DE102012019232A1

DE102012019232A1 - Verfahren zum Ansteuern einer hydraulischen Ventilanordnung und hydraulische Ventilanordnung

Info

Publication number: DE102012019232A1
Application number: DE201210019232
Authority: DE
Inventors: Rudolf Schäffer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2014-04-03
Also published as: ITMI20131572A1; CN103713663A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer hydraulischen Ventilanordnung (100) zur Bereitstellung eines variablen Durchflussquerschnitts durch die Ventilanordnung (100), wobei die hydraulische Ventilanordnung (100) wenigstens zwei Schaltventile (110, 120) aufweist, die parallel geschaltet sind, wobei ein erstes (110) der wenigstens zwei Schaltventile so mit einem ersten Pulssignal (301) und ein zweites (120) der wenigstens zwei Schaltventile so mit einem zweiten Pulssignal (302) angesteuert werden, dass ein Sperrkörper des jeweiligen Schaltventils (110, 120) eine ballistische Bewegung (501, 502) aus einer erste Stellung in eine zweite Stellung und zurück in die erste Stellung vollführt, wobei das erste und das zweite Pulssignal zeitlich so verschoben sind, dass sich die Sperrkörper nicht gleichzeitig in ihrer zweiten Stellung befinden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer hydraulischen Ventilanordnung und ein hydraulische Ventilanordnung.
Stand der Technik
In Hydrauliksystemen werden Stetigventile, wie z. B. Proportionalventile, eingesetzt, deren Durchflussquerschnitt (z. B. durch Anlegen eines analogen Ansteuersignals oder eines entsprechenden PWM-Ansteuersignals) im Wesentlichen stetig einstellbar ist. Stetigventile werden beispielsweise eingesetzt, um die Position, die Geschwindigkeit und/oder den Fluiddruck von Hydraulikkolben zu steuern oder zu regeln. Stetigventile weisen jedoch den Nachteil auf, dass relativ kleine (z. B. kleiner 10%) Durchflussquerschnitte bzw. Volumenströme (es sei lediglich der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass sich ein Volumenstrom direkt aus einem Durchflussquerschnitt und einem Förderdruck ergibt) nur mit großem Aufwand genau einzustellen sind, da der Zusammenhang zwischen Ansteuersignal und Durchflussquerschnitt in diesem Bereich stark nichtlinear ist. Z. B. ist daher die exakte Vorgabe von kleinen und/oder langsamen Kolbenbewegungen verhältnismäßig aufwendig.
Aus der EP 2 431 640 A2 , deren Offenbarung zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht werden soll, ist ein ballistisches Ansteuerverfahren für Ventile bekannt. Dieses dient dazu, ein Schaltventil, welches nur diskrete Schaltstellungen hat, so zu betreiben, dass es die Funktion eines Stetigventils mit einem stetigen Schaltverlauf erfüllt. Bei einer ballistischen Ansteuerung wird ein gepulstes Ansteuersignal (z. B. ein PWM-Signal) angelegt. Eine Pulsdauer des Ansteuersignals ist zeitlich derart kurz dimensioniert, dass der Sperrkörper vor Erreichen einer zweiten stabilen Schaltstellung (”geöffnet”) von einer Gegenkraft zurück in eine erste stabile Schaltstellung (”geschlossen”) bewegt wird. Dabei gibt der Sperrkörper während der ballistischen Bewegung einen Durchflussquerschnitt des Ventils zumindest teilweise frei. Die Dauer und Amplitude des Pulses bestimmt dabei die pro ballistischen Öffnungshub dosierte Fluidmenge.
