DE69819587T2

DE69819587T2 - Elektrohydraulische Antriebseinrichtung zur Fernsteuerung eines hydraulischen Verteilers

Info

Publication number: DE69819587T2
Application number: DE69819587T
Authority: DE
Inventors: Claudio Bovi; Renato Brevini
Original assignee: BREVINI HYDRAULICS SpA REGGIO EMILIA; Brevini Hydraulics SpA
Current assignee: Brevini Fluid Power SpA
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2018-03-10
Also published as: EP0872645B1; IT1291564B1; EP0872645A2; EP0872645A3; DK0872645T3; ITMI970862A1; DE69819587D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Vorrichtung zum Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers. Insbesondere dient die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in Hydrauliksystemen, die Verbrauchereinrichtungen mit zwei Betätigungskanälen betätigen, die beispielsweise in Maschinen zum Heben oder Bewegen einer Last wahlweise mit einer druckbeaufschlagten Leitung eines Hydraulikkreislaufs und mit der Auslassleitung verbunden werden.
Es ist bekannt, dass hydraulische Betätigungsvorrichtungen eine hydraulische Verbrauchereinrichtung mit einer Geschwindigkeit betätigen, die von der Widerstandslast unabhängig ist, welche die hydraulische Verbrauchereinrichtung beeinflusst.
Wie beispielsweise in EPA Nr. 97100802.4 im Namen derselben Anmelderin offenbart ist, umfassen diese Vorrichtungen einen Verteiler, der betätigt werden kann, um den Betätigungskanal der Verbrauchereinrichtung mit einer druckbeaufschlagten Leitung eines Hydraulikkreislaufs zu verbinden, und um den Betätigungskanal der anderen Verbrauchereinrichtung mit einer Auslassleitung des Hydraulikkreislaufs zu verbinden.
Der hydraulische Verteiler hat einen sich bewegenden Schieber, der sich auf Befehl in die gewünschte Position bewegt, um die eine oder die andere Verbrauchereinrichtung mit der druckbeaufschlagten Leitung oder beide mit dem Auslass zu verbinden.
In der vorstehend genannten Patentanmeldung besteht die Betätigungseinheit des Schiebers aus einem Hebel, durch den der Schieber entgegen der Wirkung einer Rückstellfeder entlang der Achse seines eigenen Sitzes bewegt wird. Es ist ferner möglich, den Schieber des Verteilers mittels einer automatischen Betätigungsvorrichtung zu betätigen.
Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von Vorrichtungen für die automatische Betätigung des Schiebers, die ein sogenanntes offenes oder geschlossenes System verwenden.
Bei einem Beispiel eines offenen Betätigungssystems werden zur Betätigung des Schiebers zwei Proportionalventile verwendet; die Ventile werden mittels eines Bedienungshebels und einer elektronischen Steuertafel betätigt, die getrennt von dem den Schieber enthaltenden Körper angeordnet ist.
Ein Nachteil dieser Lösung ist die Tatsache, dass mehrere elektrische Kabel nötig sind, um die elektronische Tafel mit den elektrischen Ventilen zu verbinden, die nahe an dem Schieber angeordnet sind.
Folglich beinhaltet dies mögliche Signalverluste und eine höhere Wahrscheinlichkeit von Fehlern und Schwierigkeiten bei der Installation.
Desweiteren ist es bei einer Steuerung mit Bedienungshebel nicht möglich, die durch die elektrischen Ventile gelieferte Durchflussrate/Druck einzustellen, sondern lediglich das zu betätigende elektrische Ventil zu wählen.
Bei einem Beispiel eines geschlossenen Betätigungssystems werden stattdessen vier Ventile der Ein-Aus-Art verwendet, wobei ein Positionswandler dazu geeignet ist, die genaue Position des Schiebers des Vorsteuerventils zu erfassen, um eine Steuerung mit Rückkopplung (geschlossene Steuerung) zu schaffen, die im Wesentlichen darauf abzielt, jegliche Positionierungsfehler des Schiebers zu eliminieren.
In diesem Fall ist die elektronische Tafel zum Steuern der Ventile und des Positionswandlers in demselben Modul untergebracht, das den Schieber des Vorsteuerventils enthält.
Ein Nachteil der vorstehend genannten Lösung ist die Tatsache, dass dieses System besonders von der Verwendung eines Positionswandlers abhängt und daher nur für ein geschlossenes Betätigungs- und Steuerungssystem verwendet werden kann.
Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, dass eine große Anzahl von Ein-Aus-Ventilen benötigt wird. Die britische Patentanmeldung Nr. GB 2 248 910 offenbart eine elektrohydraulische Vorrichtung zum Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers eines Wegeventils zur Druckbeaufschlagung oder zum Verbinden eines Paars Verbrauchereinrichtungen mit dem Auslass, die zwei elektrische Proportionalventile umfassen, die durch eine Druckleitung gespeist werden, eine Auslassleitung haben und jeweils mit abgewandten Endkammern eines hy draulischen Verteilers verbunden sind, der dazu geeignet ist, zwei Verbrauchereinrichtungen druckzubeaufschlagen oder mit dem Auslass zu verbinden. Die elektrischen Ventile werden unter Einfluss eines elektrischen PWM-Eingangsstroms angetrieben.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrohydraulische Vorrichtung zum Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers anzugeben, welche die kleinstmögliche Anzahl elektrischer Ventile verwendet, ferner in einem offenen Steuerungssystem verwendet werden kann und es ermöglicht, die Kabel zu reduzieren, die für die Verbindung des elektronischen Teils der Vorrichtung mit den elektrischen Ventilen nötig sind.
