DE4414799A1 - Elektrohydraulische Folgesteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Folgesteuerung zur Realisierung von linearen oder drehbaren Bewegungen an Hydro­ motoren, insbesondere für Stellglieder hydrostatischer Pumpen oder Motoren unter Verwendung von Sollwert- und Istwertgebern sowie einer Ansteuerelektronik.

Es sind elektrisch stetige Stelleinrichtungen bekannt (DD-PS 2 73 474; 2 87 308), welche stellbaren hydraulischen Maschinen in Form von Hydropumpen dienen, wobei die hydraulischen Stellzylin­ der über ein Proportional-Wegeventil mit dem hydraulischen Steu­ erkreis/Servokreis verbunden sind. Hierbei sind die Elektromagne­ te des Proportional-Wegeventils mit dem elektrischen Teil bzw. dem elektronischen Verstärker der Stelleinrichtung verbunden.

Vom Winkelsensor wird ein elektrisches Signal analog des Schwenk­ winkels der Hydropumpe als Istwert dem Verstärker zugeführt.

Durch elektrischen Vergleich im Verstärker und daraus resultie­ render Signale an das Proportional-Wegeventil erfolgt auf hydrau­ lischem Wege die Angleichung des Istwertes für den Schwenkwinkel der Hydropumpe an einen vorgegebenen Sollwert. Meldet der Winkel­ sensor für die Hydropumpe den erreichten Sollwert, wird durch elektrische Signale an die Elektromagnete das Proportional- Wegeventil auf Null gestellt und der Steuerölstrom zu den Stell­ zylindern unterbrochen. Diese Stellzylinder für Hydropumpen mit veränderbaren Hubvolumen sind in bekannter Weise als Hydromotor für lineare Bewegungen ausgebildet.

Bekannt ist weiterhin eine elektro-hydraulische Schaltungsanord­ nung (DE-OS 39 43 357) mit einer Ansteuerelektronik für die Magnetspulen von Stellgliedern in Form von Wegeventilen, deren Durchfluß von Arbeitsmittel (Drucköl) für einen Verbraucher (Hydromotor) geregelt werden soll. Die Fördermenge einer stellba­ ren Hydropumpe wird hierbei durch einen Stellkolben in Form eines linearen Hydromotors geregelt, der über ein Wegeventil hydrau­ lisch ver- und entsorgt wird.

Sofern vom Druckstromverbraucher über einen Schalter ein erhöhter Arbeitsmittelstrom signalisiert wird, muß über dieses verbrau­ cherseitige Grenzsignal eine Verstellung, d. h. ein Ausschwenken der Hydropumpe realisiert werden. Hierzu wird über die Ansteuer­ elektronik ein elektrisches Signal zur Magnetspule des genannten Wegeventils erhöht, solange dieses Grenzsignal ansteht und dann Drucköl zur Beaufschlagung des Stellkolbens der Hydropumpe zuge­ führt. In umgekehrter Weise wird bei Erlöschen des Grenzsignals über die Magnetspule ein schrittweises Schließen des Wegeventiles und damit eine Reduzierung der Fördermenge dieser Hydropumpe erreicht.

Bei maximaler Schwenkstellung der Hydropumpe und gleichzeitiger Versorgung mehrerer Verbraucher kann der Förderstrom nicht weiter erhöht werden.

Über die Ansteuerelektronik muß nunmehr wenigstens ein Verbrau­ cher abgeschaltet werden, damit der bestimmte Prioritätsverbrau­ cher weiterhin voll versorgt bleibt. Dies erfolgt durch Verring­ erung des Ansteuersignals für den abzuschaltenden Verbraucher solange, bis das pumpenseitige Grenzsignal erlischt.

