Derartige Antriebssysteme dienen generell zur Betätigung eines Hydraulik- Ak tors, damit dieser definierte Arbeitsprozesse durchführen kann. Das Antriebs system umfasst generell als elektrische Komponenten einen Elektromotor und einen Umrichter. Als Hydraulikkomponenten sind eine Hydraulikpumpe, eine in Hydraulikleitungen geführte Hydraulikflüssigkeit sowie der Hydraulik-Aktor vorgesehen.

Die Funktion des Antriebssystems ist generell derart, dass der Elektromotor die Hydraulikpumpe antreibt, damit die Pumpe Hydraulikflüssigkeit in den Hydrau- likleitungen transportiert. Zur Betätigung des Hydraulik- Aktors kann die Hyd raulikflüssigkeit direkt vom Hydraulik- Aktor, der als Arbeitszylinder oder Hyd raulikmotor aus gebildet sein kann, geführt werden. Alternativ kann eine Vertei lung der Hydraulikflüssigkeit mittels Schaltventilen erfolgen. Weiterhin kann mit den Ventilen der Durchfluss der Hydraulikflüssigkeit geregelt werden, bevor diese dem Hydraulik- Aktor zugeführt wird.

Im Umrichter befindet sich generell eine Regeleinheit, mittels derer der Betrieb des Elektromotors geregelt wird. In der Regeleinheit liegen als Messgrößen des Elektromotors dessen Ströme, Spannung und Rotorposition des Rotors vor. Ab hängig von diesen Messgrößen können Abgabekenngrößen des Elektromotors wie Drehmoment, Drehzahl und Leistung vorgegeben werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem der eingangs ge nannten Art bereitzustellen, welches bei geringem konstruktivem Aufwand eine hohe Funktionalität aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem Elektromotor, einem die sem zugeordneten Umrichter und einem Hydraulik-Aktor, welcher über eine vom Elektromotor gesteuerte Hydraulikpumpe und eine in einer Hydrauliklei tung geführte Hydraulikflüssigkeit betätigbar ist. Der Umrichter bildet eine Überwachungseinheit, mittels derer eine Zustandsüberwachung von Komponen ten des Antriebssystems durchführbar ist. Alternativ oder zusätzlich bildet der Umrichter eine Modulationseinheit, mittels derer Arbeitsprozesse des Hydrau lik-Aktors beeinflussbar sind.

Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem ist, dass dem Elektro motor mit dem Umrichter genau ein Hydraulik- Aktor zugeordnet ist. Diese ein deutige Zuordnung erlaubt es insbesondere ein Modell des Antriebssystems rechnerisch zu bestimmen, wobei dieses vorteilhaft im Umrichter hinterlegt ist. Ein weiteres wesentliches Merkmal ist die Ausbildung der Hydraulikpumpe als Verdrängerpumpe, so dass mit der Hydraulikpumpe ein hydrostatisches System gebildet wird.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Funktionalität des Umrich ters dazu zu nutzen, dass mit diesem eine Überwachungseinheit gebildet wird, mittels derer eine Zustandsüberwachung von Komponenten des Antriebssystems durchgeführt wird. Dadurch wird die Funktionssicherheit des Antriebssystems erheblich erhöht. Alternativ oder zusätzlich kann die Funktionalität des Umrich ters dazu genutzt werden, eine Modulationseinheit auszubilden, mittels derer ge- zielt Arbeitsprozesse beeinflussbar sind. Insbesondere können über den Umrich ter selbsttätig dynamische Arbeitsprozesse des Hydraulik-Aktors vorgegeben werden. Die Vorgabe dieser Arbeitsprozesse kann abhängig von aktuellen Rand bedingungen und ohne Benutzereingaben erfolgen, wodurch eine besonders hohe Funktionalität und Flexibilität des Antriebssystems erzielt wird.

Besonders vorteilhaft ist in dem Umrichter eine Regeleinheit integriert, mittels der die Funktionen der Überwachungseinheit und der Modulationseinheit reali sierbar sind.

