EP2602492A2 - Elektrohydraulische Steuereinrichtung - Google Patents

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EP2602492A2
EP2602492A2 EP12007409.1A EP12007409A EP2602492A2 EP 2602492 A2 EP2602492 A2 EP 2602492A2 EP 12007409 A EP12007409 A EP 12007409A EP 2602492 A2 EP2602492 A2 EP 2602492A2
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EP
European Patent Office
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pressure medium
control device
control
medium source
valve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12007409.1A
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English (en)
French (fr)
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EP2602492A3 (de
Inventor
Albert KÖCKEMANN
Hermann Mehling
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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    • F15B2211/6654—Flow rate control

Definitions

  • the invention relates to an electro-hydraulic control device according to the preamble of claim 1.
  • an electro-hydraulic control device which is designed as a "digital hydraulic", ie as a digital servo valve circuit.
  • a control device has a plurality of parallel and digitally switchable seat valves, by which an opening cross-section of the digital servo valve circuit is basically set in stages. It is also known to control such poppet valves pulsed, so that intermediate values between the open and the closed position can be realized over the time average.
  • the invention has for its object to provide an electro-hydraulic control device by which a speed control or position control with low device and control engineering effort is possible.
  • control of an actuator during the speed control takes place essentially via a variable-volume pressure medium source, while the positioning is carried out essentially via a digital hydraulic system.
  • an electrohydraulic control device has a valve arrangement, via which pressure medium connections of an actuator, for example a hydraulic cylinder or a hydraulic motor, can be connected to a pressure medium source or a tank.
  • This valve arrangement has a plurality of valves with switching characteristic, which are controlled pulsed via a controller.
  • the pressure medium source is designed variable in volume and the valve arrangement is designed such that at least two terminals of the actuator in each case a drain valve is associated. Via such a drain valve, a fluid connection between the relevant port and the tank is controlled.
  • the controller has a setpoint input to which a setpoint signal for a speed and / or a position of the actuator can be fed. Furthermore, the controller is associated with a position transducer for detecting a position of the actuator whose position signal is supplied to an input of the controller. This also has an output for specifying a pressure medium quantity to the pressure medium source, wherein the controller forms an actuating signal from the signal at the setpoint input and the position signal. This essentially corresponds to a speed specification of the hydraulic consumer / actuator.
  • the controller has a logic circuit which supplies at least one drain valve either a pulsed drive signal formed from the control signal or a predetermined drive signal and which supplies the pressure medium source with either a drive signal formed from the control signal or a predetermined drive signal.
  • the logic circuit is designed such that at least one drain valve, a predetermined drive signal is supplied and the pressure medium source, the drive signal formed from the control signal is supplied.
  • the logic circuit is adapted to supply the pressure medium source with a predetermined drive signal, while supplying at least one drain valve, formed from the control signal, preferably pulsed, drive signal.
  • the logic circuit is designed such that it supplies the pressure medium source with a predetermined drive signal, while supplying at least one inlet valve, a pulsed drive signal formed from the control signal.
  • each port of the actuator or the consumer is associated with an inlet valve which controls a fluid connection between this port and the pressure medium source.
  • Such a control device and such a method for driving a control device allow an adjustment of an actuator with a high dynamic and when switching to the control via the digital hydraulic exact positioning, the advantages of the above-mentioned prior art are combined and the disadvantages, ie a high noise during the speed control and a complicated position control over proportionally adjustable elements are overcome.
  • the acceleration and the speed control is carried out essentially by the control of the pressure medium source and the position control and possible braking operations of the actuator essentially by driving the valve assembly (digital hydraulic), which of course also mixed forms with control of the pressure medium source and simultaneous control of the digital hydraulic possible are.
  • valves of the valve assembly are preferably designed as switchable seat or slide valves, as for example in the WO 02/086324 A1 are described.
  • the valve assembly is arranged with a plurality of switching valves in a common valve housing.
  • the valves of the valve assembly behave ballistically, ie the valve piston opens in short pulses without reaching its upper end position and then falls back on the valve seat.
  • the valve piston reaches its upper end position and falls back after a short dwell time. This corresponds approximately to a pulse width modulation of the opening cross-section or of the averaged fluidic flow.
  • the valve may behave inversely ballistic, ie the piston then falls back only briefly in the direction of the seat during the switch-off time, but does not reach it anymore.
  • a ballistic operation is for example from the DE 102 24 689 A1 known, so that further explanations are dispensable.
  • the actuator is designed as a hydraulic cylinder with two pressure chambers, which are each connected via one of the inlet valves to the pressure medium source and one of the drain valves with a tank or a return.
  • the pressure medium source can be configured, for example, as a variable displacement pump or as a variable-speed fixed displacement pump.
  • the control of the valves of the valve assembly can be done after a pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the pulse width modulation can be carried out at a frequency which is 0.5 to 1.0 times the maximum switching frequency of the respective valve.
  • the pressure medium source is designed with a subordinate volume flow control loop or with a subordinate pressure control loop.
