DE102016213236A1 - Elektronische ventilbetätigungsteuerung und druckkompensierung - Google Patents

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Abstract

Hydraulisches Steuerungsssystem, welches Systemdruckinformationen und umstrukturierte Bedienereingaben verwendet, um eine Ventielschieberfläche zum Steuern der Aktorgeschwindigkeit zu kommandieren. Dabei verwendet das System eine Weichdichtung und/oder weiche Druckkompensation.

Description

  • Querverweis auf Verbundene Anmeldung
  • Die Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen Anmeldung US 2016/198,177 eingereicht am 30. Juli 2015, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingebunden ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine elektronische Ventilbetätigung eines hydraulischen Systems. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Steuerung einer elektronischen Ventilbetätigung durch Lastabhängigkeit und Druckkompensation.
  • Hydraulische Aktoren und Zylinder sind im Stand der Technik bestens bekannt und werden verwendet, eine unidirektionale Kraft durch einen unidirektionalen Hub zu erzeugen. Hydraulische Aktoren haben viele Anwendungen, wie z. B. in Baumaschinen, Fabrikausstattung und im Bauwesen.
  • Hydraulische Aktoren erhalten ihre Energie von unter Druck gesetztem Hydraulikfluid. Der Volumenstrom an Hydraulikflüssigkeit zu und von dem Aktor wird durch ein Ventil gesteuert. Abhängig vom Einsatz sind hydraulische Aktoren Lasten ausgesetzt, die in hohem Maß variieren. In diesen Situationen stehen die Anforderungen, die für einen Aktor berücksichtigt werden müssen in Konflikt mit den Anforderungen, die für das Ventil berücksichtigt werden müssen. Z. B. muss die Ventilfläche für geringe Lasten groß sein, um hohe Aktorgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Wenn die Last hoch ist, muss die Ventilfläche relativ klein sein, um übermäßige Aktorgeschwindigkeiten zu vermeiden.
  • Typischerweise wird die Ventilöffnungsfläche proportional zur Bedienereingabe eingestellt. Z. B. resultiert ein Joystick-Befehl von 0 bis 100% in einer Ventilöffnungsfläche von 0 bis 100%. Das kann eine schlechte Auflösung ergeben. Falls die Aktorgeschwindigkeit 0 bis 100% ist, kann eine schlechte Auflösung auftreten, wenn die Ventilöffnungsfläche 0 bis 10% beträgt und der Steuerhebelbefehl ebenfalls auf 0 bis 10% eingeschränkt ist.
  • Ein Verfahren um dieses Problem zu lösen, ist die Verwendung eines hydraulischen Kompensators, der den Druckabfall über der Steuerblendenfläche des Ventils zu einem relativ konstanten Druckabfall regelt. Ein Problem mit diesem Vorgehen ergibt sich dann, wenn die maximale Ventilfläche für geringe Lastbedingungen überdimensioniert sein soll, und der Kompensator auch bei vollständiger Öffnung zusätzlichen Druckabfall erzeugt und damit die maximale Absenkgeschwindigkeit der geringen Last reduziert.
  • Um unsichere Absenkgeschwindigkeiten mit hohen Lasten zu vermeiden, kann ein Volumenstrombegrenzungsventil verwendet werden, welches jedoch weiterhin das Problem einer schlechten Auflösung zeigt, wenn hohe Lasten abgesenkt werden (z. B. kann ein 10% Steuerhebelbefehl in einer 100%-Aktorgeschwindigkeit resultieren).
  • Sicherheitsaspekte sind insbesondere dann vorhanden, wenn Aktoren in Gabelstaplerhebewerken verwendet werden. Die Absenkungsfunktion eines Gabelstaplerhebewerks funktioniert normalerweise durch die Gewichtskraft der Gabel, unabhängig ob beladen oder nicht. Ohne Druckkompensation würde die Beschleunigung umso höher sein, je höher die Last ist. Dies kann unsichere Betriebsbedingungen für den Bediener verursachen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Aufgabe auf der die Erfindung basiert, liegt darin, Druckinformation und umskalierte Bedienereingaben zu verwenden, um die Aktorgeschwindigkeit einzustellen, anstatt die Ventilfläche. Gleichzeitig soll das System Kosten reduzieren, eine optimale Leistung aufweisen, eine gute Eingabeauflösung zeigen und mehr Flexibilität bieten.
