DE3911259C2 - Ansteuerelektronik für ein elektrisch verstellbares Regelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerelektronik für ein elektrisch verstellbares Regelventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer durch die DE-OS 29 16 172 bekannten Ansteuerelektronik wird der Eingangssollwert über einen A/D-Wandler geführt, die daraus sich ergebenden Digitalwerte in einem die Korrekturwerte enthaltenden Festwertspeicher als Adresse angelegt, die entsprechenden Korrekturwerte aus dem Festwertspeicher mit dem digitalisierten Eingangssollwert in einem Addierer addiert und das daraus sich ergebende korrigierte Eingangssollwertsignal über einen D/A-Wandler in ein analoges Führungssignal für das Regelventil umgewandelt. Bei einer weiteren bekannten Ventilansteuerung (D. Scholz: Ventilansteuerung und -regelung mit digitaler Signalverarbeitung. In: o+p, Bd. 29, 1985, Nr. 1, Seite 21 bis 24) wird das digital vorliegende Eingangssollwertsignal über einen Mikroprozessor geführt, in dem eine Kennlinienkorrektur durch Addition, Multiplikation oder Substitution erfolgt. Diese bekannten Ansteuerelektroniken erfordern eine verhältnismäßig aufwendige Technik.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ansteuerelektronik zu schaffen, die mit weniger technischem Aufwand eine gleiche Auflösung des korrigierten Eingangssollwertsignales (Führungssignal) gewährleistet wie die bekannten Ansteuerelektroniken. Dies wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt.

Der Erfindung liegt der grundsätzliche Gedanke zugrunde, daß ge­ genüber der bekannten Lösung (DE-OS 29 16 172) im Festwertspeicher anstelle von digitalen Absolutwerten Verstärkungswerte abgelegt sind, die mit dem analogen Eingangssignal multipliziert werden. Dadurch erübrigt sich ein zusätzlicher Addierer bzw. gegenüber der von Scholz beschriebenen Lösung ein Mikroprozessor.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen des Unteranspruchs.

Dadurch, daß das Eingangssollwertsignal vor dem A/D-Wandler mit einer oszillierenden Spannung überlagert wird, deren Frequenz weit über der Eigenfrequenz der Regelstrecke liegt, können die Spannungssprünge zwischen den Verstärkungsstufen reduziert werden. Dies liegt darin begründet, daß das Verstärkungsraster gegenüber dem Eingangssollwertsignal über eine gewisse Bandbreite oszilliert und sich ein Mittelwert der Verstärkung bildet.

Ersatzweise kann die gleiche Funktion durch Anordnung eines Zählers und Addierers zwischen A/D-Wandler und Festwertspeicher erzielt werden.

Das Ventil ist als Kolbenventil ausgebildet, dessen Blende Steuernuten aufweist. Dadurch werden weiche Übergänge bei Richtungswechsel bzw. bei Anfahrt erzielt.

Der V-förmige Querschnitt des Blendenkolbens ergibt zunächst eine mit dem Ventilhub (Sollwert) ansteigende Verstärkung und somit eine nichtlineare Durchflußkennlinie, die annähernd quadratisch verläuft. Durch die Korrektur des Eingangssollwertsignals erhält die Durchflußkenn­ linie einen linearen Verlauf, wobei sich der Einfluß der geringen Hysterese im Nullbereich positiv auf das Regelverhalten des Ven­ tils auswirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Ansteuerelektronik zwischen ei­ ner CNC-Steuerung und einem Regelventil, und

Fig. 2 Kennlinien der Verstärkung und des Durchflusses, wobei die korrigierte Kennlinie des Durchflusses gestrichelt gezeichnet ist.

In Fig. 1 ist ein Proportional-Wegeventil (8) mit seinem Schalt­ symbol dargestellt. Die Einstellung des Kolbenhubes (Sollwert) er­ folgt durch die Proportionalmagnete M₁, M₂ je nach Durchfluß­ richtung.

Die Position des Blendenkolbens (11) wird in einem Wegaufnehmer (9) in eine Spannung U umgesetzt. In einem Regelverstärker (10) wird der Sollwert S_soll für den Kolbenhub mit dem Istwert des Wegauf­ nehmers (9) verglichen und entsprechend dem Differenzwert der Pro­ portionalmagnet M₁ bzw. M₂ angesteuert. Durch diesen Lageregelkreis wird gewährleistet, daß der Istwert dem Sollwert für den Öffnungs­ hub entspricht.

Geht man von einem V-förmigen gleichschenkligen Öffnungsquerschnitt des Ventils aus, so ergibt sich eine annähernd quadratische Durch­ flußbeziehung zwischen dem Volumenstrom Q und dem Sollwert für den Kolbenhub S_soll, wenn Δp zwischen Ein- und Ausgang des Ventils konstant gehalten wird. Diese quadratische Abhängigkeit des Volumenstromes Q von dem Kolbenhub S_soll gilt es durch eine entsprechende umgekehrt quadratische Verstärkung des vorgegebenen Kolbenhubes E_soll zu kompensieren.

In Fig. 1 ist die bekannte handelsübliche CNC-Steuerung und das Proportionalventil mit Lageregelkreis durch die Ansteuerelektronik ergänzt. Die am Eingang der Korrekturschaltung K anliegende Soll­ spannung E_soll wird über einen A/D-Wandler (1) mit beliebiger Auf­ lösung in ein digitales Wort umgesetzt, welches an die Adressen­ eingänge des die Korrekturwerte beinhaltenden EPROM′s (2) gelegt wird. Die Datenausgänge des EPROM′s (2) sind mit den Adressenein­ gängen eines multiplizierenden D/A-Wandlers (3) verbunden, an dessen Referenzeingang die Sollspannung anliegt. Dem D/A-Wandler nachgeschaltet ist ein Operationsverstärker (4). Der Ausgang des Operationsverstärkers (4) bildet das Führungssignal S_soll für den Kolbenhub des Regelventils.