  • pressure transducers are used to detect the pressures at the actuator ports and at the pump outlet. The signals from these pressure transducers are reported to the corresponding actual value inputs of the controller.
  • the position of the actuator can be detected.
  • an electro-hydraulic control device 1 has a pressure medium source, in the present case a variable speed constant pump 2, the motor 4 is speed controlled via a speed controller 6 to regulate a pressure medium flow, so that a consumer, in the present case, a hydraulic cylinder 8 is movable at a predetermined speed , As long as this hydraulic cylinder 8 is moved at a constant speed, the pressure at the pressure connection of the pump can also be regulated via the speed regulator 6. That is, the pump 2 is pressure / flow regulated.
  • the control of the speed controller 6 via a controller, hereinafter referred to as motion controller 10, via the speed controller 6 according to the target values for the position s soll and / or velocity v soll of the hydraulic cylinder 8 or the pressure p to the pump is driven.
  • These setpoint values are calculated, for example, as a function of a speed preset, which is set, for example, via a joystick or the like.
  • a pressure medium volume flow requirement Q 5 is output by the motion controller 10 to the speed controller 6 as a setpoint and via this a corresponding speed of the motor 4 and thus a delivery volume flow of the pump 2 are adjusted.
  • the hydraulic cylinder 8 has a piston rod-side annular space 12 and a bottom-side annular space 14, which are connected via a dash-dotted line indicated valve assembly 16 to the pressure port of the pump 2 or a tank T.
  • the electro-hydraulic control device 1 is thus designed as an open circuit.
  • the valve assembly 16 may be combined in a single housing to form a structural unit.
  • Each pressure chamber 12, 14 is connected via a working line 18 or 20 with a working port A, B of the valve assembly 16, which in turn are in fluid communication with two line sections, which are referred to below as inlet 22 and outlet 24, wherein depending on the switching position of Valve assembly 16 of the "inlet 22" also as a drain and the "drain 24" can serve as an inlet accordingly.
  • inlet 22 also as a drain and the "drain 24" can serve as an inlet accordingly.
  • an inlet valve 26 is arranged, which is designed in the illustrated embodiment as a 2/2-way valve in slide construction. In principle, this switching valve can also be designed as a seat valve.
  • the inlet of the inlet valve 26 is then connected to a connected to the pressure port of the pump 2 pump line 29.
  • a branch of this pump line 28 is connected to the inlet of a further inlet valve 28, the output terminal is connected to a supply line 30, which opens into the drain 24.
  • the two valves 26, 28 are identical.
  • drain line 32 From the inlet 22 branches off downstream (in pressure build-up direction) from a drain line 32 which is connected to the input port of a further 2/2-way valve, which is referred to below as a drain valve 34. Its output terminal is connected to a tank line 36. A branch of this tank line 36 is connected to the output of another drain valve 38, whose input terminal is connected to the drain 24.
  • the two drain valves 34, 38 are designed as 2/2-way valves with switching characteristic. These switching valves can be actuated electrically or electro-hydraulically and are as shown in FIG FIG. 1 biased by a spring, not shown in the de-energized state in its locked position.
  • each pressure chamber 12, 14 is thus assigned an inlet valve 26, 28 and a drain valve 34, 38.
  • switching valves are switchable with high dynamics and designed for use with digital hydraulics. You can do this with a so-called "booster" valve amplifier for faster switching. Such valves are known from the prior art, so that further explanations are unnecessary.
  • the switching of the valves takes place via the motion controller 10, corresponding to the actual position s of a piston rod 40 of the hydraulic cylinder 8 and the desired desired position s soll a control signal Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 to the switching valves 26, 34, 28, 38 is delivered to their adjustment.
  • the control of these valves takes place after a pulse width modulation (longer switch-on pulses) or with smaller switch-on pulses such that the valve piston does not reach its upper end position (opening) (ballistic behavior).
  • the motion controller 10 is designed with a device for generating control pulses of variable duration, wherein this period of time is such that a thus actuated valve of the valve assembly from the closed position performs an opening stroke, but without reaching its complete switched open position falls back into the closed position or wherein the time duration of the control pulses is such that a thus actuated valve of the valve assembly from its fully open position performs a closing stroke, but is switched back to the open position without reaching the full closed position (inverse ballistic).
  • a third pressure sensor 44 serves to detect the pressure in the pump line 29.
  • the signal of these pressure sensors 41, 42, 44 is reported to the motion controller 10 via a corresponding signal line as actual values P, Pa and Pb.
  • the stroke s of the piston rod 40 is detected by a displacement transducer 46 and - as explained - reported as an actual position s to the motion controller 10.
  • the motion controller 10 has a logic circuit, not shown, via which, for example, from the target value for the position and / or the speed of the actuator and the position sensor detected via the position sensor 46, a control signal is formed, which then essentially the speed specification of the hydraulic cylinder 8 and whose piston rod 40 corresponds.