Da somit allein mit der bereits im Umrichter vorhandenen Regeleinheit die Funktionalitäten einer Überwachungseinheit und einer Modulationseinheit rea lisiert werden können, ist hierfür kein zusätzlicher konstruktiver Aufwand erfor derlich.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass mittels des Umrich ters als Überwachungseinheit Überwachungen in Echtzeit durchführbar sind. Die so gebildete Überwachungseinheit bildet somit ein Echtzeitsystem entspre chend dem in der Norm DIN 44300 definierten Echtzeitbegriff. Demzufolge ist unter Echtzeit der Bereich eines Rechensystems zu verstehen, bei dem Pro gramme zur Verarbeitung anfallender Daten ständig betriebsbereit sind, derart, dass die Verarbeitungsergebnisse innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ver- fügbar sind.

Eine erste Überwachungsfünktion der Überwachungseinheit wird dadurch reali siert, dass mittels des Umrichters das Drehmoment des Elektromotors erfassbar ist, und dass aus diesem und einem im Umrichter hinterlegten Modell des An triebssystems der Hydraulikdruck der Hydraulikflüssigkeit in der Hydrauliklei tung bestimmbar ist. Durch das im Umrichter hinterlegte Modell des gesamten Antriebssystems kann aus dem gemessenen Drehmoment des Elektromotors rechnerisch der Hydrau likdruck bestimmt werden. Der Hydraulikdruck bildet eine wesentliche Kenn größe für die Beschreibung des Zustandes des Antriebssystems.

Gemäß einer ersten Variante bildet der im Umrichter bestimmte Hydraulikdruck eine Kenngröße für die Überwachung des Arbeitsprozesses.

In diesem Fall bildet der ermittelte Hydraulikdruck eine reine Überwachungs größe zur Kontrolle des mit dem Hydraulik-Aktor durchgeführten Arbeitspro zesses.

Gemäß einer zweiten Variante ist abhängig von dem im Umrichter bestimmten Hydraulikdruck eine Schnellbremsung des Elektromotors zur Vermeidung von Überlastsituationen durchführbar.

Anhand des in Echtzeit zeitaufgelöst ermittelten Hydraulikdrucks kann erfasst werden, ob mit dem Hydraulik-Aktor durchgeführte Arbeitsprozesse zu einer Überlastsituation führen. Wird beispielsweise mit dem Hydraulik-Aktor eine Schaufel eines Baggers oder dergleichen betätigt und die Schaufel hat sich an einem Hindernis festgefahren, besteht bei weiter ungebremsten Betrieb des Elektromotors eine Gefahr einer Beschädigung der Schaufel oder Komponenten des Antriebssystems. Eine solche auftretende Überlastsituation kann durch eine Änderung des Hydraulikdrucks erfasst werden, so dass dann durch eine Schnell bremsung des Elektromotors mögliche Gefahrenzustände sicher vermieden wer den.

Gemäß einer weiteren Variante ist abhängig von dem im Umrichter realisierten Hydraulikdruck eine Schwingungsdämpfüng von Komponenten des Antriebs systems durchführbar. Die Hydraulikkomponenten des Antriebssystems, insbesondere die in den Hyd- raulikleitungen geführte Hydraulikflüssigkeit, bilden ein schwingungsfähiges Gebilde. Ein solches schwingungsfähiges Gebilde kann auch durch die Kopp lung der Hydraulik- Aktoren an die mechanisch umgesetzte Funktion mit deren mechanischen Elastizitäten und mechanischer Trägheit entstehen. Derartige Schwingungen beeinträchtigen die Stabilität und auch die Funktionsfähigkeit des Antriebssystems. Durch eine zeitaufgelöste Erfassung des Hydraulikdrucks können derartige Schwingungen erfasst werden. Um derartige Schwingungen zu dämpfen, können die Betriebsparameter des Elektromotors in geeigneter Weise geändert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mittels des Umrichters das Drehmoment des Elektromotors erfassbar und aus diesem und einem im Umrichter hinterlegten Modell des Antriebssystems ist ein Dreh moment oder eine Kraft des Aktors bestimmbar.

Auch in diesem Fall kann unter Ausnutzung des im Umrichter hinterlegten Mo dells des gesamten Antriebssystems aus dem messtechnisch ermittelten Dreh moment des Elektromotors als Kenngröße des Hydraulik- Aktors je nach dessen Ausbildung das in diesem erzeugte Drehmoment oder die in diesem erzeugte Kraft bestimmt und zur Kontrolle der Aktorfünktion überwacht werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind mittels dem Umrichter bei Leerlauf des Elektromotors und Arbeitsprozesse ausführendem Hydraulik-Aktor Rei bungskräfte erfassbar.