Im Rahmen dieser Zielsetzung ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrohydraulische Vorrichtung zum Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers anzugeben, die ebenfalls in einem geschlossenen Steuersystem verwendet werden kann.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrohydraulische Vorrichtung zum Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers anzugeben, welche die Durchflussrate fernsteuern kann, die von dem gewählten elektrischen Ventil geliefert werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrohydraulische Vorrichtung zum Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers anzugeben, die ein hohes Maß an Sicherheit gegenüber unbeabsichtigter manueller Betätigung des Schiebers des Vorsteuerventils bietet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrohydraulische Vorrichtung zum Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers anzugeben, bei welcher der Schieber eine kurze Antwortzeit hat.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrohydraulische Vorrichtung zum Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers anzugeben, die eine geringe Hysterese und eine hervorragende Empfindlichkeit hat.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrohydraulische Vorrichtung zum Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers anzu geben, die eine hohe Genauigkeit bei der Positionierung des Schiebers des Vorsteuerventils und eine hohe Wiederholbarkeit sicherstellt, die nicht durch Abweichungen interner Parameter wie Temperatur, Reibung und Elastizität der Feder des Schiebers beeinflusst wird.
Dieses Ziel sowie diese und weitere Aufgaben, die im Folgenden deutlich werden, werden erreicht durch eine elektrohydraulische Vorrichtung zum Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers eines Wegeventils zur Druckbeaufschlagung oder zum Verbinden eines Paars Verbrauchereinrichtungen mit dem Auslass gemäß Anspruch 1.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung eines bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß der Erfindung deutlich gemacht und durch ein nicht einschränkendes Beispiel in den beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen:
1 eine schematische, geschnittene Seitenansicht der elektrohydraulischen Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel ist, in dem eine Betätigung der offenen Art ausgeführt ist;
2 eine schematische, geschnittene Seitenansicht der elektrohydraulischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem zweiten Ausführungsbeispiel ist, in dem eine Betätigung und Steuerung der geschlossenen Art ausgeführt ist;
3 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung in der offenen Konfiguration ist;
4 ein Blockdiagramm eines ersten Abschnitts der elektronischen Schaltung in dem geschlossenen System gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der elektrohydraulischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
5 ein Blockdiagramm eines zweiten Abschnitts der elektronischen Schaltung in dem geschlossenen System gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der elektrohydraulischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
6 ein Blockdiagramm eines dritten Abschnitts der elektronischen Schaltung in dem geschlossenen System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der elektrohydraulischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
7 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung des Bedienungshebels zum Steuern der elektrohydraulischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
In den verschiedenen Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische Elemente.
Unter Bezugnahme auf die vorstehenden Figuren umfasst die elektrohydraulische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zwei druckreduzierende elektrische Proportionalventile 1, 2, die dazu geeignet sind, den Schieber 3 eines hydraulischen Verteilers 6 anzutreiben, der es ermöglicht, zwei Verbrauchereinrichtungen A und B druckzubeaufschlagen oder mit dem Auslass zu verbinden.
Die 1 und 2 zeigen zwei Kammern M und N, die jeweils an den Seiten des Schiebers 3 angeordnet sind, die mittels elektrischer Ventile 1 und 2 mit Druck gespeist werden, um den Schieber je nach anzutreibender Verbrauchereinrichtung in die eine oder andere Richtung zu bewegen.
Die Bewegung des Schiebers 3 in eine Richtung erfolgt dadurch, dass die Widerstandskraft einer Feder 4 überwunden wird.
Die elektrischen Ventile 1 und 2 werden mit einem Druck gespeist, der durch eine Leitung P zugeführt wird, und ihr Abstrom wird in einer Auslassleitung T gesammelt.
In 1 ist ferner ein Steuerblock 5a zum Antreiben der elektrischen Ventile 1 und 2 mittels eines elektrischen Signals schematisch dargestellt, das von Steuermitteln (nicht dargestellt) stammt, die günstigerweise z. B. aus einem Bedienungshebel bestehen und bezüglich des hydraulischen Verteilers 6 entfernt angeordnet sind.
Das von dem Bedienungshebel eingehende elektrische Signal dient dazu, den hydraulischen Druck proportional zu steuern, der durch die zwei elektrischen Ventile 1 und 2 erzeugt wird, und speist jeweils Magneten 11 und 12 der elektrischen Ventile 1 und 2.
1 ist eine Ansicht der elektrohydraulischen Vorrichtung in ihrem ersten Ausführungsbeispiel, d. h. in der offenen Konfiguration, während 2 eine Ansicht der Vorrichtung in der geschlossenen Konfiguration ist.
So empfängt der mit dem Bezugszeichen 5b bezeichnete Steuerblock in 2 anders als in 1 ein Rückkopplungssignal, das von dem Wandler für die Position des Schiebers 3 ankommt. Der Wandler besteht beispielsweise aus einem Differentialtransformator 7, in dem ein Fühler 8 mit dem magnetischen Kern 10 des Wandlers verbunden ist. Der Fühler besteht günstigerweise aus einer Stange, die mit dem Ende des Schiebers 3 auf einer Seite der Kammer M in dauerhaftem Kontakt steht, um jederzeit die Position des Schiebers 3 zu erfassen und diese an den Steuerblock 5b rückzukoppeln.
Der elektrohydraulische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann natürlich ohne jegliche bauliche Abänderung sowohl an der Kammer M als auch an der Kammer N angeordnet werden.
Die 1 und 2 zeigen ferner einen Betätigungshebel 9, durch den der Schieber 3 manuell bewegt werden kann. Um die Möglichkeit auszuschließen, dass der Betätigungshebel 9 unbeabsichtigt betätigt wird, kann dieser entfernt werden.