  • the pressure medium source is then driven in response to the control signal formed from the control signal or via a predetermined drive signal. For example, when approaching a desired position or when starting the consumer, the pressure medium source can be controlled in response to a predetermined Ansteursignal, while the respective drain or inlet valve is driven pulsed in response to a control signal formed from the control signal.
  • the pump 2 or an inlet or outlet valve is controlled to move the consumer at the predetermined speed or in the range of the predetermined position .
  • the respective other switching element pressure medium source or inlet / outlet valve is then driven according to a predetermined control signal.
  • the drain valve during the control of the pressure medium source can be completely opened, in reverse, the pressure medium source can be operated under pressure control pulsed control of the drain / inlet valve become.
  • the pressure medium source can be designed with a subordinate volume flow control loop and / or with a subordinate pressure control loop.
  • FIG. 2 above shows the desired stroke s of the piston rod 40 over time t. Accordingly, a comparatively short stroke s should be kept constant during a first time interval t 1 . Within a time interval t 1 -t 2 , the piston rod 40 should then be extended at a constant speed to a stroke s 2 and then held in this position.
  • valve assembly 16 is driven 16 with the respective active inlet valve 26 or 28 and the drain valve according lying in the effluent in each case 34 or 38 so as to adjust the position of the piston rod 40 to hold.
  • valve arrangement 16 digital hydraulic
  • the described pressure regulation of the pump 2 is active.
  • valves in the inlet and in the flow are completely controlled by the logic circuit and controlled by the motion controller 10, the flow rate of the pump 2, so that the piston rod 40 extends at the predetermined speed.
  • the pump 2 Upon reaching the desired position s 2 , the pump 2 is in turn switched to pressure control and the position / speed control of the piston rod via the digital hydraulic with the valve assembly 16 made. That is to move to the desired position s 2 and for holding the target position of the valves 26, 28, 34, 38 of the valve assembly are controlled by a pulse width modulation and / or after a ballistic behavior 16, so that the target position is maintained with great precision.
  • FIG. 1 is explained with the below-dash-dotted box a variant of the embodiment described above.
  • a variable displacement pump 2 is used instead of a variable speed pump 2, wherein the pressure / flow control via a pump regulator 48 takes place, for example, adjusts a pivot angle of a swash plate of an axial piston pump.
  • the motor 4 of this pump can be constant Speed can be operated. Even with such a variant can be based on FIG. 2 realize explained control behavior.
  • an electro-hydraulic control device and a method for controlling such an electro-hydraulic control device, wherein, for example, a speed control via a volume-adjustable pressure medium source and a position control via a digital hydraulic system.

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Abstract

Offenbart ist eine elektrohydraulische Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer derartigen elektrohydraulischen Steuereinrichtung, wobei beispielsweise eine Geschwindigkeitsregelung über eine mengenverstellbare Druckmittelquelle und eine Positionsregelung über eine Digitalhydraulik erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Steuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • In der WO 02/086 327 A1 ist eine elektrohydraulische Steuereinrichtung gezeigt, die als "Digitalhydraulik", d.h. als digitale Servoventil-Schaltung ausgeführt ist. Eine derartige Steuereinrichtung hat eine Vielzahl von parallel angeordneten und digital schaltbaren Sitzventilen, durch welche ein Öffnungsquerschnitt der digitalen Servoventil-Schaltung prinzipbedingt in Stufen eingestellt wird. Bekannt ist es auch, derartige Sitzventile gepulst anzusteuern, so dass im zeitlichen Mittel Zwischenwerte zwischen der Offen- und der Geschlossen-Stellung realisierbar sind.
  • Anstelle einer derartigen Digitalhydraulik werden üblicher Weise Proportionalventile verwendet, die von einem Regler angesteuert werden, um ein Stellglied, beispielsweise einen Hydrozylinder zu bewegen. Derartige Proportionalventile sind geeignet, um das Stellglied stufenlos zu beschleunigen oder zu bremsen, so dass eine dynamische Geschwindigkeitsverstellung des Stellglieds ermöglicht wird. Zur Feinpositionierung des Stellglieds ist allerdings bei Lösungen mit proportional verstellbaren Ventilen ein erheblicher vorrichtungs- und regelungstechnischer Aufwand erforderlich.
  • Dieser Nachteil kann zwar mit der eingangs genannten Digital-Hydraulik überwunden werden, problematisch dabei ist allerdings, dass die Regelung über eine Digitalhydraulik bei Stellgliedern mit unterschiedlichen Ölvolumina, beispielsweise bei einem Differentialzylinder, ebenfalls einen hohen Aufwand erfordert, um eine Verstellung mit der erforderlichen Dynamik zu bewirken. Ein weiterer Nachteil der Digitalhydraulik besteht in der Geräuschentwicklung der gepulsten Schaltventile und dem damit einhergehenden Verschleiß dieser Bauelemente.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrohydraulische Steuereinrichtung zu schaffen, durch das eine Geschwindigkeitsregelung oder eine Positionsregelung mit geringem vorrichtungs- und regelungstechnischen Aufwand ermöglicht ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine elektrohydraulische Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept erfolgt die Ansteuerung eines Stellgliedes während der Geschwindigkeitsregelung im wesentlichen über eine mengenverstellbare Druckmittelquelle, während die Positionierung im wesentlichen über eine Digitalhydraulik vorgenommen wird.
