DE102021212309A1 - Verfahren zur Minimierung des Dither-Brummens an einem Ventil - Google Patents

Verfahren zur Minimierung des Dither-Brummens an einem Ventil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ventils, wobei das Ventil einen linearbeweglichen Steuerschieber umfasst, der mit wenigstens einer Feder in Richtung einer Nullstellung vorgespannt ist, wobei wenigstens eine Magnetspule vorgesehen ist, welche derart mit dem Steuerschieber gekoppelt ist, dass durch Strombeaufschlagung der Magnetspule der Steuerschieber von der Nullstellung weg bewegbar ist, wobei ein Stellungssensor vorgesehen ist, mit welchem eine Ist-Momentan-Stellung (21) des Steuerschiebers messbar ist, wobei jeder Magnetspule eine Stromstellvorrichtung (30) zugeordnet ist, mit welcher ein Strom durch die betreffende Magnetspule mittels einer Momentan-Strom-Stellgröße (35) beeinflussbar ist, wobei die Momentan-Strom-Stellgröße (35) auch von einer, vorzugsweise quasiperiodischen, Dither-Strom-Stellgröße (64) abhängig ist.Erfindungsgemäß wird aus der Ist-Momentan-Stellung (21) unter Verwendung eines Bandpassfilters (50) eine Ist-Dither-Amplitude (54) ermittelt, insbesondere berechnet, wobei ein Dither-Regler (63) vorgesehen ist, welcher durch Verstellung einer Amplitude der Dither-Strom-Stellgröße (64) und/oder einer Signalform der Dither-Strom-Stellgröße (64) bewirkt, dass die Ist-Dither-Amplitude (54) eine vorgegebene Mindest-Dither-Amplitude nicht unterschreitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines, vorzugsweise hydraulischen, Ventils gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Ein entsprechendes Ventil ist beispielsweise aus der EP 2 280 179 B1 oder der DE 10 2019 204 246 A1 bekannt. Dabei wird ein linearbeweglicher Steuerschieber mittels wenigstens einer Feder in eine Nullstellung vorgespannt. Mittels zweier Magnetspulen kann der Steuerschieber ausgehend von der Nullstellung in zwei entgegengesetzte Richtungen verstellt werden, wobei die Stellung des Steuerschiebers mittels eines Stellungssensors messbar ist. Die Magnetspulen sind über ein Pilotventil mit dem Steuerschieber gekoppelt, wobei das Pilotventil beispielsweise gemäß der EP 2 740 980 B1 oder als 4/3-Proportional-Wegeventil ausgeführt sein kann. Die vorliegende Erfindung ist auch für ein direkt mit der wenigstens einen Magnetspule betätigtes Ventil verwendbar. Bei der Erfindung kann eine einzige Magnetspule vorgesehen sein, wobei die Nullstellung eine Endstellung des Steuerschiebers ist.
  • Aus der US 4 960 365 ist es bekannt, die Magnetspule eines Ventils unter Verwendung eines sogenannten Dithers anzusteuern. Dabei wird eine Effektiv-Strom-Stellgröße mit einer periodischen Dither-Strom-Stellgröße überlagert. Die Effektiv-Strom-Stellgröße repräsentiert dabei die eigentlich vom Benutzer des Ventils gewünschte Stellung des Steuerschiebers. Die Dither-Strom-Stellgröße dient dazu, den Steuerschieber ständig in Bewegung zu halten, so dass zwischen Steuerschieber und umgebendem Gehäuse immer ein Schmierfilm erhalten bleibt, wobei keine Haftreibung stattfindet, welche das Regelverhalten des Ventils sehr nachteilig beeinflussen würde. Anzumerken ist, dass die US 4 960 365 eine gesteuerte Verstellung des Steuerschiebers zeigt, wobei die vorliegende Erfindung vorzugsweise mit einer stellungsgeregelten Verstellung des Ventils verwendet wird, um eine hohe Stellgenauigkeit zu erreichen.
  • Der Nachteil des Dithers besteht darin, dass hierdurch ein sogenanntes Dither-Brummen angeregt werden kann. Hierdurch können Teile der Maschine, in welche das Ventil eingebaut ist, zu Schwingungen angeregt werden, die eine erhebliche Geräuschbelästigung verursachen können. Es wird daher typischerweise versucht, die Frequenz des Dithers so zu wählen, dass keine Resonanzen getroffen werden, wobei die Amplitude des Dithers so klein gewählt wird, dass der oben erläuterte Effekt der Reibungsminimierung gerade noch eintritt.
  • Bei der Verwendung von Pilotventilen hat sich gezeigt, dass die erforderliche Amplitude des Dithers einer erheblichen Serienstreuung unterliegt. Weiter ist die erforderliche Amplitude des Dithers abhängig von den momentanen Betriebsbedingungen des Ventils, wie Betriebsdruck und eingestellter Volumenstrom. Will man also eine Amplitude der Dither-Anregung fest vorgeben, so ist diese in der weit überwiegenden Betriebszeit zu groß, wobei das Dither-Brummen unnötig laut ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass Dither-Brummen zu minimieren, wobei das Ventil dennoch unter dem Einfluss von Serienstreuungen und wechselnden Betriebsbedingungen zuverlässig funktioniert, wobei insbesondere die Dither-Bewegung des Steuerschiebers zuverlässig aufrechterhalten wird. Weiter kann der im Betrieb auftretende Verschleiß, insbesondere an den Pilotventilen, ausgeglichen werden.
