DE10007215A1

DE10007215A1 - Elektrisch ansteuerbarer Stellantrieb

Info

Publication number: DE10007215A1
Application number: DE2000107215
Authority: DE
Inventors: Georg Winkes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2001-08-23
Also published as: DE50012076D1; EP1126182A2; EP1126182B1; EP1126182A3

Abstract

Es wird ein elektrisch ansteuerbarer Stellantrieb vorgeschlagen, der mit einem Bedienelement (1) zum Einlesen eines Sollwertes (u) in eine elektronische Steuerschaltung (2) und einem elektromechanischen Wandler (3) zur Ansteuerung eines mechanischen Stellgliedes (4, 5) versehen ist. Die elektronische Steuerschaltung (2) enthält eine Sollwertdämpfungsschaltung (10), mit der eine Begrenzung der Verstellgeschwindigkeit bei einer Sollwertänderung durchführbar ist und ggf. eine logische Abfrageschaltung (16), mit der vor allem auch geprüft wird, ob als Sollwert (u) vom Bediener des Bedienelements (1) der Wert "Null" vorgegeben wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen elektrisch ansteuerbaren Stellantrieb, insbesondere für hydraulische oder pneuma tische Stellglieder, die mit einem von einer Bedienungs person manuell veränderbaren Sollwert beaufschlagt wer den, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es werden beispielsweise in Fahrzeugen oder sonstigen mo bilen Arbeitsmaschinen häufig elektrisch-proportional an gesteuerte Hydraulikventile eingesetzt. Hierbei wird in der Regel die Sollwertvorgabe für das Hydraulikventil ma nuell dadurch realisiert, dass der Fahrer durch Betätigen entsprechender Bedienelemente, z. B. ein Joystick, ein He bel oder ein vergleichbares Element, die Ansteuerung der Hydraulikventile elektrisch ferngesteuert vornimmt. Es wird dann der über das Bedienelement mittels einer Elek tronik eingelesene Sollwert durch digitale Verarbeitung- in einem Elektroniksteuergerät aufbereitet und dient dann als Sollwertsignal für die entsprechenden Endstufen, welche die elektromechanischen Wandler der Hydraulikventile speisen.

Diese für sich gesehen bekannte elektronische Aufberei tung dient der Beeinflussung der statischen Übertra gunseigenschaften des Stellantriebs, z. B. der zur Kennli nienbeeinfussung oder zur Erzeugung einer Zoomfunktion. Eine vergleichbarer Stellantrieb ist beispielsweise in der Firmendruckschrift von Götz, Lackmann, "Elektrohy draulische Regelungstechnik in Theorie und Praxis", 1987, Robert Bosch GmbH, Seiten 6 bis 9, beschrieben.

Besonders bei der Betätigung des Stellantriebs über leichtgängige Bedienelemente kann es durch Rückkopplungs effekte zu Schwingungen im Stellantrieb kommen. Wird bei spielsweise das Hydraulikventil in einem Fahrzeug einge setzt bei dem die vorgegebenen Funktion, die gesteuert werden soll, das Fahrzeug mit einer mechanischen Kraft belastet und diese von der Betätigung des Hydraulikven tils oder deren zeitlichen Verlauf abhängig ist, so führt eine Änderung der Ventilbetätigung zu einer Änderung des Belastungszustands des Fahrzeugs. Wenn dadurch z. B. die Fahrzeugachsen belastet werden, so kann es zu einer Bewe gung des Aufbaus des Fahrzeugs kommen. Diese Bewegung überträgt sich auf das manuell betätigbare Bedienelement und verursacht eine Änderung des Sollwerts. Hierdurch kann sich die Ursache, also die Kraftwirkung auf das Fahrzeug, weiter verstärken und stellt somit eine Rück kopplung, die zu einer Schwingung führt, dar.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs erwähnte elektrisch ansteuerbare Stellan trieb mit einem Bedienelement zum Einlesen eines Sollwer tes in eine elektronische Steuerschaltung und einem elek tromechanischen Wandler zur Ansteuerung eines mechanischen Stellgliedes ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die elektronische Steuerschaltung eine Sollwertdämpfungsschaltung enthält, mit der eine Be grenzung der Verstellgeschwindigkeit bei einer Sollwer tänderung durchführbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sollwert dämpfungsschaltung am Eingang eine Summenpunktschaltung und am Ausgang einen Integrator auf, die zusammen als PT1-Element (Verzögerungsglied 1. Ordnung) bezeichnet werden. Hierbei erhält die Summenpunktschaltung an einem positiven Eingang das Sollwertsignal des Bedienelements und an einem negativen Eingang das rückgekoppelte Aus gangssignal des nachgeschalteten Integrators. Zur Begren zung der Verstellgeschwindigkeit der Sollwertänderung ist erfindungsgemäß zwischen die Summenpunktschaltung und den Integrator die Begrenzerschaltung geschaltet.

