DE102011116819A1 - Method for controlling piezoelectric actuator for e.g. proportional valve of valve device for controlling e.g. fluid cylinders, involves adding preset waiting time to point of time of occurrence of difference in threshold value interval - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrisch betreibbaren Stellmittels für ein Fluidsteuerventil, wobei das Stellmittel mit einem Ventilkörper gekoppelt ist, der in einem Ventilraum eines Fluidsteuerventils zur Beeinflussung eines fluidischen Querschnitts zwischen einem Eingangsanschluss und einem Arbeitsanschluss relativ zu einem Ventilsitz bewegbar angeordnet ist, um einen Fluidzustrom von einer Fluidquelle zu einem Fluidverbraucher und einen Fluidabstrom vom Fluidverbraucher in eine Fluidsenke zu beeinflussen, mit den Schritten: Ermitteln eines an den Fluidverbraucher bereitgestellten Ist-Druckwerts, insbesondere im Ventilraum, Vergleichen des Ist-Druckwerts mit einem vorgebbaren Soll-Druckwert und Ermitteln einer Sollwert-Istwert-Differenz sowie Verändern einer Bereitstellung elektrischer Energie an das Stellmittel zu einem ersten Ansteuerungszeitpunkt, wobei eine Veränderung der Bereitstellung elektrischer Energie vorgesehen ist, wenn die Sollwert-Istwert-Differenz einen ersten vorgebbaren Schwellwert überschreitet oder einen zweiten vorgebbaren Schwellwert unterschreitet. Ferner betrifft die Erfindung eine Ventileinrichtung.The invention relates to a method for actuating an electrically operable actuating means for a fluid control valve, wherein the actuating means is coupled to a valve body which is arranged movably in a valve chamber of a fluid control valve for influencing a fluidic cross section between an input port and a working port relative to a valve seat to influence a fluid flow from a fluid source to a fluid consumer and a fluid effluent from the fluid consumer into a fluid sink, comprising the steps of: determining an actual pressure value provided to the fluid consumer, in particular in the valve space, comparing the actual pressure value with a predefinable desired pressure value and determining a setpoint-actual value difference and changing a supply of electrical energy to the actuating means at a first activation time, wherein a change in the provision of electrical energy is provided when the setpoint Istwer t difference exceeds a first predetermined threshold or falls below a second predetermined threshold. Furthermore, the invention relates to a valve device.
Mit einem derartigen Verfahren kann beispielsweise ein 3/3-Wege-Fluidsteuerventil betrieben werden, mit dessen Hilfe ein Fluidstrom zu einem Verbraucher und von einem Verbraucher beeinflusst wird. Das 3/3-Wege-Fluidsteuerventil weist einen Ventilraum auf, in dem erstes Stellmittel für eine Beeinflussung eines freien Fluidquerschnitts zwischen einem Versorgungsanschluss, an dem eine Quelle für druckbeaufschlagtes Fluid anschließbar ist, und einem Arbeitsanschluss, der mit dem fluidischen Verbraucher verbunden ist, angeordnet ist. Ferner ist im Ventilraum ein zweites Stellmittel vorgesehen, das für eine Beeinflussung eines freien Fluidquerschnitts zwischen dem Arbeitsanschluss und einem Entlüftungsanschluss, durch den druckbeaufschlagtes Fluid in eine Fluidsenke wie einen Fluidtank oder in die Umgebung abgegeben werden kann, ausgebildet ist. Bei den Stellmitteln handelt es sich um elektromechanische Wandler, die eine bereitgestellte elektrische Energie in eine Bewegung umsetzen, beispielsweise um einen Spulenantrieb oder einen Piezoantrieb. Durch geeignete Ansteuerung des ersten und des zweiten Stellmittels, denen jeweils ein Ventilkörper zugeordnet ist, der durch die Bewegung des jeweiligen Stellmittels abdichtend an einen Ventilsitz angelegt oder von diesem entfernt werden kann, um die gewünschte Beeinflussung des Fluidstroms zu bewirken, kann der am Arbeitsanschluss angeschlossene fluidische Verbraucher beispielsweise belüftet oder entlüftet werden. Die Ansteuerung der beiden Stellmittel erfolgt in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Soll-Druckwert sowie von einem gemessenen Ist-Druckwert, die zueinander in Beziehung gesetzt werden, um daraus eine Stellgröße zu ermitteln, mit der die Stellmittel angesteuert werden. Zur Vermeidung von ständigen