DE4311486A1 - Verfahren zur elektrohydraulischen Ansteuerung von verstellbaren hydraulischen Bauteilen und dafür vorgesehene Steuereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrohydraulischen Ansteuerung von verstellbaren hydraulischen Bauteilen, bei dem in einer elektronischen Baueinheit eine Soll-Position und eine Ist-Position miteinander verglichen, in Abhängigkeit davon ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, ein elektromagnetisches Ventil mit dem Ausgangssignal angesteuert und die Zufuhr von Druckmittel zu einem Stellorgan durch das Ventil gesteuert wird. Sie betrifft aber auch eine dafür vorgesehene Steuerein­ richtung, wobei ein elektromagnetisches Ventil eingangsseitig an eine Druckmittelquelle und ausgangsseitig an ein Stellorgan des hydraulischen Bauteils angeschlossen ist und in Wirkver­ bindung mit einer elektronischen Baueinheit steht, die zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals aus dem Vergleich einer vorzugebenden Soll-Position mit einer festgestellten Ist-Position ausgebildet ist, wobei zur Ermittlung der Ist-Position ein Sensor mit dem Stellorgan in Wirkverbindung steht.

Bei der elektrohydraulischen Ansteuerung eines als Stand der Technik geltenden hydraulischen Bauteils, nämlich einer verstellbaren Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise des Typs BPV der LINDE AG, Wiesbaden, beschrieben unter dem Titel "Linde Schrägscheiben-Axialkolbenpumpen sowie deren Steuer- und Regelorgane" in: LINDE BERICHTE AUS TECHNIK UND WISSENSCHAFT, Nr. 53, 1983, wird mit Hilfe eines Magneten ein Druckminder­ ventil betätigt, mit dem die Beaufschlagung eines Nehmerkolbens entgegen der Kraft einer Feder durch Druckmittel gesteuert wird. Der Nehmerkolben wird daher entsprechend der Druckmittel­ beaufschlagung ausgelenkt und bewegt dabei ein Pilotventil, welches ermöglicht, daß Druckmittel aus einem Hauptkreislauf in ein Stellzylinder-Stellkolben-Aggregat fließt, wodurch das Fördervolumen der Axialkolbenpumpe verstellt wird. Der Wegab­ gleich, also die Positionsbestimmung des Stellzylinder-Stell­ kolben-Aggregats erfolgt durch eine mechanische Koppelung des Stellkolbens mit einem Teil des Vorsteuerventils, derart, daß das Vorsteuerventil bei Erreichen einer bestimmten Einstellung des Stellkolbens (entsprechend einer bestimmten Fördermenge der Axialkolbenpumpe) wieder geschlossen und somit die weitere Zufuhr von Druckmittel aus dem Hauptkreislauf und ein weiteres Verstellen des Fördervolumens der Axialkolbenpumpe unterbunden wird.

Die Herstellkosten einer derartigen elektrohydraulischen Verstellung sind sehr hoch. Dies liegt im wesentlichen an den verwendeten Elektromagneten, die als Glied in einer Steuerkette hinsichtlich ihrer Kennlinie sehr hohe Anforderungen zu erfüllen haben.