Dieses Grenzsignal wird von einem Schalter, einem Sensor oder einem Stellungsgeber über eine oder mehrere Grenzwertfunktionsta­ bellen erzeugt, die in einem Speicher abgelegt sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer elektrohydrauli­ schen Folgesteuerung zur Realisierung linearer oder rotatorischer Bewegungen an Hydromotoren, insbesondere für Stellglieder hydro­ statischer Geräte in Form von Pumpen und Motoren mit veränderba­ ren Hubvolumen, deren Soll- und Istwertgeber eine direkte/sofort­ ige Verarbeitung digitaler Steuersignale gewährleistet, um die Verarbeitung und Wandlung analoger Steuersignale mit den bekann­ ten nachteiligen Folgewirkungen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Haupt­ anspruchs der elektrohydraulischen Folgesteuerung gelöst, wobei Ausgestaltungsmöglichkeiten in den Unteransprüchen aufgeführt sind, welche den Wirkungsbereich der Erfindung jedoch nicht begrenzen.

Diese Folgesteuerung sichert durch ihre spezielle Ausbildung und Anordnung von Sollwert- und Istwertgeber in Verbindung mit einer digitalen Logikbaugruppe die sofortige Aufnahme digitaler Signa­ le, wodurch gegenüber analoger Signalaufnahme die funktionell bedingte Wandlung dieser Steuersignale entfallen kann. Somit werden zusätzliche Bausteine in Form von Analog/Digital-Wandlern nicht benötigt und die durch die analogen Soll- und Istwertgeber möglichen Temperatureinflüsse auf die Funktion der Folgesteuerung ausgeschlossen. Da die Kommunikation digitaler Logikbaugruppen ohne diese angesprochenen zusätzlichen Bausteine realisiert wird, reduziert sich der beanspruchte Bauraum von erfindungsgemä­ ßen Folgesteuerungen, zusätzliche Fehlerquellen/Störquellen werden folgerichtig ausgeschaltet und dadurch die Funktionssi­ cherheit und Einsatzdauer derselben entscheidend erhöht.

In vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemäße Folgesteuerung aufgrund digitaler Signalverarbeitung durch leistungsfähige Mikrocontroller für komplexe Anwendungsfälle kundenspezifisch wesentlich besser anzupassen als dies bei den bekannten Analog­ steuerungen der Fall ist. Desweiteren ist eine komplexe Einbin­ dung von Aufgaben der Steuerung bezüglich Stellung des Bewegungs­ wandlers(Schiefscheibe, Wiege) von Hydropumpen über deren Stell­ glied gegeben und in bestimmte Programmabläufe einzubinden. Möglich ist aber auch eine rationelle Realisierung der Logikbau­ gruppe mit Festverdrahtung ohne Verwendung eines derartigen Mikrocontrollers.

Nachfolgend ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher dargestellt, wobei die Zeichnungen folgendes zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Pumpenstellein­ richtung mit Ansteuerelektronik

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Gleichlaufantriebes unter Verwendung mehrerer parallel geschalteter Hydromotore in Form von Arbeitszylindern

Fig. 3 das Wirkungsprinzip einer Absolutcodierscheibe mit einer Logikbaugruppe (Mikrocontroller), wie dies für Soll- und Istwertgeber vorgesehen ist

Fig. 4 die Vorderansicht einer Absolutcodierscheibe mit konzentrischen Spuren aus Permanentmagnetelementen zur Erzeugung von Magnetfeldern.

In Fig. 1 ist eine stellbare Hydropumpe 1 gezeigt, deren Stell­ glied als Hydromotor 2 in Form eines doppelwirkenden Arbeitszy­ linders ausgebildet und über Leitungen 3, 4 mit einem Steuer­ glied 5 in Form eines Wegeventils hydraulisch verbunden ist. Genanntes Steuerglied 5 besitzt zwei Elektromagnete 6, 7 zur Verstellung des Wegeventiles, welche über elektrische Leitungen 8, 9 mit einer Logikbaugruppe 10 verbunden sind. Vom Steuer­ glied 5 führt eine weitere hydraulische Leitung als Drucklei­ tung 11 zu einer Servopumpe 12 und eine Leitung 13 zu einem drucklosem Ölbehälter 14.

