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Die
Erfindung betrifft ein Hydraulikventilsteuergerät und ein
Verfahren zum Ansteuern eines Hydraulikventilsteuergeräts.
Bei Hydraulikventilen, besonders bei Hydraulikventilen in Arbeitsmaschinen, sind
Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, damit die Hydraulikventile nicht
Bewegungen auslösen, die eine Gefahr für die Umwelt
darstellten. Aus diesem Grund wird besonders bei Hydraulikventilen,
die Magnetspulen zum Bewegen eines Ventilschiebers aufweisen, darauf
geachtet, dass eine unbeabsichtigte Bestromung der Magnetspulen
zuverlässig ausgeschlossen werden kann.
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Die
Magnetspulen werden von Endstufen getrieben, die von einer Spannungsversorgung
gespeist werden. Zusätzlich zur Abschaltfunktion der Endstufen,
die beim Ausschalten ihre Ausgänge hochohmig schalten,
soll als Sicherheitsmaßnahme mittels eines Schalters die
Endstufe von der Versorgungsspannung getrennt werden können.
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In
dem Datenblatt RD 95200 der Firma Bosch Rexroth von November 2007
ist ein Steuergerät für ein Hydraulikventil mit
einer zentralen Sicherheitsabschaltung gezeigt. Allerdings stellt
sich das Problem, dass auch die für die Sicherheitsabschaltung
verwendeten Bauelemente Alterungsprozessen unterworfen sind und
ein Ausfall der zentralen Sicherheitsabschaltung zu unerwünschten
Reaktionen des von dem Hydraulikventil angesteuerten Systems führen
kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, Hydraulikventilsteuerungen bereitzustellen,
in denen eine höhere Sicherheit für die Abschaltung
der Endstufen des Steuergeräts gewährleistet werden
kann. Es ist auch Aufgabe der Erfindung; ein Verfahren zum Überprüfen
einer solchen Hydraulikventilsteuerung bereitzustellen.
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Diese
Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es
wird ein Hydraulikventilsteuergerät für Hydraulikventil,
das einen Aktuator enthält, bereitgestellt. Das Hydraulikventilsteuergerät
weist einen ersten Spannungsversorgungseingang und eine Endstufe
zum Ausgeben eines Ansteuerstromes für den Aktuator des
Hydraulikventils auf. Die Endstufe weist einen ersten Spannungsversorgungseingang
auf. Ein erster Schalter ist zwischen dem ersten Spannungsversorgungseingang
der Endstufe und dem ersten Spannungsversorgungseingang des Hydraulikventilsteuergeräts
vorgesehen.
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Weiterhin
weist das Hydrauliksteuergerät einen Freigabeeingang zum
Einschalten und zum Ausschalten der Endstufe auf. Zudem ist eine
Abschaltvorrichtung zum Öffnen des ersten Schalters, falls
die Endstufe durch den Freigabeeingang ausgeschaltet wird, vorgesehen.
Eine Überprüfungsschaltung ist zum Prüfen
der Funktion des ersten Schalters bei eingeschalteter Endstufe vorgesehen.
Im Betrieb ist der erste Schalter oft für lange Zeiten
ununterbrochen eingeschaltet. Dadurch wird nicht oder sehr spät
bemerkt, ob seine Funktion durch Alterung oder externe Störungen
beeinträchtigt ist. Die Überprüfungsschaltung
ermöglicht, den Fehler rechtzeitig zu erkennen, damit ein
Benutzer oder ein übergeordnetes System darauf reagieren
kann.
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In
einer Ausführungsform ist die Überprüfungsschaltung
zum kurzzeitigen Öffnen des ersten Schalters bei eingeschalteter
Endstufe vorgesehen. Kurzzeitig bedeutet, dass die Überprüfungsschaltung nicht
immer bei freigegebener Endstufe den ersten Schalter öffnet,
sondern nur für einen begrenzten Zeitraum. Zudem enthält
das Hydraulikventilsteuergerät eine Messschaltung zum Detektieren,
ob die erste Überprüfungsschaltung den ersten
Schalter geöffnet hat.
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Bei
der Simulation der Schaltung hat bei einer gegebenen Ausführungsform
gezeigt, dass bei die Zeit t, für die die Überprüfungsschaltung
den ersten Schalter öffnet, mit t < 1 Millisekunde geeignet eingestellt
ist. Beispielsweise wird t = 0,3 ms gewählt, wobei zu beachten
ist, dass aufgrund der Trägheit des Schaltvorgangs der
Ansteuerimpuls für den Schalter länger als t ist.
