Erstellen eines Drehzahl-Profils zum Einstellen der Drehzahl des Motors während eines Zyklus der Maschine und eine Einstellvorrichtung zum Betreiben des Motors entsprechend dem ermittelten Drehzahl-Profil in den Arbeitszyklen der Maschine auf. Die Drehzahl des Motors kann aber auch anhand eines der Regelvorrichtung zugeführten Drehzahlsignals gesteuert und verstellt werden. Die Regelvorrichtung enthält eine Reglungsanpassungsvorrichtung zum Anpassen der Eigenschaften des Druckreglers entsprechend dem Drehzahlsignal. Die Regelvorrichtung ermöglicht somit, die Regelgüte über einen großen Drehzahlbereich im Wesentlichen konstant zu lassen.
  • In einer Ausführungsform weist der Druckregler einen Vergleicher und einen Regelverstärker mit einem Proportionalglied auf, wobei die Verstärkung des Regelverstärkers in Abhängigkeit von dem Drehzahlsignal eingestellt wird. Damit werden die Kreisverstärkung und somit auch die Regelabweichung eingestellt. Bevorzugt wird dabei bei Verringerung der Drehzahl die Verstärkung des Regelverstärkers erhöht.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist der Druckregler ein Differenzierglied mit einem Beiwert KD zum Differenzieren desjenigen Signals, das den Druck der Druckmittelmenge anzeigt, auf. Die Regelungsanpassungsvorrichtung ist zum Einstellen des Beiwerts des Differenzierglieds in Abhängigkeit von dem Drehzahlsignal eingestellt. Damit kann auch das dynamische Verhalten des geschlossenen Regelkreises über die Drehzahl stabil gehalten werden.
  • Vorzugsweise wird bei verringerter Drehzahl der Beiwert KD des Differenzierglieds auf höhere Werte eingestellt.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Baugruppe aus einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung und einem Aktor, dessen Versorgung mit einem hydraulischen Druck mittels der Regelvorrichtung bereitgestellt wird.
  • Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
    • Figur 1
    zeigt einen Aktor einer Fertigungsmaschine mit der dazu gehörigen Regelvorrichtung zur Erzeugung von hydraulischen Druckmengen.
    Figur 2
    zeigt Details der Regelvorrichtung aus Figur 1.
    Figur 3
    zeigt Einzelheiten der Regelvorrichtung aus Figur 2.
  • Figur 1 zeigt einen Aktor einer Fertigungsmaschine sowie die dazu verwendete Regelung zum Bereitstellen von hydraulischem Druckmittel für diesen Aktor.
  • Der Aktor 11 ist ein Zylinder für eine zyklisch arbeitende Fertigungsmaschine, die flüssigen Kunststoff in eine Form einspritzt. Ein Arbeitszyklus unterteilt sich in mehrere nacheinander ablaufende Abschnitte des Zyklus, die sich hinsichtlich der benötigten Druckmenge unterscheiden. In diesen Abschnitten erfolgt jeweils ein Arbeitsvorgang. Arbeitsvorgänge sind beispielsweise "Werkzeug schließen", "Kunststoff einspritzen", "das Werkzeug öffnen", "eine Nachdruckphase abwarten" oder ähnliches.
  • In diesen unterschiedlichen Abschnitten müssen unterschiedliche Druckmengen dem Aktor bereitgestellt werden, was mit Hilfe des Ventils 17 erfolgt. Die Verstellpumpe 13 fördert aus einem Tank 15 Druckmittel in die Leitung 16, woraufhin die Hydraulikflüssigkeit in der Leitung 16 einen Druck p aufweist. Das Ventil 17 ist zwischen der Leitung 16 und dem Aktor 11 vorgesehen. Dieses Ventil 17 steuert den Volumenstrom von der Verstellpumpe 13 zu dem Zylinder 11 und von dort zurück zum Tank 15. Das Ventil 17 wird elektrisch von einer übergeordneten Steuerung 25 mit dem Signal u1, das über die Leitung 27 geleitet wird, angesteuert.
  • Ein Wegemessumformer 21 misst die Position der Kolbenstange des Zylinders 11, wandelt diese Position in ein elektrisches Signal s1 um, das über die Leitung 23 an die übergeordnete Steuerung 25 ausgegeben wird.