Weitaus kostengünstiger ist eine gattungsgemäße Ansteuerung, wie sie beispielsweise in der Literaturstelle "Hydraulik in Theorie und Praxis. Von Bosch." der Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 1983, auf Seite 240 beschrieben ist. Hierbei wird mit dem Magnet ein drosselnd wirkendes Ventil betätigt und dadurch ein Stellsystem mit Druckmittel beaufschlagt. Die Rückmeldung der erreichten Position erfolgt über einen elektrischen Sensor. Bei einem solchen Verstellung ist jedoch die zu fordernde Sicherheit nicht ausreichend, da die Position des zu verstellenden hydraulischen Bauteils (z. B. Pumpe, Motor oder Ventil) allein von der korrekten Arbeitsweise der Positionserfassung abhängt, also von der Qualität und Funktions­ sicherheit des Sensors. Zwar ist dies bei einem Gegenstand gemäß der Literaturstelle LINDE grundsätzlich auch nicht anders, aber die Zuverlässigkeit der elektrischen und elektro­ nischen Bauelemente wird auf absehbare Zeit noch nicht die­ jenige der mechanischen Bauelemente erreichen. Wenn die Sicher­ heit einer gattungsgemäßen Verstellung ausreichend hoch sein soll, so sind zwei Sensoren einzusetzen, die sich dann gegen­ seitig auf Funktionstüchtigkeit kontrollieren. Dies ist aber in der Regel teuerer als die eingangs beschriebene Verstellung mit mechanischer Positionsrückmeldung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Steuerein­ richtung mit geringen Herstellkosten und gleichzeitig hoher Sicherheit zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus dem Ausgangssignal oder einem dazu korrespondierenden Signal die zu erwartende Ist-Position oder die zu erwartende Änderung der Ist-Position des hydraulischen Bauteils ermittelt und mit der tatsächlich erreichten Ist-Position oder der tatsächlich erreichten Änderung der Ist-Position verglichen wird und bei Abweichungen über eine vorgegebene Toleranz hinaus ein Warn­ signal erzeugt wird. Der erfindungswesentliche Gedanke liegt demnach darin, daß eine Vorhersage über die voraussichtliche Position des Stellorgans gemacht wird und diese Vorhersage mit der tatsächlichen festgestellten Position verglichen und auf Plausibilität kontrolliert wird. Wenn beispielsweise die Änderung der tatsächlichen Ist-Position kleiner statt größer geworden ist, so liegt eine sicherheitsrelevante Fehlfunktion vor. Wenn die Änderung der Ist-Position größer ist als die erwartete Änderung, so kann ebenfalls auf Fehler erkannt werden. In diesen Fällen wird ein Warnsignal abgegeben, mit dem beispielsweise eine Not-Aus-Funktion ausgelöst wird. Hingegen können kleinere Abweichungen zwischen der jeweiligen erwarteten Änderung der Ist-Position und der tatsächlichen Änderung der Ist-Position toleriert werden. Nach jedem tolerierten Ver­ gleich, der in bestimmten Zeitabständen erfolgen kann, werden die Änderungswerte wieder auf Null gesetzt. Damit ist ein neuer Vergleich der nächsten Änderungen unbelastet von der Vorge­ schichte der Position möglich.

Durch die Plausibilitätskontrolle wird noch während des Betriebes die Funktionstüchtigkeit des Sensors und des elektromagnetischen Ventils festgestellt. Der Sensor muß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr als sicherheits­ relevantes Teil angesehen werden, da er ständig auf Funktion überwacht wird. Damit verringern sich die Herstellkosten einer elektrohydraulischen Steuereinrichtung beträchtlich. Teuere Sicherheitsteile sind entbehrlich, da die bereits vorhandenen Teile mehrfach zur Überwachung mit ausgenutzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also ohne zusätzliche Teile die Sicherheit der Verstellung garantiert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß pulsbreitenmodulierte Ausgangssignale erzeugt und in einer Impulsbewertungseinheit aus den Impulsbreiten die zu erwartenden Positionsänderungen ermittelt werden. Bei jedem impulsförmigen elektrischen Ausgangssignal der elektronischen Baueinheit wird das elektromagnetische Ventil für die Dauer des Impulses geöffnet und folglich das Stellorgan um einen bestimm­ ten Betrag weiterbewegt. Die Position wird also schrittweise verändert. Das Stellorgan wirkt damit wie ein Schrittmotor. Zur Ermittlung der voraussichtlichen Position des Stellorgans werden die Impulsbreiten in der Impulsbewertungseinheit umge­ rechnet in Positionsänderungen. Dies kann rein softwaremäßig geschehen. Die Umrechnung beruht auf der Überlegung, daß bei längerer Öffnungszeit des elektromagnetischen Ventils ent­ sprechend mehr Druckmittel dem Stellorgan zufließt und dieses daher seine Position stärker ändert als es bei einer nur kurzen Ansteuerdauer der Fall ist. Es werden also die bei jedem ausge­ sandten Impulszyklus zu erwartenden Positionsänderungen auf­ summiert und der auf diese Weise ermittelte Erwartungswert der Ist-Position mit der tatsächlich erreichten Ist-Position ver­ glichen, um eine Plausibilitätskontrolle anstellen zu können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erweist es sich als günstig, wenn beim Ansteuern des elektromagnetischen Ventils der Widerstand des Elektromagneten ermittelt und ein davon abhängiges Signal der Impulsbewertungseinheit zugeführt wird. Hierdurch kann der Einfluß der Viskosität des Druckmittels kompensiert werden. Die Spule des Magneten wird dabei als Temperatursensor benutzt, denn die Viskosität des Druckmittels ist von dessen Temperatur abhängig.

