DE4201652C2 - Proportionalventil mit Ansteuerschaltung und Netzspannungsbetrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Proportional­ ventil.

Proportional-Wegeventile werden in großem Umfang in der Tech­ nik eingesetzt und haben grundsätzlich die gleiche Funktion wie Servoventile. Proportional-Wegeventile haben nicht die hohe Genauigkeit und benötigen höhere Eingangsleistungen (10-100 W) sind dafür aber billiger und robuster. Üblicher­ weise wird der bzw. die Magnet(e) eines Proportionalventils von einem meist getakteten Regelverstärker versorgt, der von einem zumeist 24 V liefernden Netzteil gespeist wird. Ver­ gleiche dazu beispielsweise SCHMITT, A. Der Hydraulik- Trainer, Lehr- und Informationsbuch über die Hydraulik. 2. Aufl. 11.80, Herausg.: G. L. Rexroth GmbH, S. 145. Nachdem der Proportionalmagnet durch seine Spule eine Induktivität be­ sitzt, ergibt sich nur ein langsamer Stromaufbau im Magneten und somit auch eine langsame Betätigung des zugehörigen Ven­ tils. Besonders bei Proportionalmagneten mit niedrigem Wi­ derstand ergibt sich ferner eine hohe Belastung des Netzteils.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Proportional­ ventil anzugeben, das bei verbessertem Wirkungsgrad baulich vereinfacht realisiert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Anspruch 1 genannten Maßnahmen vorgesehen.

Die vorliegende Erfindung sieht somit vor, den Proportional­ magneten direkt mit der gleichgerichteten Netzspannung - also einer Gleichspannung in der Größenordnung von 250 V - zu be­ aufschlagen und zu betätigen, was den Vorteil hat, daß der Proportionalmagnet schneller anspricht. So kann die Eigen­ frequenz des Proportionalmagnetventils von ursprünglich etwa 100 Hz auf 400 Hz gebracht werden. Außerdem kann auf das 24 V Netzteil verzichtet werden.

Während es also beim Betreiben eines Proportionalmagneten mit 24 V zur gewünschten Betätigung des Ventils bis zu beispiels­ weise 5 msec dauern kann, wird durch das Anlegen der gleich­ gerichteten wesentlich höheren Netzspannung direkt an den Elektromagneten eine wesentlich kürzere Ansprechzeit bei­ spielsweise in der Größenordnung von 1,25 msec erreicht.

Der durch die gleichgerichtete Netzspannung direkt betätigte Proportionalmagnet kann vorzugsweise der gleiche Proportional­ magnet sein, wie der, der sonst durch die niedrigeren Gleich­ spannungen von beispielsweise üblicherweise 24 V betätigt wird. Die Erfindung sieht dabei vor, daß der durch die Spule des Proportionalmagneten fließende Strom immer unter dem maximal zulässigen Wert von beispielsweise 3 A liegt. Dies geschieht dadurch, daß man die verhältnismäßig hohe gleichge­ richtete Netzspannung entsprechend kurz anlegt und immer dann wieder abschaltet, wenn die Belastungsgrenze des Proportional­ magneten erreicht wird.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen.

Es sei noch bemerkt, daß es aus DE 30 03 506 A1 für Hubmagnete bekannt ist, eine eine einmalige Auslösung eines Schnell­ schlußventils bewirkende Ansteuerungsschaltung vorzusehen. Dabei wird im Schaltzeitpunkt an die Magnetspule des Hubmag­ neten eine Gleichspannung in der Größenordnung von 270 V über eine Kondensatorkaskade angelegt.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung erge­ ben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Ansteuerung eines Proportionalmagneten;

Fig. 2 ein Schaltbild einer herkömmlichen Ansteuerung eines Proportionalmagneten;

Fig. 3 ein Schaltbild, welches eine getaktete Endstufe veran­ schaulicht wie sie beim Stand der Technik und im Prin­ zip auch bei der Erfindung anwendbar ist;

