Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie ein Verfahren zu dessen Steuerung gemäß Anspruch 7.

Ein gattungsgemäßer hydrostatischer Antrieb hat zur Druckmittelversorgung eines hydraulischen Leistungswandlers, beispielsweise eines Hydrozylinders oder einer anderen Hydromaschine, eine insbesondere als Hydropumpe betreibbare Hydromaschine. Der Antrieb kann immobil oder in einer mobilen Arbeitsmaschine zum Einsatz kommen. Ein typischer Antrieb ist beispielsweise von einer Hydropumpe, von der ein Hydrozylinder eines Auslegers eines Baggers hydrostatisch angetrieben wird, gebildet. Der Antrieb hat eine drehzahlvariabel betreibbare Antriebsmaschine, mit der die zumindest als Hydropumpe betreibbare Hydromaschine gekoppelt ist. Der Leistungswandler wird von ihr gemäß einer Anforderung an seine Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit und in Abhängigkeit der an ihm angreifenden Last mit Druckmittel versorgt. Die Anforderung wird dabei beispielsweise direkt von einem Bedienpersonal vorgegeben oder sie ist Resultat einer Steuerstrategie, beispielsweise unter Berücksichtigung einer Gesamtkinematik mit weiteren Leistungswandlern, wie es beispielsweise bei einer Arbeitspunktsteuerung der Fall ist.

Um die Effizienz des Antriebs zu erhöhen und ungünstige Betriebspunkte, insbesondere bezüglich einer Drehzahl der Antriebsmaschine und einer Leckage der Hydromaschine, zu vermeiden, erfolgt die Verstellung der Drehzahl und des Verdrängungsvolumens unter Berücksichtigung eines Effizienzkriteriums, insbesondere eines Wirkungsgrades des Antriebs. Ein bedeutendes Effizienzkriterium ist, das Verdrängungsvolumen der Hydromaschine so groß wie möglich zu halten, da eine interne Leckage nahezu unabhängig vom Verdrängungsvolumen ist. Eine angeforderte Bewegungsgeschwindigkeit des Leistungswandlers wird daher günstiger Weise von einem Druckmittelvolumenstrom bewirkt, dem ein möglichst großes Verdrängungsvolumen der Hydromaschine und eine entsprechend kleine Drehzahl der Antriebsmaschine zugrunde liegen.

Eine angeforderte Bewegungsumkehr des Leistungswandlers, wenn beispielweise der Hydrozylinder seine Fahrrichtung (Einfahren-Ausfahren) oder der Hydromotor seine Drehrichtung wechseln soll, bedarf einer Volumenstromumkehr der Hydromaschine. Im Falle einer Lastumkehr am Leistungswandler, wenn beispielsweise bei gleichbleibender Bewegungsrichtung ein Grabgerät auf den Boden auftrifft und eine Grabbewegung mit gleicher Geschwindigkeit wie das vorherige Absenken fortgeführt werden soll, bedarf es einer Momentenumkehr der Hydromaschine - oder anders ausgedrückt einen Wechsel vom Motor- in den Pumpenbetrieb. Im offenen hydraulischen Kreis entspricht auch dies einer Volumenstromumkehr. Vorzugsweise soll die Umkehr so erfolgen, dass vom Bedienpersonal kein Stocken in der Bewegung wahrgenommen werden kann.

Nicht immer kann die Volumenstromumkehr durch eine Drehrichtungsumkehr der Antriebsmaschine erreicht werden, beispielsweise wenn diese nur eine Drehrichtung bereitstellt, wie im Falle einer Verbrennungskraftmaschine, oder wenn von der Antriebsmaschine weitere Hydromaschinen/Hydropumpen angetrieben werden, deren Drehrichtung nicht geändert werden soll. Es ist daher von großem Vorteil, die Volumenstromumkehr unabhängig von der Drehrichtung der Antriebsmaschine zu ermöglichen.

Dies ist gattungsgemäß so realisiert, dass die Hydromaschine mit verstell- und zudem invertierbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltet ist. Das heißt, es ist ein Nulldurchgang des Verdrängungsvolumens möglich. Bei gleichbleibender Drehrichtung der Antriebsmaschine und damit der Hydromaschine ergibt sich mit dem Nulldurchgang die Volumenstromumkehr und damit je nach Anforderung die Bewegungsumkehr oder die Kraftumkehr des Leistungswandlers. Auf diese Weise ist ein Vier-Quadrantenbetrieb des Antriebes bezüglich Bewegungsrichtung und Kraftrichtung mit schnellem Quadrantenwechsel ermöglicht.

Da - wie erwähnt - unter dem Gesichtspunkt der Effizienz ein meist großes Verdrängungsvolumen eingestellt ist, dauert der Nulldurchgang zum entsprechend großen Verdrängungsvolumen inversen Vorzeichens vergleichsweise lange und eventuell länger als angefordert. Dies kann einen negativen Einfluss auf das wahrnehmbare Ansprechverhalten des Antriebs haben. Zudem sind Taktzeiten bei wiederholter Bewegungs- oder Kraftumkehr verlängert.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen energieeffizient betreibbaren hydrostatischen Antrieb zu schaffen, für den eine schnellere Bewegungsumkehr und/oder Kraftumkehr des Leistungswandlers ermöglicht ist. Außerdem besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zum Steuern des Antriebs zu schaffen, das sowohl den energieeffizienten Betrieb als auch eine schnellere Bewegungsumkehr und/oder Kraftumkehr des Leistungswandlers ermöglicht.

