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Die
Erfindung betrifft eine Positionssteuerungsvorrichtung für einen
elektro-fluidtechnischen Antrieb mit einer Kraftabgriffseinrichtung
und mit einem fluidtechnischen Aktor und einem elektrischen Aktor
zum Antreiben der Kraftabgriffseinrichtung, wobei die Positionssteuerungsvorrichtung
zum Ermitteln von Soll-Gesamt-Antriebskraftwerten einer von dem
fluidtechnischen Aktor und dem elektrischen Aktor insgesamt zu erbringenden
Soll-Gesamt-Antriebskraft für
eine Positionierbewegung der Kraftabgriffseinrichtung hin zu einem
der Positionssteuerungsvorrichtung vorgebbaren Positionierort, zum
Ermitteln von Soll-Fluid-Antriebskraftwerten einer vom fluidtechnischen
Aktor zu erbringenden Soll-Fluid-Antriebskraft und zum Ermitteln
von Soll-Elektro-Antriebskraftwerten einer vom elektrischen Aktor zu
erbringenden Soll-Elektro-Antriebskraft
ausgestaltet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes
Verfahren zur Positionssteuerung des Antriebs.
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Eine
derartige Positionssteuerungsvorrichtung ist beispielsweise aus
der
US 5,656,903 A bekannt.
Dort ist ein elektropneumatischer Hybridantrieb erläutert, bei
dem der elektrische Antrieb als Master-Antrieb und der pneumatische
Antrieb als Slave-Antrieb angesteuert werden. Die beiden Antriebe
stellen gemeinsam die gewünschte
Antriebskraft zur Verfügung,
wobei der pneumatische Slave-Antrieb dann zugeschaltet wird, wenn
die Antriebskraft des elektrischen Master-Antriebs nicht ausreichend
ist. Der fluidtechnische Aktor, der pneumatische Antrieb, wird abhängig von
dem elektrischen Aktor angesteuert. Der pneumatische Antrieb dient
lediglich als Unterstützungsantrieb
zur Bereitstellung verhältnismäßig großer Antriebskräfte. Die dynamischen
Eigenschaften des bekannten Hybridantriebs sind daher nicht optimal.
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Ein
elektropneumatischer Hybridantrieb geht auch aus der Patentschrift
DE 195 03 145 C2 hervor. Der
fluidtechnische Aktor ist beispielsweise ein pneumatischer Zylinder,
der elektrische Aktor beispielsweise ein elektrischer Linearantrieb,
ein Spindelantrieb oder dergleichen. Die Positionssteuerungsvorrichtung
steuert den pneumatischen Aktor so an, das er nahe einer Zielposition,
also einem Positionierort, anhält.
Sodann steuert die Positionssteuerungsvorrichtung den elektrischen
Aktor zur Feinpositionierung der Kraftabgriffseinrichtung an. Der
pneumatische und der elektrische Aktor werden sozusagen seriell
nacheinander angesteuert. Der pneumatische Aktor dient ferner als
Gewichtsausgleich, der eine Überlastung
des elektrischen Aktors im Dauerbetrieb verhindert. Den beiden Aktoren
des bekannten Antriebs kommt demnach jeweils eine individuelle Funktion
zu: der pneumatische Aktor dient zur Grobpositionierung, und statischen
Halten der Kraftabgriffseinrichtung, der elektrische Aktor zur Feinpositionierung der
Kraftabgriffseinrichtung. Der elektrische Aktor gleicht die Nachteile
des pneumatischen Aktors aus, beispielsweise die schlechtere Positionierungsgenauigkeit.
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Weitere
Nachteile eines pneumatischen Antriebs sind beispielsweise seine
aufwendige Regelung und sein langsamer Kraftaufbau. Andererseits kann
der pneumatische Aktor große
Kräfte
bei gleichzeitig geringerer Erwärmung
bereitstellen. Der elektrische Aktor ist zwar schnell und genau,
andererseits führt
eine Dauerbeanspruchung des elektrischen Aktors zu starker Erwärmung, was
eine komplizierte Kühlung
notwendig macht.