Mit der Erfindung ist es somit auf einfache Weise mög lich, zur Sollwertdämpfung gleichzeitig eine Tiefpassfil terung und eine Begrenzung der maximalen Änderungsge schwindigkeit des Sollwertsignals durchzuführen. Hierzu wird das zuvor erwähnte modifizierte PT1-Element einge setzt, das in die elektronische Steuerschaltung implemen tiert ist. Die Schaltungsbausteine lassen sich hierbei auch ohne großen zusätzlichen Aufwand durch eine Verände rung der Softwarestruktur der in der Regel digitalen elektronischen Steuerschaltung realisieren.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Ausgang der Begrenzerschaltung und dem Integrator eine logische Abfrageschaltung ange ordnet, die an weiteren Eingängen mit dem Sollwertsignal und dem Ausgangssignal des Integrators beaufschlagt ist. Mit dieser Ausführungsform kann erreicht werden, dass für den Fall, dass das Sollwertsignal gleich "Null" ist und das Ausgangssignal des Integrators ungleich "Null" ist, das Ausgangssignal der logischen Abfrageschaltung auf den oberen Wert (für x < 0) oder auf den unteren Wert (für x < 0) des Begrenzers gesetzt ist.

In der zuvor beschriebenen logischen Abfrageschaltung wird somit vor allem auch geprüft, ob als Sollwert der Wert "Null" vorgegeben wird. Ist dies der Fall, so möchte der Bediener die Bedienfunktion möglichst schnell beenden und somit ist es sinnvoll, den Ausgang der Steuerschal tung dann mit der maximalen Geschwindigkeit auf den Null wert zurückzustellen. Im anderen Fall lässt die Abfrage schaltung das Ausgangssignal der Begrenzerschaltung zum Integrator passieren.

Bei einer erweiterten Schaltung kann auch zwischen die Summenpunktschaltung und die Begrenzerschaltung ein Bau stein zur Beeinflussung der Einstellzeit, z. B. Multipli kation mit einem konstanten Faktor, angeordnet werden.

Gute Ergebnisse lassen sich mit der erfindungsgemäßen Schaltung erzielen, wenn die Stellglieder hydraulische oder pneumatische Ventile in mobilen Arbeitsmaschinen, z. B. Stapler oder ähnliche Fahrzeuge sind, wobei hier das digitale elektronische Steuergerät auch in die Schaltung der Ventilelektronik implementiert sein kann.

Die vorgeschlagenen Methode zur Sollwertdämpfung ist vor allem deswegen vorteilhaft, da hiermit Schwingungen durch den einleitend beschriebenen Rückkopplungsmechanismus, bei dem eine Änderung der Ventilbetätigung zu einer Ände rung des Belastungszustands eines Fahrzeugs mit einem Einfluss auf die Sollwertgröße führt, nahezu vollständig unterbunden werden.