Die erste Aufgabe wird gelöst durch einen hydrostatischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , die zweite durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7.

Vorteilhafte Weiterbildungen der jeweiligen Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

Ein hydrostatischer Antrieb hat eine drehzahlvariable Antriebsmaschine, die insbesondere als Elektromaschine oder dergleichen ausgebildet ist. Mit ihr drehmomentgekoppelt, insbesondere drehzahl- und drehwinkelgekoppelt, ist eine Hydromaschine, deren Verdrängungsvolumen zu Null und beidseitig von Null verstellbar ist. Das Verdrängungsvolumen kann somit einen Nulldurchgang aufweisen. Die Hydromaschine ist insbesondere als Hydropumpe ausgestaltet und/oder betreibbar. Insbesondere ist sie als Axialkolbenmaschine mit zur Verstellung des Verdrängungsvolumens verstellbarer und durch einen Schwenkwinkel von Null durchschwenkbarer Schrägscheibe ausgebildet. Mittels dem Nulldurchgang des Verdrängungsvolumens kann schnell zwischen Betriebsquadranten gewechselt und insbesondere eine schnelle Volumenstromumkehr und dadurch eine Umkehr der Bewegungsrichtung und/oder der Kraftrichtung realisiert werden. Mit der genannten Hydromaschine ist ein hydraulischer Leistungswandler, insbesondere in offenem hydraulischen Kreislauf, fluidisch verbindbar, insbesondere verbunden. Der Leistungswandler kann ein translatorischer Aktor, beispielsweise ein Hydrozylinder, insbesondere ein doppeltwirkender Hydrozylinder, insbesondere ein Differentialzylinder sein, oder er ist ein rotatorischer Aktor, beispielsweise eine Hydromaschine, die insbesondere als Hydromotor ausgestaltet und/oder betreibbar ist. Eine Steuereinheit des Antriebs ist ausgestaltet, in Abhängigkeit einer, insbesondere von einem Bediener oder einer Steuereinrichtung erstellten, Anforderung an eine Bewegungsrichtung und - geschwindigkeit, einer sich daraus ergebenden oder angeforderten Kraftrichtung des Leistungswandlers, und in Abhängigkeit wenigstens eines Effizienzkriteriums des Antriebs, eine Verstellung wahlweise einer Drehzahl der Antriebsmaschine oder des Verdrängungsvolumens oder beider zu bewirken. Bereits dadurch ist eine energieeffiziente Steuerung des Antriebs gewährleistet. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit ausgestaltet, einen bevorstehenden Scheitelpunkt oder Wechsel der Bewegungsrichtung und/oder der Kraftrichtung des Leistungswandlers - insbesondere eine bevorstehende Bewegungsumkehr und/oder Kraftumkehr - zu prädizieren.

Hierdurch ist ein hydrostatischer Antrieb geschaffen, der eine schnellere Bewegungsumkehr und/oder Kraftumkehr des Leistungswandlers ermöglicht, als ohne diese Prädiktion.

Hierfür ist die Steuereinheit in einer Weiterbildung ausgestaltet, die Verstellung bei prädiziertem Scheitelpunkt oder Wechsel unabhängig vom wenigstens einen Effizienzkriterium, oder zumindest mit dessen verringerter Gewichtung, zu bewirken. Das heißt, dass von der Steuereinheit der schnellen Bewegungsumkehr und/oder Kraftumkehr eine höhere Priorität beigemessen wird, als dem Effizienzkriterium.

Das wenigstens eine Effizienzkriterium ist oder beinhaltet insbesondere einen Wirkungsgrad der Antriebsmaschine, der Hydromaschine, des Leistungswandlers oder einen Gesamtwirkungsgrad des hydraulischen Antriebs.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist oder beinhaltet das wenigstens eine Effizienzkriterium eine Maximierung eines Betrags des Verdrängungsvolumens. Dies rührt daher, dass für eine angeforderte Bewegungsgeschwindigkeit des Leistungswandlers die Antriebsmaschine einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad hat, wenn sie mit geringer Drehzahl betrieben wird. Zudem ist eine innere Leckage der Hydromaschine vergleichsweise unabhängig vom Verdrängungsvolumen. Beides kombiniert - geringe Drehzahl, großes Verdrängungsvolumen - führt zu einem energieeffizient bereitgestellten, angeforderten Druckmittelvolumenstrom und damit zur Erfüllung der angeforderten Bewegungsgeschwindigkeit und -richtung bei gleichzeitig energieeffizientem Betrieb des Antriebes. So vorteilhaft das oben besprochene große Verdrängungsvolumen für die Energieeffizienz ist, so ungünstig wirkt es sich auf einen schnellen Nulldurchgang des Verdrängungsvolumens und somit auf eine schnelle Bewegungsumkehr und/oder Kraftumkehr des Leistungswandlers aus.

