Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Verbrauchers mit zwei Druckkammern und eine hydraulische Steueranordnung zur Ansteuerung eines derartigen Verbrauchers.
Üblicherweise werden stetig verstellbare hydraulische Ventileinrichtungen zur Steuerung von Druckmittelvolumenströmen eingesetzt. Dabei werden proportional verstellbare Ventile verwendet, deren Ventilglied hydraulisch oder elektrisch stetig verstellbar ausgeführt ist, um einen Öffnungsquerschnitt für den Druckmittelvolumenstrom einzustellen. Bei elektrisch verstellbaren Proportionalregelventilen kann eine Pulsweitenmodulation (PWM) benutzt werden, um den Strom am Betätigungsmagneten einzustellen. Die Frequenz der Pulsweitenmodulation ist dabei höher als eine maximale Schaltfrequenz des Ventils eingestellt. Die PWM-Pulse werden in einer Spule des Betätigungsmagneten zu einem Durchschnittswert geglättet. Der Ventilschieber ist über eine Feder entgegen der Wirkrichtung des Betätigungsmagneten beaufschlagt. Die sich bei der Verstellung einstellende Federkraft entspricht einer Kraft, bei der die Feder und damit der Ventilschieber einen den Strom entsprechenden Weg zurücklegen. Die Feder ist so ausgelegt, dass sie bei einer maximalen Bestromung in eine Stellung verstellt werden kann, die der maximalen Öffnungsstellung des Ventilschiebers entspricht.
In den letzten Jahren hat sich die sogenannte Digitalhydraulik etabliert, bei der anstelle von Proportionalregelventilen Schaltventile verwendet werden, die durch Pulse, beispielsweise nach Art einer PWM angesteuert werden.
Unter dem Begriff Schaltventil soll insbesondere ein Ventil verstanden werden, das ein bewegliches Ventilglied aufweist, das mittels einer Feder in Richtung einer Grundstellung (beispielsweise geschlossen) vorgespannt ist und in eine Schaltstellung (Offen) verstellbar ist. Diese Schaltstellung wird durch Bestromen eines Betätigungsmagneten eingenommen. Dabei wird vorausgesetzt, dass die das Ventilglied in Richtung der Grundstellung vorspannende Feder im Vergleich zur Kraft des Betätigungsmagneten bei Nennbestromung sehr gering ist, so dass nur eine vergleichsweise kurze Zeit (bei schnellen Schaltventilen 2ms) erforderlich ist, um nach Anlegen des Stroms an den Betätigungsmagneten das Schaltventil in die Schaltstellung durchzuschalten. Durch die Wahl der Pulsfrequenz und der Pulsdauer kann über ein derartiges Schaltventil, ähnlich wie bei einem proportional verstellbaren Ventil ein Druckmittelvolumenstrom eingestellt werden.
Grundsätzlich sind binär codierte Parallelarchitekturen Puls-Code-Modulation (PCM) und Puls-Weiten-Modulation (PWM) mit einzelnen Schaltventilen zu unterscheiden, die sich aber auch kombinieren lassen. Über eine Verschaltung mehrerer derartiger Schaltventile lässt sich ein Volumenstrom beeinflussen, um ein hydraulisches Stellglied, beispielsweise einen Hydrozylinder zu regeln oder zu steuern.
Bei digital hydraulischen Achssteuerungen können Einheiten bestehend aus mehreren derartigen Schaltventilen (digitale Volumenstromeinheiten (DFCU) realisiert werden, wobei diese Schaltventile parallel zueinander angeordnet sind. Idealer Weise verdoppelt sich die Einzeldurchflussmenge dabei jeweils von einem Ventil zum nächsten. Der maximal erzielbare Durchfluss durch eine solche DFCU ergibt sich dann aus der Summe der Einzeldurchflüsse. Die Auflösung des Volumenstroms durch eine derartige DFCU ist durch die Anzahl der Schaltventile vorgegeben. Eine Erhöhung der Auflösung ist durch Einsatz weiterer Schaltventile in einer DFCU oder durch pulsweitenmodulierte Ansteuerung realisierbar, wobei auch eine ballistische PWM-Ansteuerung der Schaltventile möglich ist.