  • Gemäß Anspruch 1 wird vorgeschlagen, dass aus der Ist-Momentan-Stellung unter Verwendung eines Bandpassfilters eine Ist-Dither-Amplitude berechnet wird, wobei ein Dither-Regler vorgesehen ist, welcher durch Verstellung einer Amplitude der Dither-Strom-Stellgröße und/oder einer Signalform der Dither-Strom-Stellgröße bewirkt, dass die Ist-Dither-Amplitude eine vorgegebene Mindest-Dither-Amplitude nicht unterschreitet. Mit der vorgeschlagenen Regelung können die Mikroschwingungen des Steuerschiebers zuverlässig aufrechterhalten werden. Die betreffende Ist-Größe der Regelung kann mittels des Bandpassfilters auf einfache und kostengünstige Weise ermittelt werden, wobei neben dem ohnehin vorhandenen Stellungssensor keine weiteren Messmittel zur Ermittlung der Ist-Größe der Dither-Regelung erforderlich sind.
  • Unter einem Effektiv-Wert soll im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein tiefpassgefilterter und/oder ein zeitlich gemittelter Momentan-Wert verstanden werden.
  • Die Magnetkraft der Magnetspule kann auf einen ferromagnetischen Anker wirken, welcher mit dem Steuerschieber bewegungsgekoppelt ist (Direktbetätigung). Die Magnetspule kann Bestandteil eines, vorzugsweise hydraulischen, Pilotventils sein, wobei ein Ausgangsdruck des Pilotventils den Steuerschieber in Verstellrichtung beaufschlagt. Das Pilotventil ist vorzugsweise als Druckreduzierventil ausgebildet. Wenn zwei Magnetspulen vorgesehen sind, sind deren Verstellrichtungen vorzugsweise entgegengesetzt gerichtet. Ein entsprechendes Pilotventil kann gemäß der EP 2 740 980 B1 ausgeführt sein.
  • Die Frequenz der Dither-Strom-Stellgröße kann zwischen 70 Hz und 500 Hz, vorzugsweise zwischen 100 Hz und 250 Hz, betragen. Mit dem Begriff „quasiperiodisch“ sollen die durch erfindungsgemäße Dither-Regelung verursachten Abweichung von einer ideal periodischen Dither-Strom-Stellgröße beschrieben werden. Eine Mittenfrequenz des genannten Bandpassfilters ist vorzugsweise gleich der Frequenz der Dither-Strom-Stellgröße.
  • Die im Rahmen der Dither-Regelung gefundene Dither-Amplitude und/oder Dither-Signalform wird vorzugsweise beim Abschalten des Systems gespeichert und beim erneuten Einschalten des Systems als Startwert für die Dither-Regelung verwendet.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Ermittlung der Ist-Dither-Amplitude eine Bestimmung von Extremwerten der gefilterten Ist-Momentan-Stellung umfasst. Auf diese Weise kann die Ist-Dither-Amplitude einfach, insbesondere mit geringer Rechenleistung, berechnet werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Ermittlung der Ist-Dither-Amplitude eine Differenzbildung von unmittelbar aufeinanderfolgenden Extremwerten umfasst. Auf diese Weise kann die Ist-Dither-Amplitude einfach, insbesondere mit geringer Rechenleistung, berechnet werden. Die entsprechende Peak-to-Peak-Amplitude ist dennoch ein im Rahmen der Dither-Regelung gut brauchbares Maß für die Stärke der Dither-Bewegung des Ventilschiebers.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Ermittlung der Ist-Dither-Amplitude eine Mittelung über mehrere der genannten Differenzen umfasst. Hierdurch werden schnelle bzw. hochfrequente Änderungen der Ist-Dither-Amplitude vermieden. Ein vergleichbarer Effekt kann mit einer Tiefpassfilterung erzielt werden. Dies resultiert aber in einer deutlich höheren Latenz. Nach dem Einschalten des Systems würde es deutlich länger dauern, bis das System eingeregelt ist. Bei sprunghaften Änderungen der Betriebsbedingungen könnte die Dither-Bewegung kurzzeitig zum Erliegen kommen. Diese Nachteile werden mit der vorgeschlagenen Mittelung vermieden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Dither-Regler die Ist-Dither-Amplitude auf eine Soll-Dither-Amplitude einregelt, welche größer oder gleich der Mindest-Dither-Amplitude ist. Der Dither-Regler ist vorzugsweise ein stetiger, linearer Regler, insbesondere ein PID-, ein PI- oder ein P-Regler. Dadurch, dass die Soll-Dither-Amplitude zumindest zeitweise, insbesondere unmittelbar