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Die
US 4,628,499 betrifft eine
Steuerung für einen
ausschließlich
fluidtechnischen Antrieb. Zwar ist die Steuerschaltung bei der Positionssteuerungsvorrichtung
gemäß der
US 4,628,499 dazu ausgestaltet,
auf eine gewünschte
Position bzw. auf eine Bremsgeschwindigkeit, einen Solldruck, eine
Sollgeschwindigkeit, eine Temperatur oder dergleichen zu steuern
bzw. zu regeln. Eine Regelung auf eine Änderungsgeschwindigkeit oder Änderungsfrequenz der
Antriebskraftwerte findet nicht statt. Der einzige vorhandene Antrieb
ist ein fluidtechnischer Antrieb, der sowohl die dynamischen als
auch die weniger dynamischen Anteile an der Soll-Gesamt-Antriebskraft erbringen
muss. Eine Aufteilung der Kraftanteile auf einen elektrischen und
einen fluidtechnischen Antrieb ist prinzipbedingt nicht möglich.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und
Vorrichtungen bereitzustellen, um einen elektrofluidtechnischen
Antrieb der oben beschriebenen Art dynamisch anzusteuern.
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Zur
Lösung
der Aufgabe ist bei einer Positionssteuerungsvorrichtung der eingangs
genannten Art vorgesehen, dass sie zum Ermitteln der Soll-Fluid-Antriebskraftwerte
und der Soll-Elektro-Antriebskraftwerte
anhand der Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit
oder Änderungsfrequenz
der Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte ausgestaltet ist, so dass die Soll-Elektro-Antriebskraft
für dynamischere
Anteile an der Soll-Gesamt-Antriebskraft als die Soll-Fluid-Antriebskraft
vorgesehen ist. Ein erfindungsgemäß augestalteter elektro-fluidtechnischer
Antrieb weist eine derartige Positionssteuerung auf. Ferner ist
zur Lösung
der Aufgabe ein Verfahren gemäß einem
weiteren unabhängigen
Anspruch vorgesehen.
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Anders
als bei bekannten Hybridantrieben werden die dynamischen Vorteile
des elektrischen Aktors optimal ausgenutzt. Die dynamischen Anteile der
Soll-Gesamt-Antriebskraft sind insbesondere beim Beschleunigen oder
Abbremsen der Kraftabgriffseinrichtung erforderlich. In diesen Phasen
steht beim fluidtechnischen Aktor, beispielsweise bei einem pneumatischen
Aktor, nur eine verhältnismäßig geringe
Antriebskraft zur Verfügung.
Der elektrische Aktor gleicht demnach die dynamischen Nachteile des
fluidtechnischen Aktors aus. Hat je doch beim fluidtechnischen Aktor
der Kraftaufbau stattgefunden, wird der elektrische Aktor sozusagen
zurückgesteuert.
Die Hauptantriebsbelastung fällt
dann dem fluidtechnischen Aktor zu. Der elektrische Aktor wird dann weniger
belastet und kann beispielsweise abkühlen. Der fluidtechnische Aktor
dient zweckmäßigerweise zur
Bereitstellung von Dauerkraft, bei Vertikalbetrieb auch zur Bereitstellung
einer Schwerkraftkompensation. Der elektrische Aktor deckt schnelle
Kraftspitzen ab, ist verhältnismäßig gut
regelbar und genau. Der pneumatische und der elektrische Aktor werden
erfindungsgemäß vorteilhafterweise
parallel angesteuert.
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Die
Positionssteuerungsvorrichtung ermittelt die Soll-Fluid-Antriebskraftwerte
und die Soll-Elektro-Antriebskraftwerte in Abhängigkeit von der Änderungsgeschwindigkeit
oder Änderungsfrequenz
der Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte. Die Soll-Fluid-Antriebskraftwerte
werden vorteilhafterweise im wesentlichen anhand von Anteilen der
Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte mit niedriger Änderungsgeschwindigkeit oder Änderungsfrequenz
und die Soll-Elektro-Antriebskraftwerte in entsprechender Weise
im wesentlichen anhand von Anteilen der Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte
mit hoher Änderungsgeschwindigkeit
oder Änderungsfrequenz
gebildet. Beispielsweise verwendet man zum Ermitteln der Soll-Elektro-Antriebskraftwerte
einen Hochpass und zum Ermitteln der Soll-Fluid-Antriebskraftwerte
einen Tiefpass. Auch eine Art Frequenzweiche, die z.B. aus dem Lautsprecherbau
bekannt ist, oder sonstige digitale und/oder analoge Filter können eingesetzt
werden.
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Der
erfindungsgemäße elektro-fluidtechnische
Antrieb, vorzugsweise elektro-pneumatische Antrieb, ist hoch dynamisch,
weißt
eine hohe Leistungsdichte auf, ermöglicht eine exakte Positionierung
und erfordert keine oder nur eine verhältnismäßig geringe Kühlung. Es
versteht sich, dass ein erfindungsgemäßer elektro-fluidtechnischer
Antrieb auch mehrere fluidtechnische Aktoren und mehrere elektrische
Aktoren enthalten kann und die erfindungsgemäße Positionssteuerungsvorrichtung
zu einer Steuerung/Regelung eines derartigen elektrofluidtechnischen
Antriebs ausgestaltet ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus
der Beschreibung.
