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Die
Erfindung betrifft ein Einmessverfahren zur Bestimmung eines Kennfelds
einer Steuerelektronik bzw. Regelelektronik eines hydraulischen
Antriebs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einmessvorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
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Hydraulische
Antriebe werden seit geraumer Zeit mit Steuerelektroniken oder Regelelektroniken ausgestattet,
um die in der industriellen Antriebstechnik geforderte Genauigkeit,
hohe Ansprechgeschwindigkeiten und die Einhaltung von vorgegebenen Bahnkurven
zu gewährleisten. Es ist wünschenswert, verschiedene
hydraulische Antriebe mit möglichst einer standardisierten
Steuer- oder Regelelektronik ausstatten zu können. Aufgrund
einer Vielzahl variierender mechanischer Parameter der verschiedenen Ventile
und Ventiltypen, der hydraulischen Verbraucher, und nicht zuletzt
der installieren Druckmittelquelle und des Druckmittelleitungssystems,
besitzt aber nahezu jedes elektro-hydraulische System sein eigenes
Steuer- bzw. Regelverhalten. Daher besitzen übliche Steuerelektroniken
oder Regelelektroniken eine Vielzahl einstellbarer Parameter, um
das Steuer- bzw. Regelverhalten des hydraulischen Systems möglichst
optimal an die mechanischen Gegebenheiten anzupassen.
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Bei
einer hydraulischen Steuerkette – typischerweise ein Proportionalventil
mit einem nachgeschalteten hydraulischen Verbraucher – ist
das Ansteuersignal des Proportionalventils meist ein Maß für
die Geschwindigkeit des hydraulischen Verbrauchers. Die Geschwindigkeit
steht jedoch normalerweise in einem nicht-linearen Zusammenhang
zu dem Ansteuersignal des Proportionalventils. Dies ist hauptsächlich
durch die Gestaltung der Steuerquerschnitte am Ventil, dem nicht-linearen
fluiddynamischen Zusammenhang zwischen Öffnungsquerschnitt
und Durchflussmenge, sowie durch Überdeckungen in der Nullstellung des
Ventils und durch die Flächenasymmetrie hydraulischer Verbraucher – z. B.
Differentialzylinder – hinsichtlich der Bewegungsrichtung
bedingt.
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Das
nicht-lineare Verhalten der hydraulischen Steuerkette wird mittels
Kennfeldern in der Steuerelektronik oder Regelelektronik soweit
möglich ausgeglichen. Vereinfacht gesagt, ist im Kennfeld eine
inverse Kennlinie der hydraulischen Steuerkette abgelegt. Indem
das Stellsignal für die hydraulische Steuerkette über
das Kennfeld modifiziert wird, um ein Ansteuersignal für
das Proportionalventil zu erhalten, erzielt man über weite
Bereiche des Stellsignals einen konstanten Signal-Geschwindigkeits-Zusammenhang – im
Folgenden auch Verstärkung genannt – der Kette
aus Kennfeld, Proportionalventil und hydraulischer Verbraucher.
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Aufgrund
der Vielzahl der mechanischen Parameter der Ventile und hydraulischen
Verbraucher, muss für jede Kombination aus Proportionalventil und
hydraulischem Verbraucher eine eigene Kennlinie vermessen und ein
eigenes Kennfeld berechnet werden. Es gibt Versuche dieses möglichst
automatisiert durchzuführen.
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In
der
DE 198 06 544
B4 wird für ein elektro-hydraulisches System aus
einer Steuerelektronik, einem Proportionalventil und einem Differentialzylinder
ein Verfahren beschrieben, um eine Geschwindigkeits-Strom-Kennlinie
der hydraulischen Steuerkette zu erhalten. Dabei wird für
eine bestimmte Zeit ein bestimmter Ansteuerstrom an das Ventil geschaltet.
Aus der in der bestimmten Zeit zurückgelegten Strecke des
Zylinders wird dessen Geschwindigkeit bestimmt. Dieses Verfahren
wird mit verschiedenen Werten für den Ansteuerstrom wiederholt,
um Stützpunkte der Kennlinie zu erhalten. Ein Mikrokontroller der
Steuerelektronik modifiziert mittels dieser gemessenen Kennlinie
die Arbeitskennlinie für die Ansteuerung des Proportionalventils.