  • Konkret hat eine erfindungsgemäße elektrohydraulische Steuereinrichtung eine Ventilanordnung, über die Druckmittelanschlüsse eines Stellgliedes, beispielsweise eines Hydrozylinders oder eines Hydromotors mit einer Druckmittelquelle bzw. einem Tank verbindbar sind. Diese Ventilanordnung hat eine Vielzahl von Ventilen mit Schaltcharakteristik, die über einen Regler gepulst ansteuerbar sind. Nach dem erfindungsgemäßen Konzept ist die Druckmittelquelle mengenverstellbar ausgeführt und die Ventilanordnung ist derart ausgebildet, dass zumindest zwei Anschlüssen des Stellgliedes jeweils ein Ablaufventil zugeordnet ist. Über ein derartiges Ablaufventil wird eine Fluidverbindung zwischen dem betreffenden Anschluss und dem Tank gesteuert.
  • Erfindungsgemäß hat der Regler einen Sollwerteingang, dem ein Sollwertsignal für eine Geschwindigkeit und/oder eine Position des Stellglieds zuführbar ist. Des Weiteren ist dem Regler ein Wegaufnehmer zur Erfassung einer Position des Stellglieds zugeordnet, dessen Positionssignal einem Eingang des Reglers zugeführt ist. Dieser hat des Weiteren einen Ausgang zur Vorgabe einer Druckmittelmenge an die Druckmittelquelle, wobei der Regler aus dem Signal am Sollwerteingang und dem Positionssignal ein Stellsignal bildet. Dieses entspricht im Wesentlichen einer Geschwindigkeitsvorgabe des hydraulischen Verbrauchers/Stellglieds.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Konzept weist der Regler eine Logikschaltung auf, die zumindest einem Ablaufventil entweder ein aus dem Stellsignal gebildetes gepulstes Ansteuersignal oder ein vorgegebenes Ansteuersignal zuführt und die der Druckmittelquelle entweder ein aus dem Stellsignal gebildetes Ansteuersignal oder ein vorgegebenes Ansteuersignal zuführt. Durch diese Schaltung wird es beispielsweise möglich, das Stellglied zunächst durch geeignete Ansteuerung der Druckmittelquelle mit der vorgegebenen Geschwindigkeit zu verfahren und dann bei Annäherung an die vorgegebene Sollposition über die Logikschaltung derart umzusteuern, dass das Ablaufventil über das vorgegebene Ansteuersignal gepulst angesteuert wird.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, die Logikschaltung derart auszuführen, dass zumindest einem Ablaufventil ein vorgegebenes Ansteuersignal zugeführt wird und der Druckmittelquelle das aus dem Stellsignal gebildete Ansteuersignal zuführbar ist.
  • Bei einer alternativen Lösung ist die Logikschaltung dazu eingerichtet, der Druckmittelquelle ein vorgegebenes Ansteuersignal zuzuführen, während sie zumindest einem Ablaufventil ein aus dem Stellsignal gebildetes, vorzugsweise gepulstes, Ansteuersignal zuführt.
  • Bei einer weiteren Alternative ist vorgesehen, dass die Logikschaltung derart ausgeführt ist, dass sie der Druckmittelquelle ein vorgegebenes Ansteuersignal zuführt, während sie zumindest einem Zulaufventil ein aus dem Stellsignal gebildetes gepulstes Ansteuersignal zuführt.
  • Bei einer vorteilhaften Variante der Steuereinrichtung ist vorgesehen, dass jedem Anschluss des Stellglieds oder des Verbrauchers ein Zulaufventil zugeordnet ist, das eine Fluidverbindung zwischen diesem Anschluss und der Druckmittelquelle steuert.
  • Eine derartige Steuereinrichtung und ein derartiges Verfahren zum Ansteuern einer Steuereinrichtung ermöglichen eine Verstellung eines Stellgliedes mit einer hohen Dynamik und bei Umschalten auf die Regelung über die Digitalhydraulik eine exakte Lagepositionierung, wobei die Vorteile des eingangs genannten Standes der Technik kombiniert sind und die Nachteile, d.h. eine hohe Geräuschentwicklung während der Geschwindigkeitsregelung und eine aufwendige Positionsregelung über proportional verstellbare Elemente überwunden sind.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Beschleunigungs- und die Geschwindigkeitsregelung im Wesentlichen durch die Ansteuerung der Druckmittelquelle und die Positionsregelung und eventuelle Bremsvorgänge des Stellgliedes im Wesentlichen durch Ansteuerung der Ventilanordnung (Digitalhydraulik), wobei selbstverständlich auch Mischformen mit Ansteuerung der Druckmittelquelle und gleichzeitiger Ansteuerung der Digitalhydraulik möglich sind.
