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Die
Erfindung betrifft eine Hydraulikventilsteuerschaltung und ein Verfahren
zur Funktionsüberprüfung einer Hydraulikventilsteuerschaltung.
Bei Hydraulikventilen, besonders bei Hydraulikventilen in Arbeitsmaschinen,
sind Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, damit die Hydraulikventile
nicht Bewegungen auslösen, die eine Gefahr für
ihre Umwelt darstellten. Aus diesem Grund wird besonders bei Hydraulikventilen,
die Magnetspulen zum Bewegen eines Steuerschiebers aufweisen, darauf
geachtet, dass eine unbeabsichtigte Bestromung der Magnetspulen
ausgeschlossen werden kann.
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Die
Magnetspulen werden von Endstufen getrieben, die von einer Spannungsversorgung
gespeist werden. Zusätzlich zur Abschaltfunktion der Endstufen,
die beim Ausschalten ihre Ausgänge hochohmig schalten,
soll als Sicherheitsmaßnahme mittels eines Schalters die
Endstufe von der Versorgungsspannung getrennt werden können.
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In
dem Datenblatt RD 95200 der Firma Bosch Rexroth
von Juni 2007 ist ein Steuergerät für ein Hydraulikventil
mit einer zentralen Sicherheitsabschaltung gezeigt. Allerdings stellt
sich das Problem, dass auch die für die Sicherheitsabschaltung
verwendeten Bauelemente Alterungsprozessen unterworfen sind und
ein Ausfall der zentralen Sicherheitsabschaltung zu unerwünschten
Reaktionen des von dem Hydraulikventil angesteuerten Systems führen kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hydraulikventilsteuerung
bereitzustellen, in denen eine höhere Sicherheit bei der
Abschaltung der Endstufen für das Hydraulikventil gewährleistet
werden kann. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur
Funktionsüberprüfung einer solchen Hydraulikventilsteuerschaltung
bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird
eine Hydraulikventilsteuerschaltung bereitgestellt, das eine Endstufe
aufweist, die einen ersten Spannungsversorgungseingang und einen
zweiten Spannungsversorgungseingang sowie einen Ausgang zum Ansteuern
eines Aktuators eines Hydraulikventils enthält. Zudem enthält das
Hydraulikventilsteuergerät einen Freigabeeingang zum Aktivieren
und Deaktivieren der Endstufe.
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Ein
Schalter ist zum Verbinden des Ausgangs der Endstufe mit einem festen
Potenzial bei deaktivierter Endstufe vorgesehen. Zudem ist eine Überstromschutzeinrichtung
im Pfad zwischen einer externen Spannungsversorgung und dem ersten Spannungsversorgungseingang
der Endstufe vorgesehen. Der Schalter und die Überstromschutzeinrichtung
erhöhen die Sicherheit beim Betrieb der Hydraulikventilsteuerschaltung.
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Bei
deaktivierter Endstufe wird dafür gesorgt, dass der Ausgang
auf ein festes Potenzial gelegt wird, sodass kein Strom mehr durch
den Aktuator fließen kann. Falls das Deaktivieren der Endstufe
nicht erfolgt ist, entsteht ein Kurzschlusspfad zwischen der externen
Spannungsversorgung und dem festen Potenzial. Die Überstromschutzeinrichtung
kann darauf reagieren, indem sie den Strompfad unterbricht.
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Somit
wird sichergestellt, dass bei defekter Endstufe diese von der externen
Spannungsversorgung getrennt wird. Es wird verhindert, dass das
Hydraulikventil bei nicht erfolgter Deaktivierung weiterhin seinen
Steuerschieber bewegt und so Bewegungen des von der Hydraulik angesteuerten
Geräts verursacht, die eine Gefahr für ihre Umwelt
bilden.
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Die
Sicherung macht die Steuerschaltung sicherer. Zusätzliche
Maßnahmen, mit der die Endstufe von der Versorgungsspannung
getrennt werden kann, können entfallen. Es reicht aus,
die Freigabe des Ventils wegzunehmen. Das Wegschalten der Versorgungsspannung über
eine externes Sicherheitsrelais bzw. einen Schütz kann
auf den Notaus-Fall beschränkt werden. Die Abschaltung
der Endstufe kann somit über einen einzigen Freigabeeingang
erfolgen, was das Risiko von fehlerhaften Ansteuerungen der Hydraulikventilsteuerschaltung verringert.