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Nachteilig
an diesem Konzept ist die zeitaufwendige Erfassung der einzelnen
Geschwindigkeitswerte über separate. Messungen. Es erfolgt
zu Beginn jeder Messung eine starke Beschleunigung und am Ende der
Messung ein starkes Abbremsen. Die Beschleunigung und das Abbremsen
sollten nicht innerhalb der Messstrecke liegen, um das Messergebnis
nicht zu verfälschen. Es ist eine separate Beschleunigungs-
und Bremsstrecke einzuplanen. Der Zylinder muss vor einer Messung
ggf. in eine geeignete Position gefahren werden, um genügend
freie Strecke zur Verfügung zu haben. Dies erhöht
den Zeitaufwand zusätzlich. Durch die abrupten Beschleunigungs-
und Bremsvorgänge wird das elektro-hydraulische System
mechanisch stark belastet. Es können Schwingungen auftreten,
die die Belastung noch erhöhen und das Messergebnis verfälschen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bestimmung eines
Kennfelds – insbesondere zur Verwendung bei einem hydraulischen
Antrieb – zu vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Einmessverfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe
wird weiterhin durch eine Einmessvorrichtung gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Einmessverfahren zur Bestimmung
eines Kennfelds einer Steuerelektronik bzw. Regelelektronik eines
hydraulischen Antriebs, bei dem ein hydraulischer Verbraucher mittels eines
Stellglieds ansteuerbar ist, bei dem das Kennfeld eine Zuordnung
von Stellsignalwerten zu Ansteuersignalwerten für das Stellglied
angibt, und bei dem eine Position des hydraulischen Verbrauchers mittels
eines Positionssensors erfassbar ist, umfasst die folgenden Schritte:
Es wird eine Ansteuersignalvorgabekurve erzeugt, welche in einem
Vorgabezeitraum ein vorgegebenes Ansteuersignalintervall im Wesentlichen
stetig durchläuft. Weiter wird die Ansteuersignalvorgabekurve
und die Geschwindigkeitskurve des hydraulischen Verbrauchers in
dem Vorgabezeitraum aufgezeichnet. Die Geschwindigkeitskurve wird
mit Hilfe von erfassten Positionswerten des hydraulischen Verbrauchers
bestimmt. Das Kennfeld wird anhand der aufgezeichneten Ansteuersignalvorgabekurve
und der aufgezeichneten Geschwindigkeitskurve berechnet.
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Dieses
Verfahren erlaubt es, eine Vielzahl – wenn nicht sogar
alle – der für die Berechnung des Kennfeldes benötigten
Daten innerhalb eines zusammenhängenden vorgegebenen Erfassungszeitraums aufzuzeichnen.
Da die Ansteuersignalvorgabekurve im Erfassungszeitraum ein Intervall
durchläuft, stehen im Erfassungszeitraum eine große
Zahl eng beieinander liegender Messpunkte sowohl für das
Ansteuersignal als auch für die Geschwindigkeit des Verbrauchers
zur Verfügung. Anstatt für jeden Ansteuersignalwert
eine eigene Geschwindigkeitsmessprozedur durchzuführen,
kann die Geschwindigkeitskurve und die Ansteuersignalvorgabekurve
gemäß der vorliegenden Erfindung in einem kontinuierlichen
Vorgang aufgezeichnet werden. Die Geschwindigkeit des Verbrauchers
liegt ggf. in der Steuer- oder Regelelektronik ohnehin in Form eines
Ableitungssignals der Position des Verbrauchers vor. Andernfalls
lässt sie sich mit wenig Aufwand aus den Positionswerten
berechnen. Mit der aufgezeichneten Geschwindigkeitskurve und der
aufgezeichneten Ansteuersignalvorgabekurve liegen die zur Erzeugung des
Kennfelds unmittelbar benötigten Daten bereits vor. Die
Berechnung des Kennfelds aus diesen Daten gestaltet sich sehr einfach.
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Zur
Verbesserung der erzielten Genauigkeit kann bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren ohne weiteres auf statistische Methoden, beispielsweise eine
Mittelwertbildung, zurückgegriffen werden. Der im Wesentlichen
stetige Verlauf der Ansteuersignalvorgabekurve erlaubt es, den Messvorgang
mit maßvollen Beschleunigungswerten und einer geringen mechanischen
Belastung des hydraulischen Antriebs durchzuführen.