Der Ansteuerpuls war bei der simulierten Ausführungsform
0,6 ms lang.
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Mit
dem bereitgestellten Hydrauliksteuergerät kann während
der Freigabe der Endstufe regelmäßig geprüft
werden, ob der erste Schalter auch öffnet, wenn er entsprechend
angesteuert wird. So wird die Sicherheit dafür erhöht,
dass das Öffnen auch dann noch funktioniert, wenn die Endstufe
nicht mehr freigegeben ist und von der Spannungsversorgung getrennt
werden muss. Dadurch wird gewährleistet, dass bei abgeschalteter
Endstufe durch den Aktuator des Hydraulikventils kein Strom mehr
fließen kann und der Akutator keine unerwünschten
Bewegungen des Ventilschiebers mehr auslöst.
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Falls
der erste Schalter oder seine Ansteuerung beispielsweise durch Alterungsprozesse
defekt wird, wird dies mittels der Messschaltung detektiert, bevor
dieser Defekt einen Fehler in der Ansteuerung des Hydraulikventils
verursacht hat. Das Steuergerät kann somit rechtzeitig
repariert werden oder ein möglicher Ansteuerungsfehler
kann auf andere Weise verhindert werden.
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Vorzugsweise
wird das Hydraulikventilsteuergerät zusammen mit dem Hydraulikventil,
das das Hydraulikventilsteuergerät ansteuert, in einem
Gehäuse integriert ist. Dadurch wird nicht nur der Platzbedarf
für das Gesamtsystem verringert, auch verringert sich für
einen Benutzer die Komplexität, da bereits die Verbindung
zwischen Steuergerät und Ventil vorgegeben ist und die
Gefahr von Verpolungen sinkt.
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In
einer Ausführungsform ist eine Entkopplungsvorrichtung
zum Entkoppeln des ersten Schalters vom dem ersten Spannungsversorgungseingang der
Endstufe bei geöffnetem ersten Schalter vorgesehen. Damit
kann die Messschaltung unabhängig von der Last überprüfen,
ob der erste Schalter tatsächlich geöffnet ist.
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Falls
beispielsweise eine hohe induktive oder kapazitive Last am Spannungsversorgungseingang
der Endstufe auf den ersten Schalter wirkt, wird es für
die Messschaltung schwieriger zu unterscheiden, ob beispielsweise
Potentialveränderungen an den Anschlüssen des
ersten Schalters auf das Öffnen des ersten Schalters oder
auf Laständerungen zurückzuführen sind.
Durch das Entkoppeln wird sichergestellt, dass nur das Öffnen
des ersten Schalters einen Effekt auf den Messwert hat. Damit kann auch
die Geschwindigkeit für den Messvorgang erhöht
werden, sodass auch die Dauer des kurzzeitigen Öffnens
des ersten Schalters verringert werden kann.
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Falls
die Entkopplungsvorrichtung eine Diode enthält, braucht
diese nicht aktiv beschaltet zu werden, was den Schaltungsaufwand
verringert und die Robustheit der Schaltung erhöht.
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Vorzugsweise
weist die Messschaltung einen Ausgabeausgang zur Ausgabe eines Fehlers auf,
mit dem ein Ausgang des Hydraulikventilsteuergeräts verbunden
ist. Damit wird dem System, das dem Steuergerät übergeordnet
ist, ein Fehler angezeigt, damit das System entsprechend reagieren kann.
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In
einer Ausführungsform ist ein weiterer Schalter, ein sogenannter
Redundanzschalter in dem Pfad zwischen dem Spannungsversorgungseingang der
Endstufe und dem Spannungsversorgungseingang des Hydraulikventilsteuergeräts
in Reihe mit dem ersten Schalter vorgesehen. Zudem dient eine Sicherheitsabschaltung
dazu, im Fall, dass die Überprüfungsschaltung
den ersten Schalter nicht geöffnet hat, dazu, den Redundanzschalter
zu öffnen. Somit wird sichergestellt, dass ein Fehler innerhalb
des Steuergeräts behoben wird und das Steuergerät
in einen sicheren Zustand geführt wird. Der Redundanzschalter
kann beim Defekt des ersten Schalters oder seiner Ansteuerung die
Trennung der Endstufe von der Spannungsversorgung übernehmen.