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Der
elektrische Aktor erbringt zweckmäßigerweise während einer
Anfangsphase einer Beschleunigungsphase bei der Positionierbewegung der
Kraftabgriffseinrichtung einen größeren Antriebskraftanteil als
der fluidtechnische Aktor. Nach dieser Anfangsphase sind die Verhältnisse
vorteilhafterweise umgekehrt, das heißt, dass der fluidtechnische Aktor
einen größeren Antriebskraftanteil
erbringt als der elektrische Aktor.
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Prinzipiell
können
die beiden Aktoren beliebig ausgelegt sein. Der elektrische Aktor
kann größere Antriebskräfte bereitstellen
als der fluidtechnische Aktor und umgekehrt. Bei einer besonders
vorteilhaften Auslegungsvariante weist der pneumatische Aktor eine
Nennkraft oder Dauerkraft auf, die etwa der Maximal- oder Spitzenkraft
des elektrischen Aktors entspricht. In der Regel weist der elektrische
Aktor eine Spitzenkraft auf, die etwa seiner vierfachen Nennkraft
oder Dauerkraft entspricht. Ein derartiger erfindungsgemäßer elektro-fluidtechnischer
Antrieb stellt etwa die vierfache Dauerkraft als ein vergleichbarer
rein elektrischer Antrieb bereit.
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Als
vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass der fluidtechnische Aktor
den in zeitlichen Mittel größeren Antriebskraftanteil
erbringt als der elektrische Aktor. Zweckmäßigerweise erbringt der fluidtechnische
Aktor während
einer Beschleunigungsphase der Positionierbewegung der Kraftabgriffseinrichtung einen
insgesamt größeren Antriebskraftanteil
als der elektrische Aktor. Dies gilt auch für eine sich an eine Beschleunigungsphase
anschließende
Haltephase, bei der die Kraftabgriffseinrichtung am Positionierort gehalten
wird.
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Die
Soll-Fluid-Antriebskraftwerte bilden zweckmäßigerweise Eingangswerte für Druckregelungsmittel
oder Drucksteuerungs mittel für
den fluidtechnischen Aktor. Die Soll-Elektro-Antriebskraftwerte
bilden zweckmäßigerweise
Eingangswerte für Stromregelungsmittel
oder Stromsteuerungsmittel für den
elektrischen Aktor. Die Druckregelungs- oder Steuerungsmittel wirken
beispielsweise auf ein Servoventil oder Proportionalventil, auf
Schnellschaltventile oder dergleichen, mit deren Hilfe die Druckmediumversorgung
und die Druckmediumentsorgung des fluidtechnischen Aktors einstellbar
ist. Die Druckregelungsmittel bzw. die Drucksteuerungsmittel enthalten
beispielsweise einen Leistungsverstärker zur Ansteuerung des fluidtechnischen
Aktors. Die Stromregelungsmittel oder die Stromsteuerungsmittel
sind vorteilhafterweise zu einer Fehlerkompensation durch die Druckregelungsmittel
bzw. die Drucksteuerungsmittel verursachten Regelabweichungen ausgestaltet.
Man kann also einen qualitativ verhältnismäßig schlechten Druckregler
einsetzen. Dadurch verursacht eventuelle Positionierungs-Ungenauigkeiten
und/oder Kraft-Ungenauigkeiten
werden durch die Stromreglungsmittel kompensiert.
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Die
Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte werden zweckmäßigerweise von Positionsregelungsmitteln bereitgestellt.
Die Positionsregelungsmittel sind beispielsweise als P-PI-Kaskadenregler,
als Zustandsregler mit Störgrößenbeobachtung
und/oder Führungsgrößenaufschaltung
ausgestaltet. Die Stromregelungsmittel und/oder die Druckregelungsmittel und/oder
die Positions regelungsmittel bilden zweckmäßigerweise einen Bestandteil
der Positionssteuerung. Eine vorteilhafte Struktur der Positionssteuerung
sieht dann folgendermaßen
aus: die Positionsregelungsmittel bilden die Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte.
Kraftaufteilungsmittel, beispielsweise die vorgenannten Filter,
teilen die Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte in Soll-Elektro-Antriebskraftwerte
und Soll-Fluid-Antriebskraftwerte auf, mit denen die Stromregelungsmittel
bzw. die Druckregelungsmittel beaufschlagt werden.