  • Die Ventile der Ventilanordnung sind vorzugsweise als schaltbare Sitz- oder Schieberventile ausgebildet, wie sie beispielsweise in der WO 02/086324 A1 beschrieben sind.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Ventilanordnung mit einer Vielzahl von Schaltventilen in einem gemeinsamen Ventilgehäuse angeordnet.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verhalten sich die Ventile der Ventilanordnung ballistisch, d.h. deren Ventilkolben öffnet in kurzen Pulsen ohne seine obere Endlage zu erreichen und fällt dann auf den Ventilsitz zurück. Bei längeren Einschaltimpulsen erreicht der Ventilkolben seine obere Endlage und fällt nach kurzer Verweildauer zurück. Dies entspricht in etwa einer Pulsweitenmodulation des Öffnungsquerschnittes bzw. des gemittelten fluidischen Durchflusses. Bei noch längeren Einschaltdauern kann sich das Ventil invers ballistisch verhalten, d.h. der Kolben fällt dann während der Abschaltzeit nur noch kurz in Richtung Sitz zurück, erreicht diesen aber nicht mehr. Ein derartiger ballistischer Betrieb ist beispielsweise aus der DE 102 24 689 A1 bekannt, so dass diesbezügliche weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
  • Bei einer Variante der Erfindung ist das Stellglied als Hydraulikzylinder mit zwei Druckräumen ausgeführt, die jeweils über eines der Zulaufventile mit der Druckmittelquelle und eines der Ablaufventile mit einem Tank oder einem Rücklauf verbunden sind.
  • Die Druckmittelquelle kann beispielsweise als Verstellpumpe oder als drehzahlvariable Konstantpumpe ausgeführt sein.
  • Die Ansteuerung der Ventile der Ventilanordnung kann nach einer Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgen. Die Pulsweitenmodulation kann dabei mit einer Frequenz erfolgen, die um das 0,5 - 1,0 fache der maximalen Schaltfrequenz des jeweiligen Ventils liegt.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Druckmittelquelle mit einem unterlagerten Volumenstromregelkreis oder mit einem unterlagerten Druckregelkreis ausgeführt.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Druckaufnehmer verwendet, um die Drücke an den Anschlüssen des Stellgliedes und am Ausgang der Pumpe zu erfassen. Die Signale dieser Druckaufnehmer werden an entsprechende Istwerteingänge des Reglers gemeldet.
  • Über einen Wegaufnehmer kann die Position des Stellglieds erfasst werden.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1 ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung und einer Variante einer derartigen Steuereinrichtung und
    • Figur 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Regelungskonzeptes.
  • Gemäß der Darstellung in Figur 1 hat eine erfindungsgemäße elektrohydraulische Steuereinrichtung 1 eine Druckmittelquelle, im vorliegenden Fall eine drehzahlgeregelte Konstantpumpe 2, deren Motor 4 über einen Drehzahlregler 6 drehzahlgeregelt ist, um einen Druckmittelvolumenstrom zu regeln, so dass ein Verbraucher, im vorliegenden Fall ein Hydrozylinder 8 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit verfahrbar ist. Solange dieser Hydrozylinder 8 mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, kann über den Drehzahlregler 6 auch der Druck am Druckanschluss der Pumpe geregelt werden. D.h. die Pumpe 2 ist druck-/förderstromgeregelt.
  • Die Ansteuerung des Drehzahlreglers 6 erfolgt über einen Regler, im Folgenden Motion Controller 10 genannt, über den der Drehzahlregler 6 nach den Sollwerten für die Position ssoll und/oder die Geschwindigkeit vsoll des Hydrozylinders 8 oder den Druck psoll der Pumpe angesteuert wird. Diese Sollwerte werden beispielsweise in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeitsvorgabe berechnet, die beispielsweise über einen Joystick oder dergleichen eingestellt wird.
  • Entsprechend dieser Sollwerte wird ein Druckmittelvolumenstrombedarf Q5 vom Motion Controller 10 an den Drehzahlregler 6 als Sollwert abgegeben und über diesen eine entsprechende Drehzahl des Motors 4 und damit eines Fördervolumenstroms der Pumpe 2 eingeregelt.
  • Der Hydrozylinder 8 hat einen kolbenstangenseitigen Ringraum 12 und einen bodenseitigen Ringraum 14, die über eine strichpunktiert angedeutete Ventilanordnung 16 mit dem Druckanschluss der Pumpe 2 oder einem Tank T verbindbar sind. Die elektrohydraulische Steuereinrichtung 1 ist somit als offener Kreislauf ausgeführt. Die Ventilanordnung 16 kann in einem einzigen Gehäuse zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sein.