nach dem Einschalten des Systems, über der Mindest-Dither-Amplitude liegt, kann sehr schnell eine Dither-Bewegung des Steuerschiebers herbeigeführt werden, wobei dennoch einige Zeit später die gewünschte Geräuschminimierung eintritt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Soll-Dither-Amplitude so lange verkleinert wird, wie die Ist-Dither-Amplitude oberhalb der Mindest-Dither-Amplitude liegt. Die Verkleinerung der Soll-Dither-Amplitude geschieht vorzugsweise kontinuierlich mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit. Wenn der Dither-Regler als PID-Regler oder als PI-Regler ausgeführt ist, so dass er auch bei Störungen keine bleibende Regelabweichung hat, kann die Soll-Dither-Amplitude bis auf die Mindest-Dither-Amplitude verkleinert werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Dither-Regler aktiviert wird, nachdem der Steuerschieber für eine vorgegebene Zeitspanne aus der Nullstellung ausgelenkt ist. Damit kommt in der Nullstellung die Dither-Bewegung und die damit verbundene Geräuschentwicklung zum Erliegen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass das Ventil in der weit überwiegenden Zeit nicht benutzt wird, so dass die Dither-Schwingung des Ventilschiebers nicht benötigt wird. Wenn der Ventilschieber wieder in die Nullstellung zurückkehrt, wird der Dither-Regler vorzugsweise erst nach einer vorgegebenen weiteren Zeitspanne wieder deaktiviert. Diese weitere Zeitspanne wird vorzugsweise so lange gewählt, dass vergleichsweise sicher ist, dass das Ventil anschließend längere Zeit nicht benutzt wird.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Amplitude der Dither-Strom-Stellgröße während der genannten Zeitspanne so groß gewählt wird, dass die Ist-Dither-Amplitude sicher über der Mindest-Dither-Amplitude liegt. Die Regelung der Dither-Amplitude beginnt dementsprechend mit dieser Amplitude der Dither-Strom-Stellgröße. Am Start der Dither-Regelung ist sichergestellt, dass die Dither-Bewegung des Ventilschiebers vorhanden ist. Auf diese Weise wird der gewünschte Zustand einer minimalen Dither-Bewegung sehr schnell herbeigeführt, insbesondere schneller, als wenn die Dither-Regelung bei absolut stillstehendem Steuerschieber einsetzen würde.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Signalform der Dither-Strom-Stellgröße in Stufen veränderbar ist. Hierdurch lässt sich gegenüber einer Verstellung der Dither-Amplitude auf einfache Weise eine sehr feinfühlige Verstellung erreicht werden. Vorzugsweise werden mehrere Wertetabellen vorgegeben, welche jeweils eine Periode der Dither-Strom-Stellgröße beschreiben. Die Signalform der Dither-Strom-Stellgröße ist dementsprechend in diskreten Schritten veränderbar. Durch den Anwender des Ventils kann diejenige Signalform ausgewählt werden, welche in dem System, in dem das Ventil verwendet wird, eine geringstmögliche Geräuschbildung zur Folge hat. Speziell dann, wenn sich die Dither-Regelung bereits in der Nähe der gewünschten Mindest-Dither-Amplitude befindet, kann eine automatisierte Verstellung der Signalform als Ersatz für eine automatisierte Verstellung der Dither-Amplitude genutzt werden, um die Dither-Anregung möglichst feinfühlig zu verstellen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Stromstellvorrichtung eine Schaltvorrichtung umfasst, mit welcher eine Versorgungsspannung an der betreffenden Magnetspule ein- und ausschaltbar ist, wobei ein Pulse-Width-Modulator vorgesehen ist, der von der Momentan-Strom-Stellgröße angesteuert wird, wobei der Pulse-Width-Modulator die Schaltvorrichtung ansteuert. Die Momentan-Strom-Stellgröße entspricht damit dem Tastgrad bzw. dem Duty-Cycle des Pulse-Width-Modulators. Die Frequenz der PWM kann fest vorgegeben sein, wobei sie beispielsweise 10 kHz beträgt. Bei der Versorgungsspannung handelt es sich vorzugsweise um eine Gleichspannung, deren Spannungspegel höchst vorzugsweise im Wesentlichen konstant ist. Die PWM-Frequenz und die Dither-Frequenz werden vorzugsweise gemäß der DE 10 2008 013 602 B4 synchronisiert.