Druckschwankungen ist eine Dreipunkt-Regelung vorgesehen, bei der lediglich dann eine Ansteuerung der Stellmittel erfolgt, wenn die Sollwert-Istwert-Differenz einen vorgebbaren ersten Schwelwert überschreitet oder einen zweiten vorgebbaren Schwellwert unterschreitet. Für Sollwert-Istwert-Differenzen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert liegen, findet keine Ansteuerung der Stellmittel statt.With such a method, for example, a 3/3-way fluid control valve can be operated, with the aid of which a fluid flow to a consumer and is influenced by a consumer. The 3/3-way fluid control valve has a valve space in which first actuating means for influencing a free fluid cross section between a supply port, to which a source of pressurized fluid is connectable, and a working port, which is connected to the fluidic consumer arranged is. Further, a second adjusting means is provided in the valve space, which is for influencing a free fluid cross section between the working port and a vent port, can be discharged through the pressurized fluid in a fluid sink as a fluid tank or in the environment. The adjusting means are electromechanical transducers that convert a supplied electrical energy into a movement, for example, a coil drive or a piezo drive. By suitable control of the first and the second actuating means, each associated with a valve body which can be sealingly applied by the movement of the respective actuating means to a valve seat or removed therefrom to effect the desired influence of the fluid flow, the connected at the working port fluidic consumers are ventilated or vented, for example. The control of the two actuating means takes place as a function of a predefinable desired pressure value and of a measured actual pressure value, which are set in relation to one another in order to determine therefrom a manipulated variable with which the actuating means are actuated. To avoid permanent pressure fluctuations, a three-point control is provided, in which only a control of the actuating means takes place when the setpoint-actual value difference exceeds a predetermined first threshold or falls below a second predetermined threshold. For setpoint-actual value differences, which lie between the first and the second threshold, no activation of the actuating means takes place.
Die
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrisch betreibbaren Stellmittels einer Ventileinrichtung und eine Ventileinrichtung bereitzustellen, die ein verbessertes Regelverhalten bei sich dynamisch verändernden Randbedingungen aufweisen.The object of the invention is to provide a method for controlling an electrically operated actuating means of a valve device and a valve device, which have an improved control behavior with dynamically changing boundary conditions.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Veränderung der Bereitstellung elektrischer Energie beendet wird, wenn die Sollwert-Istwert-Differenz in ein Schwellwertintervall zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellwert eintritt und dass sich an den Zeitpunkt des Eintritts der Sollwert-Istwert-Differenz in das Schwellwertintervall eine vorgebbare Wartezeit anschließt, während der keine Veränderung der Bereitstellung elektrischer Energie erfolgt.This object is achieved according to a first aspect of the invention with the features of
Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass bei einer dynamischen Veränderung der Randbedingungen für das verfahrensgemäß anzusteuernde Fluidsteuerventil, beispielsweise durch Veränderungen des Soll-Druckwerts und/oder des Ist-Druckwerts, eine um die Wartezeit verzögerte Reaktion erfolgt. Hierdurch kann ein unerwünschtes Überschwingen des fluidischen Systems, das aus dem Fluidsteuerventil und dem fluidischen Verbraucher gebildet wird, vermieden werden.By means of this measure it is achieved that during a dynamic change of the boundary conditions for the fluid control valve to be actuated according to the method, for example by changes of the desired pressure value and / or the actual pressure value, a reaction delayed by the waiting time takes place. As a result, an undesirable overshoot of the fluidic system, which is formed from the fluid control valve and the fluidic consumer, can be avoided.
