DE2823960C2 - Elektrohydraulischer Stellantrieb - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrohydraulischen Stellantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einem bekannten Stellantrieb der gattungsgemäßen Art wird ein Steuersignal in einem Steuergerät aufbereitet und in Form von Steuerimpulsen auf einen Schrittmotor gegeben, über den ein doppelt wirkendes Drehventil so geschaltet wird, daß jeweils diskrete ölvolumina in einen der beiden Zylinderräume des Stellantriebes einströmen, während gleichzeitig eine entsprechende ölmenge aus dem gegenüberliegenden Zylinderraum verdrängt wird. In den Leitungen zwischen dem Ventil und den Zylinderräumen sind jeweils Druckschalter vorgesehen, deren elektrische Ausgangssignale auf einen Puls-Analog-Umformer gegeben werden, dessen analoges Ausgangssignal als Ist-Wert auf den Summierungspunkt des Steuergerätes rückgeführt wird. Das aus dem Ausgangssignal der Druckschalter abgeleitete Analogsignal wird gleichzeitig in einem Komparator mit dem analogen Ausgangssignal eines Puls-Analog-Umformers verglichen, dem die auf den Schrittschalter es Schrittmotors gegebenen elektrischen Signale aufgegeben werden. Bei fehlender Übereinstimmung wird dies als Fehler angesehen und die Steuerung auf einen redundanten zweiten Kanal umgeschaltet (US-PS 37 27 520).

Es ist weiter eine Verstellvorrichtung bekannt, bei der die Lage des Kolbens über einen elektrischen Ist-Wert-Geber abgegriffen wird, dessen Ausgangssignal einem Steuergerät aufgegeben wird, dem andererseits ein Sollwert zugeführt wird. Das Steuergerät enthält einen Dreipunktregler zur Betätigung einer ersten Gruppe von Magnetventilen, über welche die Eilgangverstellung des Kolbens bewirkt wird. Parallel zu dem Dreipunktregler ist in dem Steuergerät ein die Regelabweichung zwischen Sollwert und Istwert in ein pulslängenmoduliertes Signal umwandelnder quasi stetiger Regler vorgesehen, über den eine zweite Gruppe von Magnetventilen angesteuert wird. Das Tastverhältnis des pulslängenmodulierten Signals ändert sich dabei mit der Differenz zwischen Sollwert und Istwert, der Regelabweichung. Ist die Regelabweichung 0, ist das Tastverhältnis beispielsweise 1:1. Der Kolben vibriert damit um den Sollwert herum (DE-OS 20 11 713).

Verstellvorrichtungen, die mit einer Istwertrückführung arbeiten, mit der im Steuergerät die Regelabweichung bestimmt wird, haben den Nachteil, daß bei Ausfall der Istwertrückführung die Verstellvorrichtung ausfällt

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stellantrieb zu schaffen, mit dem eine sehr genaue Positionierung möglich ist und der auch ohne analoge Signalrückführung zum Steuergerät oder Rechner sicher arbeitet

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung ausgehend von einem Stellantrieb der gattungsgemäßen Art gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des Stellantriebes sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Flugzeugsteuerungs- und -regelungssystems mit einem rückführungsfreien elektrohydraulischen Stellantreib als Vorsteuereinheit Für den Rudersteller.

F i g. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines rückführungsfreien Stellantriebes.

F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des rückführungsfreien Stellantreibes.

Das Steuerungssystem nach F i g. 1 weist einen als Flugregler arbeitenden Prozeßrechner 2 auf, in den das Pilotenkommando 4 als Sollwert eingegeben wird. Dem Prozeßrechner werden weiter die in üblicher Weise ermittelten Flugzustandsgrößen 6 aufgegeben.

In dem gestrichelt umrandeten Block 8 ist der erfindungsgemäß ausgebildete Stellantrieb mit Ausfallerkennung dargestellt. Dieser Stellantrieb weist elektrohydraulische Schaltventile 10 auf, die über elektrische Signalverbindungen 12, 14 vom Prozeßrechner angesteuert werden. Die Schaltventile sind an ein in Fig. 1 nicht dargestelltes Hydrauliksystem angeschlossen.