Das Ansprechverhalten bei einer Betätigung des Bedienele ments ist für das Bedienungspersonal der Fahrzeuge sehr angenehm, da die Reaktion auf beabsichtigte Sollwertände rungen unmittelbar erfolgt. Durch die Begrenzung der Ver stellgeschwindigkeit werden kritische Beschleunigungen oder Verzögerungen der Last auf dem Fahrzeug vermieden und bei einer Annäherung an den gewünschten Sollwert wird dieser im Idealfall mit abnehmender Geschwindigkeit und endlicher Beschleunigungsänderung, also ohne einen Ruck, erreicht.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die dämpfen de Wirkung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung im wesentlichen auf der Tiefpasseigenschaft des PT1-Elements beruht. Durch die wirksame Amplitudenabsenkung im Bereich der möglichen Schwingungseigenfrequenzen des Gesamtsy stems wird ein stabiles Verhalten bei der Bedienung eines Stellantriebs in einem Mensch-Maschine-System erreicht.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrisch steuerbaren Stellantriebs wird anhand der Zeichnung er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Grundaufbaus eines mit einem Sollwertsteller steuerbaren hydraulischen Stellantriebs und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Sollwertdämpfungs schaltung als Bestandteil einer elektronischen Steu erschaltung für den Stellantrieb.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild gezeigt, das den Schaltungsaufbau für die Betätigung eines hydraulischen Stellventils zur Ausführung mechanischer Bewegungen in einer mobilen Arbeitsmaschine, z. B. ein Stapler oder ein ähnliches Fahrzeug, zeigt, wobei der Grundaufbau aus dem eingangs erwähnten Stand der Technik bekannt ist.

Zur Erzeugung eines Sollwerts ist ein Bedienelement 1, z. B. ein Joystick oder dgl., vorhanden und in einer elek tronischen Steuerschaltung 2 werden entsprechende Signa le, vorzugsweise Digitalsignale, erzeugt, mit denen ein elektromechanischer Wandler beaufschlagt wird. Der Aus gang des elektromechanischen Wandlers wirkt hier auf den Ventilkolben eines Hydraulikventils 3, mit dem eine Last 6 mechanisch steuerbar ist.

Das hier nicht dargestellte Fahrzeug wird durch die An steuerung des Hydraulikventils 3 mit einer mechanischen Kraft belastet, welche von der Betätigung des Bedienele ments 1 oder deren zeitlichen Verlauf abhängig ist und damit auch zu einer Änderung des gesamten Belastungszu stands des Fahrzeugs führt. Hierdurch kann es zu einer Bewegung des Aufbaus des Fahrzeugs kommen, wobei sich diese Bewegung auf das manuell betätigbare Bedienelement 1 übertragen kann und damit eine Änderung des Sollwerts über eine Beeinflussung des Bedienelements 1 oder der Be dienperson nicht auszuschließen ist. Hierdurch kann sich die Ursache, also die Kraftwirkung auf das Fahrzeug, weiter verstärken und stellt somit eine, hier schematisch mit der gestrichelten Linie 7 angedeutete Rückkopplung dar, die zu einer Schwingung führen kann.

In Fig. 2 ist eine Sollwertdämpfungsschaltung 10 darge stellt, die Bestandteil der digitalen elektronischen Steuerschaltung 2 sein kann und zwar bevorzugt in einer softwaremäßigen Realisierung. Das Sollwertsignal u liegt hier an einem Plus-Eingang 11 einer Summenpunktschaltung 12 an. Der Ausgang der Summenpunktschaltung 12 ist über eine Schaltung 13 zur Beeinflussung der Einstellzeit auf eine Begrenzerschaltung 14 geführt, mit dem eine Begren zung der maximalen Änderungsgeschwindigkeit des Sollwert signals durchführbar ist.