Zur Erfassung der Temperatur wird der (temperaturabhängige) Widerstand der aus Kupfer bestehenden Spule ermittelt, in dem das Verhältnis des Stroms zur Spannung berechnet wird. Die Änderung des Widerstandes einer Kupferspule in Abhängigkeit von der Temperatur erfolgt nach bekannten Gesetzmäßigkeiten, so daß hieraus leicht die Temperatur abgeleitet werden kann.

Die Lösung der Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, erfolgt bei einer gattungsgemäßen Steuereinrichtung durch eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der zu erwartenden Ist-Position aus dem Ausgangssignal oder einem dazu korespondierenden Signal, die ausgangsseitig an eine Vergleichsstelle ange­ schlossen sind, deren zweiter Eingang mit dem Sensor in Verbindung steht und deren Ausgang mit einer ein Warnsignal erzeugenden Fehler-Erkennungseinheit verbunden ist.

Zweckmäßigerweise ist der Magnet des elektromagnetischen Ventils als Schaltmagnet ausgebildet und durch pulsbreiten­ modulierte Ausgangssignale der elektronischen Baueinheit ansteuerbar und ist die Auswerteeinheit als Impulsbewertungs­ einheit zur Ermittlung der zu erwartenden Positionsänderung aus der Impulsbreite ausgebildet. Da das Steuerverfahren somit auf Pulsbreitenmodulation beruht und der Magnet als Schaltmagnet ausgebildet ist, kann der Magnet von einfachster Bauart sein. Seine Kennlinie ist nicht mehr entscheidend für die Genauigkeit der Verstellposition des hydraulischen Bauteils. Der Schalt­ magnet kann mit relativ großen Toleranzen behaftet sein und ist dementsprechend kostengünstig herstellbar. Auch das elektro­ magnetische Ventil kann von einfacher Bauart sein, z. B. mit größerer Leckage als allgemein üblich bei elektrohydraulischen Verstellungen. Es genügt, wenn die Hauptfunktionen des Ventils, nämlich das Durchlassen von Druckmittel zum Stellorgan und das Ablassen des Druckmittels zum Tank, um das Stellorgan wieder in seine Ausgangsposition zu bringen, erfüllt werden. Auch hier­ durch werden die Herstellungskosten verringert.

Wie bereits erwähnt, ist es günstig, wenn eine Vorrichtung zur Erfassung der Druckmitteltemperatur vorgesehen ist, die mit der Impulsbewertungseinheit in Verbindung steht. Dadurch läßt sich der Einfluß der Viskosität des Druckmittels kompensieren.

Zweckmäßigerweise wird zur Erfassung der Druckmitteltemperatur der Magnet benutzt, indem der Widerstand der Magnetspule ermittelt wird.

Die elektronische Baueinheit ist mit Vorteil als Mikroprozessor ausgebildet. In diesem Fall entstehen keine zusätzlichen Her­ stellkosten, da die Funktion der Impulsbewertungseinheit und der Fehler-Erkennungseinheit softwaremäßig verwirklicht werden kann.

Schließlich ist es im Hinblick auf die Vermeidung von Ver­ schleiß günstig, wenn der Sensor als berührungslos messender Sensor ausgebildet ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der Figur schematisch dargestellten Ausführungs­ beispieles näher erläutert.

Ein als Stellzylinder-Stellkolben-Aggregat ausgebildetes Stellorgan 1 ist an ein in der Figur nicht dargestelltes hydraulisches Bauteil angeschlossen. Bei dem hydraulischen Bauteil kann es sich beispielsweise um eine hydrostatische Pumpe mit variablem Fördervolumen handeln. Das Stellorgan 1 wird mittels eines elektromagnetischen Ventils 2 und einer elektronischen Baueinheit 3 verstellt. Von einer Druckmittel­ quelle wird Druckmittel durch eine hydraulische Leitung 4 zum Ventil 2 gefördert. Je nach Ansteuerung des Ventils 2 durch ein elektrisches Ausgangssignal der elektronischen Baueinheit 3, das den Magneten 5 des Ventils 2 beaufschlagt, wird eine bestimmte Menge an Druckmittel dem Stellorgan 1 zugeführt, woraus eine bestimmte Ist-Position des Stellorgans 1 resultiert. Diese Ist-Position wird durch einen Wegsensor 6 erfaßt und durch eine Signalleitung 6a der elektronischen Baueinheit 3 mitgeteilt.

