DE3329347C2 - Elektro-hydraulische Betätigungsvorrichtung für ein stetig verstellbares Ventil - Google Patents

Abstract

Eine elektro-hydraulische Betätigungsvorrichtung für ein stetig verstellbares Stellventil weist einen Regler auf, der in Abhängigkeit von der Regelabweichung ein Fehlersignal (F3) abgibt. Zwei je einer Verstellrichtung zugeordnete Komparatoren geben beim Überschreiten ihres Grenzwerts durch das Fehlersignal ein Ausgangssignal zur Ansteuerung einer Magnetventile aufweisenden Steuerventilanordnung an. Das Fehlersignal (F3) wird durch eine Wechselspannung mit wenigstens einer geneigten Flanke gebildet, deren Mittelwert (M) von der Regelabweichung abhängig ist und deren halbe Periodendauer größer ist als die Reaktionszeit der Magnetventile.

Description

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Masse hat, erfolgt die Positionierung trotzdem in einer F i g. 2 eine erste Kurvenform des Fehlersignals,

gleichmäßigen Bewegung. F i g. 3 das Fehlersignal der F i g. 2 bei positiver Re-

AIs zweckmäßig hat sich eine Frequenz der Wechsel- gelabweichung,

spannung von 30 bis 50 Hz erwiesen. Insbesondere soll- F i g. 4 das Fehlersignal der F i g. 2 bei negativer Re-

te sie etwa 40 Hz betragen, was einer Periodendauer 5 gelabweichung,

von etwa 25 ms entspricht F i g. 5 eine abgewandelte Form des Fehlersignals,

Die doppelte Amplitude der Wechselspannung ist F i g. 6 eine nochmals abgewandelte Form des Fehlervorzugsweise höchstens etwas kleiner als die Differenz signals,

zwischen dem Komparator-Grenzwerten. Das bedeu- F i g. 7 Zeitdiagramme des Fehlersignals (A), des Aus-

tet, daß schon kleine Regelabweichungen zu einer An- io gangssignals eines !Comparators ^SPJS, der Ankerbewe-

steuerung uvr Steuerventilanordnung führen. Die Posi- gung des Magnetventils (C)und der Stellung eines Paars

tion des Stellventils läßt sich daher mit großer Genauig- der Brückenventile (D),

keit aufrechterhalten und dadurch beispielsweise die F i g. 8 in einem Diagramm die Position des Stellven-

Drehzahl eines mit dem Stellventil gesteuerten Motors tils in Abhängigkeit von dem Sollwert und

konstant halten. 15 F i g. 9 in einem Diagramm die zum Motor strömende

Ein weiteres Problem bei bekannten Stellventilen ist Menge in Abhängigkeit vom Sollwert

das Vorhandensein einer Hysterese beim Positionieren. Bei dem Schaltbild nach F i g. 1 fördert eine Pumpe 1

Ein und derselbe Sollwert führt zu unterschiedlichen aus einem unter Atmosphärendruck stehenden Behälter

Positionen, je nachden von welcher Seite die betreffen- 2 Druckmittel über eine Leitung 3 und ein Stellventil 4

de Position angefahren wird. 20 zu einem hydraulischen Arbeitsmotor 5, von wo das

Dieses Problem läßt sich ganz oder teilweise dadurch Druckmittel über das Stellventil 4 und eine Ablauflei-

lösen, daß die Wechselspannung eine solche Amplitude tung 6 zum Behälter 2 zurückkehrt

und Form hat, daß bei Abweichungen der Gleichspan- Das Stellventil weist einen Schieber 7 auf. Seinen bei-

nung vom Mittelwert der Komparator-Grenzwerte um den Stirnflächen ist je eine Betätigungsdruckkammer 8

höchstens 12,5% der Differenz dieser Komparator- 25 und 9 zugeordnet, in welchen sich auch Neutralstel-

G renzwert jeweils mindestens ein Grenzwert für länge- lungsfedem IO und U befinden. Anschlagringe 12 und

re Zeit als die Reaktionszeit der Magnetventile über- 13 gewährleisten, daß jede Neutralstellungsfeder nur

schritten wird. Während bisher keine Abweichung des auf einer Seite der Neutralstellung wirksam ist

Fehlersignals aus der genannten Mittellage um 50% der Die Ist-Stellung des Kolbens 7 wird mittels einer