Der Ausgang der Begrenzerschaltung 14 ist auf einen Ein gang 15 einer logischen Abfrageschaltung 16 geführt an dessen zweiten Eingang 17 das Sollwertsignal u anliegt. Der Ausgang der Abfrageschaltung 16 ist über einen Inte grator 18 auf den Ausgang 19 der Sollwertdämpfungsschal tung 10 geführt, an dem das Ausgangssignal x anliegt. Das Ausgangssignal x ist auf einen Minus-Eingang 20 der Sum menpunktschaltung 12 und auf einen dritten Eingang 21 der Abfrageschaltung 16 geführt.

Mit der Abfrageschaltung 16 wird erreicht, dass für den Fall, dass das Sollwertsignal u gleich "Null" ist und das Ausgangssignal x des Integrators ungleich "Null" ist, d. h. x << 0, das Ausgangssignal der logischen Abfrageschal tung auf den oberen Wert (für x < 0) oder auf den unteren Wert (für x < 0) gesetzt ist, so dass in diesem Fall die Abfrageschaltung und der Integrator in ihrer Funktion wie eine Rampe mit konstanter Steigung wirken.

In der logischen Abfrageschaltung 16 wird somit vor allem auch geprüft, ob als Sollwert u vom Bediener des Be dienelements 1 der Wert "Null" vorgegeben wird. Ist dies der Fall, so möchte der Bediener die Bedienfunktion möglichst schnell beenden und somit ist es sinnvoll, den Ausgang der Steuerschaltung 2 dann mit der maximalen Ge schwindigkeit auf den Nullwert zurückzustellen. Im ande ren Fall lässt die Abfrageschaltung 16 das Ausgangssignal der Begrenzerschaltung zum Integrator passieren.

Claims

1. Elektrisch ansteuerbarer Stellantrieb, mit

- einem Bedienelement (1) zum Einlesen eines Sollwertes (u) in eine elektronische Steuerschaltung (2) und ei nem elektromechanischen Wandler (3) zur Ansteuerung eines mechanischen Stellgliedes (4, 5), dadurch gekenn zeichnet, dass
- die elektronische Steuerschaltung (2) eine Sollwert dämpfungsschaltung (10) enthält, mit der eine Begren zung der Verstellgeschwindigkeit bei einer Sollwertän derung durchführbar ist.

2. Elektrisch ansteuerbarer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Sollwertdämpfungsschaltung (10) am Eingang eine Summenpunktschaltung (12) und am Ausgang einen Inte grator (18) aufweist, wobei die Summenpunktschaltung (12) an einem Plus-Eingang (11) das Sollwertsignal (u) und an einem Minus-Eingang (20) das rückgekoppelte Ausgangssignal (x) des nachgeschalteten Integrators (18) erhält und dass
- eine Begrenzerschaltung (14) zwischen die Summenpunkt schaltung (12) und den Integrator (18) geschaltet ist.

3. Elektrisch ansteuerbarer Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- zwischen dem Ausgang der Begrenzerschaltung (14) und dem Integrator (18) eine logische Abfrageschaltung (16) angeordnet ist, die an weiteren Eingängen (17, 21) mit dem Sollwertsignal (u) und dem Ausgangssignal (x) beaufschlagt ist und dass
- für den Fall, dass das Sollwertsignal (u) gleich Null ist und das Ausgangssignal (x) des Integrators (18) ungleich Null ist, das Ausgangssignal der logischen Abfrageschaltung (16) auf den oberen Wert (für x < 0) oder auf den unteren Wert (für x < 0) jeweils des Be grenzers gesetzt ist.

4. Elektrisch ansteuerbarer Stellantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass

- zwischen die Summenpunktschaltung (12) und die Begren zerschaltung (14) ein Baustein (13) zur Beeinflussung der Einstellzeit angeordnet ist.

5. Elektrisch ansteuerbarer Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Stellglieder (4, 5) hydraulische oder pneumatische Ventile in mobilen Arbeitsmaschinen sind.