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In
einer Ausführungsform enthält die Überstromschutzeinrichtung
eine Schmelzsicherung. Eine solche schmilzt, falls der Strom durch
die Sicherung zu hoch ist. Die Verbindung kann durch Austausch der
Sicherung wiederhergestellt werden. Eine Schmelzsicherung ist wenig
störanfällig, da nur die Höhe des Stroms
dafür entscheidend ist, ob die Sicherung schmilzt oder
nicht.
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In
einer anderen Ausführungsform enthält die Überstromschutzeinrichtung
einen Leitungsschutzschalter. Ein solcher Leistungsschutzschalter öffnet
einen Schalter, falls der Strom durch den Schalter zu groß wird.
Ein solcher Schalter kann mehrfach wiederverwendet werden.
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Mit
einer Messschaltung zum Messen der Spannung kann am Ausgang der
Endstufe das Potenzial überprüft werden. Falls
dieses Potential sich von einem erwarteten Wert unterscheidet, bedeutet dies,
dass die Endstufe ihren Ausgang nicht hochohmig geschaltet hat und
somit defekt ist.
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Falls
die Messschaltung ein Potenzial am Ausgang misst, das sich vom festen
Potenzial um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert unterscheidet,
so wird dies an einem Fehlerausgang zum Anzeigen eines Fehlers ausgegeben.
An diesem Fehlerausgang wird einem übergeordneten System signalisiert,
dass die Hydraulikventilsteuerschaltung defekt ist. Zusätzlich
kann noch eine Leuchtdiode vorgesehen werden, die einem Benutzer
dies auch optisch signalisiert.
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Durch
eine zweite Messschaltung zum Messen des Potentials an dem ersten
Spannungsversorgungseingang der Endstufe kann überprüft
werden, ob die Über stromschutzeinrichtung die Endstufe
von der externen Spannungsversorgung getrennt hat, um dies ebenfalls
einem übergeordneten System anzuzeigen.
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Wenn
das feste Potenzial gleich dem Potenzial an der zweiten Spannungsversorgungseingang der
Endstufe gewählt wird, wird vermieden, dass nach der Deaktivierung
der Endstufe eine Spannung an dem Aktuator anliegen kann.
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Die
Erfindung betrifft auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen
Hydraulikventilsteuerschaltung zum Ansteuern eines Hydraulikventils
mit einem Aktuator, der eine Spule zum Erzeugen eines Magnetfelds
enthält.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Überprüfen
der Funktion einer Hydraulikventilsteuerschaltung, bei dem zunächst
eine erfindungsgemäße Hydraulikventilsteuerschaltung
bereitgestellt wird, die einen Fehlerausgang aufweist. Dieser Fehlerausgang
ist zum Anzeigen eines Fehlers in dem Fall vorgesehen, dass die
Messschaltung ein Potenzial am Ausgang misst, das sich vom festen Potenzial
um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert unterscheidet.
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Zudem
enthält das Verfahren einen Schritt des Messens der Spannung
am Ausgang der Endstufe und der Ausgabe eines Fehlers, falls das
gemessene Potenzial sich vom festen Potenzial um mehr als einen
vorgegebenen Schwellwert unterscheidet. Dadurch wird einem übergeordneten
System oder einem Benutzer angezeigt, dass ein Fehler in der Endstufe
vorliegt.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Hydraulikventilsteuergerät um eines,
das eine zweite Messschaltung zum Messen der Spannung an dem ersten
Spannungsversorgungseingang der Endstufe aufweist. Dabei enthält
das Verfahren zusätzlich einen Schritt des Messens der
Spannung an dem ersten Spannungsversorgungseingang der Endstufe.
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Mit
diesem weiteren Schritt wird überprüft, ob die Überstromschutzeinrichtung
die Endstufe von ihrer externen Spannungsversorgung getrennt hat.