Die 3 bis 7 zeigen stattdessen detailliert das elektronische System, das dazu dient, die elektrischen Ventile 1 und 2 sowohl in der offenen Konfiguration als auch in der geschlossenen Konfiguration zu betätigen.
Diese Figuren zeigen daher detailliert die Bauteile der Blöcke 5a und 5b.
Mit Bezug auf 3 ist ein Blockdiagramm der offenen Konfiguration des elektronischen Systems der elektrohydraulischen Vorrichtung gezeigt.
In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 15 Spannungsstabilisierungsmittel, die günstigerweise aus einem Hochfrequenzoszillator bestehen, der die durchschnittliche Spannung stabilisiert, die an die Elektromagneten 11 und 12 der elektrischen Proportionalventile 1 und 2 angelegt wird.
Das ausgangsseitige Signal des Hochfrequenzoszillators 15 wird an ein logisches Gatter 16 (UND-Gatter) gesendet, dessen zweites Eingangssignal von einem Signal gebildet wird, das von einem Operationsverstärker 17 (Vergleicher) ausgegeben wird.
Das ausgangsseitige Signal des logischen Gatters 16 treibt einen MOSFET 18 an, welcher den Elektromagneten 11 des elektrischen Ventils 1 steuert.
Ebenso sind für das zweite elektrische Ventil 2, und somit für den entsprechenden Elektromagneten 12, ein zweites logisches Gatter 19, ein zweiter Operationsverstärker 20 (Vergleicher) und ein zweiter MOSFET 21 vorgesehen.
Der Operationsverstärker 17 hat einen ersten invertierenden Eingang, der ein Ausgangssignal eines Oszillators 22 (80–200 Hz) empfängt, welcher einen Trimmer zum Festlegen der Frequenz hat.
Der Verstärker dient dazu, dem aktivierten Elektromagneten einen veränderlichen Strom zuzuführen.
Ein Signal eines Proportional-Integral-Verstärkers 23 wird stattdessen an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 gesendet.
Das Signal, das in den Proportional-Integral-Verstärker 23 tritt, resultiert aus einer Vielzahl von Signalen, die an dem Addiererknoten 24 ankommen.
Genauer gesagt, empfängt der Addiererknoten 24 ein erstes Signal, das aus dem Referenzsignal Rif besteht, das von dem Bedienungssteuerhebel eingeht und entsprechend verarbeitet wird, um ein Signal Rif 1 zu erhalten.
Genauer gesagt, erhält man das Signal Rif 1 derart, dass es für Werte, die größer als die als Null (neutrale Position des Bedienungshebels) verwendete Spannung sind, positiv ist und somit den Elektromagneten 11 des Proportionalventils 1 antreiben kann.
Diese Verarbeitung erfolgt in einem Block 25.
Ein Maximalwerttrimmer 26 ist nach dem Block 25 angeordnet und dient dazu, den maximalen Wert des Stroms des Elektromagneten 11 festzusetzen.
Ein Minimalstromwerttrimmer 27 dient stattdessen dazu, einen minimalen Anfangsstromwert zu liefern, um die Widerstandskraft der Feder 4 und des Schiebers 3 zu überwinden.
Der Addiererknoten 24 addiert somit das Stromsignal, das durch den Trimmer 26 begrenzt ist, und das durch den Trimmer 27 gelieferte Mindeststromsignal und subtrahiert von dieser Summe ein Signal, das dem erfassten Strom des Elektromagneten 11 entspricht.
Der Strom des Elektromagneten 11 wird mittels eines Stromsignalverstärkers 28 und eines Filters 29 erfasst.
Das in dem Addiererknoten 24 erzeugte Signal ist daher das Signal, welches an den nichtinvertierenden Eingang des wirkenden Verstärkers 17 gesendet wird.
Vorstehendes trifft für die Betätigung des elektrischen Ventils 1 zu. Bei dem elektrischen Ventil 2 erfolgt die Betätigung auf ähnliche Weise und daher zeigt 3 einen zweiten Referenzsignalverarbeitungsblock 30, einen zweiten Addiererknoten 31, einen zweiten Maximalstromtrimmer 32 und einen zweiten Schwellenstromtrimmer 33.
Dementsprechend wird das ausgangsseitige Signal des zweiten Addiererknoten 31 durch einen zweiten Proportional-Integral-Verstärker 34 verstärkt, dessen Ausgangssignal ein erstes nichtinvertiertes Eingangssignal des Operationsverstärkers 20 darstellt; das zweite invertierende Eingangssignal des Verstärkers ist ein Signal, welches von einem zweiten Oszillator 35 eingeht, der mit einem Trimmer zum Festlegen der Frequenz versehen ist.
4 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel des elektronischen Systems der Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei dem die geschlossene Steuerung der Position des Schiebers 3 mittels des Wandlers 7 und des Fühlers 8 erzielt wird.
5 ist eine Ansicht des Verfahrens zum Erhalten eines vorzeichenbehafteten Positionsfehlersignals, welches dann in dem in 4 gezeigten Schaltungsab schnitt verwendet wird. Dementsprechend ist zunächst das Blockdiagramm der 5 beschrieben.
Ein stabilisierter Niederspannungs-Sinuswellenoszillator 35 bildet die primäre Wicklung 36 des Differentialtransformators 7, in dem die Spannung auf den sekundären Wicklungen 37 und 39 eine Funktion der Position des magnetischen Kerns 10 ist und in einer Konditionierungsvorrichtung 38 in ein Spannungssignal gleichgerichtet und verstärkt wird, das sich für den maximalen Hub, den minimalen Hub und die neutrale Position des Schiebers 3 über ein vorgegebenes Spannungsintervall verändern kann.
