DE3811670A1 - Verfahren zur kompensation der durch temperaturbedingte widerstandsaenderungen verursachten aenderung der stellkraft eines elektromagnetischen antriebs fuer ein proportionalventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der durch Temperatur bedingte Widerstandsänderungen verursachten Änderung der Stellkraft eines elektromagnetischen Antriebes für ein Proportionalventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Proportional-Wegeventile werden in der Fluid-Technik häufig als Stellglieder für steuerungs- und regelungstechnische Aufgaben eingesetzt. Die im Betrieb auftretende Erwärmung des Proportionalmagneten führt zu einer Vergrößerung des ohmschen Spulenwiderstandes und damit zu einer Verkleinerung der statischen Ventilverstärkung. Beim Stand der Technik wird diese Widerstandsänderung im elektrischen Leistungsverstärker des Ventils durch eine Stromregelung kompensiert. Hierzu muß ein den Spulenstrom messendes Meßglied vorgesehen sein. Da der Magnetwicklung des Ventils ein Impulsbreiten-modulierter Strom zugeführt wird, bedingt dies einen beträchtlichen Mehraufwand für den das Ventil ansteuernden Leistungsverstärker, der zusätzlich zu dem Meßglied mit einer Analogstufe für die Stromkompensation versehen sein muß.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, die temperaturbedingte Änderung der Ventilverstärkung zu kompensieren, ohne den Spulenstrom zu messen, so daß der das Ventil ansteuernde Leistungsverstärker vereinfacht wird.

Erfindungsgemäß ist die genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird anstelle der bekannten Strommessung für die Kompensation der Ventilverstärkung die Nullsteuerspannung gemessen. Als Nullsteuerspannung wird die Eingangsgröße des Ventils, nämlich die an die Magnetwicklung angelegte Spannung bezeichnet, für die der dem Ventil nachgeschaltete Antrieb eine konstante Position hält. Da die Nullsteuerspannung die Ausgangsgröße des Reglers bzw. Leistungsverstärkers darstellt, ist diese Größe stets bekannt und braucht nicht eigens gemessen zu werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Nullsteuerspannung, die bei einer bestimmten bekannten Temperatur erforderlich ist, um den Antrieb in einer bestimmten anzufahrenden Position zu halten, mit der Nullsteuerspannung verglichen, die bei der jeweiligen Betriebstemperatur der Magnetwicklung für die gleiche Funktion erforderlich ist. Die Nullsteuerspannung ändert sich somit, wenn sich die Temperatur der Magnetwicklung ändert. Ausgehend von einer Nominalreglerverstärkung bei einer bestimmten Temperatur, beispielsweise Raumtemperatur von 20°C wird bei steigender Betriebstemperatur die Nullsteuerspannung größer, um den Antrieb in einer bestimmten Position zu halten. Diese Erhöhung der Nullsteuerspannung läßt sich mit Hilfe eines Faktors angeben, mit dem die Reglerverstärkung multipliziert werden muß, um die temperaturbedingte Widerstandserhöhung des Ventilantriebes zu kompensieren. Die Verstärkung des Reglers wird so verändert, daß insgesamt die Kreisverstärkung des Systems von Regler und Ventil konstant gehalten wird.

Mit Hilfe dieses Kompensationsverfahrens läßt sich der zum Ansteuern des Ventils erforderliche Leistungsverstärker erheblich vereinfachen. Da die Strommessung und Widerstandskompensation mittels der Stromregelung in Wegfall gerät, kann der Verstärker als einfacher Schaltverstärker aufgebaut werden, der vom Reglerausgang digital angesteuert wird. Vom Reglerausgang werden somit nur die Ein- und Ausschaltzeiten des Schaltverstärkers bestimmt, um die Magnetwicklung impulsmoduliert anzusteuern. Der Wegfall der Stromkompensation führt zu einer beträchtlichen Kostenersparnis des Verstärkers.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Regelkreises mit einem Proportionalventil und einem hydraulischen Antrieb,

Fig. 2 eine Darstellung der Regeldifferenz zur Bestimmung der Nullsteuerspannung,

Fig. 3 eine Signal-Hub-Kennlinie eines Proportionalventils und

Fig. 4 die temperaturbedingte Änderung der Signal-Hub- Kennlinie.