  • Jeder Druckraum 12, 14 ist über eine Arbeitsleitung 18 bzw. 20 mit einem Arbeitsanschluss A, B der Ventilanordnung 16 verbunden, die ihrerseits in Druckmittelverbindung mit zwei Leitungsabschnitten stehen, die im Folgenden als Zulauf 22 und Ablauf 24 bezeichnet werden, wobei je nach Schaltposition der Ventilanordnung 16 der "Zulauf 22" auch als Ablauf und der "Ablauf 24" entsprechend als Zulauf dienen kann. Im Zulauf 22 ist ein Zulaufventil 26 angeordnet, das beim dargestellten Ausführungsbeispiel als 2/2-Schaltventil in Schieberbauweise ausgeführt ist. Prinzipiell kann dieses Schaltventil auch als Sitzventil ausgeführt sein.
  • Der Eingang des Zulaufventils 26 ist dann an eine mit dem Druckanschluss der Pumpe 2 angeschlossene Pumpenleitung 29 angeschlossen. Ein Zweig dieser Pumpenleitung 28 ist an den Eingang eines weiteren Zulaufventils 28 angeschlossen, dessen Ausgangsanschluss an eine Zulaufleitung 30 angeschlossen ist, die in den Ablauf 24 einmündet. Die beiden Ventile 26, 28 sind baugleich.
  • Von dem Zulauf 22 zweigt stromabwärts (in Druckaufbaurichtung) eine Ablaufleitung 32 ab, die an den Eingangsanschluss eines weiteren 2/2-Wegeventils angeschlossen ist, das im Folgenden als Ablaufventil 34 bezeichnet ist. Dessen Ausgangsanschluss ist an eine Tankleitung 36 angeschlossen. Eine Verzweigung dieser Tankleitung 36 ist mit dem Ausgang eines weiteren Ablaufventils 38 verbunden, dessen Eingangsanschluss an den Ablauf 24 angeschlossen ist.
  • Auch die beiden Ablaufventile 34, 38 sind als 2/2-Wegeventile mit Schaltcharakteristik ausgeführt. Diese Schaltventile können elektrisch oder elektrohydraulisch betätigt sein und sind gemäß der Darstellung in Figur 1 über eine nicht dargestellte Feder im unbestromten Zustand in ihre Sperrposition vorgespannt.
  • Gemäß den obigen Ausführungen sind somit jedem Druckraum 12, 14 ein Zulaufventil 26, 28 und ein Ablaufventil 34, 38 zugeordnet.
  • Diese Schaltventile sind mit hoher Dynamik schaltbar und für den Gebrauch bei einer Digitalhydraulik ausgelegt. Sie können dabei mit einem so genannten "Booster"-Ventilverstärker zum schnelleren Schalten ausgeführt sein. Derartige Ventile sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind. Das Umschalten der Ventile erfolgt über den Motion Controller 10, wobei entsprechend der Ist-Position s einer Kolbenstange 40 des Hydrozylinders 8 und der gewünschten Sollposition ssoll ein Steuersignal Q1, Q2, Q3, Q4 an die Schaltventile 26, 34, 28, 38 zu deren Verstellung abgegeben wird. Die Ansteuerung dieser Ventile erfolgt nach einer Pulsweitenmodulation (längere Einschaltimpulse) oder bei kleineren Einschaltimpulsen derart, dass der Ventilkolben seine obere Endlage (Öffnung) nicht erreicht (ballistisches Verhalten). Zur Realisierung eines derartigen ballistischen Verhaltens ist der Motion Controller 10 mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Steuerpulsen mit veränderlicher Zeitdauer ausgeführt, wobei diese Zeitdauer so bemessen ist, dass ein damit angesteuertes Ventil der Ventilanordnung aus der geschlossenen Stellung einen Öffnungshub durchführt, aber ohne Erreichen seiner vollständig geschalteten Offenstellung in die geschlossene Stellung zurückfällt oder wobei die Zeitdauer der Steuerpulse so bemessen ist, dass ein damit angesteuertes Ventil der Ventilanordnung aus seiner vollständig geschalteten Offenstellung einen Schließhub durchführt, aber ohne Erreichen der vollständigen Schließstellung in die Offenstellung zurückgeschaltet wird (inversballistisch).
  • Über zwei Druckaufnehmer 41, 42 wird der Druck in den Arbeitsleitungen 18, 20 erfasst. Ein dritter Druckaufnehmer 44 dient zur Erfassung des Drucks in der Pumpenleitung 29.
  • Das Signal dieser Druckaufnehmer 41, 42, 44 wird über eine entsprechende Signalleitung als lstwert P, Pa und Pb an den Motion Controller 10 gemeldet.
  • Der Hub s der Kolbenstange 40 wird über einen Wegaufnehmer 46 erfasst und - wie erläutert - als Ist-Position s an den Motion Controller 10 gemeldet.