  • Es kann vorgesehen sein, dass jeder Magnetspule jeweils ein Stromsensor und ein Strom-Regler zugeordnet sind, wobei mit dem Stromsensor ein durch die betreffende Magnetspule fließender Momentan-Strom-Istwert messbar ist, wobei mit dem Strom-Regler durch Verstellung einer Momentan-Strom-Stellgröße ein aus dem Momentan-Strom-Istwert ermittelter, insbesondere berechneter, Effektiv-Strom-Istwert auf einen Soll-Effektiv-Strom eingeregelt wird. Der Stromsensor kann beispielsweise einen ohmschen Messwiderstand umfassen, welcher der Magnetspule in Reihe geschaltet ist, wobei der Spannungsabfall am Messwiderstand gemessen wird, wobei aus dem Spannungsabfall der momentan durch die Magnetspule fließende Strom ermittelt, insbesondere berechnet, wird. Der Effektiv-Strom-Istwert wird aus dem Momentan-Strom-Istwert beispielsweise durch Tiefpassfilterung ermittelt. Hierdurch sollen insbesondere die Schwankungen des Stroms eliminiert werden, welche durch die PWM verursacht werden. Der Strom-Regler ist vorzugsweise ein stetiger, linearer Regler, insbesondere ein PID-, eine PI- oder ein P-Regler.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Soll-Effektiv-Strom durch Überlagerung einer Effektiv-Stellungs-Stellgröße und der Dither-Strom-Stellgröße gebildet wird. Die genannte Überlagerung wird vorzugsweise durch Addition der genannten Größen berechnet. Alternativ ist es denkbar, dass die Dither-Strom-Stellgröße mit der Momentan-Strom-Stellgröße überlagert wird, so dass sie eher steuernd auf das System einwirkt. Durch die oben vorgeschlagene Einbeziehung der Dither-Strom-Stellgröße in die Strom-Regelung ist die entsprechende Verstellung sehr viel wirksamer und hat vor allem bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen immer eine im Wesentlichen gleiche Wirkung. Dies ist bei der genannten Alternative oft nicht der Fall.
  • Es kann ein Stellungs-Regler vorgesehen sein, welcher durch Verstellung der Effektiv-Stellungs-Stellgröße eine aus der Ist-Momentan-Stellung ermittelte, insbesondere berechnete, Ist-Effektiv-Stellung auf eine Soll-Effektiv-Stellung einregelt. Die Ist-Effektiv-Stellung wird vorzugsweise durch Tiefpassfilterung aus der Ist-Momentan-Stellung ermittelt. Hierdurch sollen die Schwankungen eliminiert werden, welche durch den Dither verursacht werden. Der Stellungs-Regler ist vorzugsweise ein stetiger, linearer Regler, insbesondere eine PID-, ein PI- oder ein P-Regler.
  • 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 wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 ein Schaltbild des dem der Erfindung zugrundeliegenden Ventils;
    • 2 ein Regeldiagramm, welches das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht; und
    • 3 ein Diagramm mit unterschiedlichen Signalformen der Dither-Strom-Stellgröße.
  • 1 zeigt ein Schaltbild des dem der Erfindung zugrundeliegenden Ventils 10. Das Ventil 10 ist vorliegend als hydraulisches Schieberventil ausgebildet, wobei es auch als Sitzventil ausgebildet sein kann. Es hat eine mittlere Nullstellung 12, welche mittels zweier Federn 13 vorgespannt ist. Die Nullstellung 12 kann eine Endstellung des Ventils 10 sein, die mit einer einzigen Feder vorgespannt ist.
  • Das Ventil 10 ist vorliegend ein 4/3-Wege-Ventil, wobei die Nullstellung 12 eine Sperrstellung bildet, in welcher der zugeordnete (nicht dargestellte) Zylinder hydraulisch fest eingespannt ist. Ausgehend von der Nullstellung 12 kann das Ventil 10 in zwei Richtungen stetig verstellt werden, wobei der genannte Zylinder in der einen Ventilstellung einfährt, wobei er in der anderen Ventilstellung ausfährt. Der Weg, um den der Steuerschieber 11 des Ventils 10 von der Nullstellung 12 wegbewegt wird, bestimmt die Bewegungsgeschwindigkeit des Zylinders.
  • Das vorliegende Ventil 10 wird in beide Stellrichtungen jeweils mittels eines Pilotventils 15 hydraulisch verstellt, wobei das Pilotventil 15 wiederum mittels einer zugeordneten Magnetspule 14 betätigt wird. Die beiden Magnetspulen 14 sind an eine Versorgungsspannung 32 und an eine elektrische Masse 33 parallel angeschlossen. Bei der Versorgungsspannung 32 handelt es sich vorzugsweise um eine Gleichspannung, wobei eine Wechselspannung ebenfalls denkbar ist, sofern die entsprechende Wechselspannungs-Frequenz höher als die PWM-Frequenz ist. Jeder Magnetspule 14 ist eine Schaltvorrichtung 31 und ein Messwiderstand 42 zugeordnet. Der Messwiderstand 42 ist vorzugsweise zwischen die betreffende Magnetspule 14 und die Masse 33 geschaltet, so dass das elektrische Potential zwischen dem Messwiderstand 42 und der Magnetspule 14 einen Momentan-Strom-Istwert 43 repräsentiert. Die erläuterte Anordnung bildet einen Stromsensor 41, weil man den genannten Momentan-Strom-Istwert 43 aus dem genannten elektrischen Potential berechnen kann.
  • Die Schaltvorrichtung 31 ist so ausgelegt, dass sie die auftretenden Ströme schnell ein- und ausschalten kann, wobei sie beispielsweise von einem Feldeffekttransistor gebildet wird. Die Schaltvorrichtung 31 ist vorliegend zwischen die Magnetspule 14 und die Versorgungsspannung 32 geschaltet, weil sie dort die Bestimmung des Momentan-Strom-Istwerts 43 am wenigsten beeinflusst. Die beidem Stromstellvorrichtungen 30 sind vorzugsweise identisch ausgeführt.