Fig. 4 und 5 eine Veranschaulichung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 3;

Fig. 6 ein Schaltbild einer konkreten Ansteuerschaltung für einen Proportionalmagneten des Standes der Technik, wie dies in Fig. 2 allgemein dargestellt ist;

Fig. 7 ein Prinzipschaltbild einer Ansteuerschaltung für einen Proportionalmagneten gemäß der Erfindung;

Fig. 8 eine bevorzugte Ausgestaltung der Ansteuerschaltung ge­ mäß Fig. 7;

Fig. 9 eine spezielle Ausgestaltung eines Teils der Fig. 8;

Fig. 10a-10f eine konkrete bevorzugte Ausführung der Schaltung gemäß Fig. 7.

Fig. 11 und 12 graphische Darstellungen der Arbeitsweisen gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt eine Ansteuerschaltung 2 für einen Magneten 1, der insbesondere ein Proportionalmagnet eines (nicht gezeig­ ten) Proportional-Wegeventils ist. Der Ansteuerschaltung 2 wird ein Soll-Signal S zugeführt. Entsprechend diesem Soll-Sig­ nal S verschiebt der Anker des Magneten 1 den Kolben eines Ventils, beispielsweise eines Proportionalwegeventils mehr oder weniger. Die Ansteuerschaltung 2 wird von einem Netzteil 3 mit einer Gleichspannung von 24 V beliefert, die sowohl zur Versorgung der Komponenten der Ansteuerschaltung 2 als auch dazu dient um an den Magneten 1 angelegt zu werden. Das Netz­ teil 3 liegt an der Netzspannung, die beispielsweise 220 V beträgt.

Fig. 1 veranschaulicht das erfindungsgemäße Prinzip. Hier wird der Proportionalmagnet 1 durch eine Ansteuerschaltung 4 in der Weise betrieben, daß entsprechend dem zugeführten Soll-Wert S zur Verschiebung des Ventilkolbens durch den Magneten 1 be­ wirkt wird, wobei an diesen die Netzspannung von 220 V (oder 110 V) sozusagen direkt angelegt werden kann. Konkret gespro­ chen wird die gleichgerichtete Netzspannung an den Magneten an­ gelegt, wobei in der Ansteuerschaltung 4 Schaltungen vorgese­ hen sind, die eine Überlastung des Magneten 1 unmöglich ma­ chen.

Bevor auf die konkretere Ausgestaltung (Fig. 7 und 8) der er­ findungsgemäßen Ansteuerschaltung nach Fig. 1 eingegangen wird, sei zunächst anhand der Fig. 3 bis 6 Stand der Technik erläutert.

Aus der DE 38 24 526 A1 ist es bekannt eine getaktete Endstufe gemäß Fig. 3 einzusetzen. Man erkennt in Fig. 3 wiederum den Magne­ ten 1 und sieht, daß die Ansteuerschaltung 2 einen Stromregler 6, einen Taktgenerator 7, ein Spannungs-/Stromwandler 8 und parallel zum Magneten 1 geschaltet eine Diode 9 aufweist. Aus den Fig. 4 und 5 ergibt sich ohne weiteres die Arbeitsweise der Ansteuerschaltung gemäß Fig. 3.

Fig. 6 zeigt nun ein Proportional- Wegeventil 10, das durch zwei Magnete A und B angesteuert wer­ den kann. Die Ansteuerschaltung oder der Proportionalverstär­ ker 2 befinden sich hier auf einer Schaltungskarte, wobei sich die Funktion dieses Proportionalverstärkers 2 wie folgt dar­ stellt.

Aus dem Verbrauchernetz mit 220 V/380 V wird über Transforma­ toren mit Gleichrichter (nicht gezeigt) die Versorgungsspan­ nung UV der Proportionalverstärkerkarte 11 erzeugt.