Die auf den in Reihe geschalteten sekundären Wicklungen 37 und 39 gelesene Wechselspannung wird dann in der Konditionierungsvorrichtung 38 gleichgerichtet und verstärkt und der auf die neutrale Position des Bedienungshebels bezogenen Spannung hinzuaddiert.
Das von dem Bedienungshebel eingehende Signal Rif wird durch ein RC-Netzwerk 40 gefiltert und mittels eines Widerstands an die Spannung in der neutralen Position gebunden, Block 41, um den Schieber 3 in der neutralen Position zu halten, wenn das Steuersignal von dem Bedienungshebel unterbrochen ist.
Das Fehlersignal des Addiererknoten 42 wird durch einen Proportional-Integral-Verstärker 43 verstärkt und stellt das vorzeichenbehaftete Positionsfehlersignal dar. Das Signal wird als Referenz für den Kreis zum Steuern des Stroms der in 4 gezeigten Elektromagneten genutzt.
Unter Bezugnahme auf 4 beruht der Unterschied zwischen dem in 3 gezeigten offenen Steuerdiagramm und dem in 4 gezeigten geschlossenen Steuerdiagramm in der Tatsache, dass in dem zweiten Fall ein Rückkopplungskreis für die Position des Schiebers 3 vorgesehen ist, der das in 5 erzeugte Positionsfehlersignal E nutzt.
Ein absoluter Positionsfehler wird von dem vorzeichenbehafteten Positionsfehler E mittels eines Verarbeitungsblocks 44 extrahiert, von dem man das absolute Positionsfehlersignal |E| erhält, das in einem Addiererknoten 45 zu dem Spannungssignal addiert wird, das zu dem momentanen Strom der Elektromagneten propor tional ist, der wie in dem vorhergehenden Fall in der offenen Steuerung erfasst wird.
Das durch den Addiererknoten 45 erzeugte Signal ist daher das Stromfehlersignal, das man erhält, indem das verstärkte und gefilterte Stromsignal von dem absoluten Positionsfehlersignal subtrahiert wird.
Das ausgangsseitige Signal des Addiererknotens 45 wird dann zu einem Proportional-Integral-Verstärker 46 gesendet, dessen Ausgangssignal das invertierte Eingangssignal für einen Operationsverstärker 47 ist, wobei dessen nichtinvertiertes Eingangssignal aus einem Signal besteht, das von einem Oszillator 48 eingeht.
Die Elektromagneten 11 und 12 werden niemals gleichzeitig angetrieben; daher sind zwei Vergleichen 49 und 50 vorgesehen, deren Eingangssignale das vorzeichenbehaftete Positionsfehlersignal E und das neutrale Referenzsignal Rif_neutro des Bedienungshebels sind, um so den ausgewählten Elektromagneten als Funktion des Vorzeichens des Schieberpositionsfehlers E zu aktivieren, der mittels des Positionswandlers 7 erfasst wird.
Während der Durchschnittswert des Stroms ausschließlich eine Funktion des Positonsfehlers E (Position erfasst durch den LVDT-Wandler) bleibt, verändert sich der momentane Wert mit der Frequenz des Oszillators 48 (bei niedriger Frequenz), um so den magnetischen Kern 10 in ständiger Oszillation zu halten, wodurch die mit anfänglicher Trennreibung verbundenen Probleme vermieden werden.
6 zeigt das logische Sicherheitssystem des elektronischen Teils der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Diese Figur zeigt einen ersten Fenstervergleicher 8, dessen Aufgabe es ist, den Positionsfehler zu überwachen, der von dem Vergleicherknoten 42 der 5 eingeht. Bleibt der absolute Wert des Fehlers E länger als eine vorgegebene, festgelegte Zeit, die durch eine Verzögerungsvorrichtung 55 festgelegt ist, hoch, so geht die Vorrichtung in die sichere Betriebsart über. Die Steuerungen werden gesperrt und der Ausgangstreibertransistor 56, der für gewöhnlich ein elektrisches Ventil 57 zum Verbinden mit dem Auslass betätigt, wird ausgeschaltet.
Ferner gibt es einen Minimalversorgungsspannung-Sicherheitsvergleicher 58, und eine Verriegelungsschaltung 56 behält die Sicherheitsbedingungen des Systems bei, selbst wenn die normalen Betriebsbedingungen wiederhergestellt werden.
Ein zweiter Fenstervergleicher 57 bestimmt, ob das Positionsreferenzsignal Rif innerhalb akzeptabler Grenzen liegt oder nicht, d. h. ob es nicht geringer als der minimale zulässige Wert und nicht höher als der maximal zulässige Wert ist. Tritt eine dieser zwei ungewöhnlichen Situationen ein, blockiert der Fenstervergleicher 57 das System.
Das bisher beschriebene elektronische System ist in dem Gehäuse des hydraulischen Verteiler integriert und minimiert somit die Verdrahtung.
Das Blockdiagramm des Logiksystems des Bedienungshebels ist in 7 gezeigt.
Die Figur zeigt drei untereinander identische schematische Abschnitte, die jeweils zur Betätigung entlang den drei kartesischen Koordinatenachsen x, y und z bestimmt sind.
Eine Gleichstromquelle führt der Schaltung des Bedienungshebels Leistung mit einer Spannung zu, die zwischen 10 und 30 V liegen kann und die Schaltungen des Bedienungshebels versorgt, nachdem sie durch einen Rauschfilter und eine Schaltung zum Schutz gegen eine Polumkehr getreten ist.