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Da
der Einmessvorgang mit wenig Aufwand durchführbar ist,
kann er in regelmäßigen oder unregelmäßigen
Abständen wiederholt werden, um z. B. eine Alterung des
hydraulischen Antriebs auszugleichen. Aus der Veränderung
des Kennfelds kann ggf. auf den Verschleiß-Zustand des
hydraulischen Antriebs geschlossen werden. Diese Information kann im
Rahmen eines Condition Monitoring verwendet werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Einmessvorrichtung zur Bestimmung
eines Kennfelds einer Steuerelektronik bzw. Regelelektronik eines
hydraulischen Antriebs mittels eines Einmessverfahrens gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 11 vorgesehen, welche die Steuerelektronik
bzw. Regelelektronik umfasst. Die Steuerelektronik bzw. Regelelektronik
ist so eingerichtet, dass zumindest die folgenden Schritte des Einmessverfahrens
durch die Steuerelektronik bzw. Regelelektronik ausführbar sind:
Aufzeichnen der Ansteuersignalvorgabekurve in dem Vorgabezeitraum,
Erfassen von Positionswerten des hydraulischen Verbrauchers in dem
Vorgabezeitraum, und Aufzeichnen der Geschwindigkeitskurve des hydraulischen
Verbrauchers in dem Vorgabezeitraum mit Hilfe der erfassten Positionswerte.
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Auf
diese Weise kann der Einmessvorgang weitestgehend automatisiert
durchgeführt werden. Der Aufwand und die Anforderungen
an zusätzliche Hardware sind sehr gering, da wichtige Schritte
des Einmessverfahrens bereits durch die ohnehin vorhandene Steuerelektronik
bzw. Regelelektronik unter Verwendung deren üblichen Eingangs-
und Ausgangsschnittstellen – z. B. der Ventilansteuerausgang,
der Sollwerteingang, der Eingang für den Positionssensor – durchgeführt
werden. Die Berechnung der Kennlinie kann z. B. anhand der aufgezeichneten Werte
auf einem handelsüblichen Computer erfolgen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung wird
die Ansteuersignalvorgabekurve durch Zuführen einer Positionsvorgabekurve
an die Regelelektronik erzeugt. Dadurch wird eine ohnehin vorhandene
Eingangsschnittstelle der Regelelektronik verwendet. Außerdem
ist die Position des hydraulischen Verbrauchers stets durch die
Positionsvorgabekurve bestimmt, d. h. die tatsächliche
Position wird über die Regelelektronik der Vorgabeposition
nachgeführt. Das Verhalten des hydraulischen Verbrauchers
während der Aufzeichnung von Messwerten ist vorhersehbar.
Es wird keinerlei zusätzliche Überwachung der
Position des Verbrauchers während des Aufzeichnungsvorgangs
benötigt. Dadurch kann der Einmessvorgang auf einfache
und besonders sichere Weise auch an einer betriebsfertig installierten
hydraulischen Anlage durchgeführt werden. Auch für
mobile hydraulische Arbeitsmaschinen ist die einfache Vorhersehbarkeit der
Verbraucherpositionskurve eine bedeutende Erleichterung zur Gewährleistung
der Sicherheit während des Einmessvorgangs.
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Eine
weitere besonders bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor,
dass die Ansteuersignalvorgabekurve im Vorgabezeitraum ein Ansteuersignalintervall
aufwärts und abwärts durchläuft und bezüglich
eines in diesem Ansteuersignalintervall durchschrittenen Extrempunkt
im Wesentlichen symmetrisch ist. Mittels den so aufgezeichneten
Kurven des Ansteuersignals und der Verbrauchergeschwindigkeit lassen
sich durch Mittelwertbildung Beschleunigungseffekte im Ansteuersignal
herausmitteln, so dass bei der Kennlinienberechnung eine genaue
Zuordnung eines Ansteuersignalwerts zu einem Geschwindigkeitswert
erfolgen kann. Vorzugsweise wird zu einem Geschwindigkeitswert ein
Ansteuersignalmittelwert aus zwei dem Geschwindigkeitswert jeweils
zugeordneten Werten aus einem ansteigenden und einem abfallenden
Bereich der Ansteuersignalkurve gebildet und für die Berechnung
des Kennfelds verwendet. Alternativ kann jedoch auch zu einem Ansteuersignalwert
ein Geschwindigkeitsmittelwert aus zwei dem Ansteuersignalwert jeweils
zugeordneten Werten aus einem ansteigenden und einem abfallenden
Bereich der Geschwindigkeitskurve gebildet und für die
Berechnung des Kennfelds verwendet werden.
