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Elektromagnetische Stelleinrichtung für ein Stellglied
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer elektromagnetischen
Stelleinrichtung für ein Stellglied nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist
schon eine solche elektromagnetische Stelleinrichtung aus der DE-OS 2 854 965 bekannt,
bei welcher der Magnet mit einer Einrichtung zur Hublageerkennung ausgerüstet ist.
Um bei einer Ausführungsform eine kompakte Bauform zu erreichen, sind eine Arbeitswicklung
und eine Meßwicklung konzentrisch zueinander auf dem gleichen Magnetkörper angeordnet.
Durch Einbau dieser Stelleinrichtung in einen zugeordneten Regelkreis kann das Stellglied
genau geregelt werden. Obwohl diese Stelleinrichtung kompakt baut, hat sie doch
den Nachteil, daß sie anstelle von handelsüblichen Magneten besondere Bauformen
benötigt. Durch die konzentrisch angeordnete Arbeitswicklung und Meßwicklung baut
der Magnet aufwendiger und damit teurer. Zudem hat diese Stelleinrichtung auch den
Nachteil, daß die Meßwicklung zusätzlich auch vom Erregerstrom der Arbeitswicklung
beeinflußt wird und daher für die Lagemessung eine aufwendige Auswerteschaltung
notwendig wird.
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Ferner ist auch eine elektromagnetische Stelleinrichtung für den Steuerschieber
eines hydraulischen Wegeventils bekannt,
bei der die Anker von zwei
Proportionalmagneten jeweils auf die Enden des von Federn zentrierten Steuerschiebers
einwirken können. Hierbei wird der Steuerschieber proportional zu einem am Magneten
ankommenden elektrischen Eingangssignal aus seiner Mittelstellung ausgelenkt und
steuert somit die Größe eines Druckmittelstromes proportional zur Größe des elektrischen
Eingangssignals. Nachteilig bei dieser Stelleinrichtung ist, daß hier kein Regelkreis
sondern eine reine Steuerkette vorliegt. Durch die auf den Steuerschieber einwirkenden
Störeinflüsse, wie z.B. Reibung und Strömungskräfte, wird die Proportionalitat zwischen
dem elektrischen Eingangssignal und der Größe des gesteuerten Druckmittelstromes
nicht in ausreichendem Maß gewahrt.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße elektromagnetische Stelleinrichtung
für ein Stellglied mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, daß sie mit relativ einfachen Mitteln eine genaue Stellungsregelung
erlaubt. Da die Stelleinrichtung ohnedies vorhandene Bauelemente mehrfach nutzt,
baut sie mit geringem Aufwand an Kosten und Bauraum. Bereits vorhandene Magnete
können ohne besondere Änderung verwendet werden. Für die Beaufschlagung der Meßeinrichtung
zur Wegmessung am Stellglied ist keine besondere Verkabelung nötig.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Stelleinrichtung
möglich. Eine besonders billige Ausführungsform ergibt sich in vorteilhafter Weise
gemäß Anspruch 4 durch Verwendung von Schaltmagneten.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 ein Ausführungsbeispiel in vereinfachter Darstellung und Figur 2 eine Kraft-Hub-Kennlinie
der Magneten nach Figur 1.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die Figur 1 zeigt eine elektromagnetische
Stelleinrichtung 10, die im wesentlichen aus einem elektromagnetischen Wegeventil
11, einer Umschalteinrichtung 12 sowie einem Regler 13 besteht, wobei letzterer
eine Meßeinrichtung 14 aufnimmt.