Dabei treten im gesamten Antriebssystem unterschiedliche Reibungseffekte auf, beispielsweise Bewegungsreibungen von beweglichen Komponenten, die zum Beispiel in der Hydraulikpumpe vorgesehen sind. Auch hydraulische Wider stände, insbesondere der über die Pumpe in Bewegung versetzten Hydraulikflüs sigkeit, führen zu Reibungsverlusten. Auch Festkörperreibungen zwischen Fest körperelementen bewirken Reibungskräfte. Wird im Leerlauf des Elektromotors, jedoch bei in vorzugsweise beiden Bewe gungsrichtungen arbeitendem Hydraulik- Aktor eine geeignete Kenngröße des Elektromotors, wie zum Beispiel dessen Strom oder Drehmoment gemessen, gibt dies Aufschluss über im Gesamtsystem vorhandene Reibungskräfte. Unter Berücksichtigung des im Umrichter hinterlegten Modells des Antriebssystems können dabei sogar einzelne Reibungskräfte separat analysiert werden.

Eine weitere Analysemöglichkeit besteht darin, dass mittels des Umrichters bei einem Anschlag stillstehendem Hydraulik- Aktor durch Erfassung der Drehzahl des Elektromotors Leckage- oder Rückströmverluste in den Hydraulikleitungen ermittelbar sind.

Hierbei liegt die Überlegung zugrunde, dass der Hydraulik- Aktor bei Einfahren gegen einen Anschlag stillsteht, das heißt sich trotz anstehendem Drehmoment des Elektromotors nicht mehr weiterbewegen kann. Über das Drehmoment des Elektromotors wird die Pumpe betätigt und somit ein Druck der Hydraulikflüs sigkeit in den Hydraulikleitungen aufgebaut. Bei Vorhandensein von Leckagen oder Rückströmverlusten liegt der aufgelaufene Druck unterhalb eines Sollwer tes, was im Umrichter als Diagnosegröße festgestellt werden kann.

Auch wenn der Hydraulik- Aktor nicht an einen Endschlag gefahren ist, kann mittels des Umrichters die Förderung der Hydraulikflüssigkeit in den Hydrau likleitungen überwacht werden.

Wird beispielsweise bei konstanter Drehzahl des Elektromotors eine pulsierende Förderung von Hydraulikflüssigkeit durch die Pumpe als Fehlerzustand festge stellt, können durch Variation der Betriebsparameter des Elektromotors geeig nete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mittels des Umrichters die Drehzahl des Elektromotors moduliert und durch Erfassung des Einflusses der Drehzahlmodulation auf das Drehmoment des Elektromotors sind Zustandsgrößen von Hydraulikkomponenten des Antriebssystems erfassbar.

Dabei erfolgt für eine derartige Diagnose beziehungsweise Überwachung eine Mikromodulation der Drehzahl, die so gering ist, dass dadurch der mit dem Hyd- raulik- Aktor durchgeführte Arbeitsprozess nicht beeinflusst ist.

Mit der Mikromodulation der Drehzahl des Elektromotors wird somit nur eine Testgröße generiert, um die darauffolgende Drehmomentänderung im Elektro motor festzustellen, anhand derer eine genaue Analyse des Hydrauliksystems als Teilsystem des Antriebssystems möglich ist. Dabei wird vorteilhaft als Zustandsgrößen die Kompressibilität, Viskosität und/oder Reibung der Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikleitungen ermittelt.

Durch die Ermittlung der Viskosität der Hydraulikflüssigkeit kann, insbesondere in Kombination mit einer Temperaturmessung der Hydraulikflüssigkeit ermittelt werden, welche Hydraulikflüssigkeit verwendet wird. Damit kann kontrolliert werden, ob die richtige Hydraulikflüssigkeit im Einsatz ist.

Durch die Ermittlung der Kompressibilität kann insbesondere geprüft werden, ob Gasblasen im Hydrauliksystem vorhanden sind.