  • Die Aufgabe wird durch Verwenden von Druckinformation gelöst, um eine maximal erlaubte Bedienereingabe oder Ventilöffnungsfläche zu bestimmen, welche zugelassen werden kann, um übermäßige Aktorgeschwindigkeiten zu begrenzen. Danach wird die Bedienereingabe zur zulässigen Ventilfläche umskaliert, um die Aktorgeschwindigkeit direkt einzustellen.
  • Bevorzugt wird der maximal zulässige Bedienereingabebefehl (d. h. die Ventilöffnungsfläche) durch Verwendung gespeicherter zuvor bestimmter Information kalkuliert, wie z. B. durch eine 2D-Nachschlagetabelle oder durch zuvor bestimmter Information mittels des Systemdrucks berechnet. Alternativ wird der maximale Bedienereingabebefehl auf Basis der Differenz zwischen dem erkannten Druck und dem Tankdruck berechnet und auf eine vorbestimmte Druckdifferenz unter Verwendung eines Proportional-Integral-Differential-Reglers geregelt, um eine weiche Druckkompensation bereitzustellen.
  • Umskalierung der Bedienereingabe oder weiche Skalierung beinhalten bevorzugt das Modifizieren eines Bedienereingabebefehls mittels Eingabeaufbereitungsblöcken. Basierend auf einem Vergleich des maximal zulässigen Eingabebefehls und des modifizierten Eingabebefehls wird ein Signal durch die proportionale Ventilaktivierung (PVE) geleitet, welche eine gute Auflösung aufweist, um den Aktuator anstatt die Ventilschieberfläche anzuweisen.
  • Die Erfindung wird unten in weiteren Details mit Hilfe von beispielshaften Ausführungsformen erklärt, die in den Figuren dargestellt sind.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines hydraulischen Steuersystems;
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines hydraulischen Kontrollsystems, welches eine weiche Skalierung aufweist; und
  • 3 ist eine schematische Ansicht eines hydraulischen Systems, welches eine weiche Druckkompensation aufweist.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Systems 10, welches eine lastabhängige elektronische Ventilbestätigungssteuerung und Druckkompensation aufweist. Das System beinhaltet ein Fahrzeug 12, welches eine Bedienereingabevorrichtung 14, ein hydraulisches System 16 zum Bewegen von Lasten und eine Steuerung 18, die mit der Eingabevorrichtung 14 verbunden ist, aufweist. Das hydraulisches System weist einen Aktuator 20 und ein Ventil 22 auf, das den Volumenstrom zu und vom den Aktuator 20 steuert. Der Klarheit wegen zeigt 1 nur die wesentlichen Elemente des Systems 10, wobei das System 10 Druckinformation des hydraulischen Systems 16 verwendet, um die maximale Öffnungsfläche für das Ventil 22 zu bestimmen, welche zugelassen werden kann, um eine übermäßige Geschwindigkeit des Aktuators 20 zu begrenzen. Die Steuerung 18 bereitet den Bedienereingabebefehl auf oder umskaliert diesen zur Ventilfläche, so dass die Geschwindigkeit des Aktuators 20 anstatt der Ventilfläche eingestellt wird, was eine gute Auflösung ergibt. Eine schlechte Auflösung tritt auf, wenn die Aktorgeschwindigkeit nicht proportional zum Bedienereingabebefehl und zur Ventilöffnungsfläche ist. Durch Umskalieren des Bedienerbefehls zu der maximal zulässigen Ventilfläche wird der Befehl für die Aktorgeschwindigkeit proportional zur zulässigen Ventilöffnungsfläche, was eine gute Auflösung ergibt.
