DE3532931A1

DE3532931A1 - Hydraulische antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE3532931A1
Application number: DE19853532931
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr Ing Feuser
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1985-09-14
Filing date: 1985-09-14
Publication date: 1987-04-16
Anticipated expiration: 2005-09-15
Also published as: DE3532931C2; DE3532931C3; US4901624A; JPS6267305A

Description

Die Erfindung betrifft die Ausbildung einer hydraulischen Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die bekannten hydraulischen Antriebe sind für den Einsatz für hochgenaue und dynamische Positionieraufgaben nicht ausreichend. Der Grund liegt in der relativ niedrig zu realisierenden Kreisverstärkung für diese Antriebe wegen der niedrigen Eigendämpfung. Der Integralanteil des Geschwindigkeitsregelkreises muß aus Stabilitätsgründen reduziert werden. Außerdem bilden sich aufgrund von Hysterese usw. im Servo- bzw. Proportionalventil sogenannte Grenzzyklen aus, die nicht akzeptiert werden können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine hydraulische Antriebsvorrichtung so auszubilden, daß für das zu bewegende Maschinenteil eine hohe Positioniergenauigkeit bei hoher Laststeifigkeit sowohl bei kleinsten wie höchsten Verfahrgeschwindigkeiten zu erzielen sind, wobei der Regler im Vergleich zu herkömmlichen Regelungen eine Verringerung der Kolbenfläche und damit auch eine Verkleinerung des Pumpenaggregates einschließlich der Steuerventile zuläßt.

Nach der Erfindung wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt.

Fig. 1 zeigt die Struktur des servohydraulischen Antriebs, sie wird gebildet aus:
a) Servoventil bzw. Proportionalventil 4
b) hydraulischem Zylinder 5 (Gleichgang- bzw. Differentialzylinder)
c) inkrementalem Wegaufnehmer
d) handelsüblicher Steuerung 2, deren Eingangssignal X der Wegaufnehmer liefert und an deren Ausgang ein analoges Spannungssignal vorliegt.
e) eine Regelelektronik 6, die das Ausgangssignal der Steuerung 2 verarbeitet und ein Stellsignal dem Servoventil 4 aufschaltet.

Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen die Regelelektronik 6 in Verbindung mit der handelsüblichen Steuerung 2 in drei verschiedenen Strukturen, wobei allen dreien gemeinsam ist, daß die Struktur aus Fig. 1 erhalten bleibt, d. h. die Steuerung erhält den Ausgang des Wegaufnehmers und gibt ein der Regeldifferenz entsprechendes Signal nach außen.

Die Theorie der linearen Zustandsregelung ermöglicht es, die dynamische Reaktion eines geschlossenen Regelkreises beliebig festzulegen. Dazu gehört als Voraussetzung die Kenntnis und die Verwendung der Zustandsgrößen der Strecke, nämlich der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des zu bewegenden Maschinenteils beispielsweise den Schlitten einer Werkzeugmaschine. Neben der gemessenen Position X des Schlittens stehen diese zusätzlichen Größen jedoch meßtechnisch nicht zur Verfügung. Es wird daher nach Fig. 2 eine elektronische Steuerung vorgeschlagen, die diese nicht bekannten Größen , schätzt. Die notwendige analoge Größe der Position wird durch einen D/A-Wandler 7 erzeugt und der elektronischen Schaltung zum Vergleich zwischen gemessener Position X und geschätzter Position zugeleitet (8). Die eben erwähnte beliebig festzulegende Dynamik wird dahingehend ausgenutzt, daß die Verstärkungsfaktoren des Reglers das Übergangsverhalten des Antriebs schnell aber nicht schwingend gestaltet. Zusätzlich wird die Positionsrückführungsverstärkung maximal hoch eingestellt, um die Genauigkeit zu erhöhen. Dies wird ermöglicht durch die Verwendung der Beschleunigung und der Geschwindigkeit im Regelalgorithmus.