In einer Weiterbildung wird dem erfindungsgemäß entgegengewirkt, indem die Steuereinheit ausgestaltet ist, mit dem von ihr prädizierten Scheitelpunkt oder Wechsel eine Erhöhung der Drehzahl der Antriebsmaschine und eine Verringerung des Verdrängungsvolumens der Hydromaschine zu bewirken. Dadurch wird das Verdrängungsvolumen näher an Null, also den Nulldurchgang, herangestellt, sodass der verbleibende Stellweg hin zu Null und darüber hinaus verkleinert und eine Verstellzeit für den Nulldurchgang entsprechend verkürzt ist. Die Drehzahlerhöhung kompensiert diesen Abfall im Verdrängungsvolumen, sodass der Druckmittelvolumenstrom am Leistungswandler und dessen Bewegungsgeschwindigkeit erhalten bleiben.

Besonders vorteilhaft erweist sich diese Verstellung des Verdrängungsvolumens nahe an den Nulldurchgang heran, wenn eine Kraft- oder Lastumkehr erfolgt, die selbst eine hohe Dynamik aufweisen kann. Ein Beispiel für eine solche Kraft- oder Lastumkehr ist bei gleicher Bewegungsrichtung ist ein Absenken eines Grabgerätes und dessen unmittelbar anschließendes Durchziehen beim Graben. Das Grabgerät sinkt hierbei zunächst unter Einwirkung der Schwerkraft nach unten, wobei ein Bodenraum eines als Auslegerzylinder ausgestalteten Leistungswandlers kontrahiert wird. Die Kraft des Auslegerzylinders wirkt dabei der Schwerkraft entgegen. Beim Absinken strömt Druckmittel vom sich verkleinernden Bodenraum zur Druckseite der Hydromaschine, die im Motorbetrieb arbeitet und an der Antriebsmaschine abgestützt ist. Für das Bedienpersonal ist nun wichtig, dass mit dem Aufsetzen des Grabgerätes der Wechsel vom „passiven“ Absinken ohne relevanten Ruck oder relevante Verzögerung in das „aktive“ Graben übergehen kann. Dies entspricht bei gleichbleibender Bewegungsrichtung einem Wechsel der Lastrichtung von ziehend auf drückend. Da im offenen Kreislauf die Hochdruckseite und die Niederdruckseite der Hydromaschine festgelegt sind, muss für diesen Wechsel die vorbeschriebene Volumenstromumkehr erfolgen. Dies erfolgt über den Nulldurchgang und über den Wechsel der Fluidverbindung des Bodenraums des Auslegerzylinders auf die Niederdruckseite und des dem Bodenraum gegenüber angeordneten Ringraums auf die Hochdruckseite, beispielsweise über eine Ventileinrichtung.

In einer Weiterbildung hat die Hydromaschine eine Verstelleinrichtung zur Verstellung des Verdrängungsvolumens. Insbesondere ist dies zumindest ein Hydrozylinder, der zur Verstellung mit Stelldruckmittel beaufschlagbar ist. Im Falle der Axialkolbenmaschine ist deren Schrägscheibe von diesem Hydrozylinder angelenkt.

In einer Weiterbildung ist die Steuereinheit ausgestaltet, dass über sie das Verdrängungsvolumen steuerbar oder regelbar ist. Somit kann das Verdrängungsvolumen gemäß der Anforderung direkt verstellt werden.

In einer Variante dazu ist die Steuereinheit ausgestaltet, dass über sie ein Druck der Hydromaschine regelbar ist. Insbesondere weist die Steuerreinheit hierfür eine hydraulische Regeleinrichtung auf, die auf die genannte hydraulische Verstelleinrichtung wirkt. Somit wird das Verdrängungsvolumen nicht unmittelbar verstellt, sondern es wird bei Änderung der Drehzahl aufgrund der Druckregelung nachgeführt.

In einer Weiterbildung ist die Steuereinheit ausgestaltet, den bevorstehenden Scheitelpunkt oder Wechsel der Bewegungsrichtung und/ oder der Kraftrichtung in Abhängigkeit eines Bediensignals und/oder in Abhängigkeit einer Volumenstrombilanz, eines Weges, eines Bewegungsmusters und/oder eines Drucks des Leistungswandlers, und/oder in Abhängigkeit einer Auswertung einer Überwachungskamera zu prädizieren, was weiter unten, im Rahmen der Beschreibung des Verfahrens detaillierter dargelegt wird.

Hierfür weist der Antrieb vorzugsweise eine geeignete Erfassungseinheit, mit beispielsweise einer Bedienerschnittstelle mit Sensorik zur Erfassung der daran getätigten Eingabe oder Anforderung; mit beispielsweise einem Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl und einem Weg- oder Winkelsensor zur Erfassung einer Stellgröße der Hydromaschine proportional zum Verdrängungsvolumen; mit beispielsweise einer Weg- oder Anschlagerfassungseinrichtung zur Erfassung eines Weges oder Anschlages des als Hydrozylinders ausgestalteten Leistungswandlers; oder mit beispielsweise einem Sensor zur Umfelderkennung, der einen Zustand auf Grund dessen der Antrieb in naher Zukunft seinen Betriebszustand ändert erkennen kann. Alternativ ist die Bewegungsvorgabe des Leistungswandlers bereits vorgegeben und wiederholend, sodass die notwendigen Wechsel der Bewegungsrichtung bereits örtlich und/oder zeitlich feststehen.

In einer Weiterbildung ist die Steuereinheit derart ausgestaltet, dass über sie die Verstellung des Verdrängungsvolumens mit prädiziertem Wechsel gemäß einem von der Bewegungsgeschwindigkeit abhängigen Profil bewirkbar ist. Das Profil ist dabei vorzugsweise auf einen Maschinenkennwert der Hydromaschine, insbesondere eine maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit des Verdrängungsvolumens abgestimmt, sodass dieses der Steuerung gut folgen kann und nicht nachläuft. Hierbei erweist sich zudem eine Gradientenstetigkeit des Profils als vorteilhaft.