Eine Referenzquelle 60 liefert eine stabilisierte Gleichspannung, wodurch sie ein konstantes Ausgangssignal gewährleistet, das ausschließlich eine Funktion der Position ist und nicht durch die Herstellungstoleranz der Potentiometer des Bedienungshebels beeinträchtigt wird, was im Nachfolgenden beschrieben ist.
Die Bezugszeichen 61 bezeichnen Polungsschalter, während die Bezugszeichen 62 die entsprechenden Potentiometer für die drei Koordinatenachsen bezeichnen. Diese Potentiometer liefern eine Ausgangsspannung, die proportional zu der Bewegung des Hebels des Bedienungshebels (nicht dargestellt) ist, die dann durch geeignete Trimmer 63 begrenzt wird, um die maximale Durchflussrate von Öl zu den elektrischen Ventilen 1 und 2 zu begrenzen.
Die Potentiometer 62 haben einen zentralen Neutralbereich mit Null Widerstand, so dass, wenn der Betätigungshebel in der inaktiven Position ist, die Ausgangssteuerspannung einen gesichert eindeutigen Wert (neutraler Wert der Steuerspannung) hat, der nicht durch Instabilitäten der inaktiven Position beeinträchtigt wird.
Es sind zusätzlich Trimmer 64 vorgesehen, um die Beschleunigungsrampe einzustellen, d. h. die Beziehung zwischen der Bewegung des Hebels des Bedienungshebels und der Ausgangsspannung.
Das ausgangsseitige Signal des Trimmers 64 wird an einen Addierknoten 65 und dann an einen Verstärker 66 gesendet.
Das Ausgangssignal des Bedienungshebels ist differentiell (Rif+, Rif-), um so den Einfluss eines zeitweiligen Spannungsabfalls und von Rauschen zu vermeiden: daher werden in diesem Fall zwei für das Ausgangssignal bestimmte Leiter verwendet.
Unter Bezugnahme auf die vorstehenden Figuren ist der Betrieb der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wie folgt.
Die Positionierung des Schiebers 3 des Verteilers 6 wird durch den Bedienungshebel veranlasst und ferngesteuert, der sein eigenes elektronisches System hat, das mit der elektronischen Steuertafel zusammenwirkt, die in dem Körper integriert ist, in dem der Schieber 3 untergebracht ist.
Das elektrische Ausgangssignal des Bedienungshebels speist die Elektromagneten 11 und 12 der elektrischen Proportionalventile, und die elektrischen Ventile, die durch die Niederdruckleitung P gespeist werden, erzeugen einen Druck, der proportional zu dem elektrischen Signal ist, das von dem Bedienungshebel eingeht; der Druck bewegt den Schieber 3 zur Druckbeaufschlagung oder zum Verbinden der gewählten Verbrauchereinrichtung mit dem Auslass.
Der Bedienungshebel stellt eine Ausgangsspannung bereit, die zwischen einem minimalen Wert und einen maximalen Wert schwanken kann, wobei ein Zwischenwert einer hydraulischen Durchflussrate von Null auf den Verbrauchereinrichtungen A und B entspricht. Wie bereits vorher erklärt und wie im Nachfolgen den detaillierter beschrieben ist, kann das Ausgangssignal des Bedienungshebels in zwei verschiedenen Modi genutzt werden: im geschlossen Modus und im offenen Modus.
Im ersten Modus (offener Modus), wird ein proportionaler Strom erzeugt, der eines der zwei elektrischen Druckreduzierungsventile 1 und 2 speist, was eine proportionale Bewegung des Schiebers 3 erzeugt. Im zweiten Modus (geschlossener Modus) wird das von dem Bedienungshebel ausgegebene elektrische Signal mit dem Signal des Positionswandlers 7 verglichen, um so die Position des Schiebers 3 als Funktion der Bedienungshebel-Steuerspannung zu erhalten, wodurch etwaige Ungenauigkeiten in den elektrischen Ventilen oder in dem mechanischen System zum Bewegen des Schiebers behoben werden.
Der Druck des Betätigungsöls (Druckleitung P) ist eine Funktion des Speisungsstroms der Elektromagneten 11 und 12 und die Position des Schiebers 3 ist eine nahezu lineare Funktion des Stroms.
In der inaktiven Position, d. h. wenn die Bedienungshebel-Betätigungsstange in einer zentralen Position (neutraler Bereich) ausgerichtet ist, verbinden die Ausgänge U der elektrischen Ventile 1 und 2 die Kammern M und N mit dem Auslass T: in dieser inaktiven Konfiguration bewegt sich der Schieber 3 in die zentrale Position und die zwei Verbraucher A und B werden mit dem Auslass verbunden.
Zunächst wird die geschlossene Konfiguration der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung betrachtet, wobei die Position des Schiebers 3 durch den Differentialtransformator 7 mittels des Fühlers 8 erfasst wird und in ein analoges Spannungssignal umgewandelt wird, dessen Wert zwischen einem neutralen Positionswert des Schiebers 3, einen maximalen Hubwert und einen minimalen Hubwert, schwanken kann.
Die Ausgangsspannung des Wandlers wird in dem Knoten 42 mit dem elektrischen Referenzsignal Rif verglichen, das von dem Bedienungshebel eingeht, und die Differenz zwischen den beiden Signalen wird durch den Verstärker 43 verstärkt und als vorzeichenbehaftetes Positionsfehlersignal E verwendet, das als Referenz für den Steuerkreis des Stroms der Elektromagneten 11 und 12 verwendet wird (siehe 4 und 5).
