DE1548977C3 - Einrichtung zur Regelung des Mengenflusses einer Druckflüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung des Mengenflusses der einer Druckmittelquelle entnehmbaren, einem Druckmittelverbraucher zugeführten Druckflüssigkeit.

Hydraulische Antriebe haben sich in der Praxis fein zu regelnder bzw. positionierender Antriebe bewährt, da der Mengenfluß der Druckflüssigkeit in praktisch fester Relation zur Antriebs- bzw. Verstellgeschwindigkeit steht, und da eine ebensolche Relation zwischen den bewegten Druckmittel-Volumen und dem Antriebs- bzw. Stellweg besteht. Es ist bekannt, innerhalb geringer Toleranzen arbeitende Regeleinrichtungen zur Bestimmung des Mengenflusses des Druckmittels zu verwenden, bei denen nicht nur die Erfassung der Regelgrößen sowie die Übertragung der ermittelten Werte elektrisch erfolgt, sondern darüber hinaus auch die eigentliche Regelaufgabe elektronischen Bauelementen zugewiesen wird. Solche Regeleinrichtungen zeichnen sich nicht nur durch hohe, erzielbare Toleranzen aus, sie lassen mit relativ geringem Aufwand auch die Lösung komplexer Regelaufgaben zu, und sie gestatten ein schnelles Erfassen und Reagieren auf Änderungen der der Regeleinrichtung zugeführten Größen.

Die direkte Beeinflussung beispielsweise des Antriebes, respektive der Drehzahl von Druckmittelpumpen zur Bestimmung des Mengenflusses der Druckflüssigkeit hat sich nicht bewährt, da infolge der Trägheit der Antriebsmittel sowie der Pumpe selbst in vielen Fällen ein zu langsames Ansprechen auf geänderte Werte gegeben ist, und insbesondere für mit engen Toleranzen arbeitende Regeleinrichtungen erweist sich das Verhältnis zwischen Drehzahl und Mengenfluß der Druckmittelpumpe nicht als ausreichend linear. Es werden daher im allgemeinen Druckmittelpumpen eingesetzt, bei denen durch Verstellung beispielsweise einer Taumelscheibe der Druckmittelfluß bei konstanter Drehzahl änderbar ist. Wenn auch hierdurch ein schnelleres Ansprechen auf Änderungen der Größen des Regelkreises erzielbar ist, so entspricht die erzielbare Ansprechgeschwindigkeit in vielen Fällen noch nicht den zu stellenden Anforderungen.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, eine Einrichtung zur Regelung des Mengenflusses der einer Druckmittelquelle entnehmbaren Druckflüssigkeit zu schaffen, bei der mit relativ geringem Aufwand hohe Stellgeschwindigkeiten und dementsprechend steile Änderungen des Mengenflusses möglich sind.

Gelöst wird diese Aufgabe, indem einer Druckmittelquelle konstanten Mengenflusses ein den Druckmittelverbraucher aufweisender sowie ein zweiter, diesem parallel angeordneter Druckmittelkreis nachgeordnet sind und mindestens einer der Druckmittelkreise ein elektrisch steuerbares hydraulisches Schieberventil aufweist, das durch eine ihm vorgeordnete Steuereinrichtung periodisch schnell betätigt wird, die das Schaltverhältnis in Abhängigkeit vom Regelwert bestimmt.

Bewährt hat es sich, die Steuerung des elektrisch betätigbaren hydraulischen Schieberventils durch eine Rechteckspannung zu bewirken. Die Regelvorrichtung kann hierbei bei vorgegebener Impulsfolgefrequenz auf die Dauer der Halbwellen einwirken, es ist aber auch möglich, daß die Regeleinrichtung auf die Dauer nur jeweils einer der Halbwellen einwirkt, während die Dauer der anderen konstant gehalten wird.

Das hydraulische Schieberventil kann im Druckmittelverbraucherkreis angeordnet sein; im Parallelkreis sind hierbei eine Drosselstrecke und/oder ein im Bereich des Arbeitsdruckes ansprechendes Überdruckventil vorgesehen. Der geringeren Verluste wegen wurde als vorteilhaft gefunden, das hydraulische Schieberventil im Parallelkreis anzuordnen. Als empfehlenswert wurde aber auch erkannt, das Schieberventil als Dreiwegeventil auszubilden und die parallelen Druckmittelkreise alternierend mit der Druckmittelquelle zu verbinden. Zum Ausgleich der Druckmittelstöße wurde als nachahmenswert erkannt, dem Druckmittelverbrau-

fts eher eine Drosselstrecke vorzuordnen und/oder einen ihm parallel wirksamen Druckmittelspeicher vorzusehen.