In der
Auch die Druckschriften
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass die Volumenstromauflösung der Steueranordnung sehr beschränkt ist, wobei eine Geschwindigkeitsauflösung und Positioniergenauigkeit sowie eine Druckregelgenauigkeit eines nachgeordneten hydraulischen Stellgliedes von dieser Volumenstromauflösung abhängig ist und somit ebenfalls Beschränkungen unterliegt.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Verbrauchers mit zwei Druckkammern und eine hydraulische Steueranordnung zu schaffen, durch die eine Positioniergenauigkeit eines Verbrauchers, insbesondere die Feinsteuerung verbessert ist.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und im Hinblick auf die hydraulische Steueranordnung durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ansteuerung eines Verbrauchers mit zwei Druckräumen, von denen einer zumindest über eine Schaltventilanordnung absperrbar oder mit einer Druckmittelquelle oder mit einer Druckmittelsenke verbindbar ist. Gemäß dem Verfahren wird zunächst ein Druckmittelvolumen bestimmt, das dem einen Druckraum zuzuführen oder aus diesem abzuführen ist, um einen vorbestimmten Soll-Kammerdruck in einem der Druckräume, vorzugsweise in dem anderen, vorzugsweise abgesperrten Druckraum, einzustellen, oder um eine vorbestimmte Soll-Verbraucherposition, beispielsweise eine Kolbenposition eines Zylinders, einzustellen. In Abhängigkeit von diesem ermittelten Druckmittelvolumen wird dann die Schaltventilanordnung derart angesteuert, dass das vorbestimmte Druckmittelvolumen dem einen Druckraum zugeführt oder von diesem Druckraum abgeführt wird.
Der sich dabei einstellende Ist-Kammerdruck oder die Ist-Verbraucherposition wird daraufhin mit dem entsprechenden vorbestimmten Sollwert verglichen und ggf. werden die beiden vorgenannten Schritte wiederholt, bis der Sollzustand vorliegt.
Im Unterschied zum Stand der Technik wird somit über die Schaltventilanordnung kein Druckmittelvolumenstrom zu den jeweiligen Druckräumen eingestellt sondern es wird ein vorbestimmtes Druckmittelvolumen in einen der Druckräume zudosiert oder aus diesem abgelassen. Die Bewegung des Verbrauchers erfolgt dann entsprechend einer Kompression oder Dekompression des Druckmittels im anderen, vorzugsweise abgesperrten Druckraum.
Die Kompressibilität des Druckmittels wird somit ausgenutzt, um eine Feinsteuerung durchzuführen. Es wird im Unterschied zum Stand der Technik kein Volumenstrom sondern ein Volumen geregelt, wobei die Einschaltdauer der Schaltventile im Vorfeld bestimmt wird.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedem Druckraum eine Schaltventilanordnung zugeordnet.
Bei einer Variante der Erfindung kann die Öffnungsdauer der Schaltventile verändert werden, um das Druckmittelvolumen zu- oder abzuführen.
Während der Druckmittelzufuhr oder -abfuhr zu bzw. von einem Druckraum wird der jeweils andere Druckraum vorzugsweise abgesperrt, so dass die Kompressibilität des Druckmittels im jeweils abgesperrten Druckraum ausgenutzt wird, um kleinste Positionierschritte eines Verbrauchers zu realisieren.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn jedem Druckraum zumindest ein Einlass- und ein Auslass-Schaltventil zugeordnet ist. Ist dabei der Druckraum mit dem kleineren Druckmittelvolumen gesperrt und der andere Druckraum mit dem größeren Volumen über die Ventilanordnung mit der Druckmittelquelle oder der Druckmittelsenke verbunden, ergibt sich für ein bestimmtes, zu- oder abgeführtes Druckmittelvolumen eine kleinere Änderung des Soll-Kammerdrucks oder der Soll-Verbraucherposition, als im umgekehrten Fall, wenn der Druckraum mit dem größeren Volumen gesperrt und das Druckmittelvolumen dem Druckraum kleineren Volumens zugeführt oder von diesem abgeführt wird. Auf die erstgenannte Weise wird die höhere Kompressibilität im Druckraum mit dem größeren Volumen zur Feineinstellung genutzt. Ist hingegen der Druckraum mit dem kleineren Volumen über die Ventilanordnung mit der Druckmittelquelle oder der Druckmittelsenke verbunden und der andere Druckraum mit dem größeren Volumen gesperrt, kann die geringere Kompressibilität im Druckraum mit dem kleineren Volumen dazu genutzt werden, eine Änderung des Soll-Kammerdrucks oder der Soll-Verbraucherposition mit nur wenig Druckmittelvolumen zu erzielen.
