DE10012409A1 - Einrichtung zur Steuerung eines hydraulischen Aktuators - Google Patents

Abstract

Bei einer Einrichtung zur Steuerung eines hydraulischen Aktuators mit einem elektrisch betätigten Ventil, das den Druckmittelfluß zu und von dem Aktuator steuert, ist ein Regler für die Position des Ventilkolbens in das Gehäuse des Ventils integriert oder an diesem in einem eigenen Gehäuse angeordnet. Um in eine derartige Einrichtung zusätzlich Achsfunktionalität zu integrieren, ist ein zweiter, für die Regelung des Drucks oder der Menge des im Aktuator zugeführten Druckmittels vorgesehener Regler im demselben Gehäuse wie der Regler für die Position des Ventilkolbens angeordnet. Derartige Einrichtungen werden beispielsweise in Werkzeugmaschinen eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung eines hydraulischen Aktuators mit einem elektrisch betätigten Ven­ til, das den Druckmittelfluß zu und von dem Aktuator steuert, mit einem in das Gehäuse des Ventils integrierten oder an diesem in einem eigenen Gehäuse gehaltenen Regler für die Position des Ventilkolbens.

Ein derartige Einrichtung mit einem elektrisch betätigten hydraulischen Ventil ist aus der DE 195 30 935 C2 bekannt. Ein Wegaufnehmer für die Position des Ventilkolbens formt die Position des Ventilkolbens in ein elektrisches Signal um, das einem Positionsregler als Istwert zugeführt ist. Der Regler für die Position des Ventilkolbens ist in einem eigenen Gehäuse angeordnet, das an dem Gehäuse des Ventils gehalten ist. Der Regler sorgt dafür, daß der Ventilkolben einem Positions-Sollwert folgt, der dem Regler als elektri­ sche Eingangsgröße, z. B. in Form einer Spannung, zugeführt ist. Die Position des Ventilkolbens bestimmt die Größe des Durchlaßquerschnitts des Ventils. Die Position des Ventil­ kolbens ist daher ein Maß für den Durchlaßquerschnitt des Ventils. Mit derartigen Ventilen wird der Druckmittelfluß zu und von einem Aktuator, z. B. einem hydraulischen Zylinder, gesteuert. Für die Steuerung der Bewegung des Aktuators wird der Druck des dem Aktuator zugeführten Druckmittels erfaßt, in eine elektrisch Größe umgeformt und diese in getrennt von dem Ventil angeordneten Steuerschaltungen unter Berücksichtigung von Vorgaben einer übergeordneten Steuerung zu einem Sollwert für den in das Ventil integrierten Regler für die Position des Ventilkolbens verknüpft. Eine Prüfung der Funktionsfähigkeit ist bei derartigen Anordnungen erst nach der Montage der einzelnen für den Betrieb des Aktuators erforderlichen Komponenten möglich. Derartige Einrichtungen werden z. B. in Werkzeugmaschinen eingebaut. Erfolgt der Einbau bei dem Maschinenhersteller, sind - um Fehlschaltungen zu vermeiden - Arbeitskräfte mit speziellen Kenntnissen auf dem Gebiet des Einsatzes hydraulischer Komponenten erforder­ lich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, in die zusätzlich Achsfunktionalität integriert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die Erfindung ermöglicht die Auslieferung von bereits vorgeprüften Einheiten, an die beim Einbau nur noch die hydraulischen und elektrischen Versorgungsleitungen anzuschließen sind und die über Signalleitungen mit einer übergeordneten Steuerung zu verbinden sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet. Durch die Anordnung von Drucksen­ soren im Bereich der Ausgangsanschlüsse des Ventils, also im Bereich der Anschlüsse, über die die Verbindung des Ventils mit dem Aktuator erfolgt, ist in Verbindung mit dem zusätz­ lich zu dem Regler für die Position des Ventilkolbens vorge­ sehenen Regler eine Druck und/oder Mengenregelung des dem Aktuator zugeführten Druckmittels möglich. Die Menge des dem Aktuator zugeführten Druckmittels wird dabei in vorteilhafter Weise aus den Drücken im Bereich der Ausgangsanschlüssse und aus der Position des Ventilkolbens, die ein Maß für den Durchlaßquerschnitt ist, ermittelt. Eine hierfür vorgesehene Rechenschaltung ist vorteilhafterweise in demselben Gehäuse wie der Regler für die Position des Ventilkolbens angeordnet. Bei einer Regelung von Druck und Menge des dem Aktuator zuge­ führten Druckmittels ist die jeweils kleinere der Stellgrößen für Druck und Menge dem Regler für die Position des Ventil­ kolbens als Sollwert zugeführt. Die hierfür vorgesehene Mini­ malwertauswahlschaltung ist ebenfalls in demselben Gehäuse wie der Regler für die Position des Ventilkolbens angeordnet. Anstelle der Stellgröße eines Reglers für die Menge des dem Aktuator zugeführten Druckmittels kann der Minimalwertaus­ wahlschaltung auch eine entsprechende externe Stellgröße zugeführt werden. Die Ausbildung des Reglers für die Position des Ventilkolbens als analoger Regler ermöglicht eine schnelle Regelung der Position des Ventilkolbens. Die Aus­ bildung der weiteren, übergeordneten Regler als digitale Regler erlaubt auf einfache Weise, die Parameter der Regler durch digitale Steuersignale einzustellen. Dabei können die Funktionen von mehreren Reglern durch einen Mikroprozessor realisiert werden. Die Verwendung digitaler Regler ermöglicht eine einfache Verstellung der Parameter durch externe Steuer­ signale einer übergeordneten Steuerung, z. B. einer Maschi­ nensteuerung. Werden die Steuersignale über ein Feldbussystem zugeführt, ist nur wenig Aufwand für die Verkabelung zwischen der übergeordneten Steuerung und dem hydraulischen Ventil erforderlich. Eine Aufteilung der elektrischen Bauteile des analogen Reglers für die Position des Ventilkolbens auf eine erste Platine und der Bauteile der weiteren Regler sowie der Bauteile für die Busankopplung auf eine zweite Platine er­ laubt eine einfache Anpassung der Elektronik an unterschied­ liche Aufgaben, da nur die zweite Platine entsprechend der speziellen Aufgabe auszuwählen ist.

Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzel­ heiten anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Ansicht eines hydraulischen Ventils mit einem an diesem gehaltenen Gehäuse zur Aufnahme einer elektrischen Schaltung in teilweise geschnittener Darstellung und

Fig. 2 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Steuerung eines hydraulischen Aktuators mit einem an die Einrichtung ange­ schlossenen Aktuator.

Die Fig. 1 zeigt die Ansicht einer Einrichtung 10 zur Steue­ rung eines hydraulischen Aktuators. An einem hydraulischen Ventil 11 ist ein Gehäuse 12 gehalten. Das Ventil 11 ist von der Seite gesehen dargestellt. Das Ventil 11 steuert den Druckmittelfluß von einer Pumpe zu einem hydraulischen Aktuator und von diesem zurück zu einem Tank. In dem Aus­ führungsbeispiel ist der Aktuator ein hydraulischer Zylinder, der in der Fig. 2 als Gleichgangzylinder 13 dargestellt ist. Als Aktuator kann aber auch ein Differentialzylinder oder ein Hydromotor dienen. Die hydraulischen Anschlüsse des Ventils 11 sind mit P für den Pumpenanschluß, mit T für den Tankan­ schluß sowie mit A und B für die Anschlüsse des Gleichgang­ zylinders 13 bezeichnet. In das Gehäuse 12 ragt ein Wegauf­ nehmer 14 für die Position x des Ventilkolbens. Der Wegauf­ nehmer 14 formt die Position x des Ventilkolbens in ein elek­ trisches Signal xi um, das einem in der Fig. 2 dargestellten Regler 15 als Istwert zugeführt ist. Die Bauteile des Reglers 15 sind auf einer ersten Platine 16 angeordnet, die in dem Gehäuse 12 gehalten ist. Weitere Bauteile sind auf einer zweiten Platine 17 angeordnet, die über Steckverbindungen 18 und 19 an der ersten Platine 16 mechanisch gehalten ist. Die Steckverbindungen 18 und 19 dienen sowohl zur elektrischen Verbindung der Platine 16 mit der Platine 17 als auch zur mechanischen Verbindung der Platinen 16 und 17. Diese Maß­ nahme erlaubt eine einfache Anpassung der erfindungsgemäßen Einrichtung 10 an unterschiedliche Aufgaben durch einen Austausch der Platine 17.

Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der in der Fig. 1 dargestellten Einrichtung 10 zur Steuerung des Gleichgang­ zylinders 13. Dabei sind für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1 verwendet. Dem Regler 15 für die Position x des Ventilkolbens des Ventils 11 sind das Aus­ gangssignal xi des Wegaufnehmers 14 als Istwert und ein Soll­ wert xs als Eingangssignale zugeführt. Die Endstufe des Reglers 15 führt den Spulen 11a und 11b des Ventils 11 die Ströme ia bzw. ib zu, die als Stellgröße dienen und den Ventilkolben entsprechend der Regelabweichung und dem Über­ tragungsverhalten des Reglers 15 derart auslenken, daß der Ventilkolben die durch das Signal xs vorgegebene Position einnimmt. Die Anschlüsse A und B des Ventils 11 sind über hydraulische Leitungen 21 bzw. 22 mit dem Gleichgangzylinder 13 verbunden. Ein Drucksensor 23 erfaßt den Druck im Bereich des Anschlusses A des Ventils 11 und führt einer Rechenschal­ tung 25 ein diesem Druck entsprechendes Signal pA zu. Ein weiterer Drucksensor 24 erfaßt den Druck im Bereich des Anschlusses B des Ventils 11 und führt der Rechenschaltung 25 ein diesem Druck entsprechendes Signal pB zu. Die Drucksen­ soren 23 und 24 sind Bestandteile der Einrichtung 10. Zusätz­ lich zu den Signalen pA und pB ist der Rechenschaltung 25 der Istwert xi der Position des Ventilkolbens zugeführt. Die Rechenschaltung 25 bildet aus der gewichteten Druckdifferenz der Signale pA und pB einen Druck-Istwert pi. Der Druck-Ist­ wert pi ist zusammen mit einem Druck-Sollwert ps einem Druck­ regler 26 zugeführt. Der Druckregler 26 bildet aus diesen Signalen entsprechend seinem Übertragungsverhalten eine Stellgröße yp. Die Stellgröße yp ist zusammen mit einer Stellgröße yQ, die die Menge des dem Gleichgangzylinder 13 zugeführten Druckmittels begrenzt, einer Minimalwertauswahl­ schaltung 27 zugeführt. Diese Schaltung führt das kleinere der ihr zugeführten Signale dem Regler 15 als Sollwert xs zu. Bei der Stellgröße yQ kann es sich um das Ausgangssignal eines Mengenreglers 28 - wie in der Fig. 2 dargestellt - oder - wenn kein Mengenregler vorgesehen ist - um ein ent­ sprechendes, der Einrichtung 10 von außen zugeführtes Signal handeln. Dem in der Fig. 2 dargestellten Mengenregler 28 sind ein externer Mengen-Sollwert Qs und ein von der Rechen­ einrichtung 25 aus den Signalen pA, pB und xi ermittelter Mengen-Istwert Qi zugeführt.

Damit der Istwert der Position des Ventilkolbens möglichst schnell seinem Sollwert folgt, ist der Regler 15 als analoger Regler ausgebildet. Der Druckregler 26 und - sofern vorhanden - der Mengenregler 28 sind als mikroprozessorgesteuerte digitale Regler ausgebildet. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, die Parameter der Regler 26 und 28 auch während des Betriebs durch externe Steuersignale einzustel­ len. Weisen die Regler PID-Verhalten auf, handelt es sich bei den Parametern um die Verstärkungsfaktoren KP, KD und KI, wobei mit KP der Verstärkungsfaktor des Proportionalanteils (P-Anteil), mit KD der Verstärkungsfaktor des differenzie­ renden Anteils (D-Anteil) und mit KI der Verstärkungsfaktor des integrierenden Anteils (I-Anteil) bezeichnet ist. Die Steuersignale für die Parameter sind den Reglern 26 und 28 über elektrische Leitungen 31 bzw. 32 zugeführt. Wenn es die Auslastung des Mikroprozessors erlaubt, kann er die Funktio­ nen der Rechenschaltung 25 und der Minimalwertauswahlschal­ tung 27 mit übernehmen. Die Einrichtung 10 ist über eine Schnittstelle 33 an einen Feldbus 34 angekoppelt. Die Schnittstelle 33 entnimmt dem Feldbus 34 die für die Einrich­ tung 10 bestimmten Daten und setzt sie in ein für die Verar­ beitung innerhalb der Einrichtung 10 geeignetes Format um. Über den Feldbus 34 erfolgt die Kommunikation zwischen einer in den Figuren nicht dargestellten, übergeordneten Maschinen­ steuerung und weiteren Einrichtungen zur Steuerung von hydraulischen Aktuatoren.

Die Bauteile des für die Regelung der Position des Ventil­ kolbens vorgesehenen analogen Reglers 15 sind auf der Platine 16 angeordnet. Die Bauteile der digitalen Regler 26 und 28, der Rechenschaltung 25 und der Minimalwertauswahlschaltung 27 sowie der Schnittstelle 33 zur Ankopplung an den Feldbus 34 sind auf der Platine 17 angeordnet. Da für die verschiedenen Anwendungsfälle das Ventil 11 mit dem an die Eigenschaften des Ventils 11 angepaßten Regler 15 immer gleich sind, braucht auf die Platine 16 nur die Platine 17 mit den an den jeweils verwendeten hydraulischen Aktuator angepaßten Reglern für Druck und Menge aufgesteckt zu werden.

