DE3817110A1 - Verfahren zur elektrischen ansteuerung eines hydraulischen proportionalventils - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Ansteuerung eines hydraulischen Proportionalventils, mit einem Ventilgehäuse, einem in dem Ventilgehäuse zwischen zwei End­ stellungen verschiebbaren Schieber und zwei antagonistischen Elektromagneten, wobei durch zwei antagonistische Federn eine Kraft auf den Schieber ausgeübt wird, durch die dieser im Gleichgewicht in eine Ruhelage gelangt, die sich zwischen den Endstellungen befindet.

Bei Proportionalventilen tritt neben dem Auflösungsvermögen und der Linearität der Schieberbewegung in Abhängigkeit vom elektrischen Eingangssignal zunehmend die Dynamik der Schie­ berbewegung als Beurteilungskriterium in den Vordergrund. Extrem schnelle und bei sehr kleinen Durchflüssen präzise arbeitende Ventile sind für hydraulische Lage- und Geschwin­ digkeitsregelungen von Maschinenteilen notwendig.

Diese Probleme lösten bisher in der Regel die teuren Servo­ ventile mit ihrer extrem aufwendigen Mechanik. Mit Proportio­ nalmagneten angetriebene Schieberventile erreichen im allge­ meinen die gestellten Anforderungen bezüglich der Dynamik nicht.

Man unterscheidet bei Proportionalventilen zwischen solchen mit einem einzigen Elektromagneten und solchen mit symmetri­ schem Aufbau, d.h. zwei Elektromagneten zu beiden Seiten des Schiebers. Im ersteren Fall ergibt sich die hydraulische Null­ lage des Schiebers bei einem mittleren Steuerstrom im Magne­ ten. Durch Erhöhen bzw. Erniedrigen dieses Stroms wird eine Auslenkung des Schiebers erreicht. Steuert man ein solches Ventil beispielsweise mit sinusförmigen Eingangssignalen an, dann stellt man eine deutliche Verzerrung der Schiebebewegung gegenüber einer sinusförmigen Bewegung fest. Ein anderer Nach­ teil eines solchen Proportionalventils ist, daß bei Stromaus­ fall die Feder den Schieber in eine mechanische Endstellung bringt, die mit der hydraulischen Ruhelage nicht identisch ist.

Im Fall eines symmetrischen Proportionalventils liegen zu beiden Seiten des Schiebers je ein Elektromagnet und eine Feder. Die hydraulische Nullage wird durch die Federn einge­ stellt, so daß auch bei stromlosen Magneten diese Stellung erhalten bleibt. Zur Auslenkung des Schiebers wird stets nur ein Magnet mit Strom beaufschlagt. Der jeweils aktive Elektro­ magnet arbeitet gegen eine der beiden Federn, während der andere Magnet stromlos ist und die andere Feder durch einen mechanischen Anschlag wirkungslos gemacht ist.

Auch dieses Ventil erfüllt nicht die hohen Anforderungen an die Linearität und Dynamik, die heute gestellt werden. So ist insbesondere im Bereich der Nullage der Geschwindigkeitsver­ lauf des Schiebers nicht linear, da der Stromaufbau im nicht erregten Magneten durch dessen Induktivität verzögert wird und die Federwirkung im Bereich der Nullage von der einen zur anderen Feder überwechselt.

Aufgabe der Erfindung ist es also, ein Verfahren zur elektri­ schen Ansteuerung eines hydraulischen Proportionalventils der einleitend genannten Art so zu verbessern, daß die Schieber­ bewegung auch bei kleinen Auslenkungen exakt und schnell auf die elektrischen Ansteuersignale anspricht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Gleichgewicht die Spulen beider Elektromagneten von einem Strom durchflossen werden, der etwa der Hälfte des Maximal­ stroms bei voller Auslenkung des Schiebers entspricht, und daß eine Auslenkung des Schiebers durch Veränderung des Stroms in mindestens einem der Elektromagneten bewirkt wird.

Anschläge, die den Wirkungsbereich jeder der Federn nur auf den Auslenkungsbereich des Schiebers in einer Richtung aus der Nullage begrenzen, sind dann nicht mehr nötig, so daß die Unstetigkeiten, die sich beim Stand der Technik im Nulldurch­ gang beim Lastwechsel von einer Feder auf die andere ergeben haben, entfallen.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels mithilfe dreier Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Proportionalmagneten.

Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der elektromagnetischen Kraft des Magneten aus Fig. 1 von dem Weg seines Ankers bei konstan­ tem Erregungsstrom.