Es ist möglich, dass die Überstromschutzeinrichtung
die Endstufe bereits von ihrer Spannungsversorgung trennt, bevor
der Fehler am Ausgang der Endstufe gemessen werden kann. Somit kann
aufgrund der Messung in der zweiten Messschaltung auch in diesem
Fall ein Fehler an das übergeordnete System ausgegeben
werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand
der Figur näher erläutert.
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1 zeigt
den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Hydraulikventilsteuergeräts.
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1 zeigt
den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Hydraulikventilsteuergeräts 1 mit einem Hydraulikventil 24.
Innerhalb des Hydraulikventilsteuergeräts 1 ist
eine Hydraulikventilsteuerschaltung mit erster Endstufe 20,
einer zweiten Endstufe 21, einer Endstufenansteuerung 22,
einer Messschaltung 23 und einer Sicherung 40 vorgesehen.
Zudem befindet sich das Hydraulikventil 24 und eine Sicherung 40 innerhalb
des Hydraulikventilsteuergeräts 1. Außerhalb
des Hydraulikventilsteuergeräts 1 ist ein Hydraulikzylinder 25 vorgesehen.
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Das
Hydraulikventil 24 dient dazu, den Hydraulikzylinder 25 einer
Arbeitsmaschine anzutreiben. Das Hydraulikventil 24 ist
als Proportionalventil ausgebildet, indem mit Hilfe von Spulen 241 und 242 ein
Magnetfeld erzeugt wird. Die Hydraulikflüssigkeit empfängt
das Hydraulikventil 24 von dem Pumpenanschluss 42,
der mit einer Pumpe verbunden ist. Diese Pumpe stellt die Hydraulikflüssigkeit
mit dem gewünschten Druck zur Verfügung.
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Die
von den Spulen 241 und 242 erzeugten Magnetfelder
bewegen einen Steuerschieber in Abhängigkeit des Stroms
durch die Spulen 241 und 242. In weiteren, nicht
gezeigten, Ausführungen werden andere, von elektrischem
Strom angetriebene, Aktuatoren anstatt der Spulen verwendet.
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Die
Endstufen 20 und 21 weisen jeweils einen Steuereingang
I, zwei Ausgänge O1 und O2, einen ersten Spannungsversorgungseingang 2 und
einen zweiten Spannungsversorgungseingang 3 auf. Die Endstufen 20 und 21 weisen
ferner jeweils einen Ausgang O auf, der mit der Endstufenansteuerung 22 verbunden
ist. An diesem Ausgang O wird ein analoger Stromwert ausgegeben,
um eine Stromregelung zu ermöglichen. Das Hydraulikventilsteuergerät 1 enthält
weiterhin einen ersten Spannungsversorgungseingang 8, einen
zweiten, in der Figur nicht gezeigten, Spannungsversorgungseingang
für die Masse, einen Freigabeeingang ENA, einen Fehierausgabeausgang
FA, einen ersten Schalter 31, einen zweiten Schalter 32,
einen dritten Schalter 33 und einen vierten Schalter 34.
Die Schalter 31, 32, 33 und 34 sind
als Halbleiterschalter, beispielsweise als Leistungs-MOSFETs, ausgebildet.
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Die
Knoten, die mit dem zweiten Spannungsversorgungseingang des Hydraulikventilsteuergeräts 1 verbunden
sind, sind mit Masse 36 bezeichnet.
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Am
ersten Spannungsversorgungseingang 8 des Hydraulikventils 1 ist
eine externe Spannungsquelle angeschlossen, die eine Gleichspannung
von 24 V Nennspannung bereitstellt. Die Sicherung 40 ist mit
einem ersten Anschluss mit dem ersten Spannungsversorgungseingang 8 des
Hydraulikventils 1 verbunden, während ihr zweiter
Anschluss mit dem ersten Spannungsversorgungseingang 2 der
ersten Endstufe 20 und mit dem ersten Spannungsversorgungseingang 2 der
zweiten Endstufe 21 verbunden ist. Die zweiten Spannungsversorgungseingänge 3 der
Endstufen 20 und 21 sind jeweils mit der Masse 36 verbunden.