Die beschriebene Schaltung unterteilt den von der CNC-Steuerung aus­ gegebenen analogen Eingangssollwert E_soll entsprechend der Auflösung des A/D-Wandlers (1) in Stufen, denen durch das im EPROM (2) pro­ grammierte Wort eine bestimmte Verstärkung zugeordnet ist.

Zwischen den Verstärkungsstufen treten für das korrigierte Führungs­ signal S_soll Spannungssprünge auf. Damit diese Spannungssprünge mi­ nimiert werden, wird von einem Oszillator (5) über den Operations­ verstärker (6) eine Dreieckspannung dem Eingangssollwertsignal überlagert. Die Frequenz des Dreiecksignales liegt weit über der Eigenfrequenz der Regelstrecke.

Die Dreieckspannung wird im A/D-Wandler in eine Reihe von Adressen gewandelt. Den verschiedenen Adressen zugeordnet sind die Verstär­ kungsfaktoren, die dann für die langsamere Regelstrecke einen Mit­ telwert der Verstärkung bilden.

Alternativ kann auch anstelle der Dreieckspannung hinter dem A/D- Wandler ein Zähler und Addierer (7) verschiedene Adressen in be­ zug auf die gewandelte, dem Eingangssollwertsignal entsprechende Adresse bilden. Die verschiedenen Adressen lesen aus dem Festwert­ speicher ebenfalls wieder benachbarte Verstärkungsfaktoren aus, die einen Mittelwert bilden und damit die Spannungssprünge vermin­ dern.

Durch geeignete Wahl des Verstärkungsfaktors am Operationsverstär­ ker (4) läßt sich das korrigierte Sollwertsignal sowohl verstärken als auch abschwächen. Die Auflösung des korrigierten Signales wird von der Auflösung des Eingangssignales bestimmt.

Fig. 2 zeigt ein gemessenes Durchflußdiagramm eines Wegeventils mit V-förmiger Steuernut des Steuerkolbens im Bereich zwischen Q=+/- 15 L/min, wobei "+" den Durchfluß zwischen Pumpenanschluß und dem einen Verbraucheranschluß und "-" den Durchfluß zwischen Pumpenanschluß und dem anderen Verbraucheranschluß kennzeichnet. Die Durchflußmenge ist in Abhängigkeit des elektrischen Eingangssignals E_soll aufgetragen, ebenso die daraus sich ergebende Verstärkungslinie, welche die Änderung der Durchflußmenge bezogen auf das elektrische Eingangssignal E_soll darstellt. Die Durchfluß-Verstärkungs- und -Sollwerte sind in Prozenten aufgetragen, wobei sich bei Null Prozent der Steuerkolben 11 des Proportional-Wegeventils nach Fig. 1 in seiner Ausgangsstellung 0 und bei +/- 100% soweit in die Schaltstellung a bzw. b verschoben hat, daß sich ein Durchfluß von Q = 15 L/min ergibt, und zwar durch Anlegen einer entsprechenden Spannung von 1,91 Volt in der einen Schaltstellung und -1,41 Volt in der anderen Schaltstellung. Diese Endwerte sind jeweils mit 100% auf der Abzisse als Sollwerte aufgetragen. Die den Spannungssollwerten E_soll entsprechenden Durchflußwerte sind auf der linken Ordinate und die entsprechenden Verstärkungswerte auf der rechten Ordinate zu entnehmen, und zwar ebenfalls in Prozenten. Es ist zu erkennen, daß im Nullbereich, d. h. beim Übergang von der einen Durchflußrichtung in die andere, eine sehr kleine Verstärkung von ca. 20% und bei maximalen Durchfluß eine sehr große Verstärkung von ca. 105% vorliegt. Zur Erzielung eines proportionalen Regelverhaltens des Ventils entsprechend dem gestrichelten Kurvenverlauf ist eine konstante Verstärkung erforderlich. Dies wird gemäß der Erfindung durch die Multiplikation des elektrischen Eingangssignals E_soll mit den im Speicher hinterlegten ventilspezifischen Korrekturwerten erzielt.

Die Durchfluß- und Verstärkungskurve ist zwei- bzw. dreimal durchfahren worden, weshalb in Fig. 2 am Ein- und Ausgang der Kurven infolge der auftretenden Hysteresis keine eindeutige Überdeckung vorliegt.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Wegeventil beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung auch bei anderen Regelventilen (wie Servo-, Strom- und Druckventilen) realisierbar.

Claims (2)

1. Ansteuerelektronik für ein elektrisch verstellbares Regelventil mit einer Korrekturschaltung für die Ventilkennlinie, bestehend aus einem A/D-Wandler (1), Speicher (2) und D/A-Wandler (3), gekennzeichnet durch stufenweise Veränderung der Verstärkung des Eingangssollwertsignals (E_soll) durch im Speicher hinterlegte Korrekturwerte, wobei das Eingangssollwertsignal vor dem A/D-Wandler (1) mit einer oszillierenden Spannung (5, 6) überlagert ist, deren Frequenz weit über der Eigenfrequenz der Regelstrecke liegt.

2. Ansteuerelektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen A/D-Wandler (1) und Speicher (2) ein Zähler und Addierer (7) zur Variierung der Adressen für den Speicher angeordnet ist.