Im einzelnen ist die Erfindung an Hand der folgen-

den Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt hierbei

F i g. 1 das Blockschaltbild eines geregelt betriebenen Druckmittelmotors und

F i g. 2 und 3 alternative Anordnungen des elektrisch steuerbaren hydraulischen Schieberventils.

In F i g. 1 ist ein Hydraulikmotor 1 dargestellt, der geregelt mittels einer Pumpe 2 betrieben wird. Mit dem Hydraulikmotor 1 ist als Istwertgeber ein Tachodynamo 3 verbunden, deren Ausgangsspannung einem Eingang des PDI-Reglers 4 zugeführt ist. Als Sollwertgeber ist ein Potentiometer 5 vorgesehen, dessen am Abgriff anstehende, den Sollwert darstellende Spannung ebenfalls einem Eingang des PDI-Reglers 4 zugeführt wird. Die am Ausgang des PDI-Reglers anstehende Spannung ist durch das Potentiometer 6 manuell beeinflußbar und wird nach Verstärkung im Verstärker 7 als Vorspannung der Impulsformstufe 8 zugeführt. Gesteuert wird die Impulsformstufe 8 durch einen Frequenzgenerator 9, der im Ausführungsbeispiel eine periodische sägezahnförmige Spannung abgibt. Mittels der sägezahnförmigen Spannung wird innerhalb der Impulsformstufe 8 eine durch die Ausgangsspannung des Verstärkers 7 vorgespannte Trägerstufe gesteuert. Hierdurch wird erreicht, daß durch den steilen Flankenabfall der sägezahnförmigen Spannung einer der Umschaltpunkte der Trägerstufe praktisch unabhängig von der zugeführten Vorspannung mit konstanter Phasenlage innerhalb der Impulsfolge liegt, während die durch die flache Flanke bestimmte Rückschaltung der Trägerstufe in ihrem zeitlichen Einsatz bzw. ihrer Phasenlage in Abhängigkeit von der als Vorspannung zugeführten Regelspannung änderbar ist. Am Ausgang der Impulsformstufe 8 steht dementsprechend eine durch die Darstellung 10 veranschaulichte Rechteckspannung an, deren Impulsfolgefrequenz durch den Frequenzgenerator 9 bestimmt ist und während des Betriebes konstant bleibt, während das Verhältnis der Phasendauer der positiven Halbwellen zu der der negativen Halbwellen, das Schaltverhältnis, sich in Abhängigkeit von der Regelspannung ändert.

Mit der von der Impulsformstufe 8 abgegebenen Rechteckspannung 10 wird der Betätigungsmagnet 11 eines Schieberventils 12 beaufschlagt, dessen Eingang mit der von der Pumpe 2 kommenden Druckleitung 13 verbunden ist. Die Pumpe 2 wird mittels eines Drehstrommotors 14 synchron bzw. mit geringem Schlupf zur Netzfrequenz, d. h. praktisch mit konstanter Tourenzahl, angetrieben, so daß auch der Mengenfluß des die Druckleitung 13 passierenden Druckmittels praktisch konstant ist. Das Schieberventil 12 ist als Dreiwegeventil ausgebildet. In der dargestellten Lage des Schieberventils 12 ist dessen Eingang 15 mit dem Ausgang 16 verbunden, der direkt in den Druckmittelbehälter 31 führt.