An den Klemmen 22ac (+) und 28ac (0 V) wird die Versorgungs- Spannung UV angelegt. Auf der Verstärkerkarte 11 wird diese Versorgungsspannung UV geglättet und aus dieser eine stabili­ sierte Spannung von ±9V gebildet. Die stabilisierte Spannung ±9 V dient

• a) für Versorgung der externen Potentiometer bzw. der internen Potentiometer abgreifbar an 26a +9 V und an 24a-9V.
• b) für die Versorgung der internen Operationsverstärker.

Auf der Verstärkerkarte sitzen 4 Potentiometer zur Sollwert­ einstellung P1 bis P4 (13). Um eine Sollwertspannung einzu­ stellen müssen die 4 Sollwerteingänge Klemme 20c, 20a, 14a, 14c mit der stabilisierten Spannung +9 V Klemme 26a oder -9V Klemme 24a verbunden werden. Werden die Sollwerteingänge auf +9 V gelegt, so wird der Magnet A aktiv. Der Magnet A liegt an den Klemmen 2a und 32a. Werden die Sollwerteingänge auf -9V gelegt, so wird der Magnet B aktiv. Der Magnet B liegt auf den Klemmen 2c und 32c. Die eingestellten Sollwertspannungen P1 . . . P4 werden über die Relais 12 abgerufen. Sie liegen an den Klemmen 12c, 12a, 16a, 16c an. Die Abrufspannung der Relais kann an 24c abgegriffen werden und über potentialfreie Kontak­ te auf die Relaiseingänge 12c, 12a, 16a, 16c gelegt werden. Bei Abruf der Sollwertpotentiometer P1 bis P4 wird am Eingang des Rampenbildners 50 ein Sprungsignal erzeugt. Der Rampenbil­ dner 50 bildet aus einem sprunghaft ansteigenden Eingangssig­ nal ein langsam ansteigendes Ausgangssignal. Die Anstiegszeit (Steilheit) des Ausgangssignals ist über das Potentiometer PS (Rampenzeit) einstellbar. Die angegebene Rampenzeit von maxi­ mal 5 sek. kann nur über den vollen Spannungsbereich (von 0V bis ±6V, gemessen an den Sollwert-Meßbuchsen) erreicht werden. Eine Sollwertspannung von ±9 V am Eingang ergibt eine Spannung von ±6 V an den Sollwert-Meßbuchsen. Wird ein kleinerer Soll­ wert als ±9 V auf den Eingang des Rampenbildners 50 geschaltet, so verkürzt sich die Rampenzeit.

Das Ausgangssignal des Rampenbildners 50 geht auf den Summie­ rer 51 und auf den Sprungfunktionsbildner 52. Der Sprungfunk­ tionsbildner 52 erzeugt an seinem Ausgang eine Sprungfunktion, die im Summierer 51 auf das Ausgangssignal des Rampenbildners 50 aufaddiert wird. Die Sprungfunktion wird zum schnellen Durchfahren der Nullüberdeckung des Ventils 10 benötigt.

Dieser Sprung wird bei kleinen Sollwertspannungen (kleiner 100 mV) unwirksam. Steigt die Sollwertspannung auf einen hö­ heren Wert an, gibt der Sprungfunktionsbildner 52 ein kon­ stantes Signal ab.

Das Ausgangssignal des Summierers 51 wird als Sollwert dem PID-Regler 58 zugeführt.

Der Oszillator 54 wandelt ein Gleichspannungssignal in eine Wechselspannung (Frequenz 2,5 kHz) um. Dieses Signal wirkt auf den induktiven Weggeber 55.

Der Weggeber 55 verändert in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilkolbens die Wechselspannung. Das Wechselspannungssignal wird vom Demodulator 56 in ein Gleichspannungssignal zurück­ geführt.

Der Anpaßverstärker 57 verstärkt die Gleichspannung auf eine maximale Spannung von ±6 V (max. Kolbenhub). Das Ausgangssignal des Anpaßverstärkers 57 wird als Istwert dem PID-Regler 58 zu­ geführt.