Das öl wird über eine Leitung 16 einem Stellzylinder 18 zugeleitet. An die Leitung 16 ist über eine Leitung 22 ein druck- und/oder strömungsabhängig arbeitender Sensor 24 angeschlossen, der bei jedem Ansprechen ein elektrisches Signal abgibt, das über eine Signalverbindung 26 auf den Prozeßrechner rückgeführt wird. Im Prozeßrechner werden die vom Sensor abgegebenen Signale mit den elektrischen Schaltimpulsen für die

Schaltventile 10 verglichen, wodurch Ausfälle, ζ. Β. ausgebliebenes Schalten der Schaltventile, unmittelbar erkennbar sind. Über den proportional wirkenden Stellantrieb wird der Rudersteller 28 gesteuert, der seinerseits das in F i g. 1 nicht dargestellte Ruder betätigt

Als elektrohydraulische Schaltventile sind bistabil gesteuerte Kugelventile vorgesehen. Mit magnetisch bistabil gesteuerten Kugelventilen sind Ventilschaltzeiten in der Größenordnung von 1 ms möglich. Die Ventilschaltzeit sollte so kurz wie möglich sein, da das Auflösungsvermögen direkt von ihr abhängt. Die Durchlaßmenge der Ventile läßt sich durch Pulsmodulation den jeweiligen Forderungen anpassen. Als besonders zweckmäßig hat sich eine Ansteuerung nach dem '⁵ Verfahren der differentiellen Pulsdauermodulation erwiesen.

Bei dem Ausführungsbeispiel des Stellantriebes nach F i 3.2 ist der Stellzylinder 30 mit einem Differentialkolben 32 als Stellkolben ausgebildet. Der Kolben hat stirnseitig eine Fläche Ai und stangenseitig eine Fläche A₂. Die stangenseitige Zylinderkammmer 44 ist über eine Leitung 34 ständig an das Hydrauliksystem mit dem Systemdruck Ps angeschlossen.

Mit dem Hydrauliksystem ist die Zylinderkammer 40 über ein Zulaufventil 38 verbunden, das als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist. Als Verbindung ist eine Leitung 36 vorgesehen, in der vor der Zylinderkammer 40 eine Drossel oder Blende 42 angeordnet ist. An die Leitung 36 ist ferner ein weiteres 2/2-Wegeventil als Rücklaufventil 46 angeschlossen, dessen Auslaß über eine Rücklaufleitung 48 mit dem Tank 50 des Hydrauliksystems verbunden ist.

Schließlich ist an die Leitung 36 ein Druckschalter 54 als Sensor angeschlossen.

Die Zylinderkammer 44 ist wie erwähnt ständig mit dem Systemdruck Ps beaufschlagt. Die andere Zylinderkammer 40 kann entweder über das Zulaufventil 38 mit dem Systemdruck beaufschlagt oder über das Rücklaufventil 46 mit der Rücklaufleitung 48 verbunden werden. Das Flächenverhältnis A\/A2 des Kolbens 32 kann beispielsweise 2 :1 sein.

Die Arbeitsweise des Stellantriebes kann durch die drei Betriebszustände beschrieben werden.

Zustand 1

Sind beide Schaltventile 38 und 46 geschlossen, ist das ölvolumen in der Zylinderkammer 40 eingeschlossen, und es stellt sich in den beiden Kammern ein Druckgleichgewicht in Abhängigkeit vom Flächenverhällnis,4i//42ein.

Zustand 2

Wird vom Zustand 1 ausgehend das Zulaufventil 38 geöffnet, steigt der Druck P\ in der Zylinderkammer 40 an und bewegt den Kolben 32 nach rechts. Beim Schließen des Zulaufventils 38 stellt sich wiederum der Zustand 1 ein.

Zustand 3

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Wird das Rücklaufventil 46 geöffnet, wird der Druck P\ in der Zylinderkammer 40 abgebaut und der Kolben 32 bewegt sich nach links. Beim Schließen des Ventils 46 stellt sich wiederum der Zustand 1 ein, bei dem ein Druckgleichgewicht herrscht.