In einer Weiterbildung ist das nachfolgend erläuterte Verfahren zur Steuerung des Antriebs in einer Speichereinheit der Steuereinheit des Antriebes zur Ausführung abgelegt. Zur Ausführung des Verfahrens hat die Steuereinheit eine Prozessoreinheit mit Zugriff auf die Speichereinheit.

Ein Verfahren zur energieeffizienten Steuerung eines hydrostatischen Antriebes, der nach wenigstens einem Aspekt der vorhergehenden Beschreibung ausgestaltet ist, hat Schritte „Erfassen der Anforderung der Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit und der Kraftrichtung des Leistungswandlers“ über die Steuereinheit und „Bewirken der Verstellung der Drehzahl der Antriebsmaschine oder des Verdrängungsvolumens der Hydromaschine oder der Beiden, in Abhängigkeit der Anforderung und des wenigstens einen Effizienzkriteriums des Antriebs“ über die Steuereinheit. Erfindungsgemäß ist ein Schritt „Prädizieren eines Scheitelpunktes oder Wechsels der Bewegungsrichtung und/oder der Kraftrichtung“ über die Steuereinheit vorgesehen.

Das Prädizieren des Scheitelpunktes oder Wechsels ermöglicht neben dem energieeffizienten Betrieb des Antriebs eine schnellere Bewegungs- und/oder Kraftumkehr des Leistungswandlers.

Dabei erfolgt in einer Weiterbildung der Schritt „Bewirken der Verstellung“, wenn der Scheitelpunkt oder Wechsel prädiziert wurde, unabhängig vom wenigstens einen Effizienzkriterium des Antriebs oder zumindest mit dessen verringerter Gewichtung. Der Schritt „Prädizieren“ kann in Abhängigkeit eines Bediensignals und/oder in Abhängigkeit einer Volumenstrombilanz, eines Weges und/oder eines Bewegungsmusters des Leistungswandlers oder dergleichen erfolgen.

Unabhängig von der gewählten Art, den Schritt „Prädizieren“ auszuführen (in Abhängigkeit eines Bediensignals, einer Volumenstrombilanz, eines Weges, eines Bewegungsmusters, eines Drucks oder einer Überwachungskamera), weist das Verfahren in Abhängigkeit des prädizierten Scheitelpunkts oder Wechsels zumindest einen Schritt „Erhöhen der Drehzahl“ oder „Verringern des Verdrängungsvolumens“ oder beide Schritte auf, die über die Steuereinheit bewirkt werden.

Zumindest im Falle von „Prädizieren“ in Abhängigkeit des Bediensignals weist das Verfahren Schritte „Ermitteln eines Gradienten der Anforderung der Bewegungsgeschwindigkeit“ und „Vergleich der Anforderung der Bewegungsgeschwindigkeit mit einer Grenzgeschwindigkeit“ auf. Wenn der Gradient eine sinkende Anforderung der Bewegungsgeschwindigkeit zeigt und die Grenzgeschwindigkeit unterschritten wird, folgen in einer bevorzugten Weiterbildung die zuvor genannten Schritte „Erhöhen der Drehzahl“ und „Verringern des Verdrängungsvolumens“. Das Verdrängungsvolumen wird dabei bis hin zu Null verringert, bei gleichzeitiger Erhöhung der Drehzahl. Vorzugsweise ist die Grenzgeschwindigkeit an eine maximal zu erwartende Änderung der Anforderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Leistungswandlers des Antriebs angepasst. Somit kann das Verdrängungsvolumen maximal lange auf einem energetisch günstigen, hohen Wert gehalten werden, wird jedoch früh genug reduziert, um nahezu gleichzeitig mit der Anforderung der Bewegungsgeschwindigkeit einen Vorzeichenwechsel, das heißt den Nulldurchgang, vollziehen zu können.

Zumindest im Falle von „Prädizieren“ in Abhängigkeit der Volumenstrombilanz und wenn der Leistungswandler ein Hydrozylinder ist, weist das Verfahren einen Schritt „Bilanzieren eines Druckmittelvolumenstroms wenigstens eines hydrostatischen Arbeitsraumes des Hydrozylinders“ auf. Über die Geometrie des Hydrozylinders ist bekannt, welches Druckmittelvolumen maximal bei einem vollständigen Einfahren oder Ausfahren des Hydrozylinders aus dessen wenigstens einem Arbeitsraum ausströmt, beziehungsweise in diesen einströmt. Erreicht der Hydrozylinder einen seiner Endanschläge, ist der Scheitelpunkt der Bewegungsrichtung und der Kraftrichtung des Hydrozylinders erreicht. Wird der Hydrozylinder weiter angetrieben, muss zwingend eine Richtungsumkehr erfolgen. Der Schritt „Prädizieren“ erfolgt im beschriebenen Fall in Abhängigkeit eines minimalen und eines maximalen Volumens des wenigstens einen Arbeitsraumes und des bilanzierten Druckmittelvolumenstroms. Ergibt der Schritt „Bilanzieren“, dass der Druckmittelvolumenstrom zum Verringern des Volumens des wenigstens einen Arbeitsraumes nahe seinem Minimum oder zum Vergrößern des Volumens nahe seinem Maximum geführt hat, kann prädiziert werden, dass zumindest der Scheitelpunkt und ggf. ein Wechsel der Bewegungsrichtung und der Kraftrichtung bevorsteht und wann dies bevorsteht. Dann können die Schritte „Erhöhen der Drehzahl“ und „Verringern des Verdrängungsvolumens“ über die Steuereinheit bewirkt werden.