Der PID-Regler 58 ist speziell auf den Ventiltyp optimiert. Er gibt in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen Soll- und Istwert ein Signal ab. Dieses Ausgangssignal steuert die End­ stufe 59 des Verstärkers.

Fig. 7 zeigt eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 60 für einen Proportionalmagneten 1. Der Elektromagnet 1 betätigt mit seinem Stößel ein Proportionalventil 10. Die Ansteuerschaltung weist einen Stromregler 61 auf, der ein Stellsignal G bei­ spielsweise ein Spannungssignal an eine Signalverarbeitungs­ schaltung 62 liefert. Das Ausgangssignal der Signalverarbei­ tungsschaltung 62 ist mit K bezeichnet und wird in eine Netz­ spannungsschaltung 63 eingegeben um diese zu veranlassen ein dem Ausgangssignal K entsprechendes Ausgangssignal L an den Proportionalelektromagneten 1 anzulegen. Erfindungsgemäß ist das Ausgangssignal L unmittelbar aus der Netzspannung vorzugs­ weise durch Gleichrichtung gebildet und wird auch in der Grö­ ßenordnung der Netzspannung an den Elektromagneten 1 angelegt. Vorzugsweise ist die Signalverarbeitungsschaltung 62 derart ausgelegt, daß die zur Verfügung stehende gleichgerichtete Netzspannung immer nur kurze Zeit an den Elektromagneten 1 angelegt wird, wodurch der im Elektromagneten 1 fließende Strom auf einem zulässigen Niveau gehalten wird. Dies ist ohne weiteres möglich, da beim Anlegen der Spannung an den Elektro­ magneten 1 der Strom nach einer E-Funktion ansteigt und somit zu einem Zeitpunkt abgeschaltet werden muß, wo die Belastung zu groß wird. Vergleiche dazu die Fig. 11 und 12 wo dieser Vorgang im Vergleich mit dem Stand der Technik dargestellt ist.

Als Beispiel sei erwähnt, daß ein üblicher Elektromagnet 1 mit nicht mehr als 3 A belastet werden darf. Die Signalverarbei­ tungsschaltung 62 wird dann derart ausgelegt, daß der Strom in der Spule des Elektromagneten 1 niemals mehr als 3 A oder 3,5 A übersteigt. Kurz vor Erreichen des Grenzwertes wird dann die Spannung einfach abgeschaltet.

Durch das Anlegen einer gegenüber den üblichen 24 V verhältnis­ mäßig hohen Spannung von etwa 220 V erreicht man ein wesentlich schnelleres Ansprechen des Elektromagneten 1. Ferner kann auf diese Weise die Eigenfrequenz des Magnetventils von herkömmli­ cherweise 100 Hz auf ungefähr 400 Hz gesteigert werden.

Wie bei einer Regelung üblich wird der in den Elektromagneten 1 fließende Strom fortlaufend gemessen und das entsprechende Istwertsignal D wird mit einem Sollwertsignal verglichen. So­ bald zwischen beiden, hervorgerufen durch eine Störgröße, ein Unterscheid auftritt, wird eine geeignete Verstellung vorge­ nommen, welche die Regelgröße und damit das Istwertsignal wie­ der mit dem Sollwertsignal in Übereinstimmung bringen soll. Der Stromregler 61 hat die Aufgabe eine Stellgröße in der Form eines Stellsignals G zu erzeugen.

Die Netzspannungsschaltung 63 weist vorzugsweise ein Transi­ stormodul 64 und eine Gleichrichtungsschaltung 650 auf. An das Transistormodul wird über Leitungsmittel 66 eine Gleichspan­ nung von beispielsweise 300 V angelegt. Diese verglichen mit 24 V verhältnismäßig hohe Gleichspannung wird über das Transi­ stormodul 64 vorzugsweise getaktet derart angelegt, daß die mögliche Strombelastung des Elektromagneten 1 nicht über­ schritten wird. Vergleiche Fig. 11 und 12.

