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Proportional arbeitendes Ventil für fluidische Medien
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem proportional arbeitenden
Ventil für fluidische Medien nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein
solches proportional arbeitendes Hydraulikventil aus der DE-OS 2 232 566 bekannt,
bei der die elektrische Ansteuereinrichtung zum Betätigen des magnetischen Antriebs
als Impulsbreitenregler ausgebildet ist. Um hier die Einflüsse infolge mechanischer
Reibung und magnetischer Hysterese weitgehend zu verringern, ist eine Einrichtung
vorgesehen, mit der die Signale des Impulsbreitenreglers mit fester Grundfrequenz
von einen Zittersignal mit beträchtlich größerer Frequenz überlagert wird. Die mit
der Hysterese verbundenen Effekte einer ungenauen Positionierung des Ventilgliedes,
einer störenden Umkehrspann e und einer schlechten Ansprechempfindlichkeit lassen
sich mit diesem Zittersignal und auch durch die Anordnung des magnetischen Antriebs
in einem Regellçreis beträchtlich verbessern. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß
die
Amplitude des Zittersignals im Verhältnis Zinn Grundsignal nur einmal eingestellt
werden kann und dann für die Betriebsdauer des Ventils festgelegt ist. Bei diesem
Proportionalventil kann somit nicht berücksichtigt werden, daß die Größe der Reibungskraft
von Ventil zu Ventil stark streut und auch während der Lebensdauer durch Einlaufen
des Ventils sowie durch Umwelteinflüsse wie Temperatur, Schmutz oder Verschleiß
starken Änderungen unterworfen ist.
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Es kann daher eine befriedigende Anpassung der Größe des Zittersignals
an die jeweiligen Verhältnisse nicht gelingen.
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Dies kann in der Praxis in nachteiliger Weise dazu führen, daß bei
zu kleiner Amplitude des Zittersignals im Verhältnis zur Reibkraft der Störeinfluß
nur unzureichend ausgeschaltet wird. Ist dagegen die Amplitude des Zittersignals
relativ zu groB, so können die Schwingungen des Ventils auf eine nachfolgende Stufe
durchschlagen und sowohl zu Verschleiß als auch zu anderen unerwünschten Effekten
führen, wie Geräusche und Schwingungen. Durch die Verschaltung des magnetischen
Antriebs in einem geschlossenen Regelkreis kann zwar die statische Genauigkeit vor
allem durch Einfügen eines integralen Zweiges im Verstärker bedeutend erhöht werden;
damit verbunden sind allerdings erhebliche Einschränkungen hinsichtlich dynamischer
Eigenschaften.
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Einer diesen Mangel beseitigenden weiteren Erhöhung der Verstärkung
im Regelkreis steht der durch die Reibungskraft induzierte Phasenverlust entgegen,
der vor allem bei kleinen Amplituden auftritt. Somit sind auch von dieser Seite
her Grenzen gesetzt.
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Ferner ist aus der DE-OS 1 414 722 ein proportional arbeitendes, hydraulisches
Druckregelventil bekannt, dessen magnetischer Antrieb ein Gleichstromsignal erhält,
das zur Verringerung der Hysterese von einem Zittersignal überlagert ist. Hier wird
zwar die Amplitude des Zittersignals abhängig von der Größe des Gleichstromsignals
verändert, wobei entsprechende lfiderstände miteinander fest gekoppelt
sind.
Nachteilig bei diesem Proportionalventil ist vor allem, daß es nicht mit einem geschlossenen
Regelkreis arbeitet und auch nicht eine Änderung der die Hysterese beeinflussenden
Paktoren berücksichtigt.
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Vorteile der Erfindung Daserfindungsgemäße proportional arbeitende
Ventil für fluidische Medien mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs
hat demgegenüber den Vorteil, daß die Amplitude des Zittersignals abhängig von den
jeweiligen Einflüssen auf ein störungsunempfindliches, wirksames Maß geregelt wird.
Die Amplitude des Zittersignals ist daher stets so groß, daß die nachteiligen Einflüsse
der Reibungskraft überwunden werden und andererseits stets zu klein, als daß ein
Durchschlagen auf nachfolgende Stufen auftreten könnte. Die von Exemplar zu Exemplar
unterschiedliche Größe der Reibungskraft wird damit automatisch berücksichtigt.
Ebenso werden andere Einflüsse beim Einlaufen des Ventils oder andere Umwelteinflüsse
so verarbeitet, daß keine störenden Erscheinungen im Betrieb auftreten. Zudem läßt
sich bei einem ohnedies im geschlossenen Regelkreis arbeitenden magnetischen Antrieb
ein geregeltes Zittersignal mit relativ geringem Aufwand realisieren.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im IIauptanspruch angegebenen Ventils möglich.
Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung
in Verbindung mit der Zeichnung.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 in vereinfachter Darstellung ein Blockschaltbild des proportional arbeitenden
Ventils und die Figuren 2, 3 und 4 die Zusammenhänge hinsichtlich Reibungskraft,
Zittersignal und Hubamplitude des beweglichen Ventilkörpers.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die Figur 1 zeigt in vereinfachter
Darstellung als Blockschaltbild ein proportional arbeitendes Hydraulikventil 10,
dessen beweglicher Ventilkörper 11 über eine elektrische Ansteuereinrichtung 12
mit einem proportional arbeitenden Gleichstrom-Magnet 13 betätigbar ist. Der Hub
des beweglichen Ventilkörpers 11 mit Hydraulikventil 10 wird von einem elektromechanischen
Wegsensor gemessen und in ein dazu proportionales, elektrisches Ausgangssignal U
umgewandelt.