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Das Wegeventil 11 nimmt in einem Gehäuse 15 einen hin- und herbeweglichen
Steuerschieber 16 auf, der das Stellglied der Stelleinrichtung 10 bildet. Bei Auslenkung
des Steuerschiebers 16 aus der gezeichneten Stellung kann er wahlweise einen von
zwei Verbraucheranschlüssen 17, 18 mit einem Zulauf 19 verbinden, während er den
anderen Verbraucheranschluß 18, 17 mit einem Rücklauf 21 verbindet. Auf der rechten
Seite des Gehäuses 15, bezogen auf die Figur 1, ist ein erster Schaltmagnet 22 am
Gehäuse 15 angeflanscht, dessen Anker 23 den Steuerschieber 16 gegen die Kraft einer
Feder 24 aus der gezeichneten Mittelstellung nach links auslenken kann. In entsprechender
Weise ist auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 15 ein zweiter Schaltmagnet
25 angeflanscht, dessen Anker 26 den Steuerschieber 16 aus der gezeichneten Mittellage
nach rechts gegen die Kraft der Feder 27 auslenken kann. Der Steuerschieber 16 ist
auf diese Weise durch die Federn 24, 27 in seiner Mittellage zentriert.
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Ein elektrischer Anschluß 28 des ersten Schaltmagneten 22 ist in
paralleler Weise an die festen Kontakte 29 bzw. 31 eines als Schließer wirkenden
ersten Schalters 32 bzw.
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eines als Schließer wirkenden zweiten Schalters 33 angeschlossen.
Der erste (32) und der zweite Schalter 33 sind Teile der Umschalteinrichtung 12.
In entsprechender Weise ist ein elektrischer Anschluß 34 des zweiten Schaltmagneten
25 an die festen Kontakte 35 bzw. 36 eines ersten Schalters 37 bzw. eines zweiten
Schalters 38 angeschlossen, wobei beide Schalter 37, 38 wiederum als Schließer wirken.
Auch diese Schalter 37, 38 bilden Teile der Umschalteinrichtung 12.
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Die beweglichen Kontakte 39, 41 beider ersten Schalter 32, 37 sind
parallel an den Ausgang 42 eines Verstärkers 43 angeschlossen. Die beweglichen Kontakte
44, 45 der zweiten Schalter 33, 38 sind parallel an einen Steueranschluß 46 eines
Demodulators 47 angeschlossen, der zusammen mit dem Verstärker 43 Teile des Reglers
13 bildet. Die Umschalteinrichtung 12 weist ferner ein elektrisches Steuergerät
48 auf, dessen Eingang 49 mit dem die Richtung des Steuerschiebers 16 bestimmenden,
ersten Ausgang 51 eines Sollwertgebers 52 verbunden ist. Das elektrische Steuergerät
48 weist einen ersten Ausgang 53 auf, dessen Signal den Schließer des dem ersten
Schaltmagneten 22 zugeordneten, ersten Schalters 32 sowie gleichzeitig den Schließer
des dem zweiten Schaltmagneten 25 zugeordneten, zweiten Schalters 38 betätigt. Ferner
ist am elektrischen Steuergerät 48 ein zweiter Ausgang 54 angeordnet, dessen Ausgangssignal
den Schließer des dem ersten Schaltmagneten 22 zugeordneten, zweiten Schalters 33
sowie den Schließer des dem zweiten Schaltmagneten 25 zugeordneten, ersten Schalters
37 betätigt.
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Der Demodulator 47 ist zugleich ein Teil der Meßeinrichtung 14 und
erhält an einem Eingang 55 von einem Oszillator 56 eine Wechselspannung konstanter
Größe. Der Demodulator 47
gibt an einem Ausgang 57 ein zum Hub des
Steuerschiebers 16 proportionales Signal ab, das über einen AC/DC-Wandler 58 an
eine Summierstelle 59 geleitet wird. Diese Summierstelle 59 steht zusätzlich mit
einem zweiten Ausgang 61 des Sollwertgebers 52 in Verbindung, wodurch dem Regler
13 ein als Führungsgröße dienendes, die Größe der Auslenkung des Steuerschiebers
16 bestimmendes Signal eingegeben wird. Das Ausgangssignal der Summierstelle 59
wird dem Eingang 62 des Verstärkers 43 eingegeben.