Zumindest im Falle von „Prädizieren“ in Abhängigkeit des Weges und wenn der Leistungswandler als Hydrozylinder ausgebildet ist, weist das Verfahren einen Schritt „Erfassen eines Weges des Hydrozylinders“ auf. Das Erfassen erfolgt vorzugsweise über eine Wegerfassungseinrichtung des Antriebes. Ergibt dieser Schritt, dass der Hydrozylinder nahe seinem minimalen oder maximalen Hub steht, kann prädiziert werden, dass zumindest der Scheitelpunkt und ggf. ein Wechsel der Bewegungsrichtung und der Kraftrichtung bevorsteht und wann dies bevorsteht. Dann können die Schritte „Erhöhen der Drehzahl“ und „Verringern des Verdrängungsvolumens“ über die Steuereinheit bewirkt werden.

Für den Fall, dass ein sich wiederholendes Bewegungsmuster des Leistungswandlers gegeben ist, kann der Schritt „Prädizieren“ in Abhängigkeit des Bewegungsmusters erfolgen. Ergibt beispielsweise eine Überwachung der Bewegung und ein Abgleich mit dem bekannten Bewegungsmuster, dass ein Scheitelpunkt oder ein Wechsel der Bewegungsrichtung und/oder der Kraftrichtung bevorsteht, können die Schritte „Erhöhen der Drehzahl“ und „Verringern des Verdrängungsvolumens“ über die Steuereinheit bewirkt werden.

Alternativ oder ergänzend kann eine Sensoreinrichtung zur Umfelderkennung vorgesehen sein, über den zum „Prädizieren“ detektierbar ist, dass der Scheitelpunkt oder Wechsel aufgrund von Gegebenheiten des Umfelds, beispielsweise einer sich ändernden Geländekontur, bevorsteht. Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebes und ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen hydrostatischen Antrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Figur 2 Betriebsquadranten des Antriebs gemäß Figur 1 , in Abhängigkeit einer Kraftrichtung und einer Bewegungsrichtung oder Geschwindigkeit seines Leistungswandlers und in Abhängigkeit eines Verdrängungsvolumens seiner Hydromaschine,

Figur 3 ein Diagramm des Verdrängungsvolumens der Hydromaschine und einer angeforderten Bewegungsgeschwindigkeit des Leistungswandlers des Antriebes gemäß Figur 1 in Abhängigkeit der Zeit,

Figur 4 bis 6 Profile des Verdrängungsvolumens der Hydromaschine in Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit des Leistungswandlers des Antriebes gemäß Figur 1, und

Figur 7 ein Verfahren zur Steuerung des Antriebs gemäß Figur 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Gemäß Figur 1 hat ein hydrostatischer Antrieb 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel eine drehzahlvariabel betreibbare Antriebsmaschine 2, eine damit drehmomentgekoppelte, drehzahlvariabel angetriebene und mit verstellbarem und invertierbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltete Hydromaschine 4 und einen mit dieser in offenem hydraulischem Kreis fluidisch verbundenen, hydraulischen Leistungswandler 6. Letztgenannter ist im Ausführungsbeispiel als Differentialzylinder mit einem Kolbenraum 8 und einem Stangenraum 10 ausgestaltet. Die Räume 8, 10 sind über eine jeweilige Arbeitsleitung 12, 14 mit einem Arbeitsanschluss 16 der Hydromaschine 4 und über eine jeweilige Tankleitung 18, 20 mit einem Tank T fluidisch verbindbar. Die jeweilige Druckmittelverbindung ist dabei über eine individuelle Zumessblende einer Ventilanordnung 22 steuerbar. Eine Steuereinheit 24 ist vorgesehen, über die eine Verstellung einer Drehzahl der Antriebsmaschine 2 und eines Verdrängungsvolumens der Hydromaschine 4 unter Einhaltung wenigstens eines Effizienzkriteriums - im gezeigten Fall ist dies eine Minimierung der Drehzahl und eine Maximierung des Verdrängungsvolumens - bewirkbar ist. Zudem ist eine Erfassungseinheit mit einer Bedienschnittstelle, beispielsweise einem Joystick (nicht dargestellt), mit einer Sensorik zur Erfassung einer Anforderung einer Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Hydrozylinders 6, und mit einer Weg- Erfassungseinrichtung 26 zur Erfassung einer Stellung des Hydrozylinders 6 vorgesehen. Eine Signalverbindung der genannten Komponenten 2, 4, 22, 26 mit der Steuereinheit 24 ist jeweils gestrichelt symbolisiert. Nicht dargestellt sind Drucksensoren an den Zylinderkammern 8 und 10.

Figur 2 zeigt ein Diagramm möglicher Betriebspunkte des Antriebs 1 gemäß Figur 1.