In den Zuständen 2 und 3 wird der Durchfluß durch die Drossel 42 bestimmt. Wird das Zulaufventil 38 betätigt, baut sich zwischen diesem Ventil und der Drossel 42 in der Leitung 36 ein Druck auf, durch den der Druckschalter 54 betätigt wird. Es folgt somit auf den vom Rechner abgegebenen Steuerimpuls für das Zulaufventil 38 eine einen Druckanstieg in der Leitung 36 signalisierende Impulsantwort über den Druckschalter 54 an dem Rechner 2. Durch die Impulsantwort wird angezeigt, daß das Ventil angesprochen hat In ähnlicher Weise erfolgt eine Rückmeldung der Funktion des Rücklaufventils 46. Wird dieses Ventil betätigt tritt in der Leitung 36 ein markanter Druckabfall auf, auf den wiederum der Druckschalter anspricht

Das Anfahren bestimmter Positionen wird mit dem Antrieb nach F i g. 2 wie folgt erreicht Bei geöffnetem Zulauf- oder Rücklaufventil fließt während der vom Rechner vorgegebenen Öffnungszeit ein durch Systemdruck Ps und Drosseiquerschnitt definiertes Ölvolumen in den Stellzylinder hinein oder aus ihm heraus. Die für einen bestimmten Steilweg erforderliche Öffnungszeit des Ventils läßt sich aus ölvolumen und Kolbenfläche exakt bestimmen.

Bei einem Volumen der Zylinderkammer 40 in der Größenordnung von 7 cm³ lassen sich mit einer Kolbengeschwindigkeit von 70mm/sec bei Verwendung von magnetbetätigten Kugelventilen mit Schaltzeiten von ~ 1 ms etwa 600 diskrete Kolbenpositionen ansteuern.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel eines Stellantriebes mit Ausfallerkennung nach F i g. 3 ist der Stellantrieb 56 mit einem ausgeglichenen Kolben 58 versehen, dessen beaufschlagte Kolbenflächen gleich groß sind. Es ist wieder ein Hydrauliksystem mit dem Systemdruck Ps vorgesehen. Der Anschluß des Stellzylinders 56 erfolgt jeweils über Rückschalgventile €0, 62, Leitungen 64, 66 und als 3/2-Wegeventile ausgebildete bistabil gesteuerte Kugelventile 68, 70. Zwischen den Ventilen 68 und 70 und den Zylinderkammern 55 und 57 sind wiederum Drosseln oder Blenden 72, 74 geschaltet. Zwischen den Ventilen 68 und 70 und den Drosseln 72 und 74 sind jeweils Verbindungsleitungen 76, 78 angeschlossen, die zu einem Differenzdruckschalter 80 führen. Die Rücklaufanschlüsse der Ventile 68 und 70 sind jeweils über eine Ölrücklaufleitung 82 mit dem Tank 84 des Hydrauliksystems verbunden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 treten wiederum drei Betriebszustände auf.

Zustand 1

Die Ventile 68 und 70 befinden sich in der dargestellten Schaltstellung. Die beiden Zylinderkammern 55 und 57 sind mit dem Systemdruck Ps beaufschlagt. Auch auf die beiden Anschlüsse des Druckschalters 80 wirkt der gleiche Druck. Der Kolben 58 ist in seiner Stellung gefesselt und der Druckschalter 80 befindet sich in einer Mittelstellung.

Zustand 2

Das Ventil 68 wird geschaltet und damit die Zylinderkammer 55 mit der Rücklaufleitung 82 verbunden. Aus der Zylinderkammer 55 strömt Öl mit einer durch den Querschnitt der Drossel oder Blende 72 vorgegebenen Geschwindigkeit ab. In die rechte Zylinderkammer 57 wird Öl eingespeist. In Strömungsrichtung hinter der Drossel oder Blende 72 kommt es zu einem in der Leitung 76 wirksam werdenden Druckabfall. Durch den Differenzdruck wird der Druckschalter 80 betätigt und gibt eine das Ansprechen des Ventils 68 bestätigende Impulsantwort an den Rechner 2.