Differenz der Komparator-Grenzwerte erforderlich 30 Meßvorrichtung 14 festgestellt und über eine Signallei-

war, um ein Magnetventil umzuschalten, genügen nun- tung 15 an einen Regler 16 gegeben. Ein Sollwert, der

mehr wesentlich geringere Verschiebungen der Wech- mittels einer Einstellvorrichtung 17 vorgegeben werden

selspannung, um ein Magnetventil, allerdings nur kurz- kann, wird über eine Signalleitung IS an den Regler

zeitig, zu betätigen. Da demnach das Stellventil dem geleitet. An den Regler ist ferner ein Oszillator 19 ange-

Sollwert sehr genau nachgeführt werden kann, ist es 35 schlossen, der eine Wechselspannung erzeugt Über ei-

gleichgültig, von welcher Seite her die betreffende Posi- ne Signalleitung 20 wird daher ein Fehlersignai Fabge-

tion angefahren wird. geben, das von der Regelabweichung und dieser Wech-

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die selspannung abhängt, wie es später noch näher erläutert

Wechselspannung eine Dreieckspannung, deren dop- wird.

pelte Amplitude erheblich größer ist a!s die Differenz 40 Zwei Komparatoren 21 und 22 vergleichen das Fehder Komparator-Grenzwerte. Man kann es beispiels- lersignal mit ihrem Grenzwert. Wird dieser Grenzwert weise erreichen, daß grundsätzlich in jeder Periode der beim Komparator 21 nach oben und beim Komparator g Wechselspannung wenigstens eines der beiden Magnet- 22 nach unten überschritten, gibt der nachgeordnete % ventile betätigt wird. In einem solchen Fall würde in der Verstärker 23 bzw. 24 ein Ausgangssignal S1 bzw. 52 ή Ruhestellung abwechselnd das eine und das andere Ma- 45 an ein zugehöriges Magnetventil 25 bzw. 26 ab. Im vor- ^! gnetventil betätigt, so daß das Stellventil praktisch in liegenden Fall ist die Schaltung so getroffen, daß die ; einer vorgegebenen Lage stillsteht. Magnetventile normalerweise erregt sind, also offenste- ;a Stattdessen kann die Wechselspannung auch eine hen, und beim Auftreten eines Ausgangssignals entregt f · Trapezspannung sein, deren doppelte Amplitude annä- werden und schließen.

* hemd der Differenz der Komparator-Grenzwerte ent- 50 Eine Ventilbrücke 27 weist vier Brückenventile 28,29,

|) · spricht. Hiermit wird erreicht, daß die den Magnetventi- 30 und 31 auf. Der Diagonalpunkt 32 ist über ein Druck-

[■; Isn zugeführten Ansteuersignale nur dann abgegeben regelventil 33 und eine Leitung 34 mit der Druckleitung

j| werden, wenn sie eine bestimmte Mindestdauer haben. 3 der Pumpe 1 verbunden. Der Diagonalpunkt 35 steht

ä? Die Magnetventile werden daher weniger oft angesteu- mit dem Behälter 2 in Verbindung. Der Diagonalpunkt

Si ert und daher weniger stark abgenutzt. 55 36 führt über eine Leitung 37 zur Betätigungsdruckkam-

i:' Insbesondere sollte die Zeitdauer konstanter Ampli- mer 8. Der Diagonalpunkt 38 führt über eine Leitung 39

|ΐ tude etwa der Reaktionszeit der Mangetventile entspre- zur Betätigungsdruckkammer 9.

p:^; chen und die doppelte Amplitude etwas kleiner sein als Vom Magnetventil 25 geht eine Steuerdruckleitung

Γ die Differenz der Komparator-Grenzwerte. In diesem 40 zu den Stellgliedern der einander gegenüberliegen-

|; Fall wird ein Ansteuerimpuls nur abgegeben, wenn der 60 den Brückenventile 28 und 30. Diese Leitung ist über

άί auch eine ausreichend grnßp Läng? zur Betätigung des eine Drosss! 41 mit der Niedsrdruckseits verbunden.

fe? Magnetventils hat. Die Betätigungshäufigkeit ist ent- Vom Magnetventil 26 geht eine Druckleitung 42 aus, die

sprechend gering. zu den Stellgliedern der einander gegenüberliegenden

] Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeich- Brückenventile 29 und 31 führt. Diese Druckleitung ist

nung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele 65 über eine Drossel 43 mit der Niederdruckseite verbun-

näher erläutert. Es zeigt den. Wenn die Magnetventile 25, 26 erregt und daher

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild eines Stellventils geöffnet sind, führen die zugehörigen Druckleitungen

mit Betätigungsvorrichtung, 40 bzw. 42 Druck und die damit verbundenen Brücken-

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ventile sind geschlossen. Schließt dagegen das eine oder den. Die Zahl der Betätigungshübe der Magnetventile das andere Magnetventil unter dem Einfluß des Aus- ist verhältnismäßig klein.