Eine wesentliche Voraussetzung für derartige Analysen ist die phasensynchrone Betrachtung des Drehmoments des Elektromotors bei einer vorhandenen Mikro- modulation der Drehzahl des Elektromotors. Eine weitere Voraussetzung ist die Anwendung des im Umrichter hinterlegten Modells des Antriebssystems.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mit dem Umrichter als Modulationseinheit eine modulierte Kraft des Hydraulik-Aktors generiert. Durch den Umrichter wird über den Elektromotor die Hydraulikpumpe so be trieben, insbesondere durch eine Modulation der Drehzahl des Elektromotors, dass der Hydraulikdruck moduliert wird, wodurch auch die im Hydraulik- Aktor generierte Kraft oder das generierte Drehmoment moduliert wird. Damit wird, vorzugsweise ohne jegliche Benutzereingabe und vorzugsweise abhängig von applikationsspezifischen Randbedingungen der Betriebsmodus des Antriebssys tems geändert und zwar derart, dass der Hydraulik-Aktor definierte, hochdyna mische Arbeitsprozesse durchführt.

Ein Beispiel hierfür ist ein Antriebssystem, bei dem der Hydraulik- Aktor dazu genutzt wird, die Schaufel eines Baggers zu bewegen. Reicht bei einem sehr fes ten abzutragenden Medium die Kraft der Schaufel bei einer kontinuierlichen Ar beitsbewegung nicht aus in das Medium einzudringen, so wird dies im Umrichter dadurch festgestellt, dass bei sich nicht oder wenig bewegendem Hydraulik- Ak tor ein hohes Drehmoment des Elektromotors erzeugt wird. In diesem Fall schal tet der Umrichter selbsttätig auf einen Modulationsbetrieb um, so dass der Hyd raulik-Aktor und damit die Schaufel pulsierende Bewegungen durchführt, wodurch das Eindringen der Schaufel in das Medium erheblich erleichtert wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird mit dem Umrichter als Modulati onseinheit durch eine Modulation der Bewegung des Elektromotors eine Schmierung der Hydraulikpumpe bewirkt.

Hierbei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass bei Hydraulikpumpen, insbesondere Verdrängerpumpen, stets eine Mindestdrehzahl des Elektromotors, der auf die Hydraulikpumpe wirkt, vorhanden sein muss, dass hinreichend Hyd raulikflüssigkeit im Umlauf ist und ein Trockenlaufen von Komponenten der Hydraulikpumpe verhindert. Durch die erfindungsgemäße Modulation der Dreh zahl des Elektromotors kann diese Anforderung auf einfache Weise erfüllt wer den.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt: Figur 1 : Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfin dungsgemäßen Antriebssystems.

Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1. Das Antriebssystem 1 umfasst als elek- irische Komponenten einen Elektromotor 2 und einen Umrichter 3. Mit diesen elektrischen Komponenten wird ein Hydrauliksystem betrieben und gesteuert. Das Hydrauliksystem umfasst eine Hydraulikpumpe 4, die in Form einer Ver drängerpumpe ausgebildet ist. Von der Hydraulikpumpe 4 führen zwei Hydrau likleitungen 5a, 5b zu einem Hydraulik- Aktor 6, der in Form eines Hydraulikzy- linders aus gebildet ist, welcher einen in einem Gehäuse 6a geführten Stempel 6b aufweist. Mit der Hydraulikpumpe 4 wird in den Hydraulikleitungen 5 a, 5b ge führte Hydraulikflüssigkeit gefördert beziehungsweise transportiert, wobei durch Aufbauen eines bestimmten Drucks der Hydraulikflüssigkeit in einer der Hydraulikleitungen 5a, 5b der Hydraulik-Aktor 6 betätigt werden kann. Weiter- hin ist ein Speicher 7 vorgesehen, der Hydraulikflüssigkeit aufhehmen kann. Der Speicher 7 dient zum Ausgleich von Volumenschwankungen der Hydraulikflüs sigkeit, die beispielsweise durch Temperaturschwankungen bedingt sein kön nen. In der Figur 1 ist beispielhaft eine bidirektional betreibbare Hydraulik pumpe abgebildet. Dies ist aber nur ein Ausführungsbeispiel. Eine weitere Mög- lichkeit ist die Verwendung von unidirektionalen Pumpen die weit verbreitet sind. In diesem Fall erfolgt die Richtungsänderung über Umschalt ventile . Dies ist dann auch in der Bauart eines offenen Systems umsetzbar in welchem der hydraulische Rücklauf drucklos sein kann.

Weiterhin ist es möglich, zwei unidirektionale Hydraulikpumpen einzusetzen, wobei eine Hydraulikpumpe für die Vorwärtsrichtung und die weitere Hydrau likpumpe für die Rückwärtsrichtung eingesetzt wird.