In Fig. 1 ist ein Regelkreis, bestehend aus einer Vergleichsstufe 1, einem Proportional-Regler 2 und einer Regelstrecke 3 dargestellt, die beispielsweise aus einem Proportional-Wegeventil 4 und einem hydraulischen Antrieb oder Motor 5 besteht. Bei dem Motor 5 handelt es sich um ein System ohne Ausgliech, da der Motor ein integrierendes Verhalten aufweist, während das Ventil ein System mit Ausgleich beliebiger Ordnung ist, also proportional wirkende Komponenten des Regelkreises mit nicht vernachlässigbarer Dynamik aufweist.

In Fig. 1 ist ferner der Sollwert x _s als Eingangsgröße und der Istwert x als Ausgangsgröße (Regelgröße) dargestellt. Der Regler 2 erhält als Eingangsgröße die Regeldifferenz x _d = x _s -x und gibt die Stellgröße y an die Regelstrecke 2 aus.

Bestimmung der Nullsteuerspannung

Als Nullsteuerspannung wird die Ventileingangsgröße bezeichnet, für die der dem Ventil 4 nachgeschaltete Motor 5 eine konstante Position hält. Besteht der in Fig. 1 dargestellte Regelkreis aus linearen Komponenten, so stellt sich für einen konstanten Sollwert nach dem Ausgleichsvorgang ein konstanter Istwert x ein und es gilt:

x = x _s (1)

Auf Grund nichtlinearer Effekte, wie die unstetige Reibkennlinie des Motors 5 und der Nullpunktfehler des Ventils 4 ergibt sich eine Regeldifferenz

x _d ≠ 0 (2)

Der prinzipielle Verlauf des Ausgleichsvorgangs ist in Fig. 2 dargestellt. Für den P-Regler 2 mit der Verstärkung K _R gilt das Stellgesetz

y = K _R · (x _s -x) (3)

Für große Zeiten t nach dem Ausgleichsvorgang ergibt sich als Stellgröße die Nullsteuerspannung

y₀ = K _R · x _{d ∞} = const. für t → ∞ (4)

Durch Aufschaltung der Nullsteuerspannung y₀ lassen sich die oben genannten nichtlinearen Einflüsse weitgehend eliminieren und es gilt das modifizierte Stellgesetz

y = K _R (x _s -x) + y₀ (5)

Die nichtlineare Signal-Hub-Kennlinie eines Proportionalventils ist in Fig. 3 dargestellt und im wesentlichen durch die Federvorspannkräfte und die statische Ventilverstärkung charakterisiert. Die Verstärkung des Ventils ist dem Wicklungswiderstand des Magneten umgekehrt proportional. Hier werden die wichtigsten Gleichungen angegeben, mit denen sich das statische Verhalten des Ventils genügend genau beschreiben läßt.

Der Proportionalmagnet zeichnet sich gegenüber dem Hubmagneten durch eine hubunabhängige und in erster Näherung stromproportionale Magnetkraft F _M aus. Es gilt für den Magneten

I = U/R (Induktivität) (6)

F _M = K _I · I (Magnet) (7)

Das Kräftegleichgewicht am Steuerkolben kann mit Gl. (8) beschrieben werden.

F _M = F _V + F _C + F _H + F _F + F _Hy (8)

Für kleine Auslenkungen des Steuerkolbens vom mechanischen Nullpunkt können die Federvorspannkraft F _V , die Coulombsche Reibkraft F _C , die Haftreibkraft F _H und die Kraft F _Hy die den Ummangetisierungseinfluß des Magneten beschreibt als konstant vorausgesetzt werden. Es glt:

F₀ = : F _V + F _C + F _H + F _Hy = const. (9)

Die Federkraft F _F ist der Steuerkolbenauslenkung s proportional.