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Es
versteht sich, dass der erfindungsgemäße Hybridantrieb zweckmäßigerweise
auch die bereits bekannten Funktionen bereitstellt, beispielsweise
dass der elektrische Aktor zu einer Feinpositionierung der Kraftabgriffseinrichtung
angesteuert wird und der fluidtechnische Aktor statische Haltkräfte, beispielsweise
beim Vertikalbetrieb, bereitstellt. Statische Antriebskraftanteile
werden sozusagen automatisch beispielsweise durch den oben erläuterten Tiefpass
dem fluidtechnischen Aktor zugeordnet.
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Die
Positionssteuerungsvorrichtung ist zweckmäßigerweise universell einsetzbar.
Bei fehlendem oder inaktivem elektrischem Aktor steuert sie ausschließlich den
fluidtechnischen Aktor an, bei fehlendem fluidtechnischem Aktor
ausschließlich
den elektrischen Aktor. Diese vorteilhafte Eigenschaft der Positionssteuerungsvorrichtung
kommt z.B. beim Ausfall von einem der Aktoren zum Tragen. Andererseits
kann sie vorteilhaft auch bei einem modularen Konzept eingesetzt
werden, das für
den elektro-fluidtechnischen Antrieb bevorzugt ist. Dabei sind der
fluidtechnische Aktor und der elektrische Aktor jeweils ein Modul,
die jeweils einzeln oder in Kombination miteinander betrieben werden
können.
Im Einzelbetrieb kann eine erfindungsgemäße Positionssteuerungsvorrichtung
jedem der Aktoren individuell zugeordnet werden. Es ist aber auch
möglich,
dass die Aktoren baukastenartig miteinander kombiniert werden, wobei
beispielsweise ein oder zwei elektrische Aktoren mit einem fluidtechnischen
Aktor oder umgekehrt kombiniert werden und die Positionssteuerungsfunktion
insgesamt von einer erfindungsgemäßen Positionssteuerungsvorrichtung
erbracht wird.
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Ebenfalls
modular können
Drucksensoren, Positionserfassungsmittel, beispielsweise eine Wegemesssystem,
Schaltventile oder dergleichen mit dem modularen erfindungsgemäßen elektrofluidtechnischen
Antrieb kombiniert werden. Der elektrische Aktor und der fluidtechnische
Aktor bilden – auch
bei modularem Aufbau – zweckmäßigerweise
eine integrierte Antriebseinheit.
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Der
elektrische Aktor und der fluidtechnische Aktor sind vorteilhafterweise
miteinander gekoppelte Antriebseinheiten, wobei Linearantriebe und
Drehantriebe möglich
sind. Es ist auch eine Kombination aus Linearantrieb und Drehantrieb
möglich,
wobei beispielsweise der elektrische Aktor durch einen Dreh spindelantrieb
und der fluidtechnische Aktor beispielsweise durch einen linearen
Pneumatikzylinder gebildet werden.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen elektro-fluidtechnischen
Antrieb mit einer erfindungsgemäßen Positionssteuerungsvorrichtung,
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2 Frequenzverläufe von
Kraftaufteilungsmitteln der Positionssteuerungsvorrichtung gemäß 1,
und
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3 beispielhafte
Verläufe
einer Soll-Gesamt-Antriebskraft, einer Soll-Fluid-Antriebskraft
und einer Soll-Elektro-Antriebskraft bei dem Antrieb gemäß 1.
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In 1 ist
stark schematisiert ein elektro-fluidtechnischer Antrieb 10 mit
einem fluidtechnischen, vorliegend pneumatischen Aktor 11 und
einem elektrischen Aktor 12 dargestellt. Die Aktoren 11, 12 treiben
gemeinsam ein als Kraftabgriffseinrichtung dienendes Antriebselement 13 an.
Das Antriebselement 13 ist mit einem Kolben 14 des
pneumatischen Aktors 11 und einem Läufer 15 des elektrischen
Aktors 12 bewegungsgekoppelt. Beispielsweise ist das Antriebselement 13 fest
mit dem Kolben 14 und dem Läufer 15 verbunden.
Das An triebselement 13 sitzt beispielsweise oben auf dem
Kolben 14 sowie dem Läufer 15 auf.
Prinzipiell wäre
aber auch ein Antriebselement möglich,
das in Längserstreckungsrichtung,
etwa in Richtung eines Positionierungswegs 16, vor die
Aktoren vorsteht.
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Die
Aktoren 11, 12 sind vorliegend Linearantriebe.