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Auf
besonders einfache Weise kann die Ansteuersignalvorgabekurve und/oder
die Positionsvorgabekurve gemäß einer periodischen
Grundfunktion erzeugt werden. Vorzugsweise durchläuft die
Ansteuersignalvorgabekurve und/oder die Positionsvorgabekurve in
dem Vorgabezeitraum wenigstens eine, vorzugsweise aber zwei oder
mehr Perioden der Grundfunktion. Geeignete Grundfunktionen sind
z. B. die Kreisfunktionen, insbesondere Sinus und Kosinus. Unter
Verwendung der Kreisfunktionen lassen sich kontinuierliche, sprungfreie
Verläufe der Ansteuersignalvorgabekurve, der Geschwindigkeitskurve des
Verbrauchers und der auf den Verbraucher wirkenden Beschleunigung
erzielen.
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Eine
weitere bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung sieht
vor, dass die Anzahl erfasster Datenwerte der Ansteuersignalvorgabekurve und/oder
der Geschwindigkeitskurve in einem Bereich eines geringen Betätigungsgrads
des Stellglieds größer ist als in einem Bereich
eines stärkeren Betätigungsgrads des Stellglieds.
Auf diese Weise lässt sich die Genauigkeit des Kennfelds
im Überdeckungsbereich des Ventils steigern. Außerdem
lässt sich die Anzahl der aufgezeichneten Messwerte verringern
und damit der Rechenaufwand und Speicherbedarf für die
Bestimmung des Kennfelds verringern.
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Eine
bereits vorhandene Steuerelektronik bzw. Regelelektronik – insbesondere
wenn diese einen Mikrokontroller besitzt – benötigt
nur eine geringe Anpassung um das Einmessverfahren durchzuführen,
wenn neben der Steuerelektronik bzw. Regelelektronik eine Rechenvorrichtung
vorhanden ist, die dazu eingerichtet ist, den Schritt – des
Berechnens des Kennfelds anhand der Ansteuersignalvorgabekurve und
der Geschwindigkeitskurve auszuführen. In diesen Fällen
reicht die in der Steuerelektronik bzw. Regelelektronik vorhandene
Rechenkapazität oder Speicherkapazität üblicherweise
aus, um zumindest die Erzeugung der Ansteuersignalvorgabekurve und
das Aufzeichnen der Ansteuersignalvorgabekurve und der Geschwindigkeitskurve
durchzuführen. Die Rechenvorrichtung benötigt
neben einer Schnittstelle zur Steuerelektronik bzw. Regelelektronik
keinerlei weitere Schnittstelle mit dem hydraulischen Antrieb und
kann daher als marktüblicher Büro PC oder Industrie
PC ausgebildet sein.
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Der
Einmessvorgang kann noch besser automatisch abgearbeitet werden
und gestaltet sich für den Bediener einfacher, wenn die
Steuerelektronik bzw. Regelelektronik dazu eingerichtet ist, den Schritt
des Berechnens des Kennfelds anhand der Ansteuersignalvorgabekurve
und der Geschwindigkeitskurve auszuführen, vorzugsweise
ebenfalls den Schritt des Erzeugens der Ansteuersignalvorgabekurve.
Dies erlaubt beim Einmessvorgang zudem den Verzicht auf externe
vom Bediener bereitzustellende Hardware. Zudem kann der Einmessvorgang z.
B. auch vollautomatisch ohne Überwachung oder Unterstützung
eines Bedieners in regelmäßigen oder unregelmäßigen
Abständen durch den hydraulischen Antrieb bzw. seine Steuerung
selbst durchgeführt werden. Erfolgt die Berechnung auf
dem Mikrokontroller der Regelelektronik bzw. Steuerelektronik so konzentrieren
sich die erfassten Datenwerte vorzugsweise auf den Bereich eines
geringen Betätigungsgrads des Stellglieds. Dadurch kann
die Berechnung auch bei geringer Speicherkapazität und Rechenkapazität
zügig durchgeführt werden. Der wichtige Bereich
nahe der Überdeckung des Stellglieds wird dennoch genau
erfasst.
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Eine
besonders platzsparende und hoch integrierte Bauform eines hydraulischen
Antriebs wird erzielt, wenn die Steuerelektronik bzw. Regelelektronik
auf dem Gehäuse des Stellglieds des hydraulischen Antriebs
angeordnet ist. Zusammen mit der Fähigkeit zur automatischen
Ermittlung des Kennfelds kann ein hydraulischer Antrieb als vollständige, kompakte
und vor allem selbstkonfigurierende Baueinheit zur Verfügung
gestellt werden.