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m Das Hydraulikventil 10 liegt mit seiner elektrischen Ansteuereinrichtung
12 in einem geschlossenen Regelkreis, wobei das Usgangssignal Um des Wegsensors
14 mit dem Sollwert U eines Sollwert-Gebers 15 an einer Summierstelle 16 e verglichen
wird und dessen Differenzsignal einem ersten Eingang 17 eines Operationsverstärkers
18 eingegeben wird.
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Das Signal am Ausgang 19 des Operationsverstärkers 18 wird in einem
Regelverstärker 21 so weit verstärkt, daß es den Gleichstrom-Magneten 13 ansteuern
kann.
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Zur Verringerung der Hysterese im Hydraulikventil 10 und Magneten
13 wird das den Magneten 13 ansteuernde Gleichstromsignal von einem Zittersignal
überlagert, das von einem Oszillator 22 erzeugt wird. Das Ausgangssignal ZE des
Oszillators 22 wird einem Eingang 23 einer Begrenzerschaltung 24 eingegeben, deren
Ausgangssignal ZA am Ausgang 25 einem zweiten
Eingang 26 des Operationsverstäkers
18 eingegeben wird.
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Ferner weist die Begrenzerschaltung 24 einen Steuereingang 27 auf.
Das Ausgangssignal Um des Wegsensors 14 wird zusätzlich an den Eingang 28 eines
Bandpaßfilters 29 gelegt, dessen Ausgang 31 über einen Gleichrichter 32 und einem
Verstärker 33 mit dem Steuereingang 27 an der Begrenzerschaltung 24 in Verbindung.
steht.
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Die Wirkungsweise des Hydraulikventils 10 in Verbindung mit seiner
Ansteuereinrichtung wird wie folgt erläutert.
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Dabei wird die Lageregelung des Ventilkörpers 11 im proportional arbeitenden
Hydraulikventil 10 als an sich bekannt vorausgesetzt. In der Fig. 2 ist nun der
nähere Zusammenhang zwischen der Reibungskraft F und dem dem Magneten 13 zugeführten
Gleichstrom I aufgezeigt. Dabei können die Reibungskräfte sowohl im Hydraulikventil
10, als auch im Magneten 13 oder im Wegsensor 14 auftreten. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen
ist, muß der Gleichstrom einen Wert 1o erreichen, um die Reibungskraft FR zu kompensieren;
erst danach kann ein weiterer Stromanstieg durch Überwindung der Hysterese zu einer
Bewegung des Ventilkörpers 11 führen. Um diesen Einfluß der Reibung zu verringern,
wird nun das dem Magneten 13 eingegebene Gleichstromsignal von einem Zittersignal
überlagert, das der Oszillator 22 erzeugt. Wie Fig. 3 näher veranschaulicht, wird
die Amplitude dieses Zittersignals mit Hilfe der Begrenzerschaltung 24 stets auf
eine solche Größe begrenzt, daß die Reibungskraft FR sicher überwunden wird und
andererseits aber die Auswirkungen eines zu großen Zittersignales vermieden werden.
Zu diesem Zweck wird die Frequenz des Oszillators 22 so bemessen, daß in einem bezogen
auf den Zeitmaßstab der Lageregelung, annehmbaren Zeitinterval der Magnet 13 jeweils
an die obere und untere Grenze der Reibungskraft gebracht wird und dort auch auf
kleinste Fehlersignale
reagiert. Zu diesem Zweck wird die durch
das Zittersignal induzierte Bewegung des Magneten 13 geregelt und auf einem akzeptablen,
von äußeren Einwirkungen in hohem Maße unempfindlichen Niveau gehalten. Um dies
zu erreichen, wird das elektrische Ausgangs signal des Wegsensors 14 UM dem Bandpaßfilter
29 zugeführt, das auf die Frequenz des Oszillators 22 abgestimmt ist. Das Bandpaßfilter
29 nimmt hauptsächlich die in der Frequenz des Zittersignales anfallenden Positionsänderungen
des Magneten 13 und des Ventilkörpers 11 wahr und unterdrückt die übrigen Frequenzbereiche.
Das Signal am Ausgang 31 des Bandpaßfilters 29 wird bei 32 gleichgerichtet und bei
33 noch verstärkt und anschließend dem Steuereingang 27 der Begrenzerschaltung 24
eingegeben. Dieses Signal am Steuereingang 27 ist ein Maß dafür, ob und in welchem
Maß das Zittersignal zu einem Überschreiten der Haftreibung und damit zu Lageänderungen
des Magneten 13 bzw. des Ventilkörpers 11 führt. Mit diesem Signal am Steuereingang
27 wird nun in der Begrenzerschaltung 24 die Amplitude des Oszillators 22 für das
Zittersignal so beeinflußt, daß mit wachsendem Rückführsignal die Oszillatoramplitude
kleiner und mit abnehmendem Rückführsignal größer wird. Auf diese Weise läßt sich
ein stabiler Zustand erreichen, bei dem trotz schwankenden Niveaus der Reibungskraft
infolge von Einlaufvorgängen, Temperaturänderungen, Schmutz, Verschleißerscheinungen
oder sonstigen Kriterien ein Zittersignal UZA so auf den Magneten 13 und das Hydraulikventil
10 einwirkt, daß die Haftreibung sicher überwunden wird und die erzeugten Amplituden
auf ein störungsunempfindliches, beherrschbares Maß eingeschränkt werden.
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In Fig. 4 ist in stark vergrößertem Maße die Abhängigkeit der Hubamplitude
S des Ventilkörpers 11 über der Zeit dargestellt.
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Uber den Gleichspannungsanteil des Bandpaßfilters 29 kann darüber
hinaus eine Anpassung des Dittersignals an die 11U-abhängige
Reibungskraft
des Magneten 13 vorgenommen werden.
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Selbstverständlich sind Änderungen an der gezeigten Ausführungsform
möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.