Der elektrische Aktor 12 ist als Linearmotor ausgeführt. Möglich wäre aber
auch eine Ausführung als
Drehspindelantrieb, als Zahnriemenantrieb oder dergleichen.
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Der
Kolben 14 und der Läufer 15 und
somit das Antriebselement 13 sind entlang des Positionierungswegs 16 längsbeweglich.
Die Position des Antriebselements 13 bzw. des Kolbens 14 und
des Läufers 15 wird
durch ein Positionserfassungssystem 17 erfasst, das z.B.
auf magnetischer Basis arbeitet.
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Der
Kolben 14 ist in einem Kolbenaufnahmeraum 18 des
pneumatischen Aktors 11 längsbeweglich angeordnet. Der
Kolben 14 teilt den Kolbenaufnahmeraum 18 in Teilräume 19, 20.
Durch in die Teilräume 19, 20 ein-
bzw. ausströmendes
Druckmedium, beispielsweise Druckluft, wird der Kolben entlang des
Positionierungswegs 16 hin und her bewegt.
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Eine
Ventilanordnung 22 beaufschlagt die Teilräume 19, 20 mit
Druckluft oder lässt
Druckluft aus den Teilräumen 19, 20 ausströmen. Die
hierfür erforderliche
Druckluft 26 wird über
ein Wartungsgerät 25 in
die Ventilanordnung 22 eingespeist. Das Wartungsgerät 25 filtert
und/oder ölt
die Druckluft 26. Die Ventilanordnung 22 enthält beispielsweise
eines oder mehrere Servoventile, Schnellschaltventile oder dergleichen
zur dynamischen, insbesondere hochdynamischen Druckbeaufschlagung
bzw. Entlüftung der
Teilräume 19, 20.
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Der
Läufer 15 wird
auf elektrodynamischen Wege entlang des Positionierungswegs 16 hin
und herbewegt. Der Läufer 15 enthält beispielsweise
einen Permanentmagneten oder wird durch einen Permanentmagneten
gebildet. Durch entsprechende Bestromung einer nicht dargestellten
Spulenanordnung eines Stators 21 wird ein Wander-Magnetfeld
erzeugt, durch das der Läufer 15 entlang
des Positionierungswegs 16 hin und her bewegt wird.
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Zur
Bestromung des Stators 21 mit Strom 28 ist eine
Bestromungsvorrichtung 27, z.B. eine elektrische Leistungsverstärkeranordnung
vorgesehen, die durch ein Netzteil 29 mit elektrischer
Energie versorgt wird.
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Der
pneumatische Aktor 11 hat zwar einen langsamen Kraftaufbau
und eine im Vergleich zum elektrischen Aktor 12 geringere
Positionierungsgenauigkeit. Allerdings stellt er große Antriebskräfte zur
Verfügung,
ist preiswert, erwärmt
sich selbst bei großer
Leistungsabgabe nicht oder nur geringfügig und erreicht hohe Endgeschwindigkeiten.
Der elektrische Aktor 12 hingegen weist einen schnellen
Kraftaufbau auf, ist präzise
regelbar und eignet sich für eine
genaue Positionierung des Antriebselements 13 entlang des
Positionierungswegs 16. Allerdings erwärmt sich der elektrische Aktor 12 bei
Dauerbetrieb bzw. bei Bereitstellung großer Antriebskräfte, weist eine
geringere Leistungsdichte auf als der pneumatische Aktor 11 und
ist, beispielsweise aufgrund des magnetischen Läufers 15, vergleichsweise
teuer. Eine erfindungsgemäße Positionssteuerungsvorrichtung 30 kombiniert
die Vorteile der Aktoren 11, 12 in optimaler Weise
miteinander und kompensiert die jeweiligen Nachteile der Aktoren 11, 12.
Die Positionssteuerungsvorrichtung 30 kann z.B. ein separates Modul
sein oder in einen Zylinderdeckel des pneumatischen Aktors 12 integriert
sein.
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Die
Positionssteuerungsvorrichtung 30 ermöglicht eine Positionierung
des Antriebselements 13 an einem vorgebbaren Positionierort
entlang des Positionierungswegs 16. Prinzipiell wäre es aber auch
möglich,
dass die Positionssteuerungsvorrichtung, die Aktoren 11, 12 so
ansteuert, dass jeweils der vollständige Positionierungsweg 16 durchlaufen wird.
Das heißt,
dass die vorgebbaren Positionierorte beispielsweise durch End-Anschläge des Kolbens bzw.
des Läufers 15 an
Enden des Positionierungswegs 16 gebildet werden.