Bei dieser Betriebsart kann es jedoch zu unerwünschten Druckschwankungen kommen, die vermieden werden sollen. Hohe Druckgradienten führen zu hohen Geräuschemissionen und unruhigem Verhalten der Verbraucher, die mit einem derart angesteuerten Schaltventil angesteuert werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ansteuern einer Ventilanordnung sowie eine Ventilanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Lösung, um ein Stetigventil durch eine Ventilanordnung aus Schaltventilen nachzubilden, wobei unerwünschte Druckschwankungen deutlich reduziert oder ganz vermieden werden können. Durch eine Parallelschaltung von zumindest zwei Schaltventilen, welche phasenverschoben (d. h. zeitlich versetzt) ballistisch angesteuert werden, kann ein nur wenig oder gar nicht schwankender effektiver Durchflussquerschnitt erzeugt werden. Dadurch werden Druckschwankungen reduziert. Durch die Erfindung kann eine Steuerkante (z. B. eine Verbindung P-A oder P-B oder A-T oder B-T) eines Stetigventils bereits durch zwei einfache Schaltventile im Wesentlichen vollständig ersetzt werden.
Die Ansteuerung der einzelnen Schaltventile erfolgt jeweils ballistisch, d. h. die Sperrkörper der Ventile vollführen eine ballistische Bewegung aus einer ersten Stellung (”0” bzw. ”Ventil geschlossen”) in eine zweite Stellung (zwischen ”0” und ”1”, wobei ”1” ”Ventil vollständig geöffnet” bedeutet) und zurück in die erste Stellung. Die Pulssignale für die Ansteuerung der Ventile werden in Abhängigkeit von einem Sollwert für einen effektiven Durchflussquerschnitt durch die Ventilanordnung erzeugt. Dabei werden die Pulssignale zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass durch die Bewegung der Sperrkörper im zeitlichen Mittel ein effektiver Durchflussquerschnitt durch die Ventilanordnung bereitgestellt wird, der einem Sollwert entspricht.
Eine bevorzugte Phasenverschiebung entspricht einer Periodenlänge geteilt durch die Anzahl der verwendeten Schaltventile. Werden beispielsweise genau zwei Schaltventile verwendet, beträgt die Phasenverschiebung vorzugsweise eine halbe Periodenlänge, d. h. der Sperrkörper des einen Ventils erreicht die zweite Stellung in der Mitte zwischen den Zeitpunkten, zu denen der Sperrkörper des anderen Ventils die zweite Stellung erreicht.
Die Überlagerung von wenigstens zwei ballistischen Hubverläufen führt bereits zu einer signifikanten Reduzierung einer Variation des effektiven Durchflussquerschnitts. Bei ausreichend langer Betätigung überschneiden sich die Öffnungszeiten der Ventile, so dass ein sehr gleichmäßiger Volumenstrom entsteht. Aber auch bei kurzen Öffnungszeiten ergibt sich durch die effektive Verdopplung der Ventilöffnungsfrequenz an der Steuerkante eine geringere Pulsation im Volumenstrom.
Vorzugsweise wird eine nur zwei Schaltventile aufweisende Ventilanordnung zur Nachbildung einer Steuerkante eines Stetigventils eingesetzt. Die Ansteuerung der beiden Ventile wird dabei vorzugsweise so vorgenommen, dass die Ventilsperrkörper eine gegenläufige Bewegung ausführen, d. h. wenn der eine geschlossen ist, befindet sich der andere an seinem oberen Umkehrpunkt und umgekehrt. Dadurch kann bereits die Variation des effektiven Durchflussquerschnitts und damit die Druckschwankung deutlich reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein Ansteuersignal angelegt, das zu einem komplementären Verlauf der Sperrkörperbewegungen führt, so dass sich insgesamt ein konstanter effektiver Durchflussquerschnitt ergibt. Es kann in diesem Zusammenhang notwendig sein, ein Wechselstromsignal als Ansteuersignal zu verwenden.
Die Ventilanordnung verfügt zweckmäßigerweise über eine Ansteuerschaltung, die in Abhängigkeit von einem Eingangssignal (um z. B. einen Durchflussquerschnitt von 0% bis 100% vorzugeben) als Ansteuersignal für die eingesetzten Ventile passende Ausgangssignale erzeugt, d. h. insbesondere gepulste Ansteuersignale (z. B. PWM, Sägezahn, Sinus), auch als Wechselstromsignale (d. h. mit positiver und negativer Amplitude). Die Ansteuerschaltung kann die Ausgangssignale aus dem Eingangssignal beispielsweise mittels eines gespeicherten Zusammenhangs, z. B. Kennlinien, erzeugen.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät einer Ventilanordnung, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine.