Bei der Veränderung der Bereitstellung elektrischer Energie kann es sich um eine Bereitstellung elektrischer Energie ausgehend von einem Zustand handeln, zu dem das oder die Stellmittel nicht mit elektrischer Energie beaufschlagt wurden. Alternativ kann die Veränderung der Bereitstellung elektrischer Energie eine vollständige Abschaltung einer vorhergehenden Bereitstellung elektrischer Energie bedeuten. Bei einer weiteren Alternative kann die Veränderung der Bereitstellung elektrischer Energie eine Erhöhung oder Reduzierung einer elektrischen Spannung und/oder eines Stromflusses, die und/oder der an die Stellmittel bereitgestellt wird, bedeuten.When changing the supply of electrical energy can be a provision electrical energy starting from a state to which the or the adjusting means were not subjected to electrical energy. Alternatively, the change in the provision of electrical energy may mean a complete shutdown of a previous supply of electrical energy. In a further alternative, the change in the provision of electrical energy may mean an increase or reduction of an electrical voltage and / or a current flow that is provided to the adjusting means.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
Zweckmäßig ist es, wenn während der Wartezeit eine Ermittlung der Soll-Istwert-Differenz vorgenommen wird und dass nach einem Austreten der Soll-Istwert-Differenz aus dem Schwellwertintervall und einem nachfolgenden Wiedereintreten der Soll-Istwert-Differenz in das Schwellwertintervall während der Wartezeit ein Neustart der Wartezeit erfolgt. Dieser Vorgehensweise liegt die Überlegung zugrunde, dass bei einem Wiedereintritt der Soll-Istwert-Differenz in das Schwellwertintervall noch während der Wartezeit für das fluidische System bis zum Ende der sich daran anschließenden Wartezeit keinen Beeinflussungsbedarf besteht. Die Wartezeit kann konstant gewählt, insbesondere durch Parametrierung vorgebbar sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Wartezeit dynamisch an die Erfordernisse des fluidischen Systems angepasst wird, beispielsweise in Abhängigkeit vom Druck, den die Fluidquelle bereitstellt und/oder von anderen Betriebsparametern. Ferner kann ergänzend oder alternativ vorgesehen werden, dass die nachfolgende Wartezeit in Abhängigkeit davon eingestellt wird, wann der Wiedereintritt der Soll-Istwert-Differenz in das Schwellwertintervall während der vorausgegangenen Wartezeit erfolgt ist und/oder wie lange die Soll-Istwert-Differenz während der Wartezeit außerhalb des Schwellwertintervalls lag.It is useful if, during the waiting time, a determination of the target actual value difference is made and that after a leakage of the setpoint actual value difference from the threshold interval and a subsequent reentry of the target actual value difference in the threshold interval during the waiting time a restart the waiting time takes place. This approach is based on the consideration that there is no need for influencing the re-entry of the desired-actual value difference in the threshold interval during the waiting time for the fluidic system until the end of the subsequent waiting time. The waiting time can be selected constant, in particular be predetermined by parameterization. Alternatively it can be provided that the waiting time is adapted dynamically to the requirements of the fluidic system, for example as a function of the pressure which the fluid source provides and / or of other operating parameters. Furthermore, it can additionally or alternatively be provided that the subsequent waiting time is set as a function of when the re-entry of the setpoint-actual value difference into the threshold interval during the previous waiting time has taken place and / or how long the setpoint-actual value difference during the waiting time was outside the threshold interval.
Zweckmäßig ist es, wenn ein Änderungsbetrag für die Bereitstellung elektrischer Energie unabhängig vom Ansteuerungszeitpunkt oder in Abhängigkeit von der Sollwert-Istwert-Differenz ausgewählt ist. Exemplarisch findet entweder zum ersten Ansteuerungszeitpunkt oder nach Ablauf einer oder mehrerer Wartezeitintervalle zu einem zweiten Ansteuerungszeitpunkt eine Ansteuerung des Stellmittels mit einem vorgebbaren und stets gleichen elektrischen Energiebetrag statt. Dementsprechend wird das mit dem Stellmittel versehene Fluidsteuerventil vorzugsweise in der Art eines Schaltventils betrieben, das wahlweise eine Blockierung oder eine vollständige Freigabe eines fluidischen Strömungsquerschnitts zwischen dem Eingangsanschluss und dem Arbeitsanschluss ermöglicht.It is expedient if a change amount for the provision of electrical energy is selected independently of the activation time or as a function of the nominal value-actual value difference. By way of example, either at the first activation time or after one or more waiting time intervals have elapsed at a second activation time, the actuating means is actuated with a predefinable and always the same amount of electrical energy. Accordingly, the actuator provided with the fluid control valve is preferably operated in the manner of a switching valve, which allows either a blocking or a complete release of a fluidic flow cross-section between the input port and the working port.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Änderung der Bereitstellung elektrischer Energie zum ersten oder zweiten Ansteuerungszeitpunkt in einer Abhängigkeit von der Sollwert-Istwert-Differenz steht. In diesem Fall ist das Fluidsteuerventil vorzugsweise als Proportionalventil ausgebildet, das dazu eingerichtet ist, den freien Fluidquerschnitt zwischen dem Eingangsanschluss und dem Arbeitsanschluss zwischen einer Blockierstellung und einer Freigabestellung schrittweise oder stufenlos frei wählbar einzustellen.Alternatively, it can be provided that the change in the provision of electrical energy for the first or second activation time is dependent on the setpoint-actual value difference. In this case, the fluid control valve is preferably designed as a proportional valve, which is adapted to adjust the free fluid cross section between the input port and the working port between a blocking position and a release position gradually or continuously freely selectable.