Beim Eintreffen der nächsten Halbwelle der Rechteckspannung 10 wird mittels des Betätigungsmagneten 11 das Schieberventil 12 umgeschaltet, so daß sein Eingang 15 mit dem Ausgang 17 verbunden ist, dessen nachgeordneter Druckmittelkreis 18 als Druckmittelverbraucher den Druckmittelmotor 1 aufweist. Durch Beaufschlagung mit der Rechteckspannung 10 wird während des Betriebes das Schieberventil 12 periodisch schnell umgeschaltet. Hierdurch wird das über die Druckleitung 13 zugeführte Druckmittel auf die Ausgänge 16 und 17 des Schieberventils und damit auf den Parallelkreis 19 sowie den Druckmittelkreis 18 aufgeteilt. Da mittels der der Impulsformstufe 8 zugeführten Regelspannung sich das Schaltverhältnis ändern läßt, läßt sich auch das Verhältnis der Aufteilung des Druckmittelstromes dementsprechend regeln: Bleibt das Schieberventil 12 während seiner periodischen Betätigung jeweils längere Zeit auf seinem Ausgang 17 als auf seinem Ausgang 16 stehen, so erhält der den Verbraucher aufweisende Druckmittelkreis 18 einen 50% übersteigenden Anteil des durch die Pumpe 2 bewirkten Druckmittelflusses, der sich durch weiteres Verlängern der die Schaltung auf den Ausgang 17 bewirkenden Halbwelle weiterhin steigern läßt, während eine Verkürzung dieser Halbwelle ein Absinken des Druckmittel-Nutzflusses im Druckmittelkreis 18 und ein Ansteigen des Leer-Flusses im Parallelkreis 19 bewirkt. Durch entsprechende Regelspannungen und diesen zugeordnete Schaltverhältnisse der Rechteckspannung 10 lassen sich damit beliebige Druckmittel-Nutzflüsse im Druckmittelkreis 18 durch Aufteilung des in der Druckleitung 13 fließenden Gesamtflusses bewirken. Die vom Frequenzgenerator 9 bestimmte Impulsfolgefrequenz der Rechteckspannung 10 wird hierbei so hoch bemessen, daß die Schaltzeiten des Schieberventils 11 klein gegen die durch die Trägheit des Hydraulikmotors sowie der getriebenen Teile bestimmten Beschleunigungszeit sind. Andererseits ist die Frequenz so zu wählen, daß auch bei den extremen, zur Regelung noch nutzbaren Schaltverhältnissen das Schieberventil auch durch die kurzen Halbwellen noch zum Umschalten gebracht wird.

Bei derart kurzen Schaltzeiten wirkt sich die Welligkeit des im Druckmittelkreis 18 fließenden, durch die Darstellung 20 veranschaulichten Druckmittelflusses nicht störend aus. Im Bedarfsfalle kann im den Nutzfluß aufweisenden Druckmittelkreis 18 eine im Ausführungsbeispiel regelbare Drosselstrecke 21 vorgesehen werden, die für sich bereits eine gewisse Glättung des Druckmittelflusses ergibt. Über das Ventil 22 ist weiterhin ein Druckmittelspeicher 23 anschaltbar, der weiterhin für eine Abflachung der Druckcharakteristik 24 des am Hydraulikmotor 1 anstehenden Druckmittels Sorge trägt. Im Ausführungsbeispiel ist der Druckmittelspeicher 23 in Verbindung mit einer Drosselstrecke 21 verwendet und der Drosselstrecke vorgeordnet. Es kann ein solcher Druckmittelspeicher auch, gegebenenfalls zusätzlich zu dem in F i g. 1 dargestellten Druckmittelspeicher 23, der Drosselstrecke 21 nachgeordnet und zwischen der Drosselstrecke und dem Verbraucher angeschlossen sein. Drosselstrecken und Druckmittelspeicher sind so zu wählen, daß einerseits die gewünschte Glättung des Druckmittelflusses erzielt wird, andererseits aber die durch das periodisch schnelle Arbeiten des Schieberventils 12 ermöglichte hohe Stellgeschwindigkeit nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Bei der praktischen Ausführung hat es sich gezeigt, daß Verbindungsrohre und insbesondere Verbindungsschläuche oft schon sich als derart elastisch erweisen, daß die Anordnung von besonderen Druckmittelspeichern auch beim Vorliegen des Erfordernisses einer weitgehenden Glättung nicht erforderlich sind.

Dem Eingang des Schieberventils 11 ist ein Überdruckventil 25 parallel geschaltet, das beim Auftreten überhöhter Drucke anspricht und ein gefahrloses Ableiten von Druckspitzen ermöglicht.

Wie die in F i g. 2 und 3 skizzenhaft angedeuteten Ausführungsbeispiele zeigen, ist es nicht erforderlich, zur Steuerung des Druckmittelstromes Zweiwegeventile zu benutzen. In F i g. 2 ist ein variierter Auszug aus