2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung.
3 zeigt den Verlauf von Ansteuersignalen, Strömen, Hüben und des effektiven Volumenstroms bei einer Ansteuerung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist schematisch eine hydraulische Maschine 10 dargestellt, welche eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung 100 aufweist. Die hydraulische Maschine 10 weist eine Druckquelle 20, beispielsweise eine Hydraulikpumpe, auf, welche aus einem Tank 21 Hydraulikflüssigkeit fördert und in eine Hydraulikdruckleitung 22 abgibt. Die Hydraulikdruckleitung 22 ist mit einem Druckquellenanschluss P der Ventilanordnung 100 verbunden. Wie üblich, weist die Ventilanordnung 100 weiterhin einen Arbeitsleitungsanschluss A auf.
Die hydraulische Maschine 10 weist weiterhin ein Steuergerät bzw. eine Recheneinheit 30 auf, die die Ventilanordnung 100 vorzugsweise über elektrische Ansteuersignale 31 ansteuert. In Folge der Ansteuerung wird der Arbeitsleitungsanschluss A in entsprechender Weise mit dem Anschluss P verbunden, so dass ein Hydraulikaggregat 40, beispielsweise ein Hydraulikzylinder, entsprechend mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden kann, um seine Bewegung und/oder Geschwindigkeit zu steuern.
In 2 ist die Ventilanordnung 100 detaillierter dargestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Ventilanordnung 100 zwei Schaltventile 110, 120 auf, welche gemäß der hier dargestellten Ausführungsform parallel geschaltet sind. Dies bedeutet, dass die Versorgungsanschlüsse P sowie die Arbeitsleitungsanschlüsse A jeweils parallel geschaltet sind. Ein beispielsweise geeignetes, als Sitzventil ausgebildetes Schaltventil besitzt als Aktor eine Magnetspule a, welche gegen eine Rückstelleinrichtung b, z. B. eine Feder wirkt, um einen Ventilkolben als Sperrkörper (hier mit 111 bzw. 121 symbolisiert) zu bewegen.
Die Ventilanordnung 100 weist weiterhin eine Recheneinheit 130 auf, die die ihr zugeführten Ansteuersignale 31 empfängt und in geeignete Ansteuersignale für die Ventile 110 und 120 umrechnet. Bei diesen Ansteuersignalen für die Ventile 110 und 120 handelt es sich um phasenverschobene gepulste Ansteuersignale (vgl. 3), so dass die Sperrkörper der Ventile jeweils eine ballistische Bewegung, wie in 3 dargestellt, ausführen, und dabei einen Durchflussquerschnitt teilweise freigeben. Das Ansteuersignal 31 kann insbesondere ein analoges Spannungssignal sein, welches ein Sollwert für einen Volumenstrom Q von P nach A ist. Wird die Ventilanordnung mit einem konstantem Hydraulikdruck versorgt, entspricht die Einstellung eines Volumenstroms der Einstellung des Durchflussquerschnitts. Das Ansteuersignal kann insbesondere ein variables Spannungssignal, beispielsweise von 0 V bis +10 V sein. Dementsprechend kann der Volumenstrom Q von 0% (d. h. geschlossen) bis +100% (d. h. voller Volumenstrom von P nach A) sein.
In 3 sind in einem Diagramm 300 die Verläufe unterschiedlicher Größen, die bei einer Ansteuerung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auftreten, gegen die Zeit t aufgetragen.
Ein Ansteuersignal U für das Ventil 110 mit 301, ein Ansteuersignal U für das Ventil 120 mit 302 bezeichnet.
Ein sich aus dem Ansteuersignal U ergebender Spulenstrom I ist für das Ventil 110 mit 401, für das Ventil 120 mit 402 bezeichnet.