Die Struktur nach Fig. 3 ermöglicht die Einbringung der gemessenen Geschwindigkeit des Schlittens durch die Wandlung der Impulse des Wegaufnehmers mit Hilfe eines Frequenz-Spannungswandlers 9 (f/u-Wandler). Die Schätzelektronik für die Zustandsgrößen verringert sich dadurch, daß jetzt nur die Beschleunigung als Schätzgröße für die Reglerrückführung verwendet wird. Die Korrekturterme werten die Differenz zwischen gemessener und geschätzter Geschwindigkeit .

Die Struktur nach Fig. 4 beinhaltet die Anordnung eines dem Lageregelkreis unterlagerten Geschwindigkeitsregelkreises. Dabei wird der Ausgang der Steuerung verstärkt und dem Geschwindigkeitsregelkreis als Sollwert X _w bei der Summenstelle 10 zugeleitet. Der Geschwindigkeitsregelkreis wird als Zustandsregelkreis ausgeführt. Die Struktur der Schätzelektronik ist dabei wie in Fig. 3 ausgeführt.

Die Struktur nach Fig. 5 geht davon aus, die die Reglerstruktur von den bisherigen Strukturen entsprechend den Fig. 2, 3 und 4 verschieden ist. Es wird nicht der in den Strukturen entsprechend den Fig. 2 bis 4 vorgestellte Zustandsregler mit Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsrückführung vorgesehen, sondern eine Kombination sog. klassischer Reglertypen, die ausschließlich die Regeldifferenz Xw (Ausgang der Steuerung) verwenden.

Der Reglertyp 20 der diesen Steuerungsausgang Xw verarbeitet, setzt sich aus
a) einem Proportionalanteil
b) einem differenzierenden Anteil
c) einem verzögernden Anteil
zusammen.

Die Werte für den jeweiligen Anteil
a) V _R Verstärkungsfaktor
b) T _V Vorhaltezeitkonstante
c) T Verzögerungszeitkonstante
müssen je nach den dynamischen Verhältnissen des Ventils (Servoventil, Proportionalventil) und des Antriebs (Zylinder) angepaßt werden. Die Regelungstheorie gibt mit der Methode des Wurzelortskurvenverfahrens die Möglichkeit, die obigen Faktoren für ein optimales Übergangsverhalten einzustellen.

Die Auswahl der Regelungsstruktur
a) Zustandsregler
b) Klassischer Regler
kann durch die Betrachtung der Eigenfrequenzverhältnisse zwischen Ventil und Antrieb vorgenommen werden.

Für ein Verhältnis kann ein klassischer Regler verwendet werden.

Bei einem Verhältnis liefert die Verwendung des Zustandsreglers wesentliche Vorteile im Hinblick auf Kreisverstärkungserhöhung und damit Positioniergenauigkeit und Laststeifheit.

Aus der Theorie der Abtastregelung ist bekannt, daß die Abtastzeit einen Einfluß auf die Regelgüte hat. Die Steuerung arbeitet als Abtastregler, der in Zeitschritten Δ t einen Weginformationswert erfaßt, der das Steuerungsprogramm abarbeitet und ein neues Stellsignal zur analogen Schnittstelle leitet. Innerhalb des Zeitintervalls Δ t ist somit die Regelung ausgeschaltet. Für schnelle hydraulische Antriebe bringt somit eine Abtastzeit von z. B. 4 ms Probleme, die sich darin äußern, daß die Kreisverstärkung des Regelkreises reduziert werden muß. Um dies zu verhindern, muß eine Trennung zwischen digitaler Steuerung und Regler vorgenommen werden. Dies wird durch die in Fig. 6 gezeigte Struktur erreicht.

Der Sollwert aus der Steuerung 2 wird dem Regelkreis zugeführt. Der Regelkreis arbeitet in analoger Technik permanent und kann somit seine optimale Kreisverstärkung beibehalten. Die Steuerung erhält zur Überwachung der Istwerte, der Arbeitsabläufe und zu einer etwaigen Korrektur die Information über den jweiligen Istwert.