Die Betriebspunkte sind in vier Quadranten dargestellt, und sind jeweils von einem Werte-Tripel aus einem Verdrängungsvolumen Vg der Hydromaschine, sowie einer jeweils vektoriellen Kraft F und Bewegungsgeschwindigkeit v des Hydrozylinders 6 gebildet. Ein Wechsel des Betriebspunktes zwischen den Quadranten 1. und 2., 3. und 2., sowie 4. und 2. ist dabei jeweils mit einem Nulldurchgang des Verdrängungsvolumens Vg, also mit dessen Vorzeichenwechsel, verbunden.

Ein solcher Wechsel kann erfindungsgemäß von der Steuereinheit 24 detektiert und/oder prädiziert werden.

Figur 3 zeigt einen solchen Wechsel, wobei ein Vergleich der erfindungsgemäßen Wirkung der Steuereinheit 24 mit einer konventionell wirksamen Steuereinheit dargestellt ist. Aus Gründen der Energieeffizienz ist zunächst ein großes Verdrängungsvolumen Vg der Hydromaschine 4 eingestellt. Die Soll- Bewegungsgeschwindigkeit v soll des Hydrozylinders 6 ist bestimmungsgemäß hoch. Zum Zeitpunkt t1 ergeht die Anforderung, die Bewegungsgeschwindigkeit v zu senken.

Bei konventionellem Antrieb mit konventioneller Steuereinheit arbeitet diese weiter unter Einhaltung des Effizienzkriteriums, das Verdrängungsvolumen Vg konv möglichst groß zu halten. Dementsprechend bleibt Vg konv erhalten. Um v soll einzuhalten, wird dabei die Drehzahl der Antriebsmaschine 2 verringert (nicht dargestellt). Erst wenn zum Zeitpunkt t2 v soll gleich Null ist und das Vorzeichen von v soll wechselt, eine Anforderung zur Bewegungsumkehr also tatsächlich erfasst ist, beginnt die konventionelle Steuereinheit, die Verringerung des Verdrängungsvolumens Vg konv zu bewirken. Das Problem hierbei ist die relativ lange Zeitspanne t3 - 11 zwischen dem Einleiten des Wechsels der Bewegungsrichtung zum Zeitpunkt t1 und dem tatsächlich stattfindenden Wechsel der Bewegungsrichtung zu einem Zeitpunkt t3. Demgegenüber ermöglicht der erfindungsgemäße Antrieb 1 gemäß Figur 1 und dessen Steuereinheit 24 einen schnelleren Wechsel.

Gemäß Figur 3 ist die Steuereinheit 24 derart ausgestaltet, dass sobald das Absinken von v soll zum Zeitpunkt t1 unter eine Grenzgeschwindigkeit detektiert wird, die Anforderung zum Wechsel der Bewegungsrichtung prädiziert wird. Dann wird unter außer Acht lassen des Effizienzkriteriums das Verdrängungsvolumen Vg reduziert und die Drehzahl der Antriebsmaschine 2 wird entsprechend angehoben, sodass sich weiterhin der gleiche gewünschte hydraulische Betriebspunkt bezüglich Druck und Volumenstrom ergibt. Sinkt die Soll-Bewegungsgeschwindigkeit v soll tatsächlich weiter ab und wird die Bewegungsumkehr tatsächlich angefordert, so ist das Verdrängungsvolumen Vg dann bereits so nahe an seinem Nulldurchgang, und die Drehzahl ist bereits so erhöht, dass der Wechsel bereits zum Zeitpunkt t2, also um t3 - t2 früher, erfolgen kann. Simulationen ergeben auch, dass das Verdrängungsvolumen Vg der Soll-Bewegungsgeschwindigkeit v soll sehr gut folgt. Vorzeichenwechsel von v soll und von Vg finden daher nahezu gleichzeitig statt.

Dieser zeitsparende Effekt tritt nicht nur beim Reduzieren des Verdrängungsvolumens zu Null auf, sondern auch beim Wieder-Ausschwenken in die andere Richtung der Verstellung des Verdrängungsvolumens Vg, da dieses aufgrund der noch hohen Drehzahl zunächst nicht so stark erhöht werden muss, um den gewünschten Betriebspunkt aus Druck und Druckmittelvolumenstrom bereitzustellen. Dies liegt darin begründet, dass eine Verdrängungsvolumenänderung AVg bei hoher Drehzahl n eine größere Volumenstromänderung AQ zur Folge hat, als bei geringerer Drehzahl n.

Die erfindungsgemäße Prädiktion und das erfindungsgemäße Absenken des Verdrängungsvolumens bei gleichzeitiger Erhöhung der Drehzahl bei gleichzeitiger Übersteuerung des Effizienzkriteriums bringt demnach eine verbesserte Dynamik des Antriebs beim Wechsel zwischen den Quadranten mit sich.

Der Ablauf bei einem solchen Wechsel der Bewegungsrichtung soll kurz anhand Figur 1 erläutert werden. Angenommen sei, dass der Flydrozylinder 6 ein Auslegerzylinder ist, von dem ein Ausleger eines Baggers angelenkt ist. Die Beschickung des Bodenraums 8 mit Druckmittel bewirkt somit ein Heben des Auslegers entgegen der Schwerkraft, das Entlassen daraus ein Absenken mit der Schwerkraft. Die Beschickung des Ringraums 10 bewirkt hingegen das aktive Absenken des Auslegers. Weiterhin angenommen sei, dass der Ausleger maximal angehoben und die Schaufel entleert ist, sodass nun ein Absenken des Auslegers mitsamt der Schaufel und ein erneutes Durchziehen im Schüttgut erfolgen soll.