  • Zur Steuerung des Drucks p in der Leitung 16 ist eine Regelvorrichtung vorgesehen, die die Einrichtung zur Regelung der Druckmittelzufuhr 10, den Druckmessumformer 40, das Stellglied 31, den Messumformer 32, den Frequenzumrichter 33, den Elektromotor 14, die Welle 34 und die Verstellpumpe 13 enthält. Die Einrichtung 10 empfängt von der übergeordneten Steuerung 25 einen Sollwert für den Druck ps und einen Sollwert für den Volumenstrom Qs. Die Sollwerte ps und Qs entsprechen einem in der übergeordneten Steuerung gespeicherten DruckNolumenstrom-Profil P(t)/Q(t).
  • Zudem empfängt die Vorrichtung 10 ein Zyklusstartsignal yt0, das anzeigt, wann ein neuer Zyklus beginnt. Zudem empfängt die Einrichtung 10 das Signal pi von dem Druckmessumformer 40, der den Druck p in der Leitung 16 in ein entsprechendes elektrisches Signal pi umwandelt. Als Ausgangssignale gibt die Einrichtung 10 einen Sollwert für die Drehzahl ns sowie ein Ausgangssignal für das Fördervolumen yVF aus. Das Signal ns empfängt der Frequenzumrichter 33, der dementsprechend den Elektromotor 14 mit einer Frequenz f so antreibt, dass die Drehzahl n des Elektromotors 14 gleich dem Sollwert für die Drehzahl ns ist. Die Drehbewegung des Elektromotors wird über die Welle 34 an die Verstellpumpe 13 übertragen.
  • In der hier gezeigten Ausführungsform wird die Drehzahl n des Elektromotors 14 nicht gemessen und rückgekoppelt, die Drehzahl n wird somit im offenen Kreis gesteuert. In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, die Drehzahl zu messen und zu dem Frequenzumrichter 33 rückzuführen, um die Drehzahl n des Elektromotors zu regeln.
  • Das Stellglied 31 empfängt das Ausgangssignal yVF von der Einrichtung 10 und steuert das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13. Der Messwertumformer 32 gibt ein elektrisches Signal, das den Ist-Wert des Fördervolumens VFi der Verstellpumpe 13 anzeigt, aus.
  • Die Einrichtung 10 enthält einen Pumpenregler 41, eine Motorsteuerung 42, einen Multiplizierer 44 und ein Rechenglied 45. Der Multiplizierer 44 ist als Proportionalglied mit einem steuerbaren Verstärkungsfaktor KQ ausgeführt. Das Rechenglied 45 empfängt als Eingangssignal den Sollwert für die Drehzahl ns und gibt dessen Kehrwert an seinen Ausgang als das Signal KQ aus. Der Multiplizierer empfängt an seinen Eingängen den Sollwert für den Volumenstrom QS sowie das Signal KQ.
  • Der Multiplizierer 44 bildet folglich aus dem Sollwert QS für den dem Zylinder zuzuführenden Volumenstrom unter Berücksichtung der Drehzahl n des Elektromotors 14 einen Sollwert VFs für das Fördervolumen der Verstellpumpe 13. Der Pumpenregler 41 empfängt als Eingangssignal den Ist-Wert für das Fördervolumen VFi, den Ist-Wert für den Druck pi, den Sollwert für das Fördervolumen VFs sowie den Sollwert für den Druck ps und gibt an seinem Ausgang das Ausgangssignal für das Fördervolumen yVF aus.
  • Figur 2 zeigt Details des Pumpenreglers 41 aus Figur 1. Der Druckregler 41 weist ein erstes Summationsglied 48, ein zweites Summationsglied 51, einen Fördervo-lumenregler 49, einen Druckregler 52 und ein Minimalwertauswahlglied 50 auf. Das erste Summationsglied 48 bildet aus dem Sollwert VFs und dem Ist-Wert VFi eine Regeldifferenz, die dem Fördervolumenregler 49 als Eingangssignal zugeführt wird.
  • Das mit yVF1 bezeichnete Ausgangssignal des Fördervolumenreglers 49 ist dem Minimalwertauswahlglied 50 als erstes Eingangssignal zugefügt. Das zweite Summationsglied 51 empfängt den Sollwert für den Druck ps und den Ist-Wert für den Druck pi, woraus durch Subtraktion die Regeldifferenz für den Druck gebildet und an den Druckregler 52 ausgegeben wird. Der Druckregler 52 gibt als Ausgangssignal den Wert yp an das Minimalwertauswahlglied 50, das den Wert yp an seinem zweiten Eingang empfängt. Das Minimalwertauswahlglied 50 wählt das kleinere der beiden Eingangssignale yVF1 und yp aus und leitet diesen Minimalwert als Stellgröße yVF für das Fördervolumen VF an das Stellglied 31 weiter. Sowohl die Regelung des Fördervolumens VF als auch die Regelung des Drucks p erfolgt mit Hilfe des Einstellens des Fördervolumens der Verstellpumpe 13.