  • Das System 10 wird mit jeder Anwendung verwendet, welches die Schwerkraft zum Bewegen des Aktuators und der Last verwendet. Ein von mehreren Beispielen bevorzugtes System 10 beinhaltet eine Hubgabel 12 mit einem Hebewerk 24 und einen Joystick, der als Bedienereingabevorrichtung 14 verwendet wird.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Systems, welche eine Vorkehrung für ein weiches Skalieren des Bedienereingabebefehls vorsieht. Ein Eingabeaufbereitungsblock 26 wird verwendet, um den Bedienereingabebefehl zu modifizieren oder umzuskalieren, welcher dann durch die Steuerung 18 mit einem kalkulierten maximal zulässigen Bedienerbefehl (Steuerhebel) verglichen wird, der mit zuvor bestimmter Information berechnet wurde, bspw. die Rückmeldung des Hebewerkdrucks. Alternativ wird der maximale zulässige Bedienerbefehl durch zuvor bestimmte Information, die in der Steuerung 18 gespeichert ist, bestimmt, wie bspw. eine 2-D-Nachschlagetabelle oder Ähnliches. Eingabeaufbereitungsblöcke 26 wie Soft RampTM, ProfileTM und Ähnliches aus der Danfoss Power Solutions PLUS+1TM Arbeitsfunktionsbibliothek können verwendet werden. Dem absoluten Minimum des modifizierten Eingabebefehls und der kalkulierten maximal zulässigen Bedienereingabe wird ermöglicht zum PVE geleitet zu werden. Als Ergebnis wird das PVE-Kommando immer auf Basis der Rückmeldung des Hebewerkdrucks definiert, was eine weiche Absenkung unabhängig von der Lastgröße bereitstellt.
  • 3 zeigt eine schematische Ansicht des Systems 10, welches eine Vorkehrung für weiche Druckkompensation beinhaltet. Bevorzugt wird eine Proportional-Integral-Differential (PED) Steuerung 28 und Technik verwendet, um einen konstanten Druckabfall über dem Hauptschieber des Ventils 22 zu erreichen, ohne dass Aufbereitungseinrichtungen notwendig sind. Am Anfang wird eine gewünschte Druckspanne (Abfall) Pd über ein nichtkompensiertes Schiebeventil 22 in der Software 30 definiert. Die Druckspanne Pd kann mittels eines Service-Werkzeuges verändert werden.
  • Der Systemdruck P wird basierend auf dem Hebewerkdruck P berechnet, welcher durch den Sensor 32 erkannt wird, um die Rückmeldung des Hebewerkdrucks P1 bereitzustellen, wobei zuvor ein Tankdruck PT kalkuliert wurde oder PT direkt durch einen separaten Druckwandler gemessen werden kann. Der gewünschte Tankdruck PT kann basierend auf einem kalkulierten durchnittlichen Druckabfall über den Schieberventil 22 beim Absenken des Hebewerks mit verschiedenen Gewichtssituationen bestimmt werden. Der PID 28 berechnet einen Fehler e basierend auf der gewünschten Druckspanne Pd und dem kalkulierten Systemdruck.
  • Die PID Ausgabe bzw. der PVE Eingang wird dann durch die Steuerung 18 mit dem Bedienereingabebefehl verglichen, um einen modifizierten PVE Eingang bereitzustellen. Der modifizierte PVE Eingang wird zum PVE Treiber weitergeleitet, welcher den proportionalen Ventilfreigabeaktuator (PVEA) kommandiert. Wenn ordnungsgemäß eingestellt, kann die PID Steuerung 28 den Fehler e minimieren, um einen von der Last unabhängigen konstanten Druckabfall über dem Hauptschieberventil 22 zu erhalten. Die weiche Druckkompensationsabsenkung kann durch die Schwerkraft unterstützt werden, wobei ein Pumpenvolumenstrom nicht erforderlich ist. Folglich wurde ein hydraulisches Steuerungssystem beschrieben, das zumindest alle der genannten Aufgaben erfüllt.

Claims (20)

  1. Elektronisches Ventilbetätigungssystem aufweisend: eine Steuerung, die mit einer Eingabevorrichtung und einem hydraulisches System verbunden ist; wobei das hydraulische System ein Ventil aufweist, das den Volumenstrom zu und von einem Aktor steuert; wobei die Steuerung basierend auf der Druckinformation die sie vom hydraulischen System erhält, die maximal zulässige Öffnungsfläche für das Ventil bestimmt und einen Bedienereingabebefehl von der Eingabevorrichtung zur maximal zulässigen Öffnungsfläche umskaliert, um eine Geschwindigkeit für den Aktor zum Erreichen einer guten Eingabeauflösung vorzugeben.
  2. System nach Anspruch 1, bei dem ein Eingabeaufbereitungsblock verwendet wird, um den Bedienereingabebefehl umzuskalieren.