Genannte Logikbaugruppe 10, welche mit einem Mikrocontroller ausgerüstet sein kann, besitzt parallele oder serielle Datenlei­ tungen 15, 16, die mit einem Sollwertgeber 17 bzw. einem Istwertgeber 18 Verbindung aufweisen. Der als Absolutcodier­ scheibe gemäß Fig. 3/4 ausgebildete Sollwertgeber 17 fungiert als Bedienstelle dieser elektrohydraulischen Stelleinrichtung der Hydropumpe 1 und führt über die Datenleitung 15 der Logikbau­ gruppe 10 binäre Signale zu.

Ein weiteres binäres Signal wird von dem als Absolutcodierlineal ausgebildeten Istwertgeber 18 gemessen und als Hubstellung des Stellgliedes 2 über die Datenleitung 16 gemeldet. Diese Hubstellung entspricht der Lage/Stellung des Bewegungswandlers der Hydropumpe 1, welcher deren Hubvolumen bestimmt.

Im Falle einer über Null steuerbaren Axialkolbenpumpe handelt es sich beispielsweise um die Positionierung der Wiege, an welcher sich in bekannter Weise die Arbeitskolben abstützen.

Beide binären Signale, deren Zuführung über die Datenleitungen 15, 16 zur Logikbaugruppe 10 erfolgt, werden mit einem solchen Sicherheitscode erzeugt, daß benachbarte Winkel- oder Hubstellun­ gen des Sollwertgebers 17 und des Istwertgebers 18 sich jeweils nur in einer Binärstelle unterscheiden.

In der Logikbaugruppe 10 werden beide zugeführten binären Signale verglichen und ein Ansteuersignal erzeugt, welches über die Leitungen 8 oder 9 den Elektromagneten 6 oder 7 des Steuergliedes 5 in Form eines Wegeventiles zugeführt wird.

Der in Druckleitung 11 anliegende Steuerölstrom der Servopumpe 12 wird je nach Richtung des Ansteuersignales der Elektromagnete 6 oder 7 die Leitungen 3 oder 4 mit dieser Druckleitung 11 verbinden.

Bei Beaufschlagung eines Zylinderraumes 19 im Hydromotor 2 bei Durchgangsstellung I des Steuergliedes 5 wird über die Leitung 3 ein Stellkolben 20 des Arbeitszylinders in Richtung maximale Hubstellung der Hydropumpe 1 verschoben und über die Leitungen 4, 13 eine Rücklaufverbindung zum Ölbehälter 14 realisiert.

Wird der Steuerölstrom aus der Druckleitung 11 hingegen durch veränderte Signalgebung an den Elektromagneten 6, 7 bei Durch­ gangsstellung II des Steuergliedes 5 der Leitung 4 und damit einem anderen Zylinderraum 21 des Arbeitszylinders zugeführt, dann erfolgt eine Verschiebung des Stellkolbens 20 in Richtung minimale Hubstellung der Hydropumpe 1.

Die Betätigung des Steuergliedes 5 über die Elektromagnete 6 oder 7 erfolgt durch die Logikbaugruppe 10 so lange, bis das vom Sollwertgeber 17 vorgegebene Führungssignal vom Istwertge­ ber 18 durch die Stellung bzw. Lage des Stellgliedes/Hydromo­ tors 2 für die Hydropumpe 1 durch Überdeckung erreicht ist. Dies wird durch Schließstellung III des Steuergliedes 5 angezeigt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zeigt die mehrfache Anord­ nung von Hydromotoren 30, 30′ zur Realisierung linearer Bewegun­ gen. Es handelt sich hierbei um einen Gleichlaufantrieb zum waagerechten Heben einer Einrichtung 31, beispielsweise einer Platte für Bauarbeiten.

Genannte Hydromotoren 30, 30′ sind als doppeltwirkende Arbeits­ zylinder ausgebildet, welche über hydraulische Leitungen 32, 32′ und 33, 33′ mit je einem Steuerglied 34, 34′, ausgebildet als Wegeventil, verbunden sind. Beide Steuerglieder 34, 34′ werden von einer Servopumpe 35 über eine Druckleitung 36 hydraulisch versorgt und besitzen über eine Rücklaufleitung 37, 37′ Verbin­ dung zu einem drucklosem Ölbehälter 38.