Hierzu erfasst die Steuereinheit 24 das entsprechende Signal vom Joystick und öffnet die Zumessblenden der Ventilanordnung 22 in der Arbeitsleitung 12 und der Tankleitung 20. Diejenigen der Leitungen 18 und 14 bleiben geschlossen. Die Schwerkraft bewirkt das Einfahren des Auslegerzylinders 6 und somit das Kontrahieren des Bodenraumes 8, aus dem Druckmittel über den Arbeitsanschluss 16 und die Hydromaschine 4 in den Tank T entspannt wird. Dabei ist die Hydromaschine 4 an der Antriebsmaschine abgestützt. Gleichzeitig kann der expandierende Ringraum 10 Druckmittel aus dem Tank T über die Tankleitung 20 nachsaugen.

Über den Wegsensor 26 wird nun erfasst, dass der Auslegerzylinder dem Minimalvolumen des Bodenraumes 8 nahekommt oder über eine Überwachungskamera wird erfasst, dass die Schaufel dem Boden nahekommt. Die Steuereinheit 24 prädiziert in Abhängigkeit des erfassten Weges, dass der Scheitelpunkt der Abwärtsbewegung, also deren Minimum (Auslegerzylinder 6 am unteren Anschlag), oder ein erneutes Heben bevorsteht (Wechsel der Bewegungsrichtung). In Abhängigkeit der Überwachungskamera prädiziert sie, dass ein Durchziehen der Schaufel im Schüttgut bevorsteht (Wechsel der Kraftrichtung bei gleicher Bewegungsrichtung).

Die prädizierten Möglichkeiten führen jeweils erfindungsgemäß zur Minimierung des Verdrängungsvolumens und zum Maximierung der Drehzahl unter Vernachlässigung des Effizienzkriteriums, sodass alle drei Möglichkeiten möglichst dynamisch und sicher durchgeführt werden können.

In einem Fall entscheidet sich das Bedienpersonal, durchzuziehen. Dementsprechend werden mit dem Kontakt der Schaufel am Boden über die Steuereinheit 24 der Ringraum 10 mit dem Arbeitsanschluss 16 und der Bodenraum 8 mit dem Tank fluidisch verbunden. Hierzu werden die zuvor geschlossenen Zumessblenden der Leitungen 14 und 18 geöffnet und die zuvor geöffneten Zumessblenden der Leitungen 12 und 20 geschlossen. Gleichzeitig wird das bereits erfindungsgemäß nahe Null eingestellte Verdrängungsvolumen Vg durch Null durchgeschwenkt und unter Maßgabe der gleichbleibenden Bewegungsgeschwindigkeit des Auslegerzylinders 6 wird die Drehzahl der Antriebsmaschine 2 angepasst. Dabei ändert der Druckmittelvolumenstrom am Arbeitsanschluss 16 seine Richtung. Für das Bedienpersonal erfolgt der Wechsel von Absenken auf Durchziehen im Schüttgut, also der Wechsel der Kraftrichtung, komfortabel mit wenig oder keiner Verzögerung.

Im anderen Fall entscheidet sich das Bedienpersonal nicht für einen Wechsel, weder der Bewegungsrichtung noch der Kraftrichtung. Die Schaufel soll nur am Anschlag des Auslegerzylinders 6, also am Scheitelpunkt der möglichen Abwärtsbewegung angehalten werden. Hier offenbart die erfindungsgemäße Lösung der Prädiktion des Scheitelpunktes einen weiteren Vorteil. Nähert sich das Volumen des Bodenraumes 8 seinem Minimum und dreht die Hydromaschine 4 im Motorbetrieb, sodass Druckmittel weiter über den Arbeitsanschluss 16 aus dem Bodenraum 8 abströmt, droht mit Erreichen des Anschlags oder Scheitelpunktes Kavitation, da die Hydromaschine weiterdreht und aus dem Bodenraum Druckmittel ansaugt, bis ihr Verdrängungsvolumen auf Null gestellt ist. Ohne Prädiktion des bevorstehenden Scheitelpunktes und erfindungsgemäßer Einstellung des Verdrängungsvolumens nahe Null, dauert dieses Nachlaufen und Nachsaugen vergleichsweise lange, sodass hierfür konventionell aufwändige Speicherlösungen vorzusehen sind, um Kavitation zu verhindern. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann - wie dargelegt - die Zeitspanne bis Erreichen des Null Verdrängungsvolumens stark verkürzt werden. Somit können die genannten Speicherlösungen entfallen oder die Speicher können bedeutend kleiner ausfallen.

Die Figuren 4 bis 6 zeigen eine Auswahl möglicher Profile des Soll- Verdrängungsvolumens Vg der Hydromaschine 4 in Abhängigkeit der Soll- Bewegungsgeschwindigkeit v des Leistungswandlers 6 des Antriebes 1 gemäß Figur 1. Diese Profile können in der Steuereinheit 24 als bei prädiziertem Scheitelpunkt oder Wechsel anwendbar abgelegt sein. Dabei kann zur Vereinfachung von einer konstanten Änderung einer Volumenstromanforderung ausgegangen werden. Zudem sind der Betrag der Soll-Geschwindigkeit v und der Betrag des Soll-Verdrängungsvolumens Vg gezeigt. Dabei kann die in Figur 3 gezeigte Verdrängungsvolumenführung in Abhängigkeit der aktuellen oder der Soll-Bewegungsgeschwindigkeit des Hydrozylinders 6 durch die Profile beschrieben werden. Mit einem Profil gemäß Figur 4 bleibt das Verdrängungsvolumen möglichst lange, also auch noch bei geringer Geschwindigkeit, hoch. Jedoch resultiert aus dem unstetigen Übergang von einem konstanten zu einem linear fallenden Wert das Problem, dass auch die Drehzahl eine Unstetigkeit aufweisen müsste. Ein solcher Verlauf der Drehzahl kann ggf. unerwünscht sein.