Für den Fall, dass die beiden Druckräume durch einen Kolben getrennt sind, ist die Größe der Änderung des Soll-Kammerdrucks oder der Soll-Kolbenposition in Abhängigkeit des Druckmittelvolumens, und somit die Feinfühligkeit, zusätzlich über eine am Kolben wirkende äußere Kraft, insbesondere eine Federkraft beeinflussbar.
Bei einer alternativen Lösung kann auch wechselweise ein Einlassventil der einen Kammer und ein Auslassventil der anderen Kammer zeitlich versetzt angesteuert werden, um die Verbraucherposition zu regeln.
Dabei kann die Ansteuerung der Schaltventile nach einer Pulskombination erfolgen, die aus einer vorgesehenen oder in einem Datenspeicher abgelegten Tabelle von Pulskombinationen mit unterschiedlicher Pulsdauer ausgewählt wird.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Öffnungsdauer der Schaltventile unter der Durchschaltzeit für das jeweilige Schaltventil liegt - d. h., es liegt eine ballistische Ansteuerung vor.
Bei der erfindungsgemäßen hydraulischen Steueranordnung zur Ansteuerung eines Verbrauchers mit zwei Druckkammern ist vorgesehen, dass zumindest einer dieser Druckkammern jeweils ein als Schaltventil ausgebildetes Einlass- und Auslassventil zugeordnet ist, über das die Druckkammer mit einer Druckmittelquelle oder einer Druckmittelsenke verbindbar ist. Die Steueranordnung hat des Weiteren eine Steuereinheit zum Ansteuern des Einlass- und Auslassventils derart, dass ein Kammerdruck dieses einen oder des anderen Druckraums oder eine Verbraucherposition durch Kompression oder Dekompression des Druckmittels in dem anderen Druckraum durch Zufuhr oder Abfuhr eines Druckmittelvolumens über das dem einen Druckraum zugeordnete Einlass- oder Auslassventil einstellbar ist. Die erfindungsgemäße Steuereinheit ist so ausgelegt, dass die Schaltventilanordnungen im Sinne der vordiskutierten Verfahrensansprüche ansteuerbar sind.
Wie bereits erwähnt, wird es bevorzugt, wenn jedem der Druckräume ein Einlass- und ein Auslassventil zugeordnet ist. In diesem Fall kann beispielsweise zur Einstellung des Kammerdrucks und/oder der Verbraucherposition das Einlassventil des einen Druckraums und das Auslassventil des anderen Druckraums wechselweise oder einander überlappend angesteuert werden.
Alternativ können auch die einem Druckraum zugeordneten Einlass- und Auslassventile wechselweise oder überlappend angesteuert werden, während der andere Druckraum durch die zugeordneten Einlass- und Auslassventile abgesperrt ist, so dass die Kompressibilität des Druckmittels in diesem Druckraum zur Verstellung ausgenutzt wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Eine in
Wie eingangs erläutert, besteht eine erfindungsgemäße digitalhydraulische Steueranordnung 1 aus einer Vielzahl von sogenannten digitalen Volumenstromeinheiten (DFCU) die beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch jeweils ein Schaltventil 10, 12, 14 und 16 gebildet sind. Dabei sind die Schaltventile 10, 12 dem Druckraum 6 und die Schaltventile 14, 16 dem Ringraum 8 zugeordnet. Der Druckanschluss der Pumpe P ist über jeweils eine Arbeitsleitung 18, 20 mit dem jeweiligen Druckraum 6 bzw. dem Ringraum 8 verbunden. Die beiden Schaltventile 12, 14 sind im Druckmittelströmungspfad zwischen der Pumpe P und dem jeweiligen Druckraum 6, 8 angeordnet. Über die beiden anderen Schaltventile 10, 16 kann die jeweilige Arbeitsleitung 18, 20 mit dem Tank T verbunden werden, so dass Druckmittel aus dem zugeordneten Druckraum 6 bzw. dem Ringraum 8 abströmen kann. Die beiden Schaltventile 12, 14 sind somit Einlassventile, während die beiden anderen Schaltventile 10, 16 Auslassventile darstellen.