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Nachfolgend
werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme
auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
einfaches Schaltbild eines hydraulischen Antriebs, auf dem das erfindungsgemäße Einmessverfahren
durchführbar ist, mit einer Regelelektronik, einem durch
die Regelelektronik angesteuerten Proportionalventil und einen hydraulischen
Verbraucher,
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2 die
Grundzüge eines Ablaufschemas für das erfindungsgemäße
Einmessverfahren, und
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3 einen
zeitlichen Verlauf einer Positionskurve des hydraulischen Verbrauchers,
einer Ansteuersignalvorgabekurve und einer Geschwindigkeitskurve
des hydraulischen Verbrauchers.
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In
der 1 ist ein elektrohydraulischer Antrieb 1 dargestellt,
der eine geregelte hydraulische Achse 3 sowie eine Druckmittelversorgung 5 und Druckmittelrückführung
umfasst. Die hydraulische Achse 3 besitzt als ihre wesentlichen
Komponenten eine Regelelektronik 7, ein Proportionalventil 9 üblicher
Bauart – z. B. ein Ventil vom Typ 4WRSE der Firma Bosch
Rexroth AG – und einen Hydrozylinder 11. Die Position
der Kolbenstange des Hydrozylinders 11 wird über
einen Positionssensor 12 erfasst und an die Regelelektronik 7 zurückgemeldet.
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Neben
dem Eingang 14 für den Messwert des Positionssensors 12 verfügt
die Regelelektronik 7 über einen Sollwerteingang 16 und über
eine Schnittstelle 18 zur Anbindung einer zusätzlichen Einmesshardware.
Dabei handelt es sich im beschriebenen Ausführungsbeispiel
um einen Industrie PC 20.
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In
der Regelelektronik 7 sind der Sensoreingang 14 und
der Sollwerteingang 16 auf ein Additionsglied 22 geführt.
Des weiteren kann dem Additionsglied 22 das Signal eines
internen Sollwertgenerators 24 zugeführt sein.
Das vom Additionsglied 22 erhaltene Regeldifferenzsignal
wird einer Regelstufe 26 zugeführt. Die Regelstufe 26 enthält
eines oder mehrere von an sich bekannte Regelgliedern, z. B. einen
P-Regler, einen PID-Regler oder einen PDT1-Regler. Das von der Regelstufe 26 erhaltene Stellsignal
wird durch ein weiteres Additionsglied 30 geführt
und dabei im Rahmen einer Zustandsrückführung
mit einem Geschwindigkeitssignal aus einem Ableitungsglied 28 modifiziert.
Das so modifizierte Stellsignal 32 ist einem Kennlinienglied 34 zugeführt. Durch
das Kennlinienglied 34 wird Signalwerten des Stellsignals 32 ein
jeweiliger Signalwert als Ansteuersignal 36 für
das Proportionalventil 9 zugeordnet. Das Kennlinienglied 34 ist
für den Normalbetrieb so eingestellt, dass die Gesamtverstärkung
der Kette aus dem Kennlinienglied 34, dem Proportionalventil 9 und
dem Hydrozylinder 11 möglichst unabhängig
von der Amplitude des Stellsignals 32 ist.
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Die
Regelelektronik 7 ist durch einen Mikrokontroller implementiert.
Neben den zuvor beschriebenen Reglerkomponenten besitzt dieser eine
Ablaufsteuerung zur Ausführung von Programmen (nicht dargestellt)
und einen Datenspeicher 40. In dem Datenspeicher 40 können
Signalwerte des Ansteuersignals 36 und Signalwerte eines
Geschwindigkeitssignals des Hydrozylinders 12 – in
diesem Beispiel das Ausgangssignal des Ableitungsglieds 28 aufgezeichnet
werden. Der Datenspeicher 40 kann vom Industrie PC 20 über
die Schnittstelle 18 ausgelesen werden. Der Mikrokontroller
lässt es weiterhin zu, eine im Kennlinienglied 34 abgelegte
Zuordnungskennlinie neu zu beschreiben. Dies erfolgt ebenfalls über
die Schnittstelle 18 mit vom Industrie PC 20 eingespielten
Daten. Gegebenenfalls kann ein vorgegebenes intern erzeugtes Ansteuersignal 38 an das
Proportionalventil 9 ausgegeben werden.
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Die 2 zeigt
ein Ablaufdiagramm für ein Einmessverfahren, welches zur
Ausführung auf dem elektrohydraulischen Antrieb 1 vorgesehen
ist. In der 3 sind zugehörige Signalkurven
dargestellt.
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Das
Einmessverfahren wird durch einen Bediener des Antriebs 1 oder
automatisch, z. B. als Teil eines Initialisierungsablaufes gestartet.