Vorteilhaft ist es, wenn die Veränderung der Bereitstellung elektrischer Energie als Bereitstellung oder Abschaltung einer vorgebbaren elektrischen Versorgungsspannung erfolgt. Somit werden an das Stellmittel lediglich zwei unterschiedliche Zustände der Bereitstellung elektrischer Energie bereitgestellt, entweder keine Bereitstellung elektrischer Energie oder eine Bereitstellung elektrischer Energie auf einem vorgebbaren Niveau, beispielsweise einem vorgebbaren Spannungsniveau. Hierdurch kann der Aufbau der zur Bereitstellung der Bereitstellung elektrischer Energie vorgesehenen Steuereinheit einfach gehalten werden, da keine komplexe, beispielsweise stufenlose, Beeinflussung der Bereitstellung elektrischer Energie notwendig ist.It is advantageous if the change in the provision of electrical energy takes place as providing or switching off a predefinable electrical supply voltage. Thus, only two different states of the provision of electrical energy are provided to the actuating means, either no provision of electrical energy or provision of electrical energy at a predeterminable level, for example a predeterminable voltage level. In this way, the structure of the provided for providing the provision of electrical energy control unit can be kept simple, since no complex, for example stepless, influencing the provision of electrical energy is necessary.
Bevorzugt wird die Wartezeit von einem, vorzugsweise einstellbaren, Zeitglied vorgegeben wird. Das Zeitglied kann elektrisch oder elektronisch realisiert sein, vorzugweise ist das Zeitglied in einem Programmablauf eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers, der für die Ansteuerung des Stellmittels eingesetzt wird, implementiert und kann somit durch Parametrierung eingestellt werden.Preferably, the waiting time is given by a, preferably adjustable, timer. The timer can be realized electrically or electronically, preferably the timer is implemented in a program sequence of a microprocessor or microcontroller, which is used for the control of the actuating means, and can thus be adjusted by parameterization.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Aspekt mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Hierbei ist eine Ventileinrichtung mit einer Steuereinheit zur Bereitstellung von Steuersignalen an ein Fluidsteuerventil sowie mit einem Fluidsteuerventil vorgesehen, wobei das Fluidsteuerventil ein elektrisch betreibbares Stellmittel umfasst, das mit einem Ventilkörper gekoppelt ist, der in einem Ventilraum des Fluidsteuerventils zur Beeinflussung eines fluidischen Querschnitts zwischen einem Eingangsanschluss und einem Arbeitsanschluss relativ zu einem Ventilsitz bewegbar angeordnet ist, um einen Fluidzustrom von einer Fluidquelle zu einem Fluidverbraucher und einen Fluidabstrom vom Fluidverbraucher in eine Fluidsenke zu beeinflussen und wobei die Steuereinheit für die Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 ausgebildet ist. Die Ventileinrichtung kann als einzelnes Modul zur Ansteuerung eines oder mehrerer Fluidverbraucher ausgebildet sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass mittels eines oder mehrerer Bedienelemente wie einem elektrischen Tastschalter eine Ansteuerung der Ventileinrichtung durch einen Bediener erfolgen kann, um hierüber Einfluss auf einen mit der Ventileinrichtung fluidisch gekoppelten Fluidverbraucher wie einen Fluidzylinder oder einen Fluidmotor zu nehmen. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in einer persönlichen Unterstützungseinrichtung wie einem pneumatisch verstellbaren Krankenbett vorgesehen. Alternativ ist die Ventileinrichtung zur Integration in eine Modulkette, die aus mehreren zumindest im Wesentlichen gleichartig ausgebildeten Ventileinrichtungen und einer Steuereinrichtung aufgebaut sein kann, ausgebildet. Hierdurch können beispielsweise eine Vielzahl von Fluidverbrauchern wie beispielsweise Linearaktoren in einer Vorrichtung, beispielsweise in einer Produktionsmaschine, zentral angesteuert werden. Durch die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Steuereinheit der Ventileinrichtung wird ein Regelungsverhalten für die einzelnen Fluidverbraucher erreicht, bei