  • Der Motion Controler 10 hat eine nicht dargestellte Logikschaltung, über die beispielsweise aus dem Sollwert für die Position und/oder die Geschwindigkeit des Stellglieds und dem über den Wegaufnehmer 46 erfassten Positionssignal ein Stellsignal gebildet wird, welches dann im Wesentlichen der Geschwindigkeitsvorgabe des Hydrozylinders 8 bzw. dessen Kolbenstange 40 entspricht. Die Druckmittelquelle wird dann in Abhängigkeit von dem aus dem Stellsignal gebildeten Ansteuersignal oder über ein vorgegebenes Ansteuersignal angesteuert. Beispielsweise bei Annäherung an eine Sollposition oder beim Anfahren des Verbrauchers kann die Druckmittelquelle in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Ansteursignal angesteuert werden, während das jeweilige Ablauf- oder Zulaufventil gepulst in Abhängigkeit von einem aus dem Stellsignal gebildeten Ansteuersignal angesteuert wird. Mit einfachen Worten gesagt, über die Logikschaltung wird in Abhängigkeit vom Bewegungszustand oder der Position des jeweiligen hydraulischen Verbrauchers entschieden, ob die Pumpe 2 oder ein Zulauf- oder Ablaufventil angesteuert wird, um den Verbraucher mit der vorgegebenen Geschwindigkeit oder im Bereich der vorgegebenen Position zu bewegen. Das jeweils andere Schaltelement (Druckmittelquelle oder Zulauf-/Ablaufventil wird dann nach einem vorbestimmten Ansteuersignal angesteuert. So kann beispielsweise das Ablaufventil während der Regelung der Druckmittelquelle vollständig aufgesteuert sein, in umgekehrter Weise kann die Druckmittelquelle während der gepulsten Ansteuerung des Ablauf-/Zulaufventils druckgeregelt betrieben werden.
  • Die Druckmittelquelle kann mit einem unterlagerten Volumenstromregelkreis und/oder mit einem unterlagerten Druckregelkreis ausgeführt sein.
  • Das erfindungsgemäße Regelungskonzept wird anhand des Schaubildes in Figur 2 erläutert.
  • Figur 2 oben zeigt den gewünschten Hub s der Kolbenstange 40 über der Zeit t. Demgemäß soll während eines ersten Zeitintervalls t1 ein vergleichsweise geringer Hub s konstant gehalten werden. Innerhalb eines Zeitintervalls t1-t2 soll die Kolbenstange 40 dann mit konstanter Geschwindigkeit auf einen Hub s2 ausgefahren werden und dann in dieser Position gehalten werden.
  • In den beiden unterhalb dieser Hubkurve liegenden Diagrammen ist das Regelverhalten der Ventilanordnung 16 und darunter das Regelverhalten der Pumpe 2 dargestellt.
  • Demgemäß wird zum Halten des ersten Hubs s1 im Zeitintervall t1 über die Logikschaltung des Motion Controllers 10 die Ventilanordnung 16 mit dem jeweils aktiven Zulaufventil 26 oder 28 und dem jeweils entsprechend im Ablauf liegenden Ablaufventil 34 oder 38 so angesteuert, um die Position der Kolbenstange 40 zu halten. Während dieser Positionsregelung über die Ventilanordnung 16 (Digitalhydraulik) ist die beschriebene Druckregelung der Pumpe 2 aktiv.
  • Zum Ausfahren der Kolbenstange 40 auf den Hub s2 werden über die Logikschaltung die Ventile im Zulauf und im Ablauf vollständig aufgesteuert und über den Motion Controller 10 der Förderstrom der Pumpe 2 geregelt, so dass die Kolbenstange 40 mit der vorbestimmten Geschwindigkeit ausfährt.
  • Bei Erreichen der Sollposition s2 wird die Pumpe 2 wiederum auf Druckregelung umgeschaltet und die Positions-/Geschwindigkeitsregelung der Kolbenstange über die Digitalhydraulik mit der Ventilanordnung 16 vorgenommen. D.h. zum Anfahren der Sollposition s2 und zum Halten dieser Sollposition werden die Ventile 26, 28, 34, 38 der Ventilanordnung 16 nach einer Pulsweitenmodulation und/oder nach einem ballistischen Verhalten angesteuert, so dass die Sollposition mit großer Präzision gehalten wird.
  • In Figur 1 ist mit dem unten eingefügten strichpunktierten Kasten eine Variante des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei wird anstelle einer drehzahlgeregelten Pumpe 2 eine Verstellpumpe 2 verwendet, wobei die Druck-/Förderstromregelung über einen Pumpenregler 48 erfolgt, der beispielsweise einen Schwenkwinkel einer Schwenkscheibe einer Axialkolbenpumpe verstellt. Der Motor 4 dieser Pumpe kann dabei mit konstanter Drehzahl betrieben werden. Auch mit einer derartigen Variante lässt sich das anhand Figur 2 erläuterte Regelungsverhalten realisieren.