Genannte Steuerglieder 34, 34′ sind mit jeweils zwei Elektromag­ neten 39, 39′ und 40, 40′ ausgerüstet, welche über elektrische Leitungen 41, 41′ und 42, 42′ mit einer digitalen Logikbaugrup­ pe 43 zur Übertragung von Ansteuersignalen verbunden sind.

Diese Logikbaugruppe 43 kann, wie im Ausführungsbeispiel 1 bereits dargestellt, mit einem Mikrocontroller ausgerüstet sein und besitzt zu einem Sollwertgeber 44 parallele oder serielle Datenleitungen 45. Dieser Sollwertgeber 44 ist zur Erzeugung binärer Signale als Absolutcodierscheibe gemäß Fig. 3/4 ausgebil­ det. Datenleitungen 46, 46′ führen von dieser Logikbaugruppe 43 zu Istwertgebern 47, 47′, die entweder als Absolutcodierscheibe oder -lineal ausgebildet sind und mechanische Verbindungsteile 48, 48′ zu jeweils einem Hydromotor 30, 30′ aufweisen.

Somit zeigt der Istwertgeber 47, 47′ die jeweilige Hubstellung/Stellung des Hydromotors 30, 30′ an, welche von der Absolutcodierscheibe bzw. dem -lineal in binäre Signale umgesetzt wird.

In gleicher Weise wird durch das dem Sollwertgeber 44 vorgege­ bene Kommando ein binäres Signal erzeugt und über die Datenlei­ tung 45 der Logikbaugruppe 43 zugeführt.

Dieses Führungssignal dient als Sollwertgröße für die Hydromoto­ ren 30, 30′, d. h. es gibt den beiden Arbeitszylindern eine bestimmte Hubgröße vor.

Die binären Signale der Istwertgeber 47, 47′ werden mit einem Sicherheitscode erzeugt, wodurch benachbarte Winkelstellungen der Absolutcodierscheiben/-lineale sich jeweils nur in einer Binär­ stelle unterscheiden (GRAY-CODE).

Von der Logikbaugruppe 43 werden jeweils die der Stellung der Hydromotore 30, 30′ entsprechenden und über die Datenleitung 46, 46′ zugeführten binären Signale mit dem Führungssignal des Sollwertgebers 44 verglichen und in deren Folge ein Ansteuer­ signal für die Steuerglieder 34, 34′ gebildet.

Genanntes Ansteuersignal wird von der Logikbaugruppe 43 über die Leitungen 41, 41′ und 42, 42′ zu den Elektromagneten 39, 39′ und 40, 40′ der Steuerglieder 34, 34′ geführt, um die hydraulische Steuerung der Hydromotore 30, 30′ zu realisieren. Damit werden mögliche Unterschiede in den Hubstellungen der Arbeitszylinder ausgeglichen, ein absoluter Gleichlauf dieser Hydromotore 30, 30′ gesichert und auch exakte Übereinstimmungen zwischen den Vorgaben des Sollwertgebers 44 mit den erreichten Werten der Istwertgeber 47, 47′ hergestellt. Analog dem Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 1 ermöglichen die Steuerglieder 34, 34′ eine Durchgangsstellung I zum Ausfahren sowie eine weitere Durchgangsstellung 11 zum Einfahren der Kolbenstangen 49, 49′ der Hydromotore 30, 30′.

Sobald das vom Sollwertgeber 44 vorgegebene Führungssignal von den Istwertgebern 47, 47′ erreicht/bestätigt wird, erfolgt über die Logikbaugruppe 43 und entsprechende Ansteuersignale der Leitungen 41, 41′ und 42, 42′ eine Realisierung der Schließ­ stellung III beider Steuerglieder 34, 34′.

Damit tritt eine exakte Lagefixierung bzw. Positionierung der Hydromotore 30, 30′ ein.

Unter einer mehrfachen Anordnung von Hydromotoren 30, 30′ zum Betätigen der Einrichtung 31 sind mindestens zwei oder mehr als zwei Hydromotore zu verstehen, welche je nach Anwendungsfall lineare oder rotatorische Bewegungen ausführen. Letztere werden beispielsweise mit sog. Drehwinkelmotoren realisiert.