dem unerwünschte Druckschwankungen zumindest weitgehend ausgeblendet werden.The object of the invention is achieved according to a second aspect with the features of claim 6. In this case, a valve device is provided with a control unit for providing control signals to a fluid control valve and a fluid control valve, wherein the fluid control valve comprises an electrically operable actuating means which is coupled to a valve body which is in a valve chamber of the fluid control valve for influencing a fluidic cross-section between an input port and a working port is movably disposed relative to a valve seat to affect a fluid flow from a fluid source to a fluid consumer and a fluid flow from the fluid consumer into a fluid sink and wherein the control unit is designed for carrying out the method according to
Zweckmäßig ist es, wenn das Stellmittel als piezoelektrischer Aktor ausgebildet ist. Ein piezoelektrischer Aktor ermöglicht eine sehr schnelle Stellbewegung für das gekoppelte Ventilglied und stellt somit sicher, dass ein bereitgestelltes Ansteuersignal in kurzer Zeit zur gewünschten Stellbewegung führt des Ventilkörpers gegenüber dem Ventilsitz führt. Somit können die Wartezeit und die Wartezeit direkt eingestellt werden, da praktisch keine Latenzzeit der Stellmittel berücksichtigt werden muss.It is expedient if the adjusting means is designed as a piezoelectric actuator. A piezoelectric actuator allows a very fast adjusting movement for the coupled valve member and thus ensures that a provided drive signal leads in a short time to the desired adjusting movement of the valve body relative to the valve seat. Thus, the waiting time and the waiting time can be set directly because virtually no latency of the actuating means must be considered.
Vorteilhaft ist es, wenn in dem Ventilraum ein mit der Steuereinheit elektrisch gekoppelter Drucksensor angeordnet ist, der zur Bereitstellung des Ist-Druckwerts ausgebildet ist. Hierdurch sind ein einfacher Aufbau der Ventileinrichtung sowie ein einfacher elektrischer Anschluss der Ventileinrichtung gewährleistet.It is advantageous if a pressure sensor which is electrically coupled to the control unit and which is designed to provide the actual pressure value is arranged in the valve space. As a result, a simple construction of the valve device and a simple electrical connection of the valve device are ensured.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:An advantageous embodiment of the invention is shown in the drawing. Hereby shows:
In der
Das erste und das zweite Stellmittel
Mit Hilfe der beiden Stellmittel
Der Druck im Fluidraum
Die
Die im Signalverlaufsdiagramm
Aufgrund der Differenz zwischen dem Ist-Druckwert
Daher öffnet das erste Stellmittel
Um diese Geräusche zu reduzieren, wird das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren eingesetzt, wie es in der
Das Steuersignal
Durch die jeweilige Wartezeit tw wird demnach eine Neigung des fluidischen Systems zum Aufschwingen deutlich reduziert, so dass bei ähnlicher Reaktionsschnelligkeit eine verringerte Anzahl von Schaltspielen für die Stellmittel
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist vorgehsehen, dass die Wartezeit derart in Abhängigkeit von einer zuvor ermittelten maximalen Sollwert-Istwert-Differenz gewählt wird, dass bei großer Sollwert-Istwert-Differenz die Wartezeit kürzer gewählt wird als bei einer kleinen Sollwert-Istwert-Differenz.In an embodiment of the invention which is not shown, provision is made for the waiting time to be selected as a function of a previously determined maximum setpoint / actual value difference such that the waiting time is selected shorter for a large setpoint / actual value difference than for a small setpoint / actual value. Difference.
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Owner name: FESTO SE & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: FESTO AG & CO. KG, 73734 ESSLINGEN, DE Owner name: FESTO AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: FESTO AG & CO. KG, 73734 ESSLINGEN, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE MAGENBAUER & KOLLEGEN PARTNERSC, DE |
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |