DE3245616A1

DE3245616A1 - Proportional-steuervorrichtung

Info

Publication number: DE3245616A1
Application number: DE19823245616
Authority: DE
Inventors: Yung-haiang Dr.-Ing. Hangzhou Lu
Original assignee: INST FLUID POWER TRANSMISSION
Current assignee: INST FLUID POWER TRANSMISSION
Priority date: 1982-12-09
Filing date: 1982-12-09
Publication date: 1984-06-14

Description

Beschreibung Proportional-Steuervorrichtung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Proportional-Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Gattungsgemäße Proportional-Steuervorrichtungen werden häufig für eine elektrische Steuerung von Hydraulikventilen in hydraulischen Systemen eingesetzt. Eine derartige Proportionalsteuervorrichtung hat ein elektromagnetisches Betätigungsglied, das elektrische Energie in mechanische Energie zur Betätigung von Ventilen umwandelt. Das Betätigungsglied hat einen magnetischen Kreis und eine elektromagnetische Spule, die einen magnetischen Fluß in dem magnetischen Kreis erregt. In dem magnetischen Kreis liegt ein ferromagnetisches Betätigungselement, das relativ zum Betätigungsglied aufgrund der Krafteinwirkung des magnetischen Flusses bewegbar ist.
In der Regel erzeugt der magnetische Kreis des Betätigungsgliedes im Bereich des Betätigungselementes ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld, so daß die auf das Betätigungsglied einwirkende Kraft im wesentlichen unabhängig von seinem Betätigungshub ist, womit sich eine weitgehend hubunabhängige Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie ergibt. Ein Nachteil der bekannten Proportional-Steuervorrichtung besteht darin, daß die Bewegung bzw. Kraftübertragung ihres Betätigungselementes bei kleinen Spulenströmen einen Totbereich aufweist, in dem trotz eines gewissen fließenden Spulenstromes das Betätigungselement nicht bewegt wird und keine Betätigungskraft überträgt. Ein weiterer Nachteil der bekannten Proportional-Steuervorrichtung besteht darin, daß die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie im Bereich kleiner Spulenströme, die jedoch außerhalb des Totbereichs liegen, stark nichtlinear ist. Erst bei hohen Betätigungsströmen wird eine Proportionalität zwischen Spulenstrom und Betätigungskraft des Betätigungselementes erreicht.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Proportional-Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs so weiterzubilden, daß einerseits ein Totbereich in der Umwandlung von elektrischer Energie zu mechanischer Energie verhindert wird, und daß andererseits unabhängig vom Spulenstrom eine größtmögliche Linearität des Verhältnisses zwischen Spulenstrom und Betätigungskraft gewährleistet ist.
Dieses technische Problem wird durch eine Proportional-Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Ursache für das mit einer Totzone und einer starken Nichtlinearität behaftete nachteilige Übertragunsverhalten der bekannten Proportionalsteuervorrichtung'in der Hysterese der relativen Permeabilität des ferromagnetischen Materials des Magnetkreises des Betätigungsgliedes zu sehen ist. Erfindungsgemäß weist die Proportional-Steuervorrichtung eine Einrichtung zum Vorerregen des magnetischen Kreises durch Anlegen einer Konstanten magnetischen Spannung auf. Hierdurch liegt der Arbeitspunkt der Proportional-Steuervorrichtung in demjenigen Bereich der Hysteresekurve, in dem der magnetische Fluß in praktisch linearer Abhängigkeit von der magnetischen Spannung steht. Der Hauptspule wird ein Steuerstrom zugeführt, der zu einer Auslenkung der magnetischen Spannung um diesen Arbeitspunkt führt. Da der Arbeitspunkt im praktisch linearen Bereich der Hysteresekurve liegt, in dem die relative Permeabilität und damit die Kurvensteigung der Hysteresekurve annähernd konstant ist, führt ein Steuerstrom durch die Hauptspule zu einer proportionalen Betätigungskraft des auf den magnetischen Fluß ansprechenden beweglichen Betätigungselementes.
Damit wird sowohl eine Totzone wie auch eine Nichtlinearität im Übertragungsverhalten der Proportional-Steuervorrichtung vermieden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in Anspruch 2 beschrieben. Dadurch, daß der Hilfsspule ein Hilfsgleichstrom zugeführt wird, wird der magnetische Kreis mit einer konstanten magnetischen Spannung vorerregt. Dadurch, daß die Aufgabe der Vorerregung des magnetischen Kreises bereits durch die Hilfsspule bewältigt wird, kann die Hauptspule mit einer relativ niedrigen Induktivität ausgeführt werden, was zu einer Erhöhung der AnsprechgeschwindIgkeit der Proportional-Steuervorrichtung auf einen Betätigungspuls hin führt Eine andere vorteilhafte Weiterbildung ist in Anspruch 3 beschrieben. Der Magnet, der z.B. als Hufeisenmagnet ausgeführt sein kann, übernimmt die Aufgabe der Vormagnetisierung bzw. Vorerregung des magnetischen Kreises, so daß die Proportional-Steuervorrichtung mit einer niedrigen Versorgungsenergie auskommt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in Anspruch 4 beschrieben. Durch Einstellung des Haupt- und Hilfsstromes mittels eines Stromreglers wird die Linearität des Übertragunsverhaltens weiter erhöht.
Die in Anspruch 5 beschriebene vorteilhafte Weiterbildung des Stromreglers führt zu einer einfachen und genauen Ermittlung der jeweiligen Ist-Werte der Ströme.
Eine andere, vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Proportional-Steuervorrichtung ist in Anspruch 6 beschrieben. Durch interne Kompensation der vom Hilfsstrom verursachten Betätigungskraft mittels einer Feder läßt sich der Betätigungskraft-,t,nfangsDunkt des Betätigungselementes mit dem Nullpunkt des Steuerstromes zur Deckung bringen.
Besonders vorteilhafte Weiterbildungen derProportional-Steuervorrichtung durch günstige Spulenanordnung sind in den Ansprüchen 7 bis 9 beschrieben.
Die in den Ansprüchen 10 und 11 beschriebenen vorteilhaften Weiterbildungen der Proportional-Steuervorrichtung ermöglichen einen einfachen mechanischen Aufbau, der eine gute Linearität des Übertragunsverhaltens sichert.
Durch die in Anspruch 12 beschriebene Überlagerung eines Wechselstromes über den Steuerstrom verkleinert sidi die verbleibende Hysterese im Übertragunsverhalten der erfindungsgemäßen Proportional-Steuervorrichtung.
Durch die Anspruch 13 beschriebene Ausbildung der Proportional-Steuervorrichtung erreicht man einen besonders einfachen Aufbau.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 ein Betätigungsglied der Proportional-Steuervorrichtung, Fig. 2 bis 5 weitere Betätigungsglieder mit einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Spulenanordnung, und Fig. 6 eine Stromreglereinheit der Proportional-Steuervorrichtung.
Die in Fig. 1 bis 5 dargestellten Betätigungsglieder (I) werden nachfolgend gleichzeitig beschrieben, da sie sich lediglich in der Anordnung ihrer Hauptspule 21 relativ zur Hilfsspule 22 unterscheiden. Der von den Spulen 21, 22 erzeugte magnetische Fluß fließt durch ein Gehäuse 1, ein Fußteil 2, einen Arbeitsluftspalt 3, einen Anker 4, einen Radialluftspalt 5 und über ein Führungsrohr 6 zum Gehäuse 1 zurück. Das Führungsrohr 6 besteht aus zwei Teilen 6 a, 6 b, die durch einen Ring 7 aus nicht magnetischem Material getrennt werden. Die drei Rohrteile 6 a, 7, 6 b sind derartig miteinander verschweißt, daß sie gegenüber einem in ihrem Inneren auftretenden Druck abdichten.Aufgrund des magnetischen Leckflusses, der durch eine spezielle Kantenform des vorderen Teiles des ferromagnetischen Führungsrohres 6a festgelegt ist, ist die auf den Anker 4 einwirkende magnetische Kraft aufgrund des Stromes in den Spulen 21,22 unabhängig vom Hub des Ankers 4 gegenüber dem Fußteil 2.
Neben dem Teil 6 b des Führungsrohres 6 ist eine "Handnotbetätigung, wobei in dem Führungsrohrteil 6 b eine Anfangspunktjustierfeder 9, eine Justierschraube 11 und ein Einsatzstößel 10 mit einem Dichtungsring eingesetzt sind. Ein Radialschlitz in einer Endfläche des Führungsrohrteiles 6 b verbindet den Innenraum eines Lagerrohres 19 in dem Anker 4 mit einem Endlüftungsrohr ' 13. An dem Ausgang des Endlüftungsrohres 13 ist ein Schraubstopfen 14 angeordnet. Der Anker 4 besteht aus Weicheisen-Material. An ihm ist ein sich in axialer Richtung durch das Fußteil 2 erstreckender Stößel!15 aus nicht magnetischem Material befestigt.
Zum Abgleichen eines sich im Führungsrohr 6 aufgrund einer Bewegung des Ankers 4 aufbauenden Druckdifferenz weist der Anker zwei Schlitze in seiner zylindrischen Oberfläche oder zwei sich durch ihn erstreckende Bohrungen 16 auf. Zur Verminderung der Reibungskräfte des Ankers 4 gegenüber dem Führungsrohr 6 weist der Anker zwei Lagerringe 17,18 auf. Die-AnfangapunktJUstierfeder 9 überträgt eine axiale Kraft auf den Anker74 und ist gegenüber diesem durch das sie haltende Lagerrohr 19 lagegesichert. Die Spulen 21, 22 sind auf einen Wicklungskern aufgespult, der zwischen dem Führungsrohr 6 a, 6 b, 7 und dem Gehäuse 1 angeordnet ist.
Eine in Fig 6 dargestellte Stromreglereinheit (II) hat einen Hauptstromsteuerkreis 23, 25 zur Ansteuerung des Steuerstroms in der Hauptspule 21 und ist sowohl in positiver als auch in negativer Richtung voll aussteuerbar. Ein Hilfsstromkreis 24, 26 dient zur Erzeugung des Hilfsgleichsstromes durch die Hilsspule 22 und ist zwischen 0 und einem positiven Wert für den Gleichstrom einstellbar. Die durch die Spulen 21, 22 fließenden Ströme werden an Meßwiderstände R1, R2 abgegriffen und jeweiligen Stromregelschaltungen zugeführt.
Die Regelschaltungen sind als Operationsverstärker ausgeführt, die an ihrem jeweiligen invertierenden Eingang mit der dem jeweiligen Strom entsprechenden Spannung beaufschlagt werden. Damit erden die Ströme durch die Hauptspule 21 und die Hilfsspule 22 mittels Vergleich des an den nicht invertierenden Eingängen der Operationsverstärker anliegenden Sollwertes mit dem am invertieren- den Eingang anliegenden Ist-Wert auf die jeweiligen Soll-Werte eingeregelt. Die Schaltungen werden über ein stabilisiertes Gleichspannungsnetzgerät versorgt Zum Verkleinern der Resthysterese der Proportional-Steuervorrichtung wird dem Steuerstrom für die Hauptspule 21 ein in Amplitude und Frequenz einstellbarer Wechselstrom überlagert.