In der Fig. 1 ist ein gesondertes Gehäuse 12 zur Aufnahme der Platinen 16 und 17, die die elektronischen Schaltungen tragen, an dem Ventil 11 gehalten. Es ist aber auch möglich, das Gehäuse des Ventils so auszubilden, daß die die elektro­ nischen Schaltungen tragenden Platinen 16 und 17 direkt in dem Gehäuse des Ventils gehalten sind. In diesem Fall ist es vorteilhaft, in dem Gehäuse des Ventils Trennwände vorzuse­ hen, die verhindern, daß Druckmittel in den Bereich gelangt, in dem die Platinen gehalten sind.

Claims (12)

1. Einrichtung zur Steuerung eines hydraulischen Aktuators mit einem elektrisch betätigten Ventil, das den Druckmittelfluß zu und von dem Aktuator steuert, mit einem in das Gehäuse des Ventils integrierten oder an diesem in einem eigenen Gehäuse gehaltenen Regler für die Position des Ventilkolbens, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, für die Regelung des Drucks (pA, pB) oder der Menge (Q) des dem Aktuator (13) zugeführten Druckmittels vorgesehener Regler (26) in demselben Gehäuse (12) wie der Regler (15) für die Position (x) des Ventilkolbens angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (11) mit einem Drucksensor (23 oder 24) ver­ sehen ist, der den Druck (pA bzw. pB) im Bereich eines Aus­ gangsanschlusses (A bzw. B) des Ventils (11) erfaßt, daß der zweite Regler (26) als Druckregler ausgebildet ist und daß das Ausgangssignal (pA oder pB) des Drucksensors (23 bzw. 24) dem zweiten Regler (26) als Druck-Istwert (pi) zugeführt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (11) mit zwei Drucksensoren (23, 24) versehen ist, die die Drücke (pA, pB) im Bereich der Ausgangsanschlüsse (A, B) des Ventils (11) erfassen, daß die Ausgangssignale (pA, pB) der Drucksensoren (23, 24) einer Rechenschaltung (25) zugeführt sind und daß die Rechenschal­ tung (25) in demselben Gehäuse (12) wie der Regler (15) für die Position (x) des Ventilkolbens angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung (25) die ihr zugeführten Signale (pA, pB) zu einem Druck-Istwert (pi) für die Druckregelung verknüpft.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stellgröße (yp) des Druckreglers (26) und ein die Menge des dem Aktuator (13) zugeführten Druckmit­ tels begrenzender Sollwert (yQ) für die Position (x) des Ventilkolbens einer Minimalwertauswahlschaltung (27) zuge­ führt sind und daß die Ausgangsgröße der Minimalwertaus­ wahlschaltung (27) dem Regler (15) für die Position (x) des Ventilkolbens als Sollwert (xs) zugeführt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechenschaltung (25) zusätzlich der Istwert (xi) der Position des Ventilkolbens zugeführt ist und daß die Rechen­ schaltung (25) die ihr zugeführten Signale (pA, pB, xi) zu einem Mengen-Istwert (Qi) für die Mengenregelung verknüpft.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler (28) für die Regelung der Menge (Q) des dem Aktuator (13) zugeführten Druckmittels in demselben Gehäuse (12) wie der Regler (15) für die Position (x) des Ventilkolbens angeordnet ist und daß die Stellgrößen (yp, yQ) der beiden Regler (26, 28) der Minimalwertauswahl­ schaltung (27) zugeführt sind.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (15) für die Stellung (x) des Ventilkolbens als analoger Regler ausgebildet ist und daß die weiteren Regler (26, 28) als mikroprozessorgesteuerte digitale Regler ausgebildet sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter (KP, KD, KI) der weiteren Regler (26, 28) durch externe Steuersignale einstellbar sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Parameter der weiteren Regler (26, 28) durch digitale Steuersignale erfolgt.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zuführung der digitalen Steuersignale über ein Feldbussystem (34) erfolgt.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bauteile des Reglers (15) für die Position (x) des Ventilkolbens auf einer ersten Platine (16) angeordnet sind, daß die Bauteile der weiteren Regler (26, 28) sowie der Busankopplung auf einer zweiten Platine (17) angeordnet sind und daß die zweite Platine (17) über eine Steckverbindung (18, 19) an der ersten Platine (16) gehalten ist.