  3. System nach Anspruch, 1 bei dem ein zuvor bestimmter Wert in der Steuerung gespeichert und dazu verwendet wird, einen maximal zulässigen Eingabebefehl zu kalkulieren.
  4. System nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung einen Befehl an den Aktor sendet, der das absolute Minimum des umskalierten Bedienereingabebefehls und die maximal zulässige Öffnungsfläche darstellt.
  5. Elektronisches Ventilbetätigungssystem aufweisend: eine Steuerung, die mit einer Eingabevorrichtung und einem hydraulischen System verbunden ist; wobei das hydraulische System ein Ventil aufweist, das den Volumenstrom zu und von einem Aktor steuert; wobei die Steuerung eine Software aufweist, in der eine gewünschte Druckspanne eingestellt ist, und wobei eine Proportional-Integral-Differential-Steuerung einen konstanten Druckabfall über den Ventil erhält.
  6. System nach Anspruch 5, bei dem die Proportional-Integral-Differential-Steuerung einen Fehler basierend auf der eingestellten Druckspanne und einem kalkulierten Systemdruck berechnet.
  7. System nach Anspruch 6, bei dem die Steuerung ausgestaltet ist, um den Systemdruck basierend auf dem Hebewerkdruck, der durch einen Sensor erkannt wird, der eine Rückmeldung des Hebedrucks bereitstellt und einem zuvor kalkulierten Tankdruck, berechnet.
  8. System nach Anspruch 7, bei dem der Tankdruck basierend auf einem durchschnittlichen Druckabfall über dem Ventil beim Absenken eines Hebewerks mit verschiedenen Lastsituationen kalkuliert wird.
  9. System nach Anspruch 5, bei dem ein Proportional-Integral-Differential-Ausgang mit einem Bedienereingabebefehl durch die Steuerung verglichen wird, um dem Aktor einen modifizierten PVE-Befehl zur Verfügung zu stellen.
  10. System nach Anspruch 9, bei dem der modifizierte PVE-Befehl zu einem PVE-Treiber weitergeleitet wird, welcher den Aktuator kommandiert.
  11. Verfahren zum Steuern eines hydraulischen Systems aufweisend die Schritte: – Bestimmen einer maximalen zulässigen Öffnung für ein Ventil, welches den Volumenstrom zu und von einem Aktor unter Verwendung einer Steuerung zur Geschwindigkeitsbegrenzung des Aktuators steuert; – Umskalieren eines Bedienereingabebefehls zu einer maximal zulässigen Öffnung des Ventils mittels der Steuerung; und – Kommandieren der Aktorgeschwindigkeit mittels der Steuerung basierend auf dem umskalierten Bedienereingabebefehl.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die maximal zulässige Öffnung für das Ventil auf Druckinformation von einem hydraulischen System basiert.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem ein Aufbereitungsblock verwendet wird, um den Bedienereingabebefehl umzuskalieren.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem durch die Steuerung ein maximal zulässiger Bedienerbefehl aus zuvor bestimmter Information kalkuliert wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem ein maximal zulässiger Bedienerbefehl aus zuvor bestimmter Information, die in der Steuerung gespeichert ist, bestimmt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 11 weiter aufweisend die Schritte eines Vergleichens des umskalierten Bedienerbefehls mit einem maximal zulässigen Bedienereingabebefehl durch die Steuerung und Ermöglichen, dass das absolute Minimum für eine proportionale Ventil-Freigabe weitergeleitet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Schritt der Bestimmung der maximal zulässigen Öffnung für das Ventil eine Proportional-Integral-Differential-Steuerung verwendet, um einen konstanten Druckabfall über dem Ventil zu erhalten, ohne dass Kompensationsmaßnahmen nötig sind.
  18. Verfahren nach Anspruch 11, weiter aufweisend den Schritt der Definition einer gewünschten Druckspanne über dem Ventil.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, weiter aufweisend den Schritt eines Kalkulierens eines Systemdrucks basierend auf dem Druck, der durch einen Sensor erkannt wurde, und auf einen zuvor kalkulierten Tankdruck.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, weiter aufweisend den Schritt eines Vergleichens einer Ausgabe der Proportional-Integral-Differential-Steuerung mit dem Bedienereingabebefehl, um eine modifizierte proportionale Ventilfreigabe bereitzustellen, der einen proportionalen Ventil-Freigabeaktuator kommandiert.
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