Claims

Patentansprüche Proportional-Steuervorrichtung P Proportional-Steuervorrichtung, insbesondere zur elektrischen Steuerung hydraulischer Systeme, mit einem elektromagnetischen Betätigungsglied zum Umwandeln von elektrischer Energie in mechanische Energie, das aus einem ferromagnetischen Kreis einer elektromagnetischen Spule zum Erregen eines im ferromagnetischen Kreis fließenden magnetischen Flusses und einem ferromagnetischen Betätigungselement besteht, das relativ zum Betätigungsglied aufgrund der Krafteinwirkung des magnetischen Flusses bewegbar ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der magnetische Kreis (1,2,3,4,5,6) durch eine Einrichtung (22), die eine konstante magnetische Spannung an den Kreis (1-5) anlegt, vorerregt wird.
2. Proportional-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Spule aus einer Hauptspule (21) und einer Hilfsspule (22) besteht, daß der Hilfsspule (22)'ein Hilfsgleichstrom zugeführt wird, daß die Hilfsspule (22) als Einrichtung (22) zum Vorerregen des magnetischen Kreises (1-6) dient, und daß der Hauptspule (21) ein zu einer gewünschten Betätigungskraft des beweglichen Betätigungselementes (4) proportionaler Steuerstrom zugeführt wird.
3. Proportional-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Einrichtung (22) als Magnet ausgeführt ist.
4. Proportional-Steuervorrichtung nach Anspruch 2, g ek e n n z e i c h n e t durch eine Stromreglereinheit (II), die die Ströme durch die Hauptspule (21) und die Hilfsspule (22) mittels Vergleich des Ist-Wertes des Hilfsgleichstromes mit dessen Soll-Wert auf die jeweiligen Soll-Werte einregelt.
5. Proportional-Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Stromreglereinheit (II) die Ströme durch die jeweiligen Spulen (21,22) zugeführt werden.
6. Proportional-Steuervorrichtung nach einem der- Ansprüche 1-5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß eine durch die Vorerregung auf das bewegliche Betätigungselement (4) ausgeübte magnetische Kraft durch eine Kraft einer Feder (9) justiert wird.
7. Proportional-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 2,4,5,6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Haupt- und die Hilfsspule (21,22) als konzentrische Spulen ausgeführt sind.
8. Proportional-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 2,4-7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Haupt- und die Hilfsspule (21,22) koaxial nebeneinander liegend angeordnet sind.
9. Proportional-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 2,4-8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß Wicklungen der Haupt- und der Hilfsspule (21,22) mit jeweils parallel nebeneinanderliegenden Windungen auf einen gemeinsamen Kern aufgewickelt sind.
10. Proportional-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 2,4-9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß innerhalb der Spule (21,22) ein zylindrischer Hohlraum liegt, der vneinem hohlzylindrischen Führungsshr (6,6a,6b,7) begrenzt wird.
11. Proportional-Steuervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das bewegliche Betätigungselement (4) als ein im Führungsrohr (6,6a, 6b,7) axial verschiebbarer, zylinderförmiger ferromagnetischer Weicheisen-Anker (4) ausgebildet ist, an dem ein aus nicht magnetischem Material bestehender, sich axial vom Betätigungselement (4) weg erstreckender Stößel (15) befestigt ist.
12. Proportional-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß dem Steuerstrom für die Hauptspule (21) ein in Amplitude und Frequenz einstellbarer Wechselstrom überlagert ist.
13. Proportional-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Spule (21) sowohl ein Hilfsstrom zum Vorerregen des magnetischen Kreises (1-6) als auch ein Steuerstrom zum Betätigen des beweglichen Betätigungselementes (4) zugeführt wird