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Von
dem Positionssystem 17 erhalten Positionsregelungsmittel 31 der
Positionssteuerungsvorrichtung 30 Positionsistwerte 32,
die die jeweilige Position des Antriebselements 13 entlang
des Positionierungswegs 16 repräsentieren. Von einer überlagerten
Steuerung 34 erhalten die Positionsregelungsmittel 31 Positionssollwerte 33.
Die Positionssollwerte 33 können auch in einem Speicher 35 der Positionssteuerungsvorrichtung 30 abgelegt
sein. Anhand der Positionsistwerte 32 und der Positionssollwerte 33 ermitteln
die Positionsregelungsmittel 31 Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte 36,
die zur Positionierung des Antriebselements 13 an einem
durch einen Positionssollwert 33 vorgegebenen Positionierort
entlang des Positionierungswegs 16. Die Positionsregelungsmittel 31 enthalten
beispielsweise einen PID-Regler, einen P-PI-Kaskadenregler, einen Zustandsregler
mit Störgrößenbeobachter
und/oder Führungsgrößenaufschaltung
oder dergleichen.
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Anhand
der Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte 36 ermitteln Kraftaufteilungsmittel 37 Soll-Fluid-Antriebskraftwerte 38,
die einer vom fluidtechnischen Aktor 11 zu erbringenden
Antriebskraft entsprechen, sowie Soll-Elektro-Antriebskraftwerte 39,
die einer vom elektrischen Aktor 12 zu erbringenden Soll-Elektro-Antriebskraft
entsprechen. Insgesamt ergeben die Antriebskraftwerte 38, 39 die
Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte 36. Die Kraftaufteilungsmittel 37 teilen
demnach die vom elektropneumatischen Antrieb 10 insgesamt
zu erbringende Antriebskraft in eine pneumatische Komponente 38 und
eine elektrische Komponente 39 auf, wobei die elektrische
Komponen te die dynamischeren Antriebskraftanteile abdeckt und die
pneumatische/fluidtechnische Komponente die vergleichsweise weniger
dynamischen Anteile an der Gesamt-Antriebskraft repräsentiert.
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Die
Kraftaufteilungsmittel 37 arbeiten in der Art eine Frequenzweiche.
Die Kraftaufteilungsmittel 37 enthalten einen Tiefpass 40,
der für
die weniger dynamischen Anteile der Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte 36 durchlässig ist.
Ein Hochpass 41 ist für
dynamischere Anteile der Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte 36 durchlässig. Der
Hochpass 41 und der Tiefpass 40 sind abhängig von
der Änderungsgeschwindigkeit
oder Änderungsfrequenz,
mit der sich die Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte 36 ändern, durchlässig bzw.
undurchlässig.
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In 2 ist
beispielhaft und schematisch ein Frequenzverlauf 42 des
Tiefpasses 40 sowie ein Frequenzverlauf 43 des
Hochpasses 41 dargestellt. Bis zu einer Grenzfrequenz fg1
ist lediglich der Tiefpass 40 für die Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte 36 durchlässig. von
der Grenzfrequenz fg1 bis zu einer Grenzfrequenz fg2 nimmt die Durchlässigkeit
des Tiefpasses 40 beispielsweise linear ab und erreicht
den Wert "0". Der Hochpass 41 hingegen
wird ab der Grenzfrequenz fg1 zunehmend durchlässiger, beispielsweise linear,
und erreicht ab der Grenzfrequenz fg2 eine vollständige Durchlässigkeit.
Die Summe der Frequenzverläufe 42, 43 ist
bei jeder Frequenz f gleichbleibend, beispielsweise "1".
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Die
Soll-Fluid-Antriebskraftwerte 38 bilden Eingangswerte von
Druckregelungsmitteln 44. Die Druckregelungsmittel 44 regeln
die Druckluftbeaufschlagung bzw. Entlüftung des pneumatischen Aktors 11.
Hierzu senden die Druckregelungsmittel 44 ein Drucksteuerungssignal 45 an
die Ventilanordnung 22. Von Drucksensoren 46, 47,
die den Teilräumen 19, 20 zugeordnet
sind, erhalten die Druckregelungsmittel Druckistwerte 48, 49.