Fig. 3 zeigt eine detaillierte Lösungsmöglichkeit für den Soll­ wertgeber 17, 44 sowie den Istwertgeber 18, 47, die wie bereits beschrieben (Fig. 1, Fig. 2), als Absolutcodierbaustein in Form einer Absolutcodierscheibe 60 ausgebildet sind.

Die verwendete Absolutcodierscheibe 60 aus nicht­ ferromagnetischem Werkstoff besitzt eine Drehachse 61 und ist, wie in Fig. 4 dargestellt, in eine Vielzahl von gleichgroßen Sektoren 62 sowie mehrere konzentrische Spuren 63 gegliedert. Auf dieser Absolutcodierscheibe 60 sind in den aktiven Sektoren 62 jeder Spur 63 Permanentmagnetelemente 64 angeordnet, die sich über einen oder mehrere Sektoren 62 funktionsabhängig erstrecken.

Die in Sektoren 62 und Spuren 63 durch Permanentmagnetelemen­ te 64 unterteilte Absolutcodierscheibe 60 verkörpert durch die einzelnen Spuren 63 notwendige Binärstellen, welche in Verbindung mit den winkelgleichen Sektoren 62 jeweils eine Binärzahl ergeben.

Die Permanentmagnetelemente 64 sind weiterhin so angeordnet, das sie sich von einem zum anderen Sektor 62 in nur jeweils einer Binärzahl unterscheiden (GRAY-CODE).

Der Absolutcodierscheibe 60 gegenüber befindet sich ein Stator­ segment 65, welches als Indikator für die den einzelnen Spuren 63 gegenüberstehenden REED-Kontakte 66 angeordnet ist.

Diese bekannten REED-Kontakte 66 dienen dem Erkennen der jewei­ ligen Stellung/Winkelstellung der Absolutcodierscheibe 60 und liefern der als Ansteuerelektronik dienenden Logikbaugruppe 10 über die Datenleitungen 15, 16, 45, 46 eine Binärzahl, die der momentanen Winkelstellung der Absolutcodierscheibe 60 entspricht und eine sofortige digitale Signalverarbeitung sichert.

Die notwendige Betriebsspannung UB für die parallele oder digi­ tale Datenübertragung über genannte Datenleitungen 15, 16, 45, 46 wird durch eine Elektroleitung 67 von einer nicht näher bezeich­ neten Spannungsquelle zugeführt.

In analoger Ausführung einer Absolutcodierscheibe 60 gemäß Fig. 3 ist auch der Einsatz von Absolutcodierlinealen möglich und dort sinnvoll, wo eine lineare Bewegung zur Eingabe von Signalen gegeben ist. Bei einem Stellkolben 20 des Stellgliedes 2 gemäß Fig. 1 wird über das Verbindungsteil 22 die lineare Bewe­ gung dieses Stellkolbens 20 in Abhängigkeit des Hubvolumens der Hydropumpe 1 auf den Istwertgeber 18 übertragen, welcher als Absolutcodierlineal ausgebildet sein kann. Die Wirkungsweise dieses Codierlineales ist dabei in bekannter Weise zwecks Bildung bzw. Realisierung der notwendigen Binärzahlen der Wirkung einer Codierscheibe 60 völlig identisch.