gangssignals Sl, S2, so baut sich der Druck in den In Fig.7 ist in der Zeile A veranschaulicht, wie das »

Druckleitungen 40, 42 über die Drossel 41, 43 ab. Die Fehlersignal F3 den oberen Grenzwert G 1 überschreidavon gesteuerten Brückenventile öffnen. Bei geöffne- 5 tet. ι

tem Brückenventil fließt Druckmittel in die eine Betäti- In der Zeile B ist das zugehörige Ausgangssignal S1

gungsdruckkammer, während Druckflüssigkeit aus der dargestellt, das durch die Stromlücken des Erreger- [y, anderen Druckmittelkammer zum Behälter 2 abfließt. Stroms für das Magnetventil 25 gebildet ist. In der Zeile ti! Hierdurch wird der Schieber 7 verstellt. C ist der Betätigungszustand des Magnetventils 25 ver- h

In den F i g. 2 bis 4 ist eine erste Ausführungsform des io anschaulicht; das Magnetventil folgt dem Ausgangssi-Fehlersignals Fin Form einer Dreieckspannung F1 ver- gnal mit Verzögerung. Es ergibt sich eine Reaktionszeit , anschaulicht. Dieses Fehlersignal entsteht durch Über- Γ4. In Zeile D ist der Betätigungszustand der Brückenlagerung einer Gleichspannung M, die gleich der Regel- ventile 28 und 30 dargestellt. Deren Betätigung erfolgt abweichung ist oder von ihr abhängt, und einer konstan- gegenüber den Magnetventilen nochmals mit Verzöge- ' ten Dreieckspannung, welche der Oszillator 19 liefert 15 rung. Es ergibt sich eine zweite Reaktionszeit T5. ^, Die Amplitude dieser Dreieckspannung ist so gewählt, In F i g. 8 ist über einer Sollwertspannung Us, die bei daß der Kurvenzug in der in Fig.2 veranschaulichten der Einstellvorrichtung 17 eingeführt wird, die Stellung Neutralsteliung gerade in das Fenster zwischen den sdes Schiebers veranschaulicht, der aus der Neutralstel-Grenzwerten Gl des Komparators 21 und G 2 des lung O einerseits bis in eine positive Endstellung +s_c !Comparators 22 paßt. Die doppelte Amplitude der 20 bzw. in eine negative Endstellung —s_c verstellt werden Dreieckspannung ist daher gleich der Differenz zwi- kann. Die entsprechende Kurve I ist praktisch geradlisehen den Komparator-Grenzwerten. Die Frequenz des nig und weist keine Hysterese auf. Fehlersignals Fl liegt bei etwa 40 Hz. Die Periodendau- In F i g. 9 ist die zum Motor 5 strömende Druckflüser T1 ist daher etwa 25 ms. sigkeitsmenge Q über der Soilwertspannung Us veran-

Wenn eine positive Regelabweichung auftritt, wie es 25 schaulicht Der Kurvenast II gilt für eine Aussteuerung in F i g. 3 veranschaulicht ist überschreiten die oberen des Schiebers 7 in der einen Richtung, der Kurvenast III Spitzen des Fehlersignals Fl den oberen Grenzwert für die Ansteuerung in der anderen Richtung. Auch hier G 1, so daß während der Zeitdauer T2 ein Ausgangssi- werden die Kurvenäste praktisch ohne Hysterese hin gnal S1 auftritt Ist dieses Signal langer als die Reak- und zurück durchlaufen. Die Kurvenformen der F i g. tionszeit des Magnetventils 25, so schließt dieses, wird 30 und 9 lassen sich mit den Fehlersignalen F2 und F3 ·

aber unmittelbar darauf wieder geöffnet. Auch die züge- erreichen. ]

hörigen Brückenventile 28 und 30 werden nur kurzzeitig Die Wechselspannungen können auch von den veran-

geöffnet Entsprechend klein ist die der Betätigungs- schaulichten Formen abweichen und beispielsweise Sädruckkammer 8 zugeführte Druckflüssigkeitsmenge. gezahnform oder Trapezform und unterschiedlich ge-Dieser Vorgang wiederholt sich gegebenenfalls mehr- 35 neigte Flanken haben. '■'"■■

mais bis das Ausgangssignal S1 eine so kurze Dauer ;;.;■

erhalten hat daß das Magnetventil 25 nicht mehr Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

schließt Entsprechende Verhältnisse ergeben sich für ^

das Magnetventil 26, wenn eine negative Regelabweichung vorhanden ist wie es in F i g. 4 dargestellt ist