In
Erfindungsgemäß erfolgt die Ansteuerung der Ventilglieder der Schaltventile 10, 12, 14, 16 nach einer Pulsweitenmodulation (PWM), wobei vorzugsweise eine ballistische PWM verwendet wird. In diesem Modus wird das jeweilige Schaltventil nicht komplett durchgeschaltet, sondern der jeweilige Betätigungsmagnet 30, 32, 34, 36 wird kurzzeitig derart bestromt, dass mit der eingebrachten Energie das Ventilglied nur einen Teilhub ausführt und entsprechend seiner ballistischen Wurfbahn wieder in die Schließstellung zurückkehrt. Dem entsprechend hat der ballistische Ansteuerimpuls eine PWM-Grundfrequenz, die unterhalb der maximalen Schaltfrequenz des jeweiligen Schaltventils liegt. In anderen Worten: Eine Zeitdauer des ballistischen Ansteuerimpulses ist kürzer als eine minimale Schaltzeit des jeweiligen Schaltventils 10, 12, 14, 16.
Die Druckmittelversorgung des Hydrozylinders 2 über die gezeigte Steueranordnung erfolgt nach dem sogenannten Meterlnn-MeterOut-(MIMO)-Verfahren, wobei es prinzipiell zwei Möglichkeiten gibt. Beiden Möglichkeiten gemeinsam ist, dass das dem Hydrozylinder 2 zu- oder abgeführte Druckmittelvolumen, welches nötig ist, um einen gewünschten Kammerdruck oder eine Zylinderposition zu erreichen, bekannt ist oder in Abhängigkeit von den aktuellen Drücken und Positionen annähernd bestimmt werden kann. Die Einschaltdauer der Schaltventile 10, 12, 14, 16 richtet sich dann nach dem zur Einstellung der Zylinderposition benötigten Druckmittelvolumen. Dabei können die Schaltventile 10, 12, 14, 16 für kleinste benötigte Druckmittelvolumina im genannten ballistischen Modus betrieben werden. Für größere Druckmittelvolumina kann eine Ansteuerung auch nach der "normalen" PWM oder auf andere Weise erfolgen. So weisen beispielsweise die DFCUs, wie sie im Ausführungsbeispiel gemäß
Die Bestromung der Betätigungsmagneten 30, 32, 34, 36 erfolgt über eine Steuereinheit 40, die über Signalleitungen 42, 44, 46, 48 mit den Betätigungsmagneten 30, 32, 34, 36 verbunden ist, um diese zu Bestromen oder Stromlos zu schalten.
Beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel erfolgt dieses Zudosieren bzw. Ablassen von Druckmittel über die Öffnungsdauer der Schaltventile 10, 12, 14, 16, wobei über diese ein Druckraum abgesperrt wird, während dem anderen Druckraum Druckmittelvolumen zugeführt oder aus diesem Druckmittelvolumen abgelassen wird. D. h., der Kolben 4 stützt sich dann sozusagen auf dem abgesperrten Ölvolumen ab, wobei sich der Druck in diesem Druckraum in Abhängigkeit vom zugeführten oder abgeführten Volumen ändert. Die Bewegung des Kolbens 4 erfolgt dem entsprechend gemäß der Kompression oder Dekompression des Druckmittels im abgesperrten Druckraum. Dies resultiert in einer sehr fein steuerbaren Bewegung des Kolbens 4.