Fig. 3 zeigt schematisch ein hydraulisches Proportionalventil, an dem das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Elektromagneten mit seiner Spule 2 und seinem Anker 3. Wird der Elektromagnet erregt, dann drückt sich der Anker 34 aus dem Gehäuse des Magneten heraus. Die am Anker meßbare Kraft F ist in Abhängigkeit vom Weg X in Fig. 2 dargestellt. Man erkennt, daß die Kraft nur über einen Teilbereich des Weges einen etwa konstanten Verlauf nimmt, so daß auch nur dieser Teilbereich für ein Proportio­ nalventil in Frage kommt. Der in Fig. 2 rechts liegende ab­ fallende Kurvenbereich wird also in der Regel durch geeignete Justierung von Federn und Anschlägen ausgeschaltet.

In Fig. 3 ist schematisch ein Proportionalventil dargestellt, an dem das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist. Es be­ sitzt einen Schieber 4, der in einem Ventilgehäuse 5 in Rich­ tung eines Doppelpfeils 6 verschiebbar angeordnet ist. Auf den Schieber 4 wirken zwei Elektromagneten 7 und 8 der anhand von Fig. 1 skizzierten Art in entgegengesetzter Richtung ein. Der Anker 9 bzw. 10 jedes der Elektromagneten unterliegt der Wirkung einer Feder 11 bzw. 12, die sich gegen einen festen Anschlag 13 bzw. 14 abstützt. Einer oder beide Anschläge kön­ nen justierbar sein, um die Nullage des Schiebers 4 justieren zu können.

In der hydraulischen Nullage befinden sich beide Anker 9 und 10 etwa in der Hälfte ihres Arbeitshubs, der dem linearen Kurvenbereich 15 in Fig. 2 entspricht. In der Nullage werden zudem die Spulen der beiden Elektromagnete 7 und 8 mit einem konstanten Strom gespeist, der etwa der Hälfte des Maximal­ stroms bei voller Auslenkung des Schiebers entspricht. Auf­ grund des Kräftegleichgewichts verharrt der Ventilschieber in seiner Nullage. Um eine Auslenkung des Schiebers 4 zu erzeu­ gen, wird vorzugsweise der Strom beider Magnete entsprechend verändert. Insbesondere ist es günstig, einen Differenzstrom DI mit unterschiedlichem Vorzeichen zum Ruhestrom der beiden Magnete hinzuzuaddieren.

Auf diese Weise ergibt sich eine extrem hohe Dynamik, da die zur Auslenkung notwendige Kraft sich auf zwei Magnete aufteilt und nicht, wie bei bisherigen symmetrischen Proportionalven­ tilen, ein Lastwechsel im Nulldurchgang erfolgt. Ein weitere Vorteil liegt darin, daß für gleiche Verstellwege kleinere Stromänderungen in den beiden Magneten im Vergleich zu einem Ventil mit nur einem Elektromagneten erforderlich sind. Solche kleinere Stromänderungen können entsprechend schneller erzeugt werden. Außerdem addieren sich die Flankensteilheiten der Kraftverläufe der beiden Elektromagneten, und zwar symmetrisch bei Schieberbewegungen in beiden Richtungen.

Ordnet man, wie in Fig 3 gezeigt, die Federn hinter den Ankern der Elektromagneten an, dann sind sie besonders gut zugänglich für eine mechanische Einstellbarkeit des Anschlags 13 von außen und sorgen für einen sicheren Kraftschluß der Anker am Ventilschieber. Ein Abheben des Ankers vom Schieber ist auch unter extremen dynamischen Belastungen nicht mehr zu befürch­ ten.

Die Erfindung ist nicht auf das als bevorzugt dargestellte Verfahren beschränkt. So kann auch nur der Strom in einer einzigen der beiden Magnetspulen zur Auslenkung des Schiebers in einer Richtung verändert werden, wenngleich dadurch die Vorteile absoluter Symmetrie nicht mehr voll zur Geltung kom­ men.

Claims (4)

1. Verfahren zur elektrischen Aussteuerung eines hydraulischen Proportionalventils, mit einem Ventilgehäuse, einem in dem Ventilgehäuse zwischen zwei Endstellungen verschiebbaren Schieber und zwei antagonistischen Elektromagneten, wobei durch zwei antagonistische Federn eine Kraft auf den Schieber ausgeübt wird, durch die dieser im Gleichgewicht in eine Ruhe­ lage gelangt, die sich zwischen den Endstellungen befindet, dadurch gekennzeichnet, daß im Gleichgewicht die Spulen beider Elektromagneten (7, 8) von einem Strom durchflossen werden, der etwa der Hälfte des Maximalstroms bei voller Auslenkung des Schiebers (4) entspricht, und daß eine Auslenkung des Schiebers durch Veränderung des Stroms in mindestens einem der Elektromagneten bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslenkung des Schiebers zugleich der Strom in einem Elektro­ magneten erhöht und der Strom im anderen Elektromagneten ver­ ringert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslenkung des Schiebers die Stromänderung (DI) in den beiden Elektromagneten gleiche Absolutwerte besitzt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Federn zur Justierung der Ruhelage eingestellt wird.