  • Weiter ist ein Stellungssensor 20 vorgesehen, der beispielsweise nach den LVDT-Prinzip (https://de.wikipedia.org/wiki/Differentialtransformator) arbeiten kann. Dieser wandelt die mechanische Stellung des Steuerschiebers 11 in ein elektrisches Potential, welches der Ist-Momentan-Stellung 21 des Steuerschiebers 11 entspricht. In der Ist-Momentan-Stellung 21 spiegeln sich insbesondere die Mikrobewegungen des Steuerschiebers 11 wider, welche durch den weiter unten erläuterten Dither verursacht werden.
  • Die Steuervorrichtung 11 umfasst vorzugsweise einen programmierbaren Digitalrechner. Die Steuervorrichtung 11 ist so mit den beiden Schaltvorrichtungen 31 verbunden, dass sie die jeweils zugeordneten Stromkreise öffnen und schließen kann. Die Steuervorrichtung 11 umfasst vorzugsweise mehrere Analog-Digital-Wandler, mit welchen die beiden Momentan-Strom-Istwerte 43 und die Ist-Momentan-Stellung 21 in Digitalwerte umwandelbar sind. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise digital implementiert. Die entsprechenden Berechnungen finden vorzugsweise zeitdiskret statt. Dabei werden vorzugsweise in einem fest vorgegebenen Zeitabstand von beispielsweise 1 ms eine Vielzahl Berechnungsrunden fortlaufend durchgeführt. Jede einzelne Berechnungsrunde ist vorzugsweise frei von Rückkopplungen. Die Rückkopplung, die beispielsweise in den weiter unten erläuterten Regelkreisen auftritt, wird vorzugsweise dadurch ermöglicht, dass zumindest ein Berechnungsergebnis einer Berechnungsrunde frühestens in der nächsten Berechnungsrunde verwendet wird.
  • Hinzuweisen ist noch auf die Bezugszeichen a1, a2, b1, b2 und c, wobei die entsprechenden Signalpfade als ax, bx und c in 2 wieder aufgenommen werden, wobei x den Wert 1 oder 2 annehmen kann. Hieraus ergibt sich, dass die Anordnung nach 2 vorzugsweise zweimal vorhanden ist, nämlich einmal für jede der beiden Betätigungsrichtungen des Ventils 10.
  • 2 zeigt ein Regeldiagramm, welches das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht.
  • Die Stromstellvorrichtung 30 umfasst einen Pulse-Width-Modulator 34. An dessen Eingang liegt die Momentan-Strom-Stellgröße 35 an, welche dem Tastgrad (Duty-Cycle) der Pulsbreitenmodulation (https://de.wikipedia.org/wiki/Pulsdauermodulation) entspricht. Diese ist im Rahmen der digitalen Auflösung stufenlos verstellbar. Am Ausgang des Pulse-Width-Modulators 34 liegt ein zweiwertiges Signal an, mit welchem die jeweils zugeordnete Schaltvorrichtung (Nr. 31 in 1) in schneller Folge ein- und ausgeschaltet wird. Die entsprechende Schaltfrequenz kann beispielsweise 20 kHz betragen. Diese Frequenz ist so hoch, dass der Ventilschieber aufgrund seiner Massenträgheit auf diese Anregung im Wesentlichen nicht reagiert. Die Dither-Frequenz von beispielsweise 140 Hz ist demgegenüber deutlich niedriger, so dass der Ventilschieber die gewünschten Mikroschwingungen ausführen kann.
  • Die Momentan-Strom-Stellgröße 35 wird von einem Strom-Regler 40 bereitgestellt, der vorliegend als PID-Regler ausgeführt ist, wobei auch ein PI- oder ein P-Regler verwendbar ist. In den Soll-Ist-Vergleich 46 dieses Regelkreises fließt der Effektiv-Strom-Istwert 44 als Ist-Größe ein, wobei die entsprechende Soll-Größe aus der additiven Überlagerung 36 der Effektiv-Stellungs-Stellgröße 27 und der Dither-Strom-Stellgröße 64 gebildet wird. Der Effektiv-Strom-Istwert 44 wird dabei durch Tiefpassfilterung 45 aus dem mit bereits in Bezug auf 1 bereits erläuterten Momentan-Strom-Istwert 43 ermittelt. Die Grenzfrequenz des entsprechenden Tiefpassfilters 45 ist vorzugsweise so gewählt, dass die durch den Dither verursachten Stromschwankungen im Effektiv-Strom-Istwert 44 enthalten sind, die durch die Pulsbreitenmodulation verursachten Stromschwankungen aber im Wesentlichen nicht. Die genannte Grenzfrequenz liegt beispielsweise bei 1 kHz.