Gemäß Figur 5 ist ein hyperbelförmiges Profil bei prädiziertem Wechsel gegeben. Dies ermöglicht zwar einen linearen Verlauf der Drehzahl, jedoch ist der Verlauf des Soll- Verdrängungsvolumens Vg für kleine Geschwindigkeiten v sehr steil abfallend. Dies hat ggf. zur Folge, dass das tatsächliche Ist-Verdrängungsvolumen nicht schnell genug folgen kann.

Gemäß Figur 6 ist ein Profil als Kombination aus den vorherigen beiden Profilen gewählt. Es zeichnet sich durch einen hyperbelähnlichen Verlauf und eine reduzierte Steigung bei geringen Soll-Geschwindigkeiten v aus. Somit kann das tatsächliche Ist- Verdrängungsvolumen jeder Zeit folgen und der Verlauf der Drehzahl ist nahezu stetig.

Alternativ zur dargestellten Soll-Bewegungsgeschwindigkeit v des Leistungswandlers 6 kann auf der X-Achse der Profile gemäß den Figuren 4 bis 6 eine andere repräsentative Größe des Leistungswandlers 6, wie beispielsweise ein Volumen von dessen Arbeitsraum 8 oder 10 (vgl. Figur 1) oder ein Weg des Hydrozylinders 6 oder dergleichen aufgetragen sein.

Figur 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Steuern eines hydrostatischen Antriebes, wie er in Figur 1 gezeigt ist. Zunächst erfolgt ein Schritt 110 „Erfassen der Anforderung der Bewegungsrichtung und der Bewegungsgeschwindigkeit v soll und der Kraftrichtung des Leistungswandlers 6; 106“ über die Steuereinheit 24, beziehungsweise über deren Sensorik. In Abhängigkeit davon und wenigstens eines Effizienzkriteriums des Antriebs 1 bewirkt die Steuereinheit 24 einen Schritt 112 „Verstellung der Drehzahl n der Antriebsmaschine 2 oder des Verdrängungsvolumens Vg der Hydromaschine 4, oder der Beiden n, Vg“. In Abhängigkeit einer fortwährenden Überwachung der angeforderten Bewegungsgeschwindigkeit v soll auf Unterschreiten einer Grenzgeschwindigkeit erfolgt über die Steuereinheit ein Schritt 114 „Prädizieren eines Scheitelpunktes oder Wechsels der Bewegungsrichtung und/oder der Kraftrichtung“. Mit dieser Prädiktion erfolgt dann ein Schritt 116 „Übersteuern des Effizienzkriteriums“, sodass im Schritt 118 in Abhängigkeit des prädizierten Scheitelpunktes oder Wechsels und bei übersteuertem Effizienzkriterium ein „Erhöhen der Drehzahl n und Verringern des Verdrängungsvolumens Vg“ über die Steuereinheit 24 erfolgt.

Offenbart ist ein verdrängergesteuerter Antrieb mit einem drehzahlvariabel betreibbaren, hydrostatischen Verdränger und einem davon im offenen hydraulischen Kreis mit Druckmittel versorgbaren hydrostatischen Leistungswandler, wobei der Antrieb über eine Steuereinheit wirkungsgradoptimiert steuerbar ist und über die Steuereinheit erfindungsgemäß ein Scheitelpunkt oder Richtungswechsel, bezüglich Bewegung und/oder Kraft, des Leistungswandlers prädizierbar und bei prädiziertem Scheitelpunkt oder Richtungswechsel eine Absenkung des Verdrängungsvolumens der Hydromaschine und eine Erhöhung von deren Drehzahl bewirkbar ist.

Offenbart ist weiterhin ein Verfahren zur Steuerung des Antriebs, wobei eine Anforderung der Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit und der Kraftrichtung erfasst wird, das Verstellen der Drehzahl und des Verdrängungsvolumens in Abhängigkeit der Anforderung wirkungsgradoptimiert bewirkt wird und ein Scheitelpunkt oder Wechsel der Bewegungsrichtung und/oder Kraftrichtung prädiziert wird.

Bezugszeichenliste

1 hydrostatischer Antrieb

2 Antriebsmaschine

4 Hydromaschine

6; 106 hydrostatischer Leistungswandler 8, 10 hydrostatischer Arbeitsraum 12, 14 Arbeitsleitung 16 Arbeitsanschluss

18, 20 Tankleitung 22 Ventilanordnung 24 Steuereinheit 26 Weg-Erfassungseinrichtung 110 Erfassen Anforderung 112 Bewirken Verstellung Drehzahl und Verdrängungsvolumen 114 Prädiktion Scheitelpunkt/Wechsel 116 Übersteuern Effizienzkriterium 118 Bewirken Verstellung Drehzahl und Verdrängungsvolumen