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An
dem Freigabeeingang ENA wird von einem dem Hydraulikventilsteuergerät 1 übergeordneten
System ein Pegel angelegt, der bestimmt, ob die Endstufen 20 und 21 Strom
durch die Magnete 441 und 442 des Hydraulikventils 24 fließen
lassen oder ob die Endstufen 20 und 21 ihre Ausgänge
O1 und O2 hochohmig schalten.
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Bei
einem High-Pegel am Freigabeeingang ENA werden die Endstufen 20 und 21 freigeschaltet und
die zusätzlichen Schalter 31, 32, 33 und 34 geöffnet.
Wird am Freigabeeingang ENA der Hydraulikventilsteuerung 1 ein
High-Pegel angelegt, so wird dieser Pegel von der Endstufenansteuerung 22 empfangen.
Die Endstufenansteuerung 22 gibt ein pulsweiten-moduliertes
Signal aus, das die Endstufen 20 und 21 an ihren
Steuereingängen I empfangen. Die Endstufen 20 und 21 steuern
entsprechend ihre Ausgänge O1 und O2 jeweils so an, dass
ein Strom durch die Spulen 241 und 242 fließt.
Dieser Strom fließt vom ersten Spannungsversorgungseingang durch
einen Treiber in der Endstufe 20 bzw. 21 über den
Ausgang O1, die Spule 241 des Hydraulikventils 24 zu
dem Ausgang O2 durch einen weiteren Treiber in der Endstufe 20 bzw. 22 und
von dort zu dem zweiten Spannungsversorgungseingang 3,
der mit der Masse 36 verbunden ist.
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In
einer gängigen Ausführungsform enthalten die Endstufen 20 und 21 jeweils
Vollbrücken. Es sind auch Ausführungen mit Highside-
und Lowside-Schaltern oder mit Halbbrücken möglich.
Die Endstufenansteuerung 22 regelt die Position des Hydraulikventils 24,
wobei sie über einen Rückkopplungspfad 26 eine
Angabe über die Position des Steuerschiebers des Hydraulikventils 24 erhält.
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Die
Steuerung der Endstufen 20 und 21 erfolgen vorzugsweise
mit Hilfe eines Mikrocontrollers in der Endstufenansteuerung 22.
Dieser Mikrocontroller übernimmt in dieser Ausführungsform
auch die eigentliche Stromregelung der Endstufen 20 und 21.
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Der
Knoten, der an den Ausgang U2 der ersten Endstufe 20 angeschlossen
ist, wird mit K1 bezeichnet, der Knoten am Ausgang O1 der ersten Endstufe 20 ist
mit K2 gekennzeichnet, die Ausgänge O1 und U2 der zweiten
Endstufe 21 sind an die Knoten K4 bzw. K3 angeschlossen.
Der erste Schalter 31 ist zwischen den Knoten K1 und der
Masse 36, der zweite Schalter 32 zwischen den
Knoten K2 und der Masse 36, der dritte Schalter befindet
sich im Pfad zwischen dem Knoten K3 und der Masse 36 und
der vierte Schalter 34 ist zwischen den Knoten K4 und der
Masse 36 vorgesehen. Die Schalteingänge der Schalter 31, 32, 33 und 34 sind
jeweils mit dem Freigabeeingang ENA verbunden. Werden die Endstufen 20 und 21 durch
Anlegen eines Low-Pegels am Freigabeeingang ENA gesperrt, so werden
die Schalter 31, 32, 33, und 34 alle
geschlossen, sodass durch diese Schalter Verbindungen zwischen den
Knoten K1, K2, K3 und K4 auf jeweils der einen Seite und der Masse 36 auf
der anderen Seite geschlossen werden.
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Haben
die Endstufen 20 und 21 bei der Deaktivierung
ihre Ausgänge O1 und O2 hochohmig geschaltet, so liegen
die Knoten K1, K2, K3 und K4 jeweils auf Massepotenzial.