  • Der Stellungsregler 24, welcher die Effektiv-Stellungs-Stellgröße 27 bereitstellt, ist vorliegend als PID-Regler ausgeführt, wobei er auch als PI- oder P-Regler ausgeführt sein kann. Seine Soll-Größe ist die Soll-Effektiv-Stellung 25, welche vorzugsweise vom Anwender des Ventils, beispielsweise mittels eines Bedienhebels, vorgegeben wird. In den entsprechenden Soll-Ist-Vergleich 26 fließt die Ist-Effektiv-Stellung 22 als Ist-Größe ein. Diese wird durch Tiefpassfilterung 23 aus der mit Bezug auf 1 erläuterten Ist-Momentan-Stellung 21 ermittelt. Die Grenzfrequenz des entsprechenden Tiefpassfilters 23 ist so ausgelegt, dass die durch den Dither verursachten Mikrobewegungen des Steuerschiebers in der Ist-Effektiv-Stellung 21 im Wesentlichen nicht mehr enthalten sind. Die genannte Grenzfrequenz beträgt beispielsweise 100 Hz. Die Stellungsregelung 24 arbeitet in der Folge nahezu unabhängig von dem Dither. Nur in der unterlagerten Stromregelung 40 wird der Dither im Rahmen der Soll-Größe berücksichtigt.
  • Eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Intensität des Dithers nicht fest vorgegeben wird. Sie wird in der weit überwiegenden Betriebszeit gerade so groß gewählt, dass die erwünschte Mikrobewegung des Steuerschiebers gegeben ist, aber nicht größer. Hierdurch können durch den Dither verursachte Geräusche vermieden werden.
  • Bei der Dither-Strom-Stellgröße 64 handelt es sich um ein quasiperiodisches Signal. Der Dither-Oszillator 60 stellt hierfür ein streng periodisches Signal bereit, welches eine der mit Bezug auf 3 erläuterten Signalformen haben kann. Dieses periodische Signal wird durch Multiplikation 61 hinsichtlich der Amplitude verstellt bzw. moduliert. Die Frequenz des Dithers beträgt beispielsweise 140 Hz. Die Amplitude des Dithers wird selbst dann, wenn sich die Regelung noch nicht in ihrem stationären Zustand befindet, vergleichsweise langsam verstellt.
  • Der Dither-Regler 63 ist vorliegend als PID-Regler ausgeführt, wobei er auch als PI- oder als P-Regler ausgeführt sein kann. Mit dem Dither-Regler 63 soll erreicht werden, dass der Ventilschieber auch tatsächlich die gewünschten Mikroschwingen mechanisch ausführt, so dass die gesamte Ventilregelung in jedem Betriebszustand schnell auf Veränderungen der Soll-Effektiv-Stellung 25 anspricht. Der Zusammenhang zwischen der Amplitude der Dither-Strom-Stellgröße 64 und der Ist-Dither-Amplitude 54 ist dabei stark nichtlinear. Es kommt insbesondere vor, dass die Ist-Dither-Amplitude 54 schlagartig zu Null wird, wenn die Amplitude der Dither-Strom-Stellgröße 64 einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Dieser Grenzwert ist schwer vorherbestimmbar, weshalb durch den Dither-Regler 63 vorzugsweise sichergestellt wird, dass er überhaupt nicht unterschritten wird.
  • Hierfür wird zunächst die Ist-Dither-Amplitude 54 als Ist-Größe der entsprechenden Regelung bestimmt. Dabei wird die Ist-Momentan-Stellung 21 einer Bandpassfilterung 50 unterzogen. Die Mittenfrequenz des Bandpassfilters 50 ist vorzugsweise gleich der Frequenz des Dither-Oszillators 60, also beispielsweise 140 Hz. Die Ist-Dither-Amplitude 54 ist die gemittelte Peak-to-Peak-Amplitude dieses gefilterten Signals. Mit der Extremwert-Bestimmung 51 werden zunächst die Extremwerte bzw. die Peaks des gefilterten Signals ermittelt, also die Werte, bei denen das gefilterte Signal seinen größten bzw. seinen kleinsten Wert annimmt. Anschließend wird die Differenz 52 zwischen einem Maximum und einem unmittelbar darauffolgenden Minimum gebildet. Daraufhin wird ein Mittelwert 53 aus mehreren dieser Differenzen gebildet, so dass sich die Ist-Dither-Amplitude 54 vergleichsweise langsam ändert. Beispielsweise wird eine Mittelung über drei der genannten Differenzen vorgenommen.
  • In den Soll-Ist-Vergleich 65 der Dither-Regelung fließt außerdem die Soll-Dither-Amplitude 66 ein. Es wäre nun denkbar, diese konstant auf die gewünschte Mindest-Dither-Amplitude einzustellen. Dies hat allerdings zur Folge, dass es nach dem Einschalten des Systems vergleichsweise lange dauert, bis der Steuerschieber die gewünschten Mikrobewegungen ausführt. Daher ist es bevorzugt, dass die Soll-Dither-Amplitude 66 nach dem Einschalten des Systems so groß gewählt wird, dass die Dither-Bewegung sicher und sehr schnell einsetzt. Danach wird die Soll-Dither-Amplitude 66 langsam auf die gewünschte Mindest-Dither-Amplitude reduziert, bis diese erreicht ist. Damit ergibt sich unmittelbar nach dem Einschalten zwar ein höheres Geräuschniveau, im Gegenzug arbeitet die Stellungsregelung des Ventils sofort nach dem Einschalten optimal.
  • Zur Ausgangsgröße des Dither-Reglers 63 wird Eins hinzuaddiert 62, um den gewünschten Multiplikationsfaktor für den Multiplikator 61 zu erhalten. Zusätzlich zu dieser einfachen Amplituden-Modulation ist es möglich, die Signalform des Dither-Oszillators 60 zu verstellen. Die Verstellung der Signalform ergibt dabei ein feinfühligeres Stellverhalten als die Verstellung der Amplitude. Vorzugsweise wird daher zuerst die Signalform verstellt, wobei die Amplitude erst verstellt wird, wenn die Wirkung der Signalform-Verstellung nicht ausreicht, um das System auszuregeln. Dieser Sachverhalt soll durch die Strichlinie Nr. 70 in 2 angedeutet werden.
  • 3 zeigt ein Diagramm mit unterschiedlichen Signalformen 71; 72; 73 der Dither-Strom-Stellgröße 64. In der Horizontalen ist die Zeit t aufgetragen, wobei eine ganze Schwingungsperiode T und eine halbe Schwingungsperiode T/2 markiert sind. In der Vertikalen ist die Amplitude x der Signalform aufgetragen, welche auf + 1 bzw. -1 normiert ist. Alle Signalformen 71; 72; 73 sind vorzugsweise punktsymmetrisch bezüglich des Nulldurchgangs bei T/2. Weiter gilt vorzugsweise die mathematische Beziehung x(t) = - x(t + T/2).
  • Die erste Signalform 71 ist mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Sie umfasst ausschließlich lineare Abschnitte. Man könnte sie als Rechteckschwingung charakterisieren, bei welcher die Signaländerungsgeschwindigkeit nach oben begrenzt ist. Die erste Signalform 71 bewirkt aufgrund ihrer scharfen Ecken und der damit verbundenen Oberwellen die stärkste Schwingungsanregung des Ventilschiebers.
  • Die zweite Signalform 72 ist dort, wo sie von der ersten Signalform 71 abweicht, als Strichlinie dargestellt. Sie bewirkt eine schwächere Anregung als die erste Signalform 71, aber eine stärkere Anregung als die dritte Signalform 73. Dies liegt darin begründet, dass die Ecken der ersten Signalform 71 etwas verrundet und/oder abgeschrägt sind, so dass der Oberwellengehalt gegenüber der ersten Signalform 71 verringert ist.
  • Die dritte Signalform 73 ist dort, wo sie von der ersten Signalform 71 abweicht, als Strichpunktlinie dargestellt. Die genannten Ecken sind noch stärker verrundet bzw. abgeschrägt als bei der zweiten Signalform 72, so dass die dritte Signalform 73 die geringste Anregung der drei gezeigten Signalformen 71; 72; 73 bewirkt.
  • Es versteht sich, dass nach dem gleichen Muster weitere Signalformen bereitgestellt werden können, die sich bei gleicher Amplitude in ihrer Anregungswirkung unterscheiden. Beispielsweise werden sieben verschiedene Signalformen verwendet, um die Dither-Anregung möglichst feinfühlig zu verstellen.
  • Die verschiedenen Signalformen 71; 72; 73 sind vorzugsweise in Form von Wertetabellen in der Steuervorrichtung (Nr. 16 in 1) abgespeichert.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Ventil
    11
    Steuerschieber
    12
    Nullstellung
    13
    Feder
    14
    Magnetspule
    15
    Pilotventil
    16
    Steuervorrichtung
    20
    Stellungssensor
    21
    Ist-Momentan-Stellung (c)
    22
    Ist-Effektiv-Stellung
    23
    erster Tiefpassfilter
    24
    Stellungs-Regler
    25
    Soll-Effektiv-Stellung
    26
    Soll-Ist-Vergleich
    27
    Effektiv-Stellungs-Stellgröße
    30
    Stromstellvorrichtung
    31
    Schaltvorrichtung
    32
    Versorgungsspannung
    33
    Masse
    34
    Pulse-Width-Modulator
    35
    Momentan-Strom-Stellgröße
    36
    Überlagerung
    40
    Strom-Regler
    41
    Stromsensor
    42
    Messwiderstand
    43
    Momentan-Strom-Istwert (b1; b2)
    44
    Effektiv-Strom-Istwert
    45
    zweiter Tiefpassfilter
    46
    Soll-Ist-Vergleich
    47
    Soll-Effektiv-Strom
    50
    Bandpassfilter
    51
    Extremwert-Bestimmung
    52
    Differenzbildung
    53
    Mittelung
    54
    Ist-Dither-Amplitude
    60
    Dither-Oszillator
    61
    Multiplikator
    62
    Verstärkungsfaktor-Bestimmung
    63
    Dither-Regler
    64
    Dither-Strom-Stellgröße
    65
    Soll-Ist-Vergleich
    66
    Soll-Dither-Amplitude
    71
    erste Signalform
    72
    zweite Signalform
    73
    dritte Signalform
  • 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 2280179 B1 [0002]
    • DE 102019204246 A1 [0002]
    • EP 2740980 B1 [0002, 0009]
    • US 4960365 [0003]
    • DE 102008013602 B4 [0021]

