DE3532931C3 - Hydraulische Antriebsvorrichtung - Google Patents

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 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 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 (X_W) 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.