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Als
zusätzliche Schaltung kann eine zweite Überprüfungsschaltung
zum regelmäßigen Öffnen des Redundanzschalters
bei eingeschalteter Endstufe vorgesehen werden. Eine zweite Messschaltung ist
zum Überprüfen, ob die zweite Überprüfungsschaltung
den Redundanzschalter geöffnet hat, eingerichtet. Somit
wird auch der Redundanzschalter bei eingeschalter Endstufe überprüft,
so dass auch Defekte im Redundanzschalter rechtzeitig erkannt werden.
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Vorzugsweise
ist eine weitere Abschaltvorrichtung vorgesehen, die im Fall, dass
die zweite Überprüfungsschaltung den Redundanzschalter nicht
abgeschaltet hat, den ersten Schalter öffnet. Damit wird
bei defektem Redundanzschalter der erste Schalter geöffnet
und somit die Spannungsversorgung für die Endstufe unterbrochen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Kondensator zum
Stabilisieren der Spannung am Spannungsversorgungseingang der Endstufe
vorgesehen. Mit dem Kondensator wird die Versorgung der Endstufe
mit Strom in den kurzen Zeiten, in denen der erste Schalter oder
der Redundanzschalter überprüft wird, sichergestellt.
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In
einer Ausführungsform weist die Messschaltung einen Widerstand
zwischen einem ersten Anschluss des ersten Schalters und einem Knoten mit
einem festen Potential auf. Der Widerstand sorgt dafür,
dass die Spannung am ersten Anschluss sinkt, wenn der erste Schalter
geöffnet wird. Diese Spannungsänderung kann anschließend
gemessen werden. Der Widerstand wird in einer Ausführungsform als
ohmscher Widerstand realisiert. In einer anderen Ausführungsform
als Laststrecke eines Transistors realisiert, wodurch die Geschwindigkeit
des Entladens verringert werden kann.
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Vorzugsweise
enthält der erste Schalter einen Leistungstransistor. Leistungstransistoren
können im Vergleich zu Relais platzsparend in dem Gehäuse
des Steuergeräts untergebracht werden.
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Es
wird auch ein Verfahren zum Überprüfen der Abschaltfunktion
eines Hydraulikventilsteuergeräts bereitgestellt, bei dem
ein erfindungsgemäßes Hydraulikventilsteuergerät
bereitgestellt wird. Die Aktuatoren des Ventils werden von der End stufe
mit Strom versorgt und der erste Schalter wird in regelmäßigen
Abständen so angesteuert, dass er kurzzeitig öffnet.
Dabei wird die Spannung an dem Ausgang des ersten Schalters gemessen.
Mittels dieser Spannungsmessung wird detektiert, ob das Ausschalten des
ersten Schalters fehlerfrei funktioniert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
den Aufbau eines erfindungsgemäßen Hydraulikventil-Steuergeräts
mit angeschlossenem Hydraulikzylinder.
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2 zeigt
die Details des Steuergeräts aus 1.
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3 zeigt
weitere Details des Steuergeräts aus 2.
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4 zeigt
ein Prinzipschaubild für die Überwachungsfunktionen
eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Hydraulikventilsteuergeräts.
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5 zeigt
Schaltungen zur Realisierung der Überwachungsfunktion gemäß 4.
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6 zeigt Details der Schaltungen aus 5.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen
Hydraulikventilsteuergeräts 1 mit integriertem
Hydraulikventil 24. Integriert bedeutet, dass das Hydraulikventil 24 und
die Ventilelektronik für die Ansteuerung des Hydraulikventils 24 zusammen
in einem Gehäuse untergebracht sind.
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Das
Hydraulikventil 24 dient dazu, einen Hydraulikzylinder 25,
der sich außerhalb des Gehäuses befindet, anzutreiben.
Das Hydraulikventil ist als Proportionalventil ausgebildet, in dem
mit Hilfe von Spulen ein Magnetfeld erzeugt wird. Das Magnetfeld
bewegt in dem Ventil einen Schieber in Abhängigkeit des
Stromes durch die Spulen. Es sind auch andere Ausführungen
möglich, in denen andere von e lektrischem Strom angetriebene
Aktuatoren an Stelle der Spulen verwendet werden.
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Das
Hydraulikventilsteuergerät 1 enthält
eine erste Endstufe 20, eine zweite Endstufe 21,
sowie die Endstufenansteuerung 22. Die Endstufen 20 und 21 weisen
jeweils einen Eingang I, zwei Ausgänge O1 und O2, einen
Rückkopplungsausgang O, einen ersten Spannungsversorgungseingang 2 und
einen zweiten Spannungsversorgungseingang 3 auf.