Bezugszeichenliste

1 Hydropumpe
2 Hydromotor
3 Leitung
4 Leitung
5 Steuerglied
6 Elektromagnet
7 Elektromagnet
8 Leitung
9 Leitung
10 Logikbaugruppe
11 Druckleitung
12 Servopumpe
13 Leitung
14 Ölbehälter
15 Datenleitung
16 Datenleitung
17 Sollwertgeber
18 Istwertgeber
19 Zylinderraum
20 Stellkolben
21 Zylinderraum
22 Verbindungsteil
30 Hydromotor
30′ Hydromotor
31 Einrichtung
32 Leitung
32′ Leitung
33 Leitung
33′ Leitung
34 Steuerglied
34′ Steuerglied
35 Servopumpe
36 Druckleitung
37 Rücklaufleitung
37′ Rücklaufleitung
38 Ölbehälter
39 Elektromagnet
39′ Elektromagnet
40 Elektromagnet
40′ Elektromagnet
41 Leitung
41′ Leitung
42 Leitung
42′ Leitung
43 Logikbaugruppe
44 Sollwertgeber
45 Datenleitung
46 Datenleitung
46′ Datenleitung
47 Istwertgeber
47′ Istwertgeber
60 Absolutcodierscheibe
61 Drehachse
62 Sektor
63 Spur
64 Permanentmagnetelement
65 Statorsegment
66 REED-Kontakt
67 Elektroleitung
UB Betriebsspannung

Claims (6)

1. Elektrohydraulische Folgesteuerung zur Realisierung von Bewegungen (linear oder drehend) an Hydromotoren für Stell­ glieder hydrostatischer Pumpen oder Motore unter Verwendung von Sollwert- und Istwertgebern sowie einer Ansteuerelektro­ nik, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - Sollwertgeber (17, 44) und Istwertgeber (18, 47, 47′) sind als Absolutcodierbaustein, vorzugsweise als Absolutco­ dierscheibe (60) aus nicht ferromagnetischem Werkstoff ausgebildet.
• - die Absolutcodierscheibe (60) besitzt mehrere konzentri­ sche Spuren (63) zur Anordnung von Permanentmagnetele­ menten (64), welche sich über eine bestimmte Anzahl von Sektoren (62) erstrecken.
• - den konzentrischen Spuren (63) gegenüberliegend sind REED-Kontakte (66) auf einem Statorsegment (65) fest an­ geordnet, welche aufgrund der bestimmten Binärzahl der Absolutcodierscheibe (60) einen ihrer Position/Lage entsprechenden Code lesen.
• - der von den REED-Kontakten (66) gelesene Code wird über parallele oder serielle Datenleitungen (15, 16, 45, 46) einer digitalen Logikbaugruppe (10, 43), gegebenenfalls mit Mikrocontroller, binär zugeführt und sichert die sofortige digitale Signalverarbeitung.
• - die Logikbaugruppe (10, 43) ist über elektrische Leitungen (8, 9, 41, 41′, 42, 42′) mit mindestens einem Steuerglied (5, 34, 34′) des hydraulischen Kreislaufes verbunden, um den für Stell- und Regelfunktionen vorhandenen Hydromotor (2, 30, 30′) zu betätigen.

2. Elektrohydraulische Folgesteuerung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der hydraulische Kreislauf als offener Arbeitskreis ausgebildet ist, dessen Servopumpe (12, 35) über eine Druckleitung (11, 36) wahlweise mit Leitungen (3, 32, 32′) oder (4, 33, 33′) verbunden ist, die zum Hydromotor (2, 30, 30′) führen.

3. Elektrohydraulische Folgesteuerung nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (5, 34, 34′) als Wegeventil/Proportionalwegeventil mit Elektromagneten (6, 7, 37, 37′, 40, 40′) ausgebildet ist, an welche die Leitun­ gen (8, 9, 41, 41′, 42, 42′) zur Logikbaugruppe (10, 43) ange­ schlossen sind.

4. Elektrohydraulische Folgesteuerung nach Anspruch 1 und 2 da­ durch gekennzeichnet, daß der Hydromotor (2) als Stell­ glied einer regelbaren Hydropumpe (1) ausgebildet ist.

5. Elektrohydraulische Folgesteuerung nach Anspruch 1 und 2 da­ durch gekennzeichnet, daß die parallel geschalteten Hydro­ motoren (30, 30′) die Gleichlaufbewegung einer Einrichtung (31) realisieren.

6. Elektrohydraulische Folgesteuerung nach Anspruch 1 und 3 da­ durch gekennzeichnet, daß die Logikbaugruppe (10, 43) mit einem Rechner in Form eines Mikrocontrollers bestückt ist.