Ein sich ergebender Kolben- bzw. Sperrkörperhub s ist für das Ventil 110 mit 501, für das Ventil 120 mit 502 bezeichnet. Wie ersichtlich, besteht zwischen den Graphen 501 und 502 eine Phasenverschiebung von einer halben Periodenlänge. Das Ansteuersignal ist so gewählt, dass sich ein gegenläufiges ballistisches Sperrkörperhubverhalten ergibt. Dadurch sind die von den Ventilen 110 und 120 jeweils bereitgestellten Durchflussquerschnitte in der Summe in idealisierter Weise konstant, so dass sich auch ein im Idealfall konstanter Volumenstrom Q über die Zeit ergibt. Durch die Amplitudenhöhe und/oder Pulslänge der Ansteuersignale ist der effektive Volumenstrom Q vorgebbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2431640 A2 [0003]

Claims

Verfahren zum Ansteuern einer hydraulischen Ventilanordnung (100) zur Bereitstellung eines variablen Durchflussquerschnitts durch die Ventilanordnung (100), wobei die hydraulische Ventilanordnung (100) wenigstens zwei Schaltventile (110, 120) aufweist, die parallel geschaltet sind, wobei ein erstes (110) der wenigstens zwei Schaltventile so mit einem ersten Pulssignal (301) und ein zweites (120) der wenigstens zwei Schaltventile so mit einem zweiten Pulssignal (302) angesteuert werden, dass ein Sperrkörper des jeweiligen Schaltventils (110, 120) eine ballistische Bewegung (501, 502) aus einer erste Stellung in eine zweite Stellung und zurück in die erste Stellung vollführt, wobei das erste und das zweite Pulssignal zeitlich so verschoben sind, dass sich die Sperrkörper nicht gleichzeitig in ihrer zweiten Stellung befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Pulssignal (301, 302) zeitlich so verschoben sind, dass sich die Sperrkörper nicht gleichzeitig in ihrer ersten Stellung befinden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und das zweite Pulssignal (301, 302) zeitlich entsprechend einer Periodenlänge geteilt durch die Anzahl der wenigstens zwei parallel geschalteten hydraulischen Schaltventile (110, 120) verschoben sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Pulssignal (301, 302) zeitlich so verschoben sind, dass sich die Sperrkörper gegenläufig bewegen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Pulssignal (301, 302) jeweils ein PWM-Signal sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Stellung einen geschlossenen Zustand des Schaltventils definiert und/oder wobei die zweite Stellung einen teilweise geöffneten Zustand des Schaltventils definiert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Stellung einen vollständig geöffneten Zustand des Schaltventils definiert und/oder wobei die zweite Stellung einen teilweise geöffneten Zustand des Schaltventils definiert.
Recheneinheit (130), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Hydraulische Ventilanordnung (100), welche zur Bereitstellung eines variablen Durchflussquerschnitts durch die Ventilanordnung (100) eingerichtet ist, mit wenigstens zwei parallel geschalteten Schaltventilen (110, 120) und einer Recheneinheit (130) nach Anspruch 7.
Hydraulische Ventilanordnung (100) nach Anspruch 8, wobei die Recheneinheit (130) dazu eingerichtet ist, aus einem Ansteuersignal (31) für die hydraulische Ventilanordnung (100) das erste und das zweite Pulssignal (301, 302) zu erzeugen.
Hydraulische Ventilanordnung (100) nach Anspruch 9, wobei das Ansteuersignal für die hydraulische Ventilanordnung (100) ein einen Soll-Durchflussquerschnitt oder einen Soll-Volumenstrom vorgebenden, analogen Strom- oder Spannungswert enthält.
Hydraulische Maschine (10) mit einer Druckquelle (20) für Hydraulikflüssigkeit, einer hydraulischen Ventilanordnung (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10 und einem Hydraulikaggregat (40), dessen Beaufschlagung mit Hydraulikflüssigkeit durch die Ventilanordnung (100) gesteuert wird.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit, insbesondere nach Anspruch 7, ausgeführt werden.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.