Die zwei Elektromagneten 11 und 12 werden niemals gleichzeitig angesteuert: Die Vergleicher 49 und 50 werden verwendet, um den einen oder den anderen der beiden Elektromagneten in Abhängigkeit des Vorzeichens des Positionsfehlers E auszuwählen.
Zusätzlich zum Erfassen der Position des Schiebers 3 wird in der geschlossenen Konfiguration der Speisungsstrom der Elektromagneten 11 und 12 erfasst (diese Erfassung wird ebenfalls in der nachfolgend beschriebenen offenen Konfiguration durchgeführt).
Der für diese Erfassung verwendetet Verstärker 28 erreicht nur in periodischen Intervallen den tatsächlichen Strom des Elektromagneten und der fehlende Teil des Stroms wird mittels der RC-Schaltung 29 rekonstruiert, die dieselbe Zeitkonstante wie die LR-Spule hat.
Der Wert des so erfassten Stroms wird in dem Knoten 45 mit dem absoluten Positionsfehler |E| verglichen und das daraus resultierende Differenzsignal wird durch den Verstärker 46 verstärkt und dann in dem Vergleicher 47 mit dem Ausgangssignal des Oszillators 48 verglichen.
Das ausgangsseitige Signal des Vergleichers 47 (Rechteckwelle) aktiviert und deaktiviert den beteiligten Elektromagneten 11 oder 12.
Bei der offenen Steuerung ist der Betrieb ähnlich, abgesehen von der Tatsache, dass keine Positionssteuerung mittels des Fühlers 8 und des Wandlers 7 des Schiebers 3 vorliegt und dementsprechend auch keine Sicherheiten für den Schieberpositionsfehler vorliegen.
Der einzige Steuerschleife, die vorliegt, ist diejenige, die den Betätigungsstrom der zwei Elektromagneten 11 und 12 betrifft.
Das Eingangssignal Rif, dass von dem Bedienungshebel eingeht, folgt zwei separaten, aber spiegelsymmetrischen Wegen für die zwei Elektromagneten 11 und 12.
Die Verarbeitung des Signals in den Blöcken 25 und 30 bewirkt, dass der erste Block als Ausgangssignal ein Signal Rif 1 hat, das für Werte positiv ist, die höher sind als die Spannung, die dem neutralen Spannungsbereich des Bedienungshebels entspricht, und daher den Elektromagneten 11 betätigen kann, während sie bewirkt, dass der zweite Block als Ausgangssignal ein Signal Rif 2 hat, das für Spannungswerte positiv ist, die niedriger sind als der neutrale Spannungswert (inaktive Position der Bedienungshebel-Steuerstange), um so den Elektromagneten 12 zu aktivieren.
Die Signale Rif 1 und Rif 2 werden dann jeweils mit dem erfassten Wert des Stroms der Elektromagneten verglichen, Knoten 24 und 31, und die daraus resultierenden Differenzsignale (Stromfehlersignale) werden jeweils mit den Ausgangsspannungen der Niederfrequenzoszillatoren 22 und 35 verglichen, um dann die Elektromagneten 11 und 12 der elektrischen Proportionalventile 1 und 2 zu speisen.
In beiden Konfigurationen, sowohl in der geschlossenen als auch in der offenen, sind Oszillatoren 15 zum Stabilisieren der Versorgungsspannung vorgesehen, um den Betrieb der Vorrichtung von der speziellen externen Versorgungsspannung unabhängig zu machen.
Die Erzeugung des elektrischen Ausgangssignals des Bedienungshebels kann im Wesentlichen linear der Position des Betätigungshebels des Bedienungshebels folgen, wobei ein neutraler zentraler Bereich der inaktiven Position des Betätigungshebels entspricht, oder das Ausgangssignal kann verstellbar (mittels der Trimmer 64) mit der Bewegung des Betätigungshebels verbunden sein, d. h. die Steilheit des Ausgangssignals des Bedienungshebels kann beliebig verstellt werden.
Auf diese Weise kann der Spannungswert des Ausgangssignals verändert werden, obwohl derselbe Hub mit dem Bedienungshebel-Betätigungshebel ausgeführt wird.
Das elektronische System des Bedienungshebels beinhaltet eine Schutzvorrichtung für den Fall eines Ausfalls der Versorgungsspannung; tritt dieser Fall ein, so wird das Ausgangssignal automatisch in einen hochohmigen Zustand gebracht, um den Schieber 3 zu veranlassen, in die neutrale Position zurückzukehren.
Ferner ist eine Schutzvorrichtung gegen Kurzschlüsse an dem Ausgang, eine Schutzvorrichtung gegen den Ausfall eines Potentiometers 62 und eine Schutzvorrichtung gegen Stromversorgungsrauschen vorgesehen.
Die Schutzvorrichtung gegen Stromversorgungsrauschen beinhaltet ein Doppelfiltersystem, um Überspannungen zu begrenzen. Ein Varistor enthält hochohmige Impulsspannungen, während eine LC-Schaltung mit einem hochohmigen Kondensator die Überspannungen begrenzt, die zwar eine moderate Amplitude, aber eine längere Dauer haben (plötzliche Trennung von Lasten, Öffnen und Schließen von Schaltungen).
Der rein hydraulische Betrieb der Vorrichtung gemäß der Erfindung läuft unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wie folgt ab:
Es wird angenommen, dass der Bedienungshebel aus der inaktiven Position (neutraler Bereich) bewegt wird und das dadurch erzeugte entsprechende elektrische Signal Rif den Magneten 11 des elektrischen Ventils speist. In diesem Fall bewegt sich das elektrische Ventil 1 aus der Position 200 in die Position 100, was die Verbindung der Druckleitung P mit dem Ausgang U ermöglicht.
