DE3532931C3 - Hydraulische Antriebsvorrichtung - Google Patents
Hydraulische AntriebsvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Ausbildung einer hydraulischen Antriebsvorrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine solche hydraulische
Antriebsvorrichtung ist in Bild 10 auf Seite 24 der Zeitschrift "Fluid",
Mai 1984, dargestellt. Die Regelelektronik erhält bei dieser bekannten
Antriebsvorrichtung ihren Sollwert von einer NC-Steuerung zugeführt.
In der Regelelektronik wird an diesem
Sollwert und dem Istwert der Antriebsvorrichtung das Regelsignal
für das den hydraulischen Antrieb steuernde Ventil gebildet.
Dieser bekannte hydraulische Antrieb ist 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 der Erfindung 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) einer 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 Maschinenteiles 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 Schaltung 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 Zustandgrößen verringert sich dadurch,
daß jetzt nur die Beschleunigung als Schätzgröße für die Regelrückführung
verwendet wird. Die Korrekturen werten die Differenz zwischen gemessener
und geschätzter Geschwindigkeit .
Die Struktur nach Fig. 4 beinhaltet die Anordnung eines dem Lagerregelkreis
unterlagerten Geschwindigkeitsregelkreises. Dabei wird der Ausgang der
Steuerung verstärkt und dem Geschwindigkeitsregelkreis als Sollwert Xw
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 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 (4)
1. Hydraulische 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,
- d) einer Steuerung (2) zur positionsgenauen Festlegung des Arbeitsablaufes des Maschinenteils, wobei die Steuerung (12) zur Festlegung eines Arbeitsablaufes des Maschinenteils programmierbar ist,
- e) einer Regelelektronik (6) für das Maschinenteil, deren Eingang mit dem Ausgang der Steuerung und deren Ausgang mit dem Eingang des Steuerventils verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- f) der Soll-Istwertvergleich der Position des Maschinenteils in der Steuerung (2) erfolgt,
- g) die Regelelektronik (6) als Zustandsregler (6a) mit Beobachter (6b) ausgebildet ist,
- h) der elektrische Ausgang (y) des Steuerventils dem Beobachter zur Erzeugung der Zustandsgrößen des hydraulischen Motors zugeführt wird und
- i) die inkremental erfaßte Position (15) des vom Motor bewegten Maschinenteils über einen Wandler (7, 9) dem Beobachter (6b) als Geschwindigkeit zugeführt wird, wobei das vom Wandler (9) gebildete Geschwindigkeitssignal (X) gleichzeitig mit dem Ausgang (XW) der Steuerung (2) zu einem Geschwindigkeitsregelkreis bei Summenpunkt (10) geschaltet wird.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuerventil mit einem Zustandsregler (12) und Beobachter (13)
versehen ist, wobei der Beobachter nur als Parallelmodell ohne Korrekturterme
ausgebildet ist.
3. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei der hydraulische Motor als Arbeitszylinder ausgebildet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglerverstärkung
hubabhängig (14) veränderbar ist.
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