  • Die Übertragungsverhalten des Förderstromreglers 49 und des Druckreglers 52 weisen jeweils einen Proportional- und einen Differentialanteil auf.
  • In der übergeordneten Steuerung 25 ist ein Druck/ Volumenstrom-Profil p(t)/Q(t) für die Druckmittelzufuhr des Zylinders 11 gespeichert. Ein Drehzahlprofil n(t) für den Elektromotor wird wie in der Druckschrift EP 1 236 558 B1 erstellt. Dabei wird ein Drehzahl-Profil n(t) für den Elektromotor 14 erstellt, das den Verlauf der Drehzahl n während eines Fertigungszyklus vorgibt. Hierzu wird der Elektromotor 14 zunächst mit der konstanten Drehzahl nmax betrieben. Die Regelung des dem Zylinder 11 zugeführten Volumenstroms erfolgt dabei allein durch den Pumpenregler 41. Der Pumpenregler 41 sorgt dafür, dass die Verstellpumpe 13 dem Zylinder 11 den Volumenstrom zuführt, der erforderlich ist, um die durch das Druck/Volumenstrom-Profil p(t)/Q(t) vorgegebenen Werte einzuhalten. Dieser Volumenstrom ist im Folgenden auch als Volumenstrombedarf QA bezeichnet.
  • Durch die Regelung von Druck p und Volumenstrom Q stellt sich ein von der Verstellpumpe 13 geförderter Volumenstrom ein, der sowohl das Kompressionsvolumen des Druckmittels als auch Leckverluste berücksichtigt, also Einflussgrößen, die einer
    Berechnung nur schwer zugänglich sind. Dies gilt in gleicher Weise für den Volumenstrombedarf des Zylinders 11 bei einer Druckregelung. Da sich der von der Verstellpumpe 13 geförderte Volumenstrom Q nach der Beziehung Q =nmax * VF aus der Drehzahl nmax des Elektromotors 14 und dem Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13 ergibt, lässt sich der dem Zylinder 11 zugeführte Volumenstrom direkt aus dem Istwert VFi des Fördervolumens unter Berücksichtigung der konstanten Drehzahl nmax berechnen.
  • Es ist vorteilhaft, als konstante Drehzahl nmax die größte Drehzahl, mit der der Elektromotor 14 in den Fertigungszyklen betrieben werden soll, zu wählen. Bei dieser Drehzahl handelt es sich in der Regel um die Nenndrehzahl des Elektromotors 14.
  • Der Optimierungsvorgang weist eine Reihe von Lernzyklen auf, in denen die Verstellpumpe 13 mit der konstanten Drehzahl nmax angetrieben wird. In einem ersten Lernzyklus wird die Dauer eines Fertigungszyklus durch Messung der Zeitdauer zwischen zwei Zyklusstartimpulsen ermittelt. Aus der Dauer eines Fertigungszyklus und der Anzahl der in der Motorsteuerung 42 für die Speicherung von Werten zur Verfügung stehenden Speicherplätze wird der zeitliche Abstand Δt für die Erfassung der zu speichernden Werte ermittelt. In einem weiteren Lernzyklus werden im Abstand von Δt die Istwerte VFi des Fördervolumens erfasst und in der Motorsteuerung 42 gespeichert. Die dort gespeicherten Werte bilden ein Fördervolumen-Profil VFI(t).
  • In gleicher Weise werden die Istwerte pi des Drucks erfasst und in der Motorsteuerung 42 gespeichert. Die gespeicherten Werte bilden ein Druckprofil pi(t). Durch Multiplikation der gespeicherten Einzelwerte des Fördervolumens mit der konstanten Drehzahl nmax erhält man ein Volumenstrombedarf- Profil QA(t). Durch Division des Volumenstrombedarfs QA durch einen konstanten Wert des Fördervolumens VF erhält man ein Drehzahl-Profil n(t). Es empfiehlt sich, den konstanten Wert so zu wählen, dass er in der Nähe des Nennwerts des Fördervolumens VF der Verstellpumpe 13 liegt. Damit eine Regelreserve zur Verfügung steht, wird der konstante Wert so gewählt, dass er ungefähr 90 % des Nennwerts des Fördervo-lumens VF der Verstellpumpe 13 entspricht. Dieser Wert ist im folgenden mit VFgO bezeichnet.