F _F = c s (10)

Für den steigenden Ast der Hysteresekennlinie erhält man mit den Gleichungen (6) bis (10)

Der Einfluß der einzelnen Kräfte aus Gl. (8) läßt sich mit dem in Fig. 3 dargestellten Ausschnitt der Signal-Hub- Kennlinie verdeutlichen. Mit der Federsteifigkeit c kann ander Ordinate eine hubproportionale Kraft abgetragen werden. Die Steigung beträgt: m = K _I /Rc.

Sei R der Nominalwiderstand und Δ R die Widerstandsänderung, für die gilt:

Δ R = ε R (12)

dann ergibt sich aus Gl. (11) in Verbindung mit Fig. 3

In Fig. 4 ist dieser Zusammenhang für den Nominalwiderstand R (d. h. ε=0) und eine Widerstandsänderung Δ R (d. h. ε<0) dargestellt. Im Sinne einer übersichtlicheren Darstellung ist der Einfluß der Haftreibung in Fig. 4 nicht berücksichtigt worden, da dieser Effekt nun von untergeordneter Bedeutung ist.

Der Fig. 4 sowie der Gl. (13) entnimmt man, daß eine Widerstandsänderung nur eine Steigungsänderung (m/(1+ε) : neue Steigung) der Signal-Hub-Kennlinie (Rotation der Kennlinie um den Punkt s₀) bewirkt. Die Widerstandsänderung kann bezüglich des Nominalverhaltens bei bekannter Spannung U₀ direkt bestimmt werden. Die Berechnung der Spannung U₀ setzt aber gleichzeitig voraus, daß die Steuerkolbenposition bekannt ist. Die im folgenden beschriebene Methode ist jedoch von der Kenntnis der Steuerkolbenposition unabhängig.

Ermittlung und Kompensation der Widerstandsänderung

Geht man vom Nominalverhalten des Ventils aus, also vom Verhalten bei einer bekannten Temperatur, so kann mit der oben angegebenen Methode die Nullsteuerspannung bestimmt und mit dem stellgesetz nch Gl. (5) weitgehend kompensiert werden. Ändert sich nun im Betrieb der Wicklungswiderstand und somit die statische Ventilverstärkung, zieht das sofort eine Vergrößerung der Regeldifferenz nach sich.

Bei exakt kompensierter Nullsteuerspannung (für ε=0) wird die Regeldifferennz Null und der Regler 2 liefert als Stellgröße

y = y₀ (14)

Setzt man nun ohne Einschränkung der Allgemeinheit

y = U (15)

so ergibt sich bei Nominalverhalten (ε=0) mit den Gleichungen (5), (13)-(15) eine Steuerkolbenauslenkung

s = m · y₀ - s₀ (16)

Die aus der Widerstandsänderung (ε≠0) resultierende Regeldifferenz führt nach dem Ausgleichsvorgang auf die folgende Beziehung (vgl. Gl. (16)):

Da der Motor 5 nach dem Ausgleichsvorgang zum Stillstand kommt, stellt sich immer die gleiche Steuerkolbenposition ein, d. h. beschreibt den hydraulischen Nullpunkt. Diese Bedingung muß von den Gleichungen (16) und (17) unabhängig von der Ventilverstärkung erfüllt werden. Ein Gleichsetzen der beiden Gleichungen liefert die prozentuale Widerstandsänderung

Zur Kompensation der Widerstandsänderung ist die Bedingung zu erfüllen, daß die Kreisverstärkung konstant bleibt. Das kann dadurch erreicht werden, indem die P-Reglerverstärkung den sich ändernden Verhältnissen angepaßt wird. Also wird gefordert:

Wenn K _R ₀ die gewählte, vorher eingestellte Reglerverstärkung ist, ergibt sich mit der Bedingung

die neue Reglerverstärkung K _R .

K _R = K _R ₀ · (1+ε) (21)

Die Ermittlung der Nullsteuerung kann jedesmal erfolgen, wenn der Antrieb in einer bestimmten Position zum Halten gekommen ist. Mit diesem Wert wird dann beim nächstfolgenden Regelvorgang die Verstärkung angepaßt. In Gleichung (18) ist somit K _R der vorhergehende alte Wert mit dem nach Gleichung (21) die Neuberechnung von K _R durchgeführt wird. Die Neuberechnung erfolgt nach jedem Tastschritt.