Der Umrichter 3 umfasst eine Rechnereinheit mit einer darin integrierten Re geleinheit. Für die Regelung liegen im Umrichter 3 als Messgrößen die Ströme des Elektromotors 2 in allen Phasen, die Spannung des Elektromotors 2 und die Rotorposition des Rotors des Elektromotors 2 vor. Aus diesen Messgrößen kön nen in der Regeleinheit des Umrichters 3 als Abgabekenngrößen des Elektromo tors 2 die Drehzahl, das Drehmoment und die Leistung abgeleitet werden.

Die Funktionsweise des Antriebssystems 1 ist derart, dass mit der Regeleinheit eine Regelung des Elektromotors 2 in vier Quadranten erfolgt. Der Elektromotor 2 wirkt dabei in vier Quadranten auf die Hydraulikpumpe 4. Durch die Regelung des Elektromotors 2 wird somit die Hydraulikpumpe 4 so betätigt, dass mit die ser wahlweise in der ersten Hydraulikleitung 5 a oder in der zweiten Hydraulik leitung 5b ein erhöhter Druck erzeugt wird, wodurch der Stempel 6b des Hyd raulikzylinders nach unten beziehungsweise nach oben bewegt wird. Durch den so betätigten Hydraulikzylinder werden Arbeitsprozesse durchgeführt, wobei hierzu der Hydraulikzylinder mit einem entsprechenden Arbeitsgerät verbunden ist, beispielsweise mit der Schaufel eines Baggers.

Im Umsetzungsfall als unidirektionale Pumpe mit Umsteuerventilen für die Richtungsänderung wird der E-Motor nur in 2 Quadranten betrieben, was aber eine funktionale Untermenge darstellt.

Typischerweise führt die Schaufel eine kontinuierliche in eine Richtung gerich tete Arbeitsbewegung aus.

Erfindungsgemäß kann mittels der Regeleinheit, insbesondere dann, wenn die Schaufel eines Baggers in einem festen Untergrund festgefahren ist, selbsttätig in einem dynamischen Arbeitsbetrieb betrieben werden. Der Umrichter 3 mit der Regeleinheit bildet dann eine Modulationseinheit derart, dass die Drehzahl des Elektromotors 2 moduliert wird, so dass mittels der Hydraulikpumpe 4 eine mo dulierte Kraft des Hydraulik-Aktors 6 generiert wird. Dadurch wird eine puls- förmige, modulierte Bewegung der Schaufel generiert, die ein Eindringen der Schaufel in den festen Untergrund erleichtert. Die Modulation der Drehzahl des Elektromotors 2 kann auch zur Schmierung der Hydraulikpumpe 4 verwendet werden, da die Modulation dafür sorgt, dass die Hydraulikflüssigkeit zu sämtlichen Teilen der Hydraulikpumpe 4 gelangt und diese schmiert. Erfindungsgemäß ist in der Regeleinheit des Umrichters 3 ein Modell des ge samten Antriebssystems 1 hinterlegt. Anhand dieses Modells kann im Umrichter 3 durch Erfassung von Ausgabegrößen des Elektromotors 2 wie Drehzahl oder Drehmoment eine Ermittlung und Überwachung von Kenngrößen des Hydrau liksystems durchgeführt werden. So kann durch Bestimmung des Drehmoments des Elektromotors 2 der Hydraulikdruck der Hydraulikflüssigkeit in den Hyd raulikleitungen 5 a, 5b bestimmt und überwacht werden. Ebenso kann auf diese Weise die Kraft des Hydraulik- Aktors 6 bestimmt und überwacht werden. Auch können im Hydrauliksystem vorhandene Reibungskräfte oder auch Leckage- o- der Rückströmverluste ermittelt werden. Eine erweiterte Überwachungsmöglichkeit ergibt sich durch eine Mikromodula tion der Drehzahl des Elektromotors 2, die den Arbeitsprozess des Elektromotors 2 unverändert lässt. Durch diese Mikromodulation können Zustandsgrößen des Hydrauliksystems ermittelt werden, insbesondere die Viskosität, Kompressibili tät oder Reibung der Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikleitungen 5a, 5b.

Bezugszeichenliste

( 1 ) Antrieb ssy stem

(2) Elektromotor

(3) Umrichter

(4) Hydraulikpumpe (5 a) Hydraulikleitung (5b) Hydraulikleitung

(6) Hydraulik-Aktor (6a) Gehäuse

(6b) Stempel

(7) Speicher