  • Um Speicherplatz einzusparen, kann nach dem Abschluss einer Division der gespeicherte Wert des Volumenstrombedarfs QA durch den aus ihm berechneten Drehzahlwert n ersetzt werden. Steuert man die Drehzahl des Elektromotors 14 gemäß dem auf diese Weise ermittelten Drehzahl- Profil n(t) an, würde sich unter idealen Bedingungen das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13 auf den Wert VFgO einstellen. In der Praxis ist jedoch das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13 während eines Zyklus nicht konstant, insbesondere da sich die Drehzahl n des Elektromotors 14 nicht so schnell ändern lässt wie das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13. Dazu kommt, dass insbesondere im Hinblick auf die Schmierung der Verstellpumpe 13, der Kühlung des Elektromotors 14 und das maximal zulässige Drehmoment des Elektromotors 14 seine Drehzahl n nicht beliebig verringert werden darf.
  • Wird während eines Arbeitszyklus die Drehzahl des Motors verändert, verändern sich auch die Eigenschaften der Regelung des Drucks. Aus diesem Grund werden die Eigenschaften des Druckreglers 52 entsprechend der Drehzahl des Elektromotors 14 eingestellt, wie dies anhand der folgenden Figur 3 demonstriert wird.
  • Figur 3 zeigt Details des Druckreglers 52 in einer schematischen Übersicht. Der Druckregler 52 enthält ein Differenzierglied 521, ein Proportionalglied 522, ein Summationsglied 524 sowie einen Verstellblock 523. Das Proportionalglied 522 empfängt die Regeldifferenz für den Druck von dem zweiten Summationsglied 51 des Druckreglers 41. Diese Regeldifferenz wird mit dem Beiwert Kp multipliziert und das Ergebnis dieser Multiplikation an einen ersten Eingang des Summationsglieds 524 geführt.
  • Das Differenzierglied 521 empfängt den Ist-Wert für den Druck pi, der in dem Differenzierglied 521 abgeleitet wird und mit dem Faktor KD, der der Beiwert des Differenzierglieds 521 ist, multipliziert wird. Das Ergebnis dieser Multiplikation wird auf den zweiten Eingang des Summationsglieds 524 geführt. Das Summationsglied 524 zieht den Wert an seinem zweiten Eingang von dem Wert an seinem ersten Eingang ab und gibt das Ergebnis dieser Differenzbildung als Ausgangssignal yp aus.
  • Der Verstellblock 523 empfängt an seinem Eingang den Sollwert für die Drehzahl ns und gibt an seinen Ausgängen Werte aus, mit denen die Beiwerte Kp und KD variiert werden. Dazu ist in dem Verstellblock 523 eine Wertetabelle hinterlegt, die angibt, wie groß die Faktoren Kp und KD in den verschiedenen Wertebereichen der Solldrehzahl ns sind. Beispielsweise wird in einem Drehzahlbereich von 600 bis 800 Umdrehungen pro Minute der Faktor Kp doppelt so groß eingestellt wie in dem Drehzahlbereich von 1300 bis 1500 Umdrehungen pro Minute. Entsprechend wird im niedrigen Drehzahlbereich auch der Faktor KD im Vergleich zum hohen Drehzahlbereich erhöht.