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Die
Spannungen an den Knoten K1, K2, K3 und K4 werden abgegriffen und
zu der Messschaltung 23 geführt. Falls der Freigabeeingang
auf Low-Pegel liegt, werden die Spannungen an den Knoten K1, K2,
K3, K4 gemessen. Liegen alle unterhalb eines bestimmten Schwellwerts,
bspw. 0,1 V, so ist sichergestellt, dass keine Ströme mehr
durch die Spulen 241 und 242 fließen.
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Ist
dagegen die Spannung an mindestens einen der Knoten K1, K2, K3 und
K4 höher als der Schwellwert, so gibt die Messschaltung 23 einen Fehler
am Fehlerausgang FA aus. In diesem Fall steht zu vermuten, dass
der Treiber zwischen dem ersten Spannungsversorgungseingang 2 und
einer der Ausgänge O1 und O2, seinen Ausgang O1 bzw. O2
aktiv treibt. Dies bedeutet, dass die Deaktivierung der Endstufen 20 und 21 über
die Endstufenansteuerung 22 nicht funktioniert hat.
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Als
zusätzliche Sicherheitsmaßnahme ist die Sicherung 40 vorgesehen.
Falls die Deaktivierung der Endstufen 20 oder 21 trotz
Low-Pegel am Freigabeeingang ENA nicht erfolgt ist, so fließt
ein hoher Strom von dem ersten Spannungsversorgungseingang 8 des
Hydraulikventilsteuergeräts 1 durch die Sicherung 40,
eine der Endstufen 20 und 21 zu einem der Knoten
K1, K2, K3 und K4 durch einen der Schalter 31, 32, 33 und 34 zu
der Masse 36. Der hohe Strom bewirkt, dass die Sicherung 40 diese Verbindung
unterbricht. Falls die Sicherung 40 eine elektrische Sicherung,
auch Schmelzsicherung bezeichnet, enthält, schmilzt diese
bei hohem Strom durch und unterbricht so die Verbindung zwischen dem
ersten Spannungsversorgungseingang 8 des Hydraulikventils 1 und
den ersten Spannungsversorgungseingängen 2 der
ersten Endstufe 20 und der zweiten Endstufe 21.
Die Schmelzsicherung muss dann ausgetauscht werden.
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In
einer anderen Ausführungsform handelt es sich um einen
Leitungsschutzschalter, in dem der Strom gemessen wird. Überschreitet
der Strom einen vorbestimmten Schwellwert, so wird der Schalter
geöffnet, ohne dass die Sicherung 40 dauerhaft
beschädigt ist.
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Die
Sicherung 40 ist so auszulegen, dass die Treiber in den
Endstufen 20 und 21 und die Halbleiterschalter 31, 32, 33 und 34 gegen
den zu erwartenden Kurzschlussstrom geschützt sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird das Potenzial an den
ersten Spannungsversorgungseingängen 2 der Endstufen 20 und 21 gemessen.
Falls dieses Potenzial nahe dem Massepotenzial ist, wird daraus
gefolgert, dass die Sicherung 40 geschmolzen ist bzw. ihren
Schalter geöffnet hat. Dies wird mittels eines Fehlersignals
an das übergeordnete System oder an einen Benutzer ausgegeben.
In einer Ausführungsform wird die Messschaltung 23 auch zum
zyklischen Testen der Schalter 31 bis 34 verwendet.
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- 1
- Hydraulikventilsteuergerät
- 2
- erster
Spannungsversorgungseingang
- 3
- zweiter
Spannungsversorgungseingang
- 8
- erster
Spannungsversorgungseingang
- 10
- DC-DC-Spannungswandler
- 20
- erste
Endstufe
- 21
- zweite
Endstufe
- 22
- Endstufenansteuerung
- 23
- Messschaltung
- 24
- Hydraulikventil
- 25
- Hydraulikzylinder
- 26
- Rückkopplungspfad
- 31
- erster
Schalter
- 32
- zweiter
Schalter
- 33
- dritter
Schalter
- 34
- vierter
Schalter
- 40
- Sicherung
- 241
- Spule
- 242
- Spule
- 42
- Pumpenanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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