F i g. 1 dargestellt, bei dem der Druckmittelpumpe 2 ein Überdruckventil 25 nachgeordnet ist, das als Sicherheitsventil bei übergroßen Druckspitzen anspricht. Die Verteilung des Druckmittelflusses wird mittels eines im Druckmittelkreis 18 des Druckmittelmotors 1 vorgesehenen Magnet-Durchgangsventils 26 in Verbindung mit einem im Parallelkreis angeordneten, auf den Arbeitsdruck ansprechenden Überdruckventil 27 bewirkt. Während der einen Halbwelle der periodischen Rechteckspannung hoher Frequenz ist das Durchgangsventil 26 geöffnet, so daß der Druckmittelfluß während der Dauer dieser Halbwelle dem Verbraucherkreis 18 zugeführt wird und den Druckmittelmotor 1 beaufschlagt. Während der nächsten Halbwelle bleibt das Durchgangsventil 26 geschlossen, und der von der Druckmittelpumpe 2 bewirkte Druck vermag das bereits im Bereich des Arbeitsdrucks ansprechende, selbststeuernde Überdruckventil 27 zu öffnen, so daß während dieser Halbwelle der Rechteckspannung der Druckmittelfluß vom Druckrohr 13 in den Parallelkreis 19 erfolgt. Eine weitere Variante einer solchen Anordnung ist in F i g. 3 erläutert. Der Druckmittelpumpe 2 ist wiederum ein erst bei Druckspitzen ansprechendes Überdruckventil 25 nachgeordnet. Während der den Verbraucher, den Druckmittelmotor 1, aufweisende Druckmittelkreis 18 direkt mit der Druckleitung 13 verbunden ist, ist dem Parallelkreis 19 ein impulsgesteuertes Durchgangsventil 28 vorgeordnet. Hierdurch wird erreicht, daß im Bereich der einen Halbwelle das Durchgangsventil 28 geöffnet ist und die Druckmittelpumpe 2 ohne Gegendruck auf dem Parallelkreis 19 arbeitet. Nach Umschalten des Durchgangsventils 28 auf Grund der nächsten Halbwelle der Rechteckspannung wird der Parallelkreis 19 gesperrt, so daß der nunmehr von der Druckmittelpumpe 2 neben der Druckleitung 13 aufgebaute Druck dem Druckmittelmotor 1 im Verbraucherkreis 18 zugeführt wird. Bei den Ausführungsbeispielen nach F i g. 1 und 3 ergibt sich gegenüber dem nach F i g. 2 der Vorteil, daß die Druckmittelpumpe während der Arbeitsphasen, in denen der Parallelkreis 19 beaufschlagt wird, ohne Gegendruck arbeitet, so daß der Leistungsbedarf verringert ist. In den Skizzen der F i g. 2 und 3 sind den Druckmittelfluß im Verbraucherkreis 18 glättende Vorrichtungen wie Drosselstrecken, Druckspeicher od. dgl. nicht dargestellt; zweckmäßig werden sie bei Bedarf wie zu F i g. 1 beschrieben eingesetzt. Darüber hinaus hat es sich bewährt, durch zwei Betätigungsmagnete geschaltete Ventile entsprechend dem Durchgangsventil 28 der F i g. 3 zu verwenden; durch Verwendung zweier, vorzugsweise im Gegentakt geschalteter Betätigungsmagnete lassen sich die Schaltzeiten der Ventile weiterhin verkürzen und damit kürzere Stellzeiten bzw. höhere Schaltfrequenzen und/oder größere Schaltverhältnisse und damit ausgedehntere Regelbereiche erzielen.

In den Ausführungsbeispielen ist die Drehzahlregelung eines Druckmittelmotors veranschaulicht, bei der die Bestimmung des Druckmittelstromes mittels der Impulsbreitensteuerung eines Schieberventils erfolgt. Das Verfahren läßt sich ebenso zur Positionierung von Bauteilen verwenden, die beispielsweise mittels eines Druckmittelzylinders verfahrbar sind. In diesem Falle würde man die jeweilige Position des zu verfahrenden Bauteiles als Ist-Wert erfassen. Auf Grund der Differenz zwischen diesem Ist-Wert und dem vorgegebenen Soll-Wert läßt sich ein analoger Regelkreis beaufschlagen, der den Kolben des Druckmittelzylinders definiert und praktisch kontinuierlich in die gewünschte Position einfährt. Durch die bei der Steuerung des Druckmittelstroms gemäß der Erfindung erzielte geringe Stellzeit kann Änderungen der Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert mit hoher Geschwindigkeit gefolgt werden, und die vorgegebene Stellung läßt sich innerhalb geringer Toleranzen ohne die Gefahr des Übertreibens ansteuern.