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Die
Hydraulikventilsteuergerät 1 weist weiterhin die
beiden Freigabeeingänge ENA und ENB auf. An diesen Eingängen
wird von einem dem Hydraulikventilsteuergerät 1 übergeordnetem
System ein Pegel angelegt, der bestimmt, ob die Endstufen 20 und 21 Strom
durch die Magnete des Hydraulikventils fließen lassen oder
ihre Ausgänge O1 und O2 hochohmig schalten. Wird an den
Freigabeeingängen ENA oder ENB der Hydraulik-Ventilsteuerung
ein High-Pegel angelegt, so gibt die Endstufenansteuerung 22 jeweils
pulsweiten-modulierte Signale an die Endstufen 20 und 21 aus,
damit Strom durch die Magnetspulen des Hydraulikventils 24 fließt.
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Werden
an den Freigabeeingängen ENA und ENB Low-Pegel angelegt,
so werden die Ausgänge O1 und O2 der Endstufen 20 und 21 hochohmig
geschaltet und zusätzlich die Endstufen 20 und 21 von ihrer
Spannungsversorgung getrennt.
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Die
Endstufen 20 und 21 empfangen an ihren Eingängen
I jeweils ein Signal, das bestimmt, wie viel Strom durch die Magnetspulen
des Hydraulikventils 24 geleitet wird. Dieser Strom fließt
vom ersten Spannungsversorgungseingang 2 durch einen Treiber
in der Endstufe 20 über den Ausgang O1, eine Magnetspule
des Hydraulikventils 24 zu dem Ausgang O2 durch einen weiteren
Treiber in der Endstufe und von dort zu dem zweiten Spannungsversorgungseingang 3,
der mit der Masse 36 verbunden ist.
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Der
Eingang I der Endstufe 20 bzw. der Endstufe 21 wird
von der Endstufenansteuerung 22, die beispielsweise in
einem Mikrocontroller enthalten ist, angesteuert. In einer gängigen
Ausführungsform enthalten die Endstufen 20 und 21 jeweils Vollbrücken und
ihre Eingänge I werden von pulsweiten-modulierten Signalen
angesteuert. An dem Rückkopplungsausgang O der Endstufen 20 bzw. 21 wird
jeweils ein Wert für den Strom, der durch die Endstufe
fließt, ausgegeben. Zu diesem Zweck wird in einer Ausführungsform
ein Messwiderstand in der jeweiligen Endstufe 20 bzw. 21 vorgesehen.
Die Spannung, die über diesem Messwiderstand anliegt, wird
am Rückkopplungsausgang O an die Endstufensteuerung 22 ausgegeben.
Die Endstufensteuerung 22 regelt die Position des Hydraulikventils 24,
indem es über einen Rückkopplungspfad von dem
Hydraulikventil 24 zu der Endstufenansteuerung 22 die
Position des Ventilschiebers erhält.
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Die
Ansteuerung der Endstufe 20 und die Lageregelung des Proportionalventils
erfolgen somit mit Hilfe eines Mikrocontrollers in der Endstufenansteuerung 22.
Dieser Mikrocontroller übernimmt in dieser Ausführungsform
auch die eigentliche Stromregelung der Endstufen.
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In
der Endstufenansteuerung 22 werden auch Fehler der Regelung
detektiert und im Fehlerfall wird von der Endstufenansteuerung 22 eine
Null an ihrem Ausgang FA ausgegeben. Zum Überprüfen
der Abschaltfunktion der Endstufen 20 und 21 kann
der Mikrocontroller bei Bedarf die Endstufen 20 und 21 stromlos
schalten und durch Soll-Ist-Wert-Vergleich nachprüfen,
ob sich das Proportionalventil 24 in der erwarteten sicheren
Stellung befindet. Üblicherweise wird bei Anwendungen,
bei denen ein sicherer Halt des Antriebs gefordert ist, ein Ventil
mit positiv überdeckendem Kolben verwendet. Nach Rückschalten der
Versorgungsspannung der Endstufen sorgt die Ventilmechanik für
ein Verharren des Kolbens in dieser Null-Stellung, was wie oben
beschrieben überprüft wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Hydraulikventilsteuergerät 1 ist
eine zusätzliche interne Schaltung vorgesehen, die zusätzlich
die Versorgungsspannung von der betreffenden Endstufe trennt und
anschließend prüft, ob die dabei entstehende Spannung
auch tatsächlich auf einem unkritischen Pegel liegt.