Der Regler ist als
a) Zustandsregler
b) PDT₁-Regler
realisierbar.

Wird der Regler nach den Kriterien der Abtastregelung in Z-Bereich entworfen, so kann er auch in Digitaltechnik (Mikroprozessor) realisierbar werden, da dann die eingangs beschriebenen Effekte der Verstärkungsreduzierung nicht auftreten.

Die Struktur nach Fig. 7 entspricht derjenigen nach Fig. 2, wobei das als Servoventil ausgebildete Steuerventil 4 einen eigenen Zustandsregler 12 und Beobachter 13 erhalten hat. Der Beobachter ist nur als Parallelmodell ohne Korrekturterme ausgebildet. Durch den Zustandsregler und Beobachter wird die Eigenfrequenz und der Dämpfungsgrad des Servoventils im bestimmten Bereich günstig beeinflußt. Auf Grund der höheren Kreisverstärkung wird die Hysterese verringert und die Ansprechempfindlichkeit erhöht, d. h. die statischen Kennwerte werden verbessert.

Durch das den Zustandsregler nachgeordnete Adaptionsglied 14 ist die Reglerverstärkung hubabhängig zu verändern, so daß die Kreisverstärkung des Hauptregelkreises über den gesamten Hub eines als Arbeitszylinder verwendeten Hydromotors optimal anzupassen ist.

Die hydraulische Antriebsvorrichtung kann sowohl als Zylinderantrieb als auch als hydraulischer Drehantrieb ausgebildet sein. Der Drehantrieb kann dabei sowohl im Winkelpositionsregelkreis als auch im Drehzahlregelkreis betrieben werden.

Claims

1. Ausbildung einer hydraulischen Antriebsvorrichtung bestehend aus:
a) einer hydraulischen Druckmittelquelle,
b) einem elektrisch ansteuerbaren Steuerventil (4) mit elektrischer Rückführung des Öffnungsquerschnittes,
c) einem hydraulischen Motor zur Bewegung eines Maschinenteils, gekennzeichnet durch die Kombination
d) einer handelsüblichen Steuerung (2) zur Festlegung des Arbeitsablaufes einer Maschine mit
e) einer Regelelektronik (6) des Maschinenteils.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Istwertvergleich der Position des Maschinenteils in der Steuerung (2) erfolgt.

3. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
f) die Steuerung (2) zur Festlegung eines Arbeitsablaufes programmierbar ist,
g) eine Regelelektronik (6) als Zusatzregler (6 a) mit Beobachter (6 b) ausgebildet ist, deren Eingang mit dem Ausgang der Steuerung verbunden ist,
h) der Ausgang der Regelelektronik mit dem Eingang des Steuerventils verbunden ist,
i) der elektrische Ausgang (y) des Steuerventils dem Beobachter zur Erzeugung der Zustandsgrößen (Beschleunigung, Geschwindigkeit) des hydraulischen Motors zugeführt wird,
k) die inkremental erfaßte Position (15) des vom Motor bewegten Maschinenteils über einen Wandler (7, 9) dem Beobachter (6 b) zugeführt wird.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (7) dem Beobachter (6 b) die Position zuführt.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (9) dem Beobachter (6 b) die Geschwindigkeit zuführt (Fig. 3).

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Wandler (9) gebildete Geschwindigkeitssignal X gleichzeitig mit dem Ausgang X _W der Steuerung (2) zu einem Geschwindigkeitsregelkreis bei Summenpunkt (10) geschaltet wird (Fig. 4).

7. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik als PDT₁-Regler (20) ausgebildet ist.

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 und 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Istwertvergleich außerhalb der Steuerung (2) vorgenommen wird.

9. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil mit einem Zusatzregler (12) und dem Beobachter (13) versehen ist, wobei der Beobachter nur als Parallelmodell ohne Korrekturterme ausgebildet ist.

10. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der hydraulische Motor als Arbeitszylinder ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglerverstärkung hubabhängig (14) veränderbar ist.