Es wird somit die Reglerverstärkung des P-Reglers 2, die bei einer bestimmten Temperatur erforderlich ist, mit dem über die Änderung der Nullsteuerspannung ermittelten Faktor (1+ε) multipliziert, um die gewünschte Kompensation zu erhalten. Der Kompensations- bzw. Korrekturfaktor läßt sich aus der Änderung der Nullsteuerspannung in einfacher Weise ermitteln.

Das neue Stellgesetz lautet nun unter Berücksichtigung der geänderten Nullsteuerspannung (vgl. Gl. (5)):

y = (1+ε) {K _R ₀ (x _s -x) + y₀} (22)

Im folgenden sind die in den Gleichungen verwendeten Formelzeichen im Zusammenhang erläutert:

c: resultierende Federsteifigkeit
F _C : Coulombsche Reibkraft
F _F : Federkraft
F _H : Reibkraft (Haftreibung)
F _Hy : Hilfskraft (Hysterese durch Ummagnetisierungsverluste)
F _M : Magnetkraft
F _V : Federvorspannkraft
F₀: Summe der konstanten Kräfte
I: elektr. Strom
K _I : Verstärkung
K _R : P-Regelverstärkung
K _R ₀: Nominalreglerverstärkung
m: Steigung der Signal-Hub-Kennlinie (Nominalverhalten)
R: ohmscher Widerstand
s: Steuerkolbenposition
: Steuerkolbenposition im hydraulischen Nullpunkt
U: elektr. Spannung
x: Istwert (Regelgröße)
x _d : Regeldifferenz
x _s : statischer Sollwert (Führungsgröße)
x _∞: stationäre Regeldifferenz
y: Stellgröße
y₀: Nullsteuerspannung (bzw. U₀)
ε: Widerstandsänderung (%)
Δ R: Widerstandsänderung

Das Ausrechnen des Korrekturfaktors kann in einem Rechner erfolgen. In anderer Weise läßt sich aber der Korrekturfaktor auch empirisch ermitteln, indem bei unterschiedlichen Temperaturen die Änderung der Nullsteuerspannung bzw. der vom Regler erzeugten Stellgröße gemessen wird und ein hierzu passender Korrektorfaktor für die Reglerverstärkung festgelegt wird. Die zu jeder Stellgrößenänderung zugehörige Korrektur kann gespeichert werden, so daß beim Auftreten einer bestimmten Stellgrößenänderung im Betrieb der zugehörige Korrekturfaktor abgerufen werden kann, mit dem die Reglerverstärkung geändert wird, um die Kompensation zu erhalten.

Claims (3)

1. Verfahren zur Kompensation der duch temperaturbedingte Widerstandsänderungen verursachten Änderung der Stellkraft eines elekromagnetischen Antriebes für ein Proportionalventil zur Ansteuerung eines hydraulischen Antriebes, mit einem Regler zur Ausgabe einer Stellgröße als Eingangsgröße für die Magnetwicklung des Proportionalventils, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Kompensation des Nullpunktfehlers von Proportionalventil (4) und Antrieb (5) erforderliche Nullsteuerspannung bei einer vorbestimmten und bei der jeweiligen Betriebstemperatur der Magnetwicklung ermittelt wird, wobei sich aus der Änderung der Nullsteuerspannung die zu kompensierende Widerstandsänderung ergibt, und daß die Verstärkung des Reglers (2) so verändert wird, daß die Kreisverstärkung konstant bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsänderung nach der Gleichung ermittelt wird, mit
x _s = Sollwert (Führungsgröße)
x = Istwert (Regelgröße)
y₀ = Nullsteuerspannung
K _R = Reglerverstärkung vor der Widerstandsberechnung, entspricht K _Ralt .

3. Vefahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglerverstärkung K _R nach der Gleichung K _R = K _R ₀ · (1+ε)verändert wird, mit
K _R = P-Reglerverstärkung nach der Widerstandsbestimmung, entspricht K _Rneu
K _R ₀ = P-Reglerverstärkung bei Betrieb des Proportionalventils mit einer vorbestimmten Temperatur
ε = Widerstandsänderung (%).