Im Kennlinienglied 34 ist zunächst eine vorläufige
Zuordnungskennlinie gespeichert, z. B. eine lineare Stellsignal – Ansteuersignal
Zuordnung.
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In
einem ersten Schritt s1 wird ein Ansteuersignal 36 (durchgezogene
Kurve 50 in 3) erzeugt. Die Erzeugung des
Ansteuersignals 36 erfolgt dadurch, dass durch den Signalgenerator 24 eine
Sinus-Signalkurve erzeugt wird, welche dem Additionsglied 22 als
intern vorgegebenes Sollwerisignal 25 zugeführt
ist. Der Hydrozylinder 11 unterliegt dabei einer Positionsregelung.
Nach dem Starten des Signalgenerators folgt der Hydrozylinder 11 der
Positionsvorgabe durch das Sollwertsignal 25 des Signalgenerators 24.
Ein Positions- oder Geschwindigkeitssprung, der ggf. beim Starten
des Signalgenerators in der Regelschleife auftritt, ist nach einer
kurzen Einregelphase abgebaut. Die Positionskurve des Hydrozylinders 11 ist
die gestrichelte Linie 52 in 3. Das mit
Hilfe des Rückkopplungsmechanismus der Regelschleife – aus
den Komponenten 7, 9, 11 und 12 gebildet – erzeugte
Ansteuersignal 36 durchläuft mit einer Phasenverschiebung
zum zyklischen Sollwertsignal bzw. der Positionskurve 52 des
Hydrozylinders 11 die ebenfalls zyklische Funktionskurve 50.
Durch die zeitliche Ableitung der Positionskurve 52 erhält man
die strichpunktierte Geschwindigkeitskurve 54. Die Geschwindigkeitskurve 54 wird
dabei gleitend durch das Ableitungsglied 28 aus den Positionsmesswerten
des Sensors 12 ermittelt.
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In
einem nächsten Schritt s2 werden Werte der Ansteuersignalkurve 50 im
Speicher 40 aufgezeichnet. Ein einem weiteren Schritt s3
werden Werte der Geschwindigkeitskurve 54 im Speicher 40 aufgezeichnet.
Das Aufzeichnen einzelner Ansteuersignalwerte und Geschwindigkeitswerte
erfolgt dabei möglichst zeitgleich. Das Zeitintervall,
in dem die Aufzeichnung durchgeführt wird, beginnt nach
der zuvor beschriebenen Einregelphase. Die Aufzeichnung der Ansteuersignalwerte
und Geschwindigkeitswerte wird für mindestens eine Periode
der Ansteuersignalkurve 50 durchgeführt. Üblicherweise
werden jedoch mehrere Perioden der Ansteuersignalkurve 50 und der
Geschwindigkeitskurve 54 aufgezeichnet.
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Nach
einer vorbestimmten Aufzeichnungsdauer oder Periodenzahl der aufgezeichneten
Kurven wird die Aufzeichnung beendet und in einem Schritt s4 eine
neue Zuordnungskennlinie des Kennfeldes 34 berechnet. Im
beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die aufgezeichneten
Kurven dazu aus dem Speicher 40 über die Schnittstelle 18 auf den
Industrie PC 20 übertragen. Auf dem Industrie PC 20 erfolgt
aus den aufgezeichneten Kurven die Berechnung der Zuordnungskennlinie.
Die berechnete Zuordnungskennlinie wird über die Schnittstelle 18 an
das Kennfeld 34 als neue Zuordnungskennlinie übertragen
und ersetzt die vorläufige Zuordnungskennlinie.
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Die
Berechnung der Zuordnungskennlinie des Kennfelds 34 erfolgt
nach der Maßgabe, dass ein möglichst linearen
Zusammenhang zwischen dem Stellsignal 32 und der tatsächlichen
Geschwindigkeit des Zylinders 11 erhalten wird.
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In
dem hydraulischen System aus dem Proportionalventil 9 und
dem Hydrozylinder 11 folgt die Geschwindigkeit des Hydrozylinders 11 nahezu
unmittelbar einem Ansteuersignalwert des Proportionalventils 9.
Daher kann durch einen Vergleich der Ansteuersignalkurve 50 und
der Geschwindigkeitskurve 54 zu gleichen Zeitpunkten eine
Zuordnung zwischen einem Ansteuersignalwert und einem Geschwindigkeitswert
auf einfache Weise ermittelt werden.