Die Druckistwerte 48, 49 repräsentieren den jeweils in den
Teilräumen 19, 20 herrschenden
Druck. Anhand der Soll-Fluid-Antriebskraftwerte 38 sowie
der Druckistwerte 48, 49 regeln die Druckregelungsmittel 44 den
pneumatischen Aktor 11. Es versteht sich, dass anstelle
oder in Ergänzung
der Drucksensoren 46, 47 auch ein Differenzdrucksensor
vorgesehen sein kann. Ferner können
den Druckregelungsmitteln 44 Umrechnungsmittel vorgeschaltet
sein, die die Soll-Fluid-Antriebskraftwerte 38 in Druck-Sollwerte
und/oder Differenzdruck-Soll-Werte
umrechnen und den Druckregelungsmitteln 44 bereitstellen.
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Stromregelungsmittel 50 regeln
den elektrischen Aktor 12 anhand der Soll-Elektro-Antriebskraftwerte 39.
Die Stromregelungsmittel 50 generieren ein Stromsteuerungssignal 51 zur
Ansteuerung der Bestromungsvorrichtung 27. Es ist möglich, dass den
Stromregelungsmitteln 50 Stromistwerte, die die Bestromungssituation
des Stators 21 repräsentieren, zugeführt werden.
Dies ist jedoch aus Gründen
der Vereinfachung in der Figur nicht dargestellt. Den Stromregelungsmitteln 50 können nicht
dargestellte Umrechnungsmittel vorgeschaltet sein, die die Soll-Elektro-Antriebskraftwerte 39 in
Soll-Stromwerte umrechnen.
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Die
Stromregelungsmittel 50 können auf Sollwertänderungen
von beispielsweise einem Kilohertz reagieren, die Druckregelungsmittel 44 beispielsweise
auf Sollwertänderungen
bis zum etwa 50 Hertz. Die hierfür
erforderliche Aufteilung der Soll-Gesamt-Antriebskraftwerte 36 leisten
die Kraftaufteilungsmittel 37.
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Die
Stromregelungsmittel 50 kompensieren Regelungsfehler der
Druckregelungsmittel 44. Umrechnungsmittel 52 ermitteln
aus dem Drucksteuerungssignal 45 Fluid-Antriebskraftsteuerwerte 53. Sodann
wird eine Differenz zwischen den Fluid-Antriebskraftsteuerwerten 53 und
den Soll-Fluid-Antriebskraftwerten 38 gebildet, die zu
dem Soll-Elektro-antriebskraftwerten 39 addiert wird. Somit
kompensieren die Stromregelungsmittel 50 Regelungstoleranzen,
die im Drucksteuerungssignal 45 enthalten sind.
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Die
Bestromungsvorrichtung 27 kann in Hardware und in Software
realisiert sein. Sie enthält beispielsweise
Programmcode, der durch einen Prozessor 54 ausführbar ist
und im Speicher 35 gespeichert ist.
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Die
Wirkungsweise der Positionssteuerungsvorrichtung 30 wird
insbesondere anhand von 3 deutlich: die Positionsregelungsmittel 31 ermitteln
einen Soll-Gesamt-Antriebskraftwertverlauf 55 bei einem
Positionierhub des Antriebselements 13 entlang des Positionierungswegs 16.
Prinzipiell wäre
es auch möglich,
dass der Positionssteuerungsvorrichtung 30 der Soll-Gesamt-Antriebskraftwertverlauf 55 vorgegeben
wird, beispielsweise durch die überlagerte Steuerung 34.
Bis zu einem Zeitpunkt t1 soll das Antriebselement 13 stark
beschleunigt werden. Vom Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2
steigt die Soll-Gesamt-Antriebskraft bis zu einem Wert Fmax an und
sinkt bis zu einem Zeitpunkt t4 bis zu einem Wert Fcon ab. Ab dem
Zeitpunkt t4 wird die Soll-Gesamt-Antriebskraft Fcon konstant beibehalten.
Beispielsweise wird das Antriebselement 13 konstant an einem
vorgegebenen Ort gehalten.
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Bis
zum Zeitpunkt t1 wird das Antriebselement 13 während eine
Beschleunigungsphase t2 stark beschleunigt. Während einer Anfangsphase P1 bis
zum Zeitpunkt t1 leistet im Wesentlichen der elektrische Aktor 12 die
zur Beschleunigung erforderliche Antriebskraft, was durch einen
starken Anstieg des Soll-Elektro-Antriebskraftwertverlaufes 56 bis
zum Zeitpunkt t1 deutlich wird. Der pneumatische Aktor 11 "hinkt" mit der Bereitstellung
von Antriebskraft im Vergleich zum elektrischen Aktor 12 hinterher.