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Die Wirkungsweise der elektromagnetischen Stelleinrichtung 10 wird
wie folgt erläutert, wobei auch auf Figur 2 Bezug genommen wird.
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Die Richtung und die Größe der Auslenkung des Steuerschiebers 16 wird
mit Hilfe des Sollwertgebers 52 vorgewählt. Dabei wird das Richtungssignal über
den ersten Ausgang 51 an das elektrische Steuergerät 48 gegeben. Es sei nun angenommen,
daß der Steuerschieber 16 aus der gezeichneten Mittelstellung heraus nach links
- bezogen auf die Figur - ausgelenkt werden soll, wobei am ersten Ausgang 53 des
Steuergeräts 48 ein Signal ansteht. Dieses Signal betätigt somit den Schließer 32
des dem ersten Schaltmagneten 22 zugeordneten, ersten Schalters 32, sowie gleichzeitig
den Schließer des dem zweiten Schaltmagneten 25 zugeordneten, zweiten Schalters
38.
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Die Schließer der Schalter 33 und 37 bleiben dabei geöffnet.
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Das die Größe der Auslenkung des Steuerschiebers 16 bestimmende Signal
wird am zweiten Ausgang 61 des Sollwertgebers 52 als Führungsgröße w dem Regler
13 eingegeben. Davon abhängig entsteht am Ausgang 42 des Verstärkers 43 eine Stellgröße
y, die über den geschlossenen, ersten Schalter 32 dem elektrischen Anschluß 28 des
ersten Schaltmagneten 22 eingegeben wird. Entsprechend dieser Stellgröße übt der
Anker 23 eine dazu proportionale Kraft auf den Steuerschieber 16
aus
und drückt ihn gegen die Kraft der Feder 24 nach links, wobei durch die Feder 24
die auf den Steuerschieber 16 ausgeübte Kraft in einen entsprechenden Weg umgewandelt
wird.
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Entsprechend der Lage des Steuerschiebers 16 ändert sich auch die
Lage des Ankers 26 im zweiten Schaltmagneten 25. Die Spule des zweiten Schaltmagneten
25 wird vom Oszillator 56 über den Demodulator 47 und den zweiten Schalter 38 mit
einer Wechselspannung gespeist und die Änderung der Induktivität in der Spule infolge
Verschiebung des Ankers 26- wird in an sich bekannter Weise als Istwert der Lage
vom Demodulator 47 an seinem Ausgang 57 ausgegeben. Die Spule 63 des zweiten Schaltmagneten
25 ist somit bei der Auslenkung des Steuerschiebers 16 nach links mit Hilfe der
Umschalteinrichtung 12 mit der Meßeinrichtung 14 verbunden und kann somit als Meßspule
arbeiten. Die Regelgröße x am Steueranschluß 46 des Demodulators 47 führt somit
zu einem wegproportionalen Signal am Ausgang 57, das im Wandler 58 in ein Gleichspannungssignal
umgewandelt wird und an der Summierstelle 59 mit der Führungsgröße w verglichen
wird. Ein an der Summier-.stelle 59 auftretendes Differenzsignal wird an den Verstärker
43 weitergeleitet und führt zu der Stellgröße y, mit der die als Arbeitswicklung
arbeitende Spule 64 des ersten Schaltmagneten 22 angesteuert wird. Der Steuerschieber
16 kann somit in jeder beliebigen Lage geregelt werden, wobei die Größe der Auslenkung
aus der Mittelstellung proportional ist zur Größe des am zweiten Ausgang 61 vorgegebenen
Wertes. -Entsprechend proportional ist auch der vom Steuerschieber 16 aufgesteuerte
Querschnitt und damit der zugeordneten Druckmittelstrom vom Zulauf 19 zum zweiten
Verbraucheranschluß 18.
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Bei dieser Lageregelung der Stelleinrichtung 10 wird eine Eigenschaft
der Schaltmagnete 22, 25 ausgenutzt, wozu auf Figur 2 näher Bezug genommen wird.
Die Figur 2 zeigt die
Weg-Kraft-Kennlinie der Schaltmagneten 22,
25, wobei auf der Abszisse der Weg s und auf der Ordinate die Kraft F aufgetragen
sind. Wie die Kennlinie 65 in Figur 2 deutlich erkennen läßt, ändert sich die Kraft
über dem Hub in einem Arbeitsbereich A des Magneten relativ wenig, während sie sich
in einem Leerhubbereich L sehr stark ändert. Die Änderung der Induktivität der Schaltmagneten
22, 25 entspricht im wesentlichen dem Verlauf der Kennlinie 65, so daß sie also
im Arbeitsbereich A relativ gering ist, während sie im Leerhubbereich L sehr stark
ausgeprägt ist. Diese Verhältnisse werden bei der Lageregelung des Steuerschieber
16 ausgenutzt, wobei bei der geschilderten Auslenkung nah links der Anker 23 des
ersten Schaltmagneten 22 im Arbeitsbereich A arbeitet, während -andererseits der
Anker 26 im zweiten Schaltmagneten 25 sich im Leerhubbereich L befindet.
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Die Istwerterfassung mit Hilfe des Ankers 26 wird auf diese Weise
vorteilhaft begünstigt.
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In entsprechend umgekehrter Weise kann der Steuerschieber 16 aus seiner
Mittellage heraus nach rechts - bezogen auf die Figur - ausgelenkt und in der jeweiligen
Lage geregelt werden. Zu diesem Zweck gibt der Sollwertgeber 52 über den ersten
Ausgang 51 ein entsprechendes Signal an das elektrische Steuergerät 48, so daß dessen
zweiter Ausgang 54 aktiviert wird. Dadurch werden die Schließer der Schalter 33
und 37 geschlossen, während die Schalter 32 und 38 geöffnet bleiben. Die Stellgröße
y wird nun über den ersten Schalter 37 dem zweiten Schaltmagneten 25 zugeleitet,
der über seinen Anker 26 den Steuerschieber 16 nach rechts gegen die Kraft der Feder
27 auslenkt. Gleichzeitig arbeitet der Anker 23 im ersten Schaltmagnet 22 über den
geschlossenen Schalter 33 mit der Meßeinrichtung 14 zusammen, wodurch der Istwert
der jeweiligen Steuerschieberlage erfaßt und im Regelkreis verarbeitet werden kann.
Hierbei arbeitet
nun der als Istwertgeber dienende erste Schaltmagnet
22 im Leerhubbereich L.
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Der Steuerschieber 16 im Wegeventil 15 kann somit mit Hilfe der Stelleinrichtung
10 abhängig von einem stetigen, elektrischen Eingangssignal auch stetig verstellt
werden.
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Ein am Wegeventil 15 angeschlossener hydraulischer Motor kann somit
in gezielter Weise beschleunigt oder verzögert werden.
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Selbstverständlich sind an der gezeichneten Ausführungsform Änderungen
möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen-. So kann anstelle des gezeigten
Meßsystems auch jedes andere, an sich bekannte Meßsystem verwendet werden, unabhängig
davon ob es mit Amplitudenmodulation oder Frequenzmodulation arbeitet. Auch die
Funktionen der Umschalteinrichtung 12 können mit elektrischen oder elektronischen
Mitteln in beliebiger Weise verwirklicht werden. Selbstverständlich sind als Stellglieder
auch Steuerglieder pneumatischer Wegeventile vorstellbar. Auch ist die Stelleinrichtung
nicht auf eine Bauart beschränkt, bei der die Schaltmagnete auf gegenüberliegenden
Seiten eines Wegeventils angeflanscht sind. Obwohl die Stelleinrichtung mit geeigneten
Schaltmagneten besonders billig ausführbar ist, kann sie auch mit Proportionalmagneten
realisiert werden.