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Ein
gewisses Voreilen der Geschwindigkeitskurve 54 bei Abbremsvorgängen
bzw. ein Nacheilen bei Beschleunigungsvorgängen ist durch
die Massenträgheit des Zylinders, ggf. durch die Massenträgheit
einer Last und durch die Ölfeder bedingt. Außerdem
kommen in der Abweichung der beiden Kurven 54 und 50 voneinander
die nichtlineare Ansteuersignal – Öffnungsquerschnitt
Relation des Proportionalventils 9 und die ggf. unsymmetrische
Flächengestaltung des Hydrozylinders 11 zum Ausdruck.
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Betrachtet
man das Ansteuersignal, so enthält dieses bei einer Erhöhung
der Geschwindigkeit und auch bei einer Erniedrigung der Geschwindigkeit Signal anteile,
die auf die Beschleunigungsvorgänge zurückgehen.
Diese beschleunigungsbedingten Signalanteile besitzen eine zu den
Extrempunkten der Ansteuersignalkurve 50 bzw. der weitgehend
phasengleichen Geschwindigkeitskurve 54 ungerade Symmetrie.
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Durch
Bildung eines Mittelwerts zweier Ansteuersignalwerte bei gleicher
Verbrauchergeschwindigkeit, jedoch bei unterschiedlichem Vorzeichen
der Beschleunigung, können Beschleunigungseffekte bei der
Berechnung des Kennfelds unterdrückt werden. Die benötigten
Ansteuersignalwerte werden dem ansteigenden Abschnitt und dem fallenden
Abschnitt einer halben Periode der Ansteuersignalkurve entnommen.
Bei dieser Art der Berechnung kann eine hohe Genauigkeit in der
Zuordnung von einer Verbrauchergeschwindigkeit zu einem Ansteuersignalwert erreicht
werden.
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Alternativ
kann die Mittelung auch über zwei Geschwindigkeitswerte
erfolgen, die bei gleichem Ansteuersignalwert, aber unterschiedlichem
Vorzeichen der Beschleunigung erfasst sind. Diese Art der Berechnung
ist einfacher, weil das zur Verfügung stehende Intervall
von Ansteuersignalwerten vorab festgelegt ist. Daher ist diese Berechnungsmethode
eher für Systeme mit geringer Rechen- und Speicherkapazität
geeignet.
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Die
nichtlineare Ansteuersignal – Öffnungsquerschnitt
Relation des Proportionalventils 9 und die ggf. unsymmetrische
Flächengestaltung des Hydrozylinders 11 fließen
dagegen auch bei der beschriebenen Mittelwertbildung in die Berechnung
des Kennfelds ein, da diese Effekte einen Anteil der Geschwindigkeitskurve
mit bezüglich der Extrempunkte gerader Symmetrie bilden.
Die Berücksichtigung der nichtlineare Ansteuersignal – Öffnungsquerschnitt Relation
des Proportionalventils 9 und die ggf. unsymmetrische Flächengestaltung
des Hydrozylinders 11 ist für die Kennfeldberechnung
ausdrücklich erwünscht, um mittels des Kennfelds
einen möglichst linearen Zusammenhang zwischen dem Stellsignal 32 und
der tatsächlichen Geschwindigkeit des Zylinders 11 zu
gewährleisten.
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Wenn
zur Berechnung der Zuordnungskennlinie aufgezeichnete Signalwerte
aus mehreren Perioden der Ansteuersignalkurve 50 und der
Geschwindigkeits kurve 54 vorhanden sind können
einem bestimmten Ansteuersignalwert mehrere Messwerte für die
Verbrauchergeschwindigkeit zugeordnet werden. Durch die Mittelwertbildung über
mehr als 2 Messwerte, z. B. 4, 6 oder 8 Werte lässt sich
die Genauigkeit erhöhen. Weiterhin bietet es sich an, Ansteuersignalkurven
und zugehörige Geschwindigkeitskurven für mehrere
unterschiedliche Frequenzen des Sollwertsignals 25 aufzuzeichnen.
Dadurch können unterschiedliche Amplitudenintervalle für
die Ansteuersignalkurve 50 und die Geschwindigkeitskurve 54 des
hydraulischen Verbrauchers vermessen werden. Insbesondere erlaubt
ein niederfrequentes Sollwertsignal 25 das genaue Vermessen
des hydraulischen Systems bei geringen Ansteuersignalamplituden
und kleinen Verbrauchergeschwindigkeiten, also nahe des Überdeckungsbereichs
des Proportionalventils 9. Der Einfluss von Beschleunigungseffekten
ist bei Verwendung eines niederfrequenten Sollwertsignals 25 minimal.
