DE4201652C2 - Proportionalventil mit Ansteuerschaltung und Netzspannungsbetrieb - Google Patents
Proportionalventil mit Ansteuerschaltung und NetzspannungsbetriebInfo
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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.
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