Fig. 8 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des Ausführungsbei­ spiels gemäß Fig. 7. Speziell ist in Fig. 8 dargestellt, wie die Signalverarbeitungsschaltung 60 vorzugsweise aufgebaut sein kann. Zudem ist in Fig. 8 noch im einzelnen dargestellt wie das Istwertsignal D vorzugsweise erfaßt wird.

Zunächst sei auf die Signalverarbeitungsschaltung 60 eingegan­ gen.

Das vom Stromregler 61 gelieferte Stellsignal G liegt vorzugs­ weise in der Form einer Spannung vor und es wird in eine Puls­ breiten-Modulationsschaltung 65 eingespeist. In der Pulsbrei­ ten-Modulationsschaltung 65 wird die die Stellgröße betref­ fende Information in der Weise kodiert, wie dies in den Fig. 4 und 5 erläutert wurde. Die Pulsbreiten-Modulationsschaltung 65 gibt demgemäß ein impulsbreiten-moduliertes Stellsignal H ab. In einer Signalaufbereitungsschaltung 66 wird das Signal H in ein Ausgangssignal I umgewandelt, welches aus vier impulsbrei­ ten-modulierten Stellsignalen besteht. Diese vier impulsbrei­ ten-modulierten Stellsignale sind in der noch zu beschreiben­ den Fig. 9 mit U+, U-, V+ und V- bezeichnet. Diese vier im­ pulsbreiten-modulierten Stellsignale werden über einen Opto­ koppler 67 in ein Ausgangssignal K umgewandelt, welches sei­ nerseits aus vier impulsbreiten-modulierten Steuersignalen be­ steht. Diese Steuersignale sind in Fig. 9 mit BU bzw. EU, BV bzw. EV, BX bzw. EX und BY bzw. EY bezeichnet. Die Optokopp­ lerschaltung 67 sieht eine galvanische Trennung zwischen den Signalen I und K vor. Das Signal K schaltet das Transistormo­ dul 64 entsprechend der in seinen vier impulsbreiten-modulier­ ten Signalen enthaltenen Information, d. h. der Größe des Stellsignals.

Die Optokopplerschaltung 67 dient ferner dazu durch eine Ge­ gentakterzeugungsschaltung 69 und eine Übertragerschaltung 70 dem Signal K bzw. seinen vier impulsbreiten-modulierten Ein­ zelsignalen eine Taktfrequenz aufzuprägen.

Zur galvanisch getrennten Istwerterfassung (vorzugsweise Stromistwerterfassung) ist ein Hallsensor oder ein Trennver­ stärker mit dem Magneten 1 verbunden, dessen Ausgangssignal A einer Offset-Abgleich- und Pegelanpassungsschaltung 73 zuge­ führt wird. Das Ausgangssignal D der Offset-Abgleich- und Pe­ gelanpassungsschaltung schwankt dann um einen Nullpunkt bei­ spielsweise zwischen 0 V und +2 V.

Fig. 9 veranschaulicht im einzelnen die Netzspannungsgleich­ richtungsspannung 650, die Optokopplerschaltung 67 und die Si­ gnalaufbereitungsschaltung 66. Man erkennt, daß die vier das Signal I bildenden Ausgangssignale jeweils einen Optokoppler IC1, IC2, IC3 und IC4 zugeführt werden. Die Gegentakterzeugung 69 ist mit den einzelnen Optokopplern über Übertrager verbun­ den. Die Ausgänge der Optokoppler IC1 bis IC4 liegen an den Steuereingängen von vier Transistoren T1, T2, T3 und T4. Ent­ sprechend den vier durch die Optokoppler IC1, IC2, IC3 und IC4 angelegten impulsbreiten-modulierten Signalen, die vorzugswei­ se Stromsignale sind, werden die Transistoren T1 bis T4 ge­ schaltet, so daß diese über Ausgangsleitungen 75, 76 den Elek­ tromagneten 1 erregen, und zwar mit einer vorzugsweise in der Größenordnung von ungefähr 300 V Gleichspannung liegenden Span­ nung.