In der elektronischen Baueinheit 3 wird an einer Vergleichs­ stelle 7 die von dem Wegsensor 6 gemessene Ist-Position des Stellorgans 1 verglichen mit einer vorgegebenen Soll-Position. Aus der Abweichung wird in einem Positionsregler 8 ein Signal gebildet, aus dem in einer Steuerimpulsbildungseinheit 9 die Pulsbreite eines Ansteuerimpulses abgeleitet wird. Nach Ver­ stärkung in einer Endstufe 10 wird ein pulsbreitenmoduliertes elektrisches Ausgangssignal dem Ventil 2 zugeführt.

Um bei einer bis zu dieser Stelle beschriebenen Steuerstruktur Fehler des Wegsensors 6 ermitteln zu können und damit eine hohe Sicherheit zu gewährleisten, müßten normalerweise zwei Weg­ sensoren vorhanden sein, um deren gemessenen Ergebnisse mit­ einander vergleichen zu können.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß eine Impulsbewertungs­ einheit 11 die Impulsbreiten des Signals aus der Steuerimpuls­ bildungseinheit 9 umrechnet in die zu erwartende Positions­ änderung des Stellorgans 1 und das Ergebnis an eine Vergleichs­ stelle 12 liefert, der das Signal des Wegsensors zugeführt wird. Das Ergebnis wird in einer Fehler-Erkennungseinheit 13 auf Plausibilität untersucht und gegebenenfalls bei Über­ schreiten einer bestimmten Toleranz ein Warnsignal an beispiels­ weise eine Not-Aus-Einheit 14 abgegeben.

Claims (8)

1. Verfahren zur elektrohydraulischen Ansteuerung von verstellbaren hydraulischen Bauteilen, bei dem in einer; elektronischen Baueinheit eine Soll-Position und eine Ist-Position miteinander verglichen, in Abhängigkeit davon ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, ein elektro­ magnetisches Ventil mit dem Ausgangssignal angesteuert und die Zufuhr von Druckmittel zu einem Stellorgan durch das Ventil gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Ausgangssignal oder einem dazu korrespondierenden Signal die zu erwartende Ist-Position oder die zu erwartende Änderung der Ist-Position des hydraulischen Bauteils ermittelt und mit der tatsächlich erreichten Ist-Position oder der tatsächlich erreichten Änderung der Ist-Position verglichen wird und bei Abweichungen über eine vorgegebene Toleranz hinaus ein Warnsignal erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pulsbreitenmodulierte Ausgangssignale erzeugt und in einer Impulsbewertungseinheit (11) aus den Impulsbreiten die zu erwartenden Positionsänderungen ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ansteuern des elektromagnetischen Ventils (2) der Widerstand des Elektromagneten ermittelt und ein davon abhängiges Signal der Impulsbewertungseinheit (11) zugeführt wird.

4. Steuereinrichtung für die elektrohydraulische Ansteuerung eines verstellbaren hydraulischen Bauteils, wobei ein elektromagnetisches Ventil eingangsseitig an eine Druck­ mittelquelle und ausgangsseitig an ein Stellorgan des hydraulischen Bauteils abgeschlossen ist und in Wirk­ verbindung mit einer elektronischen Baueinheit steht, die zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals aus dem Vergleich einer vorzugebenden Soll-Position mit einer festgestellten Ist-Position ausgebildet ist, wobei zur Ermittlung der Ist-Position ein Sensor mit dem Stellorgan in Wirkverbindung steht, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der zu erwartenden Ist-Position aus dem Ausgangssignal oder einem dazu korespondierenden Signal, die ausgangsseitig an eine Vergleichsstelle (12) angeschlossen sind, deren zweiter Eingang mit dem Sensor (6) in Verbindung steht und deren Ausgang mit einer ein Warnsignal erzeugenden Fehler- Erkennungseinheit (13) verbunden ist.

5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Magnet des elektromagnetischen Ventils (2) als Schaltmagnet ausgebildet und durch pulsbreiten­ modulierte Ausgangssignale der elektronischen Baueinheit (3) ansteuerbar ist und daß die Auswerteeinheit als Impuls­ bewertungseinheit (11) zur Ermittlung der zu erwartenden Positionsänderung aus der Impulsbreite ausgebildet ist.

6. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Vorrichtung zur Erfassung der Druck­ mitteltemperatur vorgesehen ist, die mit der Impuls­ bewertungseinheit (11) in Verbindung steht.

7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Baueinheit (3) als Mikroprozessor ausgebildet ist.

8. Steuereinrichtung, nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (6) als berührungslos messender Sensor ausgebildet ist.