  • Offenbart ist eine elektrohydraulische Steuereinrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer derartigen elektrohydraulischen Steuereinrichtung, wobei beispielsweise eine Geschwindigkeitsregelung über eine mengenverstellbare Druckmittelquelle und eine Positionsregelung über eine Digitalhydraulik erfolgt.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Steuereinrichtung
    2
    Pumpe
    4
    Motor
    6
    Drehzahlregler
    8
    Hydrozylinder
    10
    Motion Controller
    12
    Ringraum
    14
    Druckraum
    16
    Ventilanordnung
    18
    Arbeitsleitung
    20
    Arbeitsleitung
    22
    Zulauf
    24
    Ablauf
    26
    Zulaufventil
    28
    Zulaufventil
    29
    Pumpenleitung
    30
    Zulaufleitung
    32
    Ablaufleitung
    34
    Ablaufventil
    36
    Tankleitung
    38
    Ablaufventil
    40
    Kolbenstange
    41
    Druckaufnehmer
    42
    Druckaufnehmer
    44
    Druckaufnehmer
    46
    Wegaufnehmer
    48
    Pumpenregler

Claims (15)

  1. Elektrohydraulische Steuereinrichtung zur Betätigung eines Stellglieds eines hydraulischen Verbrauchers mit mehreren Druckmittelanschlüssen, die über eine Ventilanordnung (16) mit einer Druckmittelquelle beziehungsweise einem Tank (T) verbindbar sind, wobei die Ventilanordnung (16) Ventile mit Schaltcharakteristik aufweist, die über einen Regler gepulst angesteuert sind, wobei die Druckmittelquelle mengenverstellbar ausgeführt ist, und wobei die Ventilanordnung (16) derart ausgebildet ist, dass jedem Anschluss zumindest ein Ablaufventil (34, 38) zugeordnet ist, das eine Fluidverbindung zwischen diesem Anschluss und dem Tank steuert, wobei der Regler mit einem Sollwerteingang für die Geschwindigkeit und/oder die Position des Stellgliedes ausgeführt ist, wobei ein Wegaufnehmer (46) zur Erfassung der Position des Stellgliedes vorgesehen ist, dessen Positionssignal an einem Eingang des Reglers anliegt, der einen Ausgang zur Vorgabe einer Druckmittelmenge an die Druckmittelquelle hat, und wobei der Regler aus dem Signal am Sollwerteingang und dem Positionssignal ein Stellsignal bildet, welches im wesentlichen einer Geschwindigkeitsvorgabe des hydraulischen Verbrauchers entspricht, wobei der Regler eine Logikschaltung aufweist, die zumindest einem Ablaufventil (34, 38) entweder ein aus dem Stellsignal gebildetes gepulstes Ansteuersignal oder ein vorgegebenes Ansteuersignal zuführt, und die der Druckmittelquelle entweder ein aus dem Stellsignal gebildetes Ansteuersignal oder ein vorgegebenes Ansteuersignal zuführt.
  2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Logikschaltung dazu eingerichtet ist, zumindest einem Ablaufventil (34, 38) ein vorgegebenes Ansteuersignal zuzuführen, während sie der Druckmittelquelle das aus dem Stellsignal gebildete Ansteuersignal zuführt.
  3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Logikschaltung dazu eingerichtet ist, der Druckmittelquelle ein vorgegebenes Ansteuersignal zuzuführen, während sie zumindest einem Ablaufventil ein aus dem Stellsignal gebildetes gepulstes Ansteuersignal zuführt.
  4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Logikschaltung dazu eingerichtet ist, der Druckmittelquelle ein vorgegebenes Ansteuersignal zuzuführen, während sie zumindest einem Zulaufventil ein aus dem Stellsignal gebildetes gepulstes Ansteuersignal zuführt.
  5. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventilanodnung derart ausgebildet ist, dass jedem Anschluss ein Zulaufventil zugeordnet ist, das eine Fluidverbindung zwischen diesem Anschluss und der Druckmittelquelle steuert.
  6. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsregelung sowie ggf. eine Druckregelung im Wesentlichen durch Ansteuerung der Druckmittelquelle und die Positionsregelung und Bremsvorgänge im Wesentlichen durch Ansteuerung der Ventilanordnung (16) geregelt sind.
  7. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventile der Ventilanordnung (16) Sitz- oder Schieberventile sind.
  8. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventilanordnung in einem gemeinsamen Ventilgehäuse angeordnet ist.
  9. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerung der Ventile der Ventilanordnung (16) nach einer Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgt.
  10. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Ventile der Ventilanordnung (16) ballistisch ansteuerbar sind.
  11. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stellglied ein Hydrozylinder (8) mit zwei Druckräumen (12, 14) ist, die jeweils über eines der Zulaufventile (26, 28) mit der Druckmittelquelle und eines der Ablaufventile (34, 38) mit dem Tank (T) verbindbar sind.
  12. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckmittelquelle als Verstellpumpe (2) oder als drehzahlvariable Konstantpumpe (2) ausgeführt ist.
  13. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Druckaufnehmern (41, 42, 44) zum Erfassen des Drucks am Ausgang der Druckmittelquelle bzw. an dem Stellglied.
  14. Steuereinrichtung nach Anspruch 13, wobei die Druckmittelquelle volumenstrom- und druckgeregelt ist.
  15. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckmittelquelle einen unterlagerten Volumenstromregelkreis aufweist und/oder einen unterlagerten Druckregelkreis aufweist.
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