Die Fig. 10a-10f zeigen anhand eines Schaltbildes Einzelheiten der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Schaltungen. Einer ins De­ tail gehenden Beschreibung dieser Schaltung wird nicht für notwendig erachtet, da alle verwendeten Symbole herkömmlich und dem Fachmann ohne weiteres verständlich sind.

Claims (10)

1. Proportionalventil, dessen Ausgangsgröße proportional einem elektrischen Eingangssignal ist, wobei das Proportionalventil durch einen eine Magnetspule aufweisenden Proportionalmagneten betätigt ist, der spannungs- oder stromproportional durch ein Steuersignal angesteuert werden kann, wobei die Magnetspule des Proportionalmagneten direkt mit der gleichgerichteten Netzspannung beaufschlagt wird, und eine Ansteuerschaltung (60) sicherstellt, daß die Magnetspule nicht überlastet wird, ins­ besondere deren maximal zulässiger Stromwert nicht überschrit­ ten wird, und wobei die Ansteuerschaltung (60) ein pulsbrei­ ten-moduliertes Ansteuersignal (k) bereitstellt.

2. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (60) einen mit der Magnetspule ver­ bundenen Stromregler (61) aufweist, der ein Stellsignal (G) an eine Signalverarbeitungsschaltung (62) liefert, die ihrerseits eine Netzspannungsschaltung (63) veranlaßt, die gleichgerich­ tete Netzspannung an die Magnetspule anzulegen, und zwar für eine dem vom Stromregler (61) gelieferten Stellsignal (6) entsprechende Zeit.

3. Proportionalventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzspannungsschaltung (63) eine Gleichrichtungsschal­ tung (650) aufweist, sowie ein Transistormodul (64), welches durch die Signalverarbeitungsschaltung (62) derart gesteuert wird, daß die von der Gleichrichtungsschaltung (650) kommende gleichgerichtete Netzspannung für die gewünschten Zeiträume direkt an die Magnetspule angelegt wird.

4. Proportionalventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung (62) eine Puls­ breiten-Modulationsschaltung (65) aufweist, um ein impulsbrei­ ten-moduliertes Signal (H) zu erzeugen, welches nach weiterer Signalaufbereitung die Steuerung der Netzspannungsschaltung (63) bewirkt.

5. Proportionalventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (60) anschließend an die Pulsbrei­ ten-Modulationsschaltung (65) eine Signalaufbereitungsschal­ tung (66) aufweist, welche aus dem impulsbreiten-modulierten Signal (H) vier impulsbreiten-modulierte Signale herstellt um diese zur Steuerung des Transistorsmoduls (64) zu verwenden, welches seinerseits vier Transistoren (T1 bis T4) aufweist.

6. Proportionalventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (60) eine Optokopplerschaltung (67) aufweist, welche eine galvanisch getrennte Signalübertragung zwischen der Signalaufbereitungsschaltung (66) und dem Tran­ sistormodul (64) vorsieht.

7. Proportionalventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Optokopplerschaltung (67) mit Gegentaktübertragermit­ teln (69, 70) zur galvanisch getrennten Übertragung der An­ steuerleistung verbunden ist.

8. Proportionalventil nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Strom-Istwertsignals eine Hallsensorschaltung (72) mit der Magnetspule verbunden ist.

9. Proportionalventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hallsensor (72) eine Offset-Abgleich- und Pegelanpas­ sungsschaltung (73) nachgeschaltet ist, um das Strom-Istwert­ signal in einem um einen Nullpunkt schwankenden Bereich vorzu­ sehen.

10. Proportionalventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß anstelle eines Hallsensors zur Potentialtrennung ein Trennverstärker verwendet wird.