Zufriedenstellende Berechnungsergebnisse erhält man z.
B. bei Aufzeichnung von jeweils mindestens 2 Signalperioden der
Ansteuersignalkurve 50 und der Geschwindigkeitskurve 54 für
3 verschiedene Frequenzen des Sollwertsignals 25, wobei sich
die höchste Frequenz an der technisch maximal erzielbaren
Geschwindigkeit des Hydrozylinders 11 orientiert.
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Im
Folgenden werden weitere Varianten des Ausführungsbeispiels
beschrieben, die durch die vorliegende Erfindung umfasst sind. Der
hydraulische Verbraucher kann unter Anderem ein linear bewegbarer
Hydrozylinder oder ein hydraulischer Rotationsmotor sein. Abhängig
von der Art des hydraulischen Verbrauchers kommt ein entsprechender
Positionssensor zum Einsatz, d. h. ein linearer Wegsensor oder ein
Drehwinkelsensor.
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Das
Einmessverfahren lässt sich unabhängig von der
verwendeten Regelstufe 26 bzw. unabhängig von
dem im Normalbetrieb verwendeten Regelkonzept durchführen.
Während des Einmessverfahrens muss lediglich ein Positionssignal
vorliegen. Für die zuvor beschriebene Erzeugung des Ansteuersignals 36 muss
ein Positionsregelkreis für den hydraulischen Verbraucher
geschlossen sein. Im Normalbetrieb selbst kann der hydraulische
Verbraucher auch im Rahmen einer offenen Steuerkette angesteuert
werden. Weiterhin können auch kaskadierte Regelungen – z.
B. ein unterlagerter Geschwindigkeitsregler –, eine Zustandsrückführung
und Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsvorsteuermechanismen verwendet
werden. Die Regelung kann sich auch auf die durch den hydraulischen
Verbraucher aufgebrachte Kraft beziehen. Dabei wird vorzugsweise
die Druckdifferenz über den Verbraucher als Maß für
die Kraft gemessen.
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Das
Ansteuersignal 36 braucht nicht innerhalb einer Regelschleife
erzeugt werden. Das Ansteuersignal 36 kann z. B. intern
nach einer Vorgabe, z. B. einem Sinus-Signal, erzeugt werden und
als internes Ansteuersignal 38 eingespeist werden. Die Aufzeichnung
der Ansteuersignalvorgabekurve gemäß den Patentansprüchen
erschöpft sich dann in der Übernahme vorhandener
numerischer Signalvorgabewerte des Ansteuersignal 38 von
einem Signalgenerator. Weiter ist es bei dieser Art der Erzeugung des
Ansteuersignals 36 nicht notwendig eine Positionsregelschleife
zu schließen. Das Einmessverfahren kann auch mit einer
offenen Steuerkette durchgeführt werden. Lediglich die
Erfassung von Positionswerten des hydraulischen Verbrauchers zur
Erstellung einer Geschwindigkeitskurve muss gewährleistet
sein. Allerdings sollte die Position des Verbrauchers überwacht
werden, um die Einhaltung eines gewissen Positionsintervalls zu
gewährleisten. Bei einem Rotationsantrieb, bei dem als
Verbraucher ein hydraulischer Rotationsmotor zum Einsatz kommt entfällt
ggf. diese Notwendigkeit.
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Das
Stellglied gemäß den Patentansprüchen kann
unter Anderem ein Proportionalventil, ein getaktetes Schaltventil,
das Volumenstellelement einer Verstellpumpe oder das Volumenstellelement
eines hydraulischen Rotationsmotors sein.
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- 1
- Elektrohydraulischer
Antrieb
- 3
- Hydraulische
Achse
- 5
- Druckmittelversorgung
- 7
- Regelelektronik
- 9
- Proportionalventil
- 11
- Hydrozylinder
- 12
- Positionssensor
- 14
- Sensoreingang
- 16
- Sollwerteingang
- 18
- Schnittstelle
- 20
- Industrie
PC
- 22
- Additionsglied
- 24
- Sollwertgenerator
- 25
- Sollwertsignal
- 26
- Regelstufe
- 28
- Ableitungsglied
- 30
- Additionsglied
- 32
- Stellsignal
- 34
- Kennlinienglied
- 36
- Ansteuersignal
- 38
- Ansteuersignal
- 40
- Datenspeicher
- 50
- Ansteuersignalkurve
- 52
- Positionskurve
- 54
- Geschwindigkeitskurve
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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