Der eingangsseitige Druck des elektrischen Ventils 1 ist immer konstant, während der Druck am Ausgang U ausschließlich eine proportionale Funktion der Stromstärke ist, die zu diesem Zeitpunkt auf den Elektromagneten 11 wirkt.
Der verringerte Druck des Ausgangs U geht dann mittels der Leitung F in die Kammer M, in der er auf die Fläche des Schiebers 3 wirkt, wodurch er den Schieber in der Zeichnung nach links schiebt und somit den Fluss des Drucks zu der Verbrauchereinrichtung A ermöglicht.
Umgekehrt wird die Kammer N mittels der Verbindungsleitung Z mit dem Ausgang U des elektrischen Ventils 2 verbunden, der sie mittels seiner Position 300 mit dem Auslass T verbindet.
Es wird angenommen, dass der Betätigungshebel erneut betätigt wird, so dass das so erzeugte elektrische Signal Rif den Elektromagneten 12 des elektrischen Ventils 2 speist: die folgende Situation tritt ein.
Das elektrische Ventil 2 bewegt sich aus der Position 400 in die Position 300, was die Verbindung des Ausgangs U mit der Druckleitung P ermöglicht.
Auch in diesem Fall ist der eingangsseitige Druck des elektrischen Ventils 2 immer konstant, während der Druck am Ausgang U ausschließlich eine proportionale Funktion der Stromstärke ist, die zu diesem Zeitpunkt auf den Elektromagneten 12 wirkt.
Der verringerte Druck des Ausgangs U geht dann durch die Leitung Z in die Kammer N, wobei er sie druckbeaufschlagt und somit auf den Schieber 3 wirkt, um ihn in der Zeichnung nach rechts zu bewegen, wodurch der Zufluss des Drucks zu der Verbrauchereinrichtung B des Verteilers 6 ermöglicht wird.
Gleichzeitig wird die Kammer M mit dem Auslass T verbunden.
Bei dem geschlossenen Betrieb erfasst der Fühler 8 des Positionswandlers 7 in beiden Bewegungsrichtungen des Schiebers 3 zu jedem Zeitpunkt die Position des Schiebers 3 und wandelt sie in eine elektrische Spannung um, die mit der von dem Bedienungshebel eingehenden Referenzspannung, verglichen wird, wie im Nachfolgenden beschrieben ist.
Jegliche Steuerung, die nicht durch das von dem Bedienungshebel eingehende elektrische Signal Rif gegeben ist, wird von dem Positionswandler 7 als ein Fehler erkannt. Dieser sperrt zunächst die Position des Schiebers 3 und sperrt dann, wenn der Fehler andauert, die gesamte Schaltung, indem er die elektrischen Ventile 1 und 2 mit dem Auslass T verbindet.
Das Fehlermeldungssystem ermöglicht es, die Vorrichtung sehr schnell zu sperren, während es den Fehlerstatus sichtbar anzeigt.
Beobachtungen aus der Praxis haben gezeigt, dass die elektrohydraulische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die gewünschte Zielsetzung vollständig erfüllt, da sie das Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers ermöglicht, wobei der Schieber gemäß den Erfordernissen bewegt wird, um so die mit dem Verteiler verbundenen Verbrauchereinrichtung zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Das Fernsteuern mittels des Bedienungshebels ermöglicht es, die zwei elektrischen Proportionalventile zu betätigen, die wiederum einen hydraulischen Druck erzeugen, der proportional zu dem von dem Bedienungshebel ausgesendeten elektrischen Signal ist, um die Bewegung des Schiebers auszulösen.
Die Möglichkeit des Betriebs sowohl im offenen als auch geschlossenen Modus macht die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besonders vielseitig: in dem zweiten Fall (geschlossen) ist es möglich, die Position des Schiebers mit Rückkopplung zu steuern, wodurch automatisch jegliche externe Steuerung außer der von dem Bedienungshebel eingehenden elektrischen Steuerung ausgeschlossen wird.
Die derart konzipierte Vorrichtung kann auf vielfältige Weise im Rahmen des Erfindungsgedankens abgeändert und variiert werden.
Was beispielsweise die Steuerung des Speisungsstroms der Elektromagneten 11 und 12 betrifft, so ist es möglich, den maximalen Wert des Stroms auf einen Wert zu begrenzen, der proportional zu dem absoluten Positionsfehler |E| ist, und den Strom mit einer Rechteckwelle bei einer einstellbaren Frequenz (niedrige Frequenz) unabhängig für beide Elektromagneten 11 und 12 zu modulieren.
Auf diese Weise bleibt der Arbeitszyklus der Niedermodulationsfrequenz konstant, während er in dem vorher beschriebenen Fall gemäß dem Strom variiert und daher bei hohen Stromwerten die Vibrationsfähigkeit des magnetischen Kerns 10 eventuell verlorengeht.
Desweiteren ermöglicht es das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel, die Modulationsfrequenzen für die zwei Elektromagneten unabhängig voneinander einzustellen, um so die Frequenz den Eigenschaften des elektrischen Ventils und des Hydraulikkreislaufs anzupassen.
Schließlich können alle Details durch andere technisch entsprechende Elemente ersetzt werden.
In der Praxis können die verwendeten Materialien sowie die Abmessungen je nach Anforderungen und Stand der Technik verschieden sein, so lange sie mit der vorgesehenen Anwendung kompatibel sind.