Das Fehlersignal F2 in F i g. 5 unterscheidet sich von denjenigen der Fig.2 bis 4 dadurch, daß die doppelte Amplitude erheblich größer ist als die Differenz zwischen den Kömparator-Grerizwerten G1 und G 2. Auf ^: diese Weise ist dafür gesorgt daß immer oder schon bei ganz kleinen Regelabweichungen die Zeitdauer 7"2 des Ausgangssignals Sl bzw. S 2 größer ist als ihre Reaktionszeit der Magnetventile 25, 26 und daher schon bei kleinen Regelabweichungen eine sofortige Korrektur der Position des Schiebers 7 erfolgt Dies kann dazu führen, daß in der Neutralstellung die beiden Magnetventile 25 und 26 abwechselnd betätigt werden mit der Folge, daß der Schieber 7 seine Position beibehält Auf diese Weise läßt sich praktisch auch eine Hysterese bei der Positionierung des Schiebers 7 vermeiden.

Das Fehlersignal F3 in F i g. 6 hat Trapezform. Die doppelte Amplitude ist geringfügig kleiner als die Differenz zwichen den Komparator-Grenzwerten G1 und G 2, beispielsweise um 5 bis 20% kleiner. Es genügen daher schon Regelabweichungen zwischen 2^ und 10% dieser Differenz, damit das Fehlersignal F3 den einen oder den anderen Grenzwert überschreitet Der konstante Abschnitt der Amplitude hat eine Zeitdauer 77? 3, die etwa der Reaktionszeit der Magnetventile entspricht Die Ausgangssignale Sl und S 2 haben daher grundsätzlich eine Zeitdauer, die ausreicht um das Magnetventil in den Schließzustand zu bringen. Auch hiermit wird eine Hysterese praktisch vollständig vermie-

Claims (7)

1 2 druckseite verbindbar sind, mit einem Regler, der in Patentansprüche: Abhängigkeit von der Regelabweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert der Ventilstellung ein Fehler-

1. Elektro-hydraulische Betätigungsvorrichtung signal abgibt und mit zwei je einer Verstellrichtung zufür ein stetig verstellbares Steilventil, dessen Betäti- 5 geordneten Komparatoren, die beim Oberschreiten ihgungsdruckkammern mit Hilfe je einer Magnetven- res Grenzwertes durch das Fehlersignal ein Ausgangssitile aufweisenden Zwei-Stellungs-Steuervehtilan- gnal zur Ansteuerung der zugehörigen Steuerventilanordnung für jede VersteHrichtung entweder ab- Ordnung abgeben.

sperrbar oder mit der Druckseite bzw. Niederdruck- Bei einer bekannten Betätigungsvorrichtung dieser seite verbindbar sind, mit einem Regler, der in Ab- 10 Art (DE-OS 26 45 768) sind die beiden Betätigungshängigkeit von der Regelabweichung zwischen dem druckkammern an zwei Diagonalpunkte einer Ventil-Sollwert und dem Istwert der Ventilstellung ein Feh- brücke angeschlossen, deren andere Diagonalpunkte lersignal abgibt und mit zwei je einer Verstellrich- mit der Druckversorgung bzw. dem Behälter verbunden tung zugeordneten Komparatoren, die beim Über- sind. In den Brückenzweigen liegen je ein Schaltventil, schreiten ihres Grenzwertes durch das Fehlersignal 15 das durch hydrostatischen Druck betätigbar ist Das ein Ausgangssignal zur Ansteuerung, der zugehöri- Fehlersignal ist gleich der Regelabweichung. Wenn eigen Steuerventilanordnung abgeben, dadurch ner der Komparatoren, die je für eine Betätigungsrichge.kennzeichnet, daß das Fehlersignal (F, Fi, tung vorgesehen sind, anspricht, wird ein Magnetventil F2, F3) durch eine von der Regelabweichung ab- entregt und dadurch geschlossen. Dies bewirkt ein Abhängige Gleichspannung (M) und eine ihr überlager- 20 senken des hydrostatischen Drucks bei zwei einander te Wechselspannung mit wenigstens einer geneigten gegenüberliegenden Brückenventilen. Diese öffnen, so Flanke gebildet ist, deren halbe Periodendauer (Tl) daß das Ventil sich in einer Betätigungsrichtung verlagrößer ist als die Reaktionszeit (T4) der Magnetven- gern kann. Durch die Ventilverstellung ändert sich der tile (25,26). Druckflüssigkeits-Zufluß zu einem hydraulischen Mo-