  • Somit wird die Kreisverstärkung und die Dämpfung des Gesamtsystems über den gesamten Drehzahlbereich im Wesentlichen stabil gehalten. Es wird somit eine gesteuerte Adaption der Verstärkung und der Dämpfung des Druckreglers über die Drehzahl bereitgestellt. Diese Lösung bewirkt, dass die Regelgüte auch bei der variablen Drehzahl gehalten wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Einrichtung zur Regelung der Druckmittelzufuhr
    11
    Zylinder
    13
    Verstellpumpe
    14
    Elektromotor
    15
    Tank
    16
    Leitung
    17
    Ventil
    21
    Wegemessumformer
    23
    Leitung
    25
    übergeordnete Steuerung
    27
    Leitung
    31
    Stellglied
    32
    Messumformer
    33
    Frequenzumrichter
    34
    Welle
    40
    Druckmessumformer
    41
    Pumpenregler
    42
    Motorsteuerung
    44
    p-Glied
    45
    Rechenglied
    48
    erstes Summationsglied
    49
    Fördervolumenregler
    50
    Minimalwertauswahlglied
    51
    zweites Summationsglied
    52
    Druckregler
    521
    Differenzierglied
    522
    Proportionalglied
    523
    Verstellblock
    524
    Summationsglied

Claims (13)

  1. Verfahren zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor (11) einer Maschine, bei der der Aktor (11) von einer von einem drehzahlgesteuerten Motor (14) angetriebenen Verstellpumpe (13) mit einer Druckmittelmenge versorgt wird, wobei
    - ein Signal, das den Druck der Druckmittelmenge anzeigt, zu einem Druckregler (52) zum Ansteuern der Verstellpumpe (13) rückgekoppelt wird, und der Motor (14) entsprechend einem Drehzahlsignal betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Eigenschaften des Reglerverstärkers (522) des Druckreglers (52) entsprechend dem Drehzahlsignal variiert werden.
  2. Verwahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Verstärkung des Regelverstärkers in Abhängigkeit von dem Drehzahlsignal eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    bei Verringerung der Drehzahl die Verstärkung des Regelverstärkers erhöht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekenntzeichnet dass
    der Druckregler (52) ein Differenzierglied (521) mit einem Beiwert KD zum Differenzierten des Signals (pi), das den Druck (p) der Druckmittelmenge anzeigt, aufweist,
    und der Beiweil KD des Differenzierglieds (521) in Abhängigkeit von dem Drehzahlsignal eingestellt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekenntzeichnet, dass
    bei verringerter Drehzahl der Beiwert KD des Differenzierglieds (521) auf höhere Werte eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
    dadurch gekenntzeichnet, dass
    es sich bei der Maschine um eine Kunststoffverarbeitungsmaschine zum Einspritzen von flüssigem Kunststoff in eine Form handeit.
  7. Regelvorrichtung zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor (11) einer - insbesondere zyklisch arbeitenden - Maschine, bei der der Aktor (11) von einer von einem drehzahlgesteuerten Motor (14) angetriebenen Verstellpumpe (13) mit einer Druckmittelmenge versorgt wird, wobei die Regelvorrichtung folgendes aufweist:
    - einen Druckregler (52) zum Ansteuern der Verstellpumpe (13),
    - einen Druckumformer (40) zum Umsetzen des Drucks der Druckmittelmenge in ein Rückkopplungssignal an dem Druckregler (52), und
    - eine Einstellvorrichtung (33, 42) zum Betreiben des Motors (14) entsprechend einem Drehzahlsignal,
    gekennzeichnet durch
    eine Regelungsanpassungsvorrichtung (523) zum Anpassen der Eignenschaften des Druckreglers entsprechend dem Drehzahlsignal.
  8. Regelvorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Druckregler (52) einen Vergleicher (51) und einen Regelverstärker mit einem Proportionalglied (522) aufweist, und
    dass die Regelungsanpassungsvorrichtung (523) zum Einstellen des Beiwerts des Proportionalglieds in Abhängigkeit von dem Drehzahlsignal eingerichtet list.
  9. Regelvorrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekenntzeichnet, dass
    die Regeiungsanpassungsvorrichtung (523) zum Erhöhen des Beiwerts (Kp) des Proportionalglieds des Druckreglers bei Verringerung der Drehzahl eingerichtet ist.
  10. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Druckregler (52) ein Differenzierglied (521) mit einem Beiwert KD zum Differenzieren des Signals (pi), das den Druck (p) der Druckmittelmenge anzeige, aufweist,
    und die Regelungsanpassungsvorrichtung zum Einstellen des Beiwerts KD des Differenzierglieds (521) in Abhängigkeit von dem Drehzahlsignal einge - stellt wird.
  11. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
    dadurch gekenntzeichnet, dass
    eine Regelungsanpassungsvorrichtung (523) zum Erhöhen des Beiwerts KD des Differenzierglieds (521) bei verringerter Drehzahl eingerichtet ist.
  12. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
    dadurch gekenntzeichnet, dass
    es stich bei der Maschine um eine Kunststoffverarbeitungsmaschine handelt und die Druckmittel zum Einspritzen von flüssigem Kunststoff in eine Form verwendet werden.
  13. Baugruppe aus einer Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12 und einem Aktor (11), dessen Versorgung mit hydraulischem Druckmittel mittels der Regelvorrichtung bereitgestellt ist.
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