Folgen in den Patentansprüchen auf technische Merkmale Bezugszeichen, dienen diese lediglich der besseren Verständlichkeit der Ansprüche und haben folglich keine einschränkende Wirkung auf den Zweck eines Elements, das beispielhaft durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet wird.

Claims

Elektrohydraulische Vorrichtung zum Antreiben und Fernsteuern eines hydraulischen Verteilers (6) eines Wegeventils zur Druckbeaufschlagung oder zum Verbinden eines Paars Verbrauchereinrichtungen (A, B) mit dem Auslass, umfassend: zwei elektrische Proportionalventile (1, 2), die durch eine Druckleitung (P) gespeist werden, weisen eine Auslassleitung (T) auf und sind jeweils mit abgewandten Endkammern (M, N) eines hydraulischen Verteilers (6) hydraulisch verbunden, der dazu geeignet ist, zwei Verbrauchereinrichtungen (A, B) druckzubeaufschlagen oder mit dem Auslass (T) zu verbinden, Fernsteuermittel, die dazu geeignet sind, ein elektrisches Steuersignal zu erzeugen, um Elektromagneten (11, 12) der elektrischen Ventile (1, 2) mit Energie zu versorgen, und eine elektronische Schaltung (5a, 5b), die dazu geeignet ist, den Speisungsstrom der Elektromagneten (11, 12) als eine Funktion des elektrischen Steuersignals zu steuern und einzustellen, wobei der Speisungsstrom die Elektromagneten (11, 12) antreibt, um die Kammern (M, N) wahlweise mit einem vorgegebenen Druck zu speisen oder sie über die elektrischen Ventile (1, 2) mit dem Auslass zu verbinden, um den Schieber (3) des Verteilers (6) proportional zu dem Speisungsstrom zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Positionswandler (7) umfasst, der dazu geeignet ist, die Position des Schiebers (3) des Verteilers (6) zu erfassen und sie in ein analoges Spannungssignal umzuwandeln, und dass die elektronische Schaltung (5a, 5b) Mittel zum Erfassen des Stroms der Elektromagneten (11, 12) und Vergleichsmittel (45) umfasst, die dazu geeignet sind, ein Schieberpositionsfehlersignal (E) mit dem Ausgangssignal der Mittel zum Erfassen des Stroms der Elektromagneten zu vergleichen, wobei die elektronische Schaltung (5a, 5b) in dem Körper integriert ist, in dem der hydraulische Verteiler (6) untergebracht ist.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (5a, 5b) Mittel (24, 31) zum Vergleichen des erfassten Stroms der Elektromagneten mit einem Betätigungssignal (RIF) umfasst, das von den Fernsteuersignalen eingeht, um ein Stromfehlersignal zu erzeugen.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (5a, 5b) Vergleichsmittel umfasst, die dazu geeignet sind, das analoge Spannungssignal mit dem Steuersignal (RIF) zu vergleichen, das von den Fernsteuermitteln eingeht, um das signierte Schieberpositionsfehlersignal (E) zu erzeugen, wobei das Positionsfehlersignal (E) an die elektrischen Ventile (1, 2) rückgekoppelt wird.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie Niederspannungsoszillatormittel (22, 35) umfasst, die dazu geeignet sind, ein Signal zu erzeugen, das mit dem Stromfehlersignal verglichen werden kann, um die Elektromagneten (11, 12) anzutreiben.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen des Stroms der Elektromagneten einen Verstärker (28) mit einem kaskadierten Filter (29) umfassen.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (5a, 5b) einen Spannungsstabilisierungsoszillator (15) umfasst, der dazu geeignet ist, die Spannung über den Elektromagneten (11, 12) zu stabilisieren.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionswandler (7) einen Differentialtransformator (7) umfasst, der einen magnetischen Kern (10) hat und mit einem Fühler (8) verbunden ist, wobei der Fühler (8) dazu bestimmt ist, jederzeit mit dem Schieber (3) in Kontakt zu treten, um dessen Position zu erfassen.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Fenstervergleicher (8) für das Schieberpositionsfehlersignal (E) umfasst, um die Bewegung des Schiebers (3) innerhalb vorgegebenen Grenzen zu halten.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten Fenstervergleicher (57) für das Steuersignal enthält, das von den Fernsteuermitteln ausgeht, um den Spannungswert des Steuersignals innerhalb vorgegebener Werte zu halten.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schaltung zum Schutz gegen Stromversorgungsrauschen umfasst.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein elektrisches Ventil zum Verbinden der Vorrichtung mit dem Auslass hat, das dazu geeignet ist, die Vorrichtung auf ein von den Fenstervergleichern (8, 57) ausgegebenes Fehlersignal hin zu deaktivieren.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fernsteuermittel einen Bedienungshebel umfassen, der eine eigene elektronische Schaltung aufweist.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedienungshebel zur Bewegung entlang jeder der drei kartesischen Koordinatenachsen einen Polungsschalter (61) zur Bewegungsumkehr, ein Potentiometer (62) mit einer Ausgangsspannung, die proportional zur Bewegung des Betätigungshebels des Bedienungshebels ist, und einen Trimmer (63) zum Einstellen des Ausgangssteuersignals umfasst, um die maximale Durchflussrate der Druckleitung (P) der elektrischen Ventile (1, 2) zu begrenzen.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedienungshebel ferner einen Trimmer (64) zum Einstellen der Beschleunigungsrampe des Ausgangssteuersignals hat, um die Spannung zu verändern, die als Ausgangssignal für dieselbe Bewegung des Steuerhebels vorgesehen ist.
Elektrohydraulische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgegebene Steuersignal (RIF) des Bedienungshebels ein Differentialspannungssignal ist.