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Zu
einem Zeitpunkt t1 jedoch ist der pneumatische Anteil am Kraftaufbau
bereits so weit fortgeschritten, dass der Soll-Elektro-Antriebskraftwertverlauf 56 bereits
wieder abnimmt, wohingegen der Soll-Fluid-Antriebskraftwertverlauf 57 noch
stark bis zum einem Zeitpunkt t3 zunimmt. Insgesamt stellt der pneumatische
Aktor 11 bei der vorliegenden Konfiguration während der
Beschleunigungsphase P2 einen größeren Anteil
der Gesamt-Antriebskraft bereit als der elektrische Aktor 12.
Es ist prinzipiell auch möglich,
dass beide Aktoren 11, 12 gleichgroße Anteile bereitstellen.
Möglich
ist es auch, dass der elektrische Aktor 12 gerade in Beschleunigungsphasen größere Anteile
der Antriebskraft bereitstellt als der pneumatische Aktor und der
pneumatische Aktor 11 in Haltephasen die größeren Anteile
der Antriebskraft bereitstellt. Die jeweilige Auslegung des Antriebs 10 hängt von
der Betriebssituation ab, wobei Beschleunigungsphasen und Haltephasen
des Antriebs 10 bei der Auslegung der Aktoren 11, 12 zu
berücksichtigen sind.
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Auch
bei dem Abbremsen des Antriebselements 13 zwischen den
Zeitpunkten t2 und t4 ist der elektrische Aktor 12 sozusagen
schneller als der pneumatische Aktor 12. Erst ab einem
Zeitpunkt t3, der unmittelbar auf den Zeitpunkt t2 folgt, nimmt
die Soll-Fluid-Antriebskraft ab, wohingegen die Soll-Elektro-Antriebskraft bereits
zum Zeitpunkt t2 einen Nulldurchgang hat und negativ wird, so dass
der elektrische Aktor 12 und mithin der Antrieb 10 sehr schnell
abgebremst wird.
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Ab
dem Zeitpunkt t4 wird das Antriebselement 13 beispielsweise
am selben Ort gehalten. Dabei stellt der pneumatische Aktor 11 eine
dafür erforderliche
Haltekraft, beispielsweise die Antriebskraft Fcon bereit. Der elektrische
Aktor 12 kann ab dem Zeitpunkt t4 beispielsweise abkühlen. Die
Haltekraft Fcon ist z.B. bei einer schrägen oder vertikalen Einbaulage
des Antriebs 10 erforderlich.
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Bei
einer bevorzugten horizontalen Einbaulage des Antriebs 10 wird
das Antriebselement 13 z.B. bei konstanter Antriebskraft
Fcon ab dem Zeitpunkt t4 mit gleichbleibender Geschwindigkeit in Richtung
eines gewünschten
Positionierorts bewegt. Vor Erreichen des Positionierorts (in 3 nicht
dargestellt) steuert die Positionssteuerungsvorrichtung 30 die
Aktoren 11, 12 zu einem Abbremsvorgang an. Ähnlich wie
beim Beschleunigungsvorgang zwischen den Zeitpunkten t1 und t3 stellt
dann der elektrische Aktor 12 zunächst den größeren Anteil an der Bremskraft
(= negative Antriebskraft) bereit, der kontinuierlich in dem Maße verringert
wird, wie beim fluidtechnischen Aktor 11 der Kraftaufbau
der Bremskraft stattfindet. Bis zum Erreichen des Positionierorts muss
die Gesamtantriebskraft bzw. Gesamtbremskraft jedoch wieder bis
auf „0" verkleinert werden. Beim
fluidtechnischen Aktor 11 ist eine Änderung der Bremskraft im Vergleich
zum elektrischen Aktor 12 langsamer möglich. Daher steuert die Positionssteuerungsvorrichtung 30 die
Aktoren 11, 12 unmittelbar vor dem Erreichen des
Positionierorts z.B. derart an, dass der elektrische Aktor 12 eine
positive Antriebskraft zur Kompensation einer negativen Antriebskraft des
fluidtechnischen Aktors 11 bereitstellt. Die negative Antriebskraft
des fluidtechnischen Aktors 11 und die positive Antriebskraft
des elektrischen Aktors 12 werden kontinuierlich auf „0" verringert. Am Positionierort
ist die Summe der negativen Antriebskraft des fluidtechnischen Aktors 11 und
der positiven Antriebskraft des elektrischen Aktors 12 0".
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind ohne weiteres möglich:
Es ist möglich, dass
die Positionssteuerungsvorrichtung 30 beispielsweise nur
die Kraftaufteilungsmittel 37, gegebenenfalls zusätzlich die
Positionsregelungsmittel 31 und/oder die Stromregelungsmittel 50 und/oder
die Druckregelungsmittel 44 enthält.