Der Hydraulikplan einer derartigen Anordnung ist im einzelnen in Fig.4 dargestellt. Der Druckmittelkreislauf wird durch die durch den Dreiphasenmotor 14 getriebene Pumpe 2 erregt, und die Steuerung des Druckmittel-Nutzflusses erfolgt durch das durch zwei Betätigungsmagnete 11 periodisch geschaltete Ventil 12. Dem ,eigentlichen Verbraucherstromkreis sind ein Rückschlagventil 29 sowie eine Drosselstrecke 21 vorgeordnet; eine weitere Drosselstrecke ist in der durch das Ventil 22 absperrbaren Zuleitung des Druckmittelspeichers 23 angeordnet. Im Druckmittel-Nutzflußkreis ist ein weiteres, elektrisch gesteuertes Umschaltventil 30 vorgesehen, das im nachgeordneten Teil des Nutzflußkreises die Flußrichtung des Druckmittels bestimmt. Eine Gruppe 32 von Absperrventilen dient dazu, entweder den Nutzflußkreis zu sperren oder wahlweise den Hydraulikmotor 1 oder den Hydraulikzylinder 33 zu betätigen. Beim Betrieb des Hydraulikmotors 1 dient das Umschaltventil 30 zur Bestimmung der Flußrichtung und damit der Antriebsrichtung des Motors 1. Die Umschaltung des Umschaltventils 30 und damit die Drehrichtung des Hydraulikmotors 1 kann hierbei manuell ausgelöst werden oder, falls die dem Ventil 12 vorgeordnete Regeleinrichtung auch eine Einregelung auf negative Werte zuläßt, beim Überschreiten des Null-Wertes dieser Regelvorrichtung selbsttätig ausgelöst werden. Beim Betrieb des Hydraulikzylinders 33 ist dieses Umschaltventil erforderlich, falls nicht die Rückstellung des Hydraulikzylinders selbsttätig über eine Drosselstrecke in Abhängigkeit von der jeweiligen Belastung erfolgen soll. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 4 jedoch ist eine zwangläufige Steuerung vorgesehen, bei der, falls ein Positionswert von einer Seite her anzufahren ist, das Umschaltventil in einer ersten Stellung einen der Zylinderräume füllt und den anderen entleert, während beim Anfahren einer vorgegebenen Stellung von der anderen Seite her nach Umschaltung des Umschaltventils 30 in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert die Flußrichtung im Betriebsstromkreis umgekehrt wird. Auch hier ergeben sich durch periodisch schnelle, in der Phasendauer geregelte Betätigung des Umschaltventils 12 in Verbindung mit in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert bewirkten Umsteuerung des Umschaltventils 30 kurze Stellzeiten des die Stellung des Druckmittelzylinders 33 korrigierenden Druckmittelflusses sowie erwünscht kurze Nachführzeiten des Hydraulikzylinders 33 in eine jeweils vorgegebene Position.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Regelung des Mengenflusses der einer Druckmittelquelle über steuerbare Ventile entnehmbaren, einem Druckmittelverbraucher zugeführten Druckflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß einer Druckmittelquelle (2) konstanten Mengenflusses ein den Druckmittelverbraucher (1) aufweisender (18) sowie ein zweiter, diesem parallel angeordneter Druckmittelkreis (19) nachgeordnet sind, und daß mindestens einer der Kreise ein elektrisch steuerbares hydraulisches Schieberventil (11, 12, 26, 28) aufweist, das durch eine ihm vorgeordnete Steuereinrichtung (3 bis 9) periodisch schnell betätigt wird, die das Schaltverhältnis in Abhängigkeit vom Regelwert bestimmt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des hydraulischen Schieberventils (12, 26, 28) durch eine Rechteckspannung (2) bewirkt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung auf die Dauer einer der Halbwellen der das hydraulische Schieberventil steuernden Spannung einwirkt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (3 bis 9) bei vorgegebener Impulsfolgefrequenz der das hydraulische Schieberventil (12, 26, 28) steuernden Spannung auf die Dauer beider Halbwellen einwirkt.

5. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Schieberventil (26) im Druckmittelverbraucherkreis (18) angeordnet ist und im Parallelkreis (19) eine Drosselstrecke und/oder ein bei Arbeitsdruck ansprechendes Überdruckventil (27) vorgesehen sind (F i g. 2).

6. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Schieberventil (28) im Parallelkreis (19) angeordnet ist (F i g. 3).

7. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schieberventil (11) als Dreiwegeventil ausgebildet ist und die parallelen Druckmittelkreise (18, 19) alternierend mit der Druckmittelquelle (2) verbindet.

8. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Druckmittelverbraucher (1) eine Drosselstrecke (21) vorgeordnet ist.

9. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen zu dem Druckmittelverbraucher (1) parallelgeschalteten Druckmittelspeicher (23).