Dabei besteht zum Einen die Möglichkeit, ein Einlassventil auf der einen Seite des hydraulischen Verbrauchers und ein Auslassventil auf der anderen Seite des hydraulischen Verbrauchers zu verwenden. So können beispielsweise bei der Schaltung gemäß
Die zweite, hier bevorzugte Möglichkeit besteht darin, die einem Druckraum zugeordneten Einlass- und Auslassventile anzusteuern. Im konkreten Fall soll dem Ringraum 8 ein Druckmittelvolumen zugeführt oder aus diesem abgelassen werden, so dass entsprechend, wie in
Für diese gewählte Ventilschaltkombination erzeugt beispielsweise ein Algorithmus anhand vorgegebener Parameter Öffnungspulse unterschiedlicher Zeitdauer und daraus Pulskombinationen zur Ansteuerung der beiden Schaltventile 14, 16. Alternativ können die Pulskombinationen auch manuell vorgegeben werden.
Zusätzlich zu den Kombinationen ist für die ausgewählten Schaltventile ein zeitlicher Versatz der Öffnungspulse denkbar, d. h., die Ventile werden nicht synchron geschaltet.
Die Erzeugung der Pulskombination sei im Folgenden beispielhaft genauer beschrieben.
Die Pulslänge tpuls kann dabei als Vielfaches einer Zeiteinheit t1 vorgegeben werden. Diese Zeiteinheit t1 entspricht im Allgemeinen der Abtastzeit der Steuereinheit 40. Dabei sollte die Zeit t1 kleiner als die Schaltzeit tschalt (= Zeit zum vollständigen Öffnen) der Ventile sein. Es sei angenommen, dass die Zeiteinheit t1 = tschalt /5. Gibt man nunmehr als Vielfaches z. B. [0 4 6] vor, so ergeben sich die möglichen Pulskombinationen gemäß der unten eingefügten Tabelle 1.
Für diese unterschiedlichen Pulskombinationen wird das Volumen errechnet, welches diese jeweilige Kombination voraussichtlich erzeugen wird. Anschließend wird diejenige Pulskombination ausgewählt, deren errechnetes Volumen dem benötigten Fluidvolumen Volref entspricht, das dem Hydrozylinder 2 zugeführt oder aus diesem abgelassen wird, um die gewünschte Zylinderposition einzustellen. Diese auf diese Weise ermittelte Pulskombination wird dann über die Steuereinheit 40 an die Betätigungsmagneten 14, 16 abgegeben.
In der Abbildung gemäß
Wie bereits erläutert, können dabei sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil versetzt zueinander angesteuert werden. Prinzipiell ist es auch möglich, nur eines der beiden Ventile 14, 16 anzusteuern. Prinzipiell ist es auch möglich zur Einstellung der vorbestimmten Zylinderposition oder Verfahrgeschwindigkeit des Zylinders in der zuvor beschriebenen Weise beiden Druckräumen 6, 8 Druckmittel zuzuführen oder aus diesem abzulassen.
Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist jede DFCU nur mit einem Schaltventil 10,12, 14, 16 ausgeführt, die gemäß der oben erläuterten Strategie angesteuert werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem es ja im Prinzip um die Feinpositionierung des Zylinders 2 geht, werden entsprechend die "kleinsten" Schaltventile 10, 12, 14, 16 jeder DFCU zur Ansteuerung verwendet. Im Prinzip ist es möglich, nach Art einer herkömmlichen Steuerung den Zylinder in den Bereich einer vorbestimmten Position mit vergleichsweise großer Geschwindigkeit zu bewegen und dann die Feinpositionierung gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren unter Ausnützung der Kompressibilität eines abgesperrten Fluidvolumens durchzuführen.
Offenbart sind ein Verfahren zur Ansteuerung eines Verbrauchers mit zwei Druckkammern und eine digitalhydraulische Steueranordnung zur Ansteuerung eines Verbrauchers, wobei zur Ansteuerung des Verbrauchers einem Druckraum ein vorbestimmtes Druckmittelvolumen zuführbar oder von diesem ablassbar ist.
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