Nach dem Umschalten des Ventils 68 stellt sich der

Zustand 1 wieder ein. Der Druckschalter kehrt in seine Mittelstellung zurück.

Zustand 3

Bei Betätigung des Ventils 70 wird die Ventilkammer . 57 mit der Rücklaufleitung 82 verbunden. Analog der Beschreibung des Zustandes 2 wird der Kolben 58 nach rechts verschoben. In der Anschlußleitung 78 des Druckschalters 80 kommt es zu einem Druckabfall, der Druckschalter wird betätigt und gibt an den Rechner 2 eine das Ansprechen des Ventils 70 bestätigende Impuisantwort.

Ventilfehlverhalten in Form von Driften werden durch mathematische Funktionen vom Rechner erfaßt und kompensiert. Ist eine vollständige mathematische Erfassung nicht möglich, kann die Erfassung und Beseitigung des Restfehlers oder alternativ die Erhaltung der Stellgenauigkeit durch Messung eines stellungsabhängigen Ausgangssignals erfolgen. Dieses Signal kann am Rudersteller abgegriffen werden. Dieses rückgeführte Signal soll lediglich dazu dienen, Stellungsfehler auszugleichen, die sich während eines definierten Zeitraumes, während dem die Ventile betätigt wurden, aufsummiert haben.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Servostellantrieben ist bei dem erfindungsgemäßen System der Antrieb nach Ausfall der Rückführung noch funktionsfähig.

Bei den beiden im vorstehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sind zur Erzeugung einer Impulsantwort auf das Ansprechen der Ventile jeweils Druckschalter verwendet worden. In analoger Weise lassen sich die Impulsantworten auch mit Hilfe von Volumenstromsensoren ableiten. Es können auch körperschallabhängig arbeitende Sensoren allein oder in Kombination mit druck- und/oder strömungsabhängig arbeitenden Sensoren verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrohydraulischer Stellantrieb, insbesondere für Steuerorgane an Luftfahrzeugen, mit einem zweiseitig beaufschlagbaren, an eine Druckseite und einen Rücklauf einer Hydraulikanlage anschließbaren Stellzylinder, dem zur Positionierung über durch eine Schaltimpulsfolge betätigte Ventile das benötigte ölvolumen in Form diskreter ölvolumina zuführbar sind, mit einem Rechner, über den die den Ventilen zuzuleitenden Schaltimpulse festgelegt werden und durch elektrische Signale abgebende Sensoren zwischen den Ventilen und dem Stellzylinder und Verbindungen zur Rückführung dieser Signale auf den Rechner, dadurch gekennzeichnet, daß als Ventile (38, 46; 68, 70) bistabil gesteuerte Kugelventile vorgesehen sind, deren Öffnungsdauer vom Rechner (2) in Abhängigkeit vom vorgegebenen Verstellweg des Stellzyünders (30, 56) mit variabler PuSsdauer festlegbar sind und daß die von den Sensoren (54, 80) abgegebenen elektrischen Signale (26) als reine Funktionsbestätigungen auf den Rechner rückgeführt sind.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, bei dem der Stellzylinder mit einem Differentialkolben versehen ist, dadurch gekennnzeichnet, daß zwei in Reihe geschaltete 2/2-Wege-Ventile (38, 46) zwischen der Druckseite und dem Rücklauf der Hydraulikanlage vorgesehen sind, zwischen denen der Zylinderraum (40) mit der größeren Beaufschlagungsfläche (A₁) und der Sensor (54) angeschlossen sind.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1, bei dem der Stellzylinder mit einem Kolben mit gleichen Beaufschlagungsflächen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderräume (55, 57) des Stellzylinders (56) über parallel geschaltete 3/2-Wege-Ventile (68, 70) wechselweise mit der Druckseite (P_s) und dem Rücklauf (82) der Hydraulikanlage verbindbar sind.

4. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Strömungssensor ist.