2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, da- 25 tor. Dessen Drehzahl ist daher von der Ventilstellung durch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wech- abhängig.

selspannung 30 bis 50 Hz, vorzugsweise etwa 40 Hz, Im Betrieb hat sich gezeigt, daß die Bewegung des

beträgt. stetig verstellbaren Ventils, wenn eine Regelabwei-

3. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder chung ausgeglichen werden sollte, nicht kontinuierlich 2, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelte Ampli- 30 sondern schrittweise erfolgte. Dies ist insbesondere bei tude der Wechselspannung höchstens etwas kleiner der Steuerung eines hydraulischen Motors nachteilig, als die Differenz zwichen dem Komparator-Grenz- weil dann auch dessen Drehzahl sich jeweils sprunghaft wert (Gi, G 2) ist. ändert. Selbst wenn nur kleine, aufgrund von Leckverlu-

4. Betätigungsvorrichtung nach einem der An- sten unvermeidliche Verstellungen des Ventils korrisprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die 35 giert werden müssen, erfolgen diese sprunghaft, so daß Wechselspannung eine solche Amplitude und Form sich die Motordrehzahl nicht konstant halten läßt.

hat, daß bei Abweichungen der Gleichspannung (M) Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ßetä-

vom Mittelwert der Komparator-Grenzwerte (G 1, tigungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art an-

G 2) um höchstens 12,5% der Differenz dieser Korn- zugeben, die eine von Sprüngen weitgehend freie Bewe-

parator-Grenzwerte jeweils mindestens ein Grenz- 40 gung des stetig verstellbaren Ventils ermöglicht,

wert für längere Zeit als die Reaktionszeit (TA) der Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

Magnetventile (25,26) überschritten wird. daß das Fehlersignal durch eine von der Regelabwei-

5. Betätigungsvorrichtung nach einem der An- chung abhängige Gleichspannung und eine ihr überlasprüche 1,2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gerte Wechselspannung mit wenigstens einer geneigten Wechselspannung eine Dreieckspannung ist, deren 45 Flanke gebildet ist, deren halbe Periodendauer größer doppelte Amplitude erheblich größer ist als die Dif- ist als die Reaktionszeit der Magnetventile.

ferenz der Komparator-Grenzwerte. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die

6. Betätigungsvorrichtung nach einem der An- sprunghafte Bewegung des stetig verstellbaren Ventils Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die darauf zurückzuführen ist, daß die Steuerventilanord-Wechselspannung eine Trapezspannung ist, deren 50 nung eine Reaktionszeit (im bekannten Fall etwa b ms doppelte Amplitude annähernd der Differenz der für das Magnetventil und 2 ins für die Brückenventile, Komparatorgrenzwerte entspricht. insgesamt also 8 ms) aufweist und daher der Schieber

7. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, da- des Stellventils erst mit Verzögerung angehalten wird, durch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer (T3) kon- Durch Verwendung des Wechselspannungs-Fehlersistanter Amplitude etwa der Reaktionszeit (T4) der 55 gnals sprechen die Komparatoren nicht erst an, wenn Magnetventile (25, 26) entspricht und die doppelte die Regelabweichung die zulässige Bandbreite überAmplitude etwas kleiner ist als die Differenz der schreitet, sondern sehr viel früher, wenn nämlich die Komparator-Grenzwerte (G i,G 2). Amplitude der Wechselspannung den Komparator-

Grenzwert übersteigt. Dies wirkt sich auf das Stellventil 60 aus, wenn die Überschreitungszeit mindestens gleich

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Normalerweise ist die Betätigungsdauer kurz; sie endet

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektro-hydrauli- noch in derselben Halbperiode der Wechselspannung,

sehe Betätigungsvorrichtung für ein stetig verstellbares Insgesamt ergibt sich eine Ansteuerung der Magnetven-

Stellventil, dessen Betätigungsdruckkammern mit Hilfe 65 tile durch breitenmodulierte Impulse. Diese führen zwar

je einer Magnetventile aufweisenden Zwei-Stellungs- zu einer pulsierenden Druckbeaufschlagung der Betäti-

Steuerventilanordnung für jede VersteHrichtung entwe- gungsdruckkammern des Stellventils. Da aber der

der absDerrbar oder mit der Druckseite bzw. Nieder- Schieber des Stellventils eine verhältnismäßig große