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Ventils (10), wobei das Ventil (10) einen linearbeweglichen Steuerschieber (11) umfasst, der mit wenigstens einer Feder (13) in Richtung einer Nullstellung (12) vorgespannt ist, wobei wenigstens eine Magnetspule (14) vorgesehen ist, welche derart mit dem Steuerschieber (11) gekoppelt ist, dass durch Strombeaufschlagung der Magnetspule (14) der Steuerschieber (11) von der Nullstellung (12) weg bewegbar ist, wobei ein Stellungssensor (20) vorgesehen ist, mit welchem eine Ist-Momentan-Stellung (21) des Steuerschiebers (11) messbar ist, wobei jeder Magnetspule (14) eine Stromstellvorrichtung (30) zugeordnet ist, mit welcher ein Strom durch die betreffende Magnetspule (14) mittels einer Momentan-Strom-Stellgröße (35) beeinflussbar ist, wobei die Momentan-Strom-Stellgröße (35) auch von einer, vorzugsweise quasiperiodischen, Dither-Strom-Stellgröße (64) abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Ist-Momentan-Stellung (21) unter Verwendung eines Bandpassfilters (50) eine Ist-Dither-Amplitude (54) ermittelt, insbesondere berechnet, wird, wobei ein Dither-Regler (63) vorgesehen ist, welcher durch Verstellung einer Amplitude der Dither-Strom-Stellgröße (64) und/oder einer Signalform der Dither-Strom-Stellgröße (64) bewirkt, dass die Ist-Dither-Amplitude (54) eine vorgegebene Mindest-Dither-Amplitude nicht unterschreitet.
  2. Verfahren nach einem der vorstehen Ansprüche wobei die Ermittlung der Ist-Dither-Amplitude (64) eine Bestimmung von Extremwerten der gefilterten Ist-Momentan-Stellung (21) umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Ermittlung der Ist-Dither-Amplitude (64) eine Differenzbildung (52) von unmittelbar aufeinanderfolgenden Extremwerten umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Ermittlung der Ist-Dither-Amplitude (64) eine Mittelung (53) über mehrere der genannten Differenzen umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorstehen Ansprüche, wobei der Dither-Regler (63) die Ist-Dither-Amplitude (64) auf eine Soll-Dither-Amplitude (66) einregelt, welche größer oder gleich der Mindest-Dither-Amplitude ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Soll-Dither-Amplitude (66) so lange verkleinert wird, wie die Ist-Dither-Amplitude (64) oberhalb der Mindest-Dither-Amplitude liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Dither-Regler (63) aktiviert wird, nachdem der Steuerschieber für eine vorgegebene Zeitspanne aus der Nullstellung (12) ausgelenkt ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Amplitude der Dither-Strom-Stellgröße (64) während der genannten Zeitspanne so groß gewählt wird, dass die Ist-Dither-Amplitude (64) sicher über der Mindest-Dither-Amplitude liegt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Signalform der Dither-Strom-Stellgröße (64) in Stufen veränderbar ist.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche , wobei die Stromstellvorrichtung (30) eine Schaltvorrichtung (31) umfasst, mit welcher eine Versorgungsspannung (32) an der betreffenden Magnetspule (14) ein- und ausschaltbar ist, wobei ein Pulse-Width-Modulator (34) vorgesehen ist, der von der Momentan-Strom-Stellgröße (35) angesteuert wird, wobei der Pulse-Width-Modulator (34) die Schaltvorrichtung ansteuert.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder Magnetspule (14) jeweils ein Stromsensor (41) und ein Strom-Regler (40) zugeordnet sind, wobei mit dem Stromsensor (41) ein durch die betreffende Magnetspule (14) fließender Momentan-Strom-Istwert (43) messbar ist, wobei mit dem Strom-Regler (40) durch Verstellung einer Momentan-Strom-Stellgröße (35) ein aus dem Momentan-Strom-Istwert (43) ermittelter, insbesondere berechneter, Effektiv-Strom-Istwert (44) auf einen Soll-Effektiv-Strom (47) eingeregelt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Soll-Effektiv-Strom (47) durch Überlagerung (36) einer Effektiv-Stellungs-Stellgröße (27) und der Dither-Strom-Stellgröße (64) gebildet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Stellungs-Regler (24) vorgesehen ist, welcher durch Verstellung der Effektiv-Stellungs-Stellgröße (27) eine aus der Ist-Momentan-Stellung ermittelte, insbesondere berechnete, Ist-Effektiv-Stellung (22), auf eine Soll-Effektiv-Stellung (25) einregelt.
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Differentialtransformator. In: Wikipedia, die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 22. April 2020, 20:01 Uhr. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Differentialtransformator&oldid=199176585 [abgerufen am 29.11.2021]
Pulsdauermodulation. In: Wikipedia, die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 31. Juli 2021, 18:23 Uhr. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Pulsdauermodulation&oldid=214381016 [abgerufen am 29.11.2021]

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