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Dazu
ist für die erste Endstufe 20 ein erster Schalter 11,
eine erste Diode 13, ein erster Kondensator 15,
sowie ein dritter Schalter 17 vorgesehen. Der erste Schal ter 11 ist
zwischen dem Spannungsversorgungseingang 5 und der Anode
der ersten Diode 13 vorgesehen. An den Spannungsversorgungseingang 5 des
Hydraulikventilsteuergeräts wird eine Gleichspannung von
24 V angelegt, die auch das Netzteil des Geräts versorgt.
Der Knoten, mit dem die Anode der ersten Diode 13 verbunden
ist, wird als Knoten 300 bezeichnet. Die Verbindungsleitung,
die zu dem Ansteuereingang des ersten Schalters 11 geführt
ist, ist mit dem Bezugszeichen 310 gekennzeichnet.
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Die
Kathode der ersten Diode 13 ist mit dem ersten Spannungsversorgungseingang 2 der
ersten Endstufe 20 verbunden. In geschlossenem Zustand koppelt
somit der erste Schalter 11 den ersten Spannungsversorgungseingang 2 der
ersten Endstufe 20 mit dem Spannungsversorgungseingang 5 des
Hydraulikventilsteuergeräts 1, sodass der Strom
von dem Spannungsversorgungseingang 5 zu der ersten Endstufe 20 fließen
kann. Zwischen der Kathode der ersten Diode 13 ist die
erste Platte eines ersten Kondensators 15 angeschlossen,
dessen zweite Platte mit der Masse 36 verbunden ist.
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Der
dritte Schalter 17 ist die meiste Zeit geschlossen, sodass
bei Freigabe der ersten Endstufe 20 durch Anlegen eines
High-Pegels am Freigabeeingang ENA auch der erste Schalter 11 zunächst geschlossen
wird. Wird nun am Freigabeeingang ENA von außen ein Low-Pegel
angelegt wird, wird mittels der Endstufenansteuerung 22 die
erste Endstufe 20 so angesteuert, dass kein Strom mehr
in die Magnetspule des Hydraulikventils 24 fließt.
Gleichzeitig wird der erste Schalter 11 so angesteuert,
dass er öffnet und somit den ersten Spannungsversorgungseingang 2 der
Endstufe 20 von dem Spannungsversorgungseingang 5 des
Hydraulikventilsteuergeräts 1 trennt.
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Die
Anode der Diode 13 ist auch mit dem Eingang 1 des Überwachungsblocks 19 verbunden. Liegt
der Freigabeeingang ENA auf Low-Pegel, so überprüft
der Überwachungsblock 19, ob der Schalter 11 geöffnet
ist. Innerhalb des Überwachungsblocks 19 gibt
es einen Widerstand R1 zwischen dem Eingang 1 und der Masse 36.
Der Widerstand R1 sorgt bei geöffnetem Schalter 11 dafür,
dass das Potenzial, das an der Anode der ersten Diode 13 anliegt,
auf Masse oder nahe Masse liegt. Der Überwachungsblock 19 überprüft
nun, ob der Widerstand R1 das Potenzial am Eingang 1 tatsächlich
gesenkt hat. Falls dies nicht der Fall ist, wird daraus gefolgert, dass
der Schalter 11 nicht geöffnet ist und ein Fehler vorliegt.
Dieser Fehler wird am Ausgang 9 der Überwachungsschaltung 19 durch
Ausgabe eines Low-Pegels angezeigt.
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Der Überwachungsblock 19 kann
als analoge Schaltung, als digitale Schaltung oder als Mikrocontroller
realisiert sein. Bei erfolgtem Öffnen des Schalters 11 gibt
der Überwachungsblock 19 eine Freigabequittung
an seinen Ausgang 7, der an einem Ausgang des Hydraulikventilsteuergeräts 1 als
Quittungssignal AENA ausgegeben wird, aus. Die Ausgangssignale AENA
und AENB melden in diesem Ausführungsbeispiel an die übergeordnete
Steuerung, ob eine Freigabe vorliegt und zudem wird die betreffende
Endstufe spannungslos geschaltet ist. Zudem wird die erfolgte Abschaltung über
den Ausgang 10 des Überprüfungsblocks 19 auch
an die Endstufenansteuerung 22 gemeldet.
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Analog
zu der Schaltung der Versorgungsspannung für die erste
Endstufe 20 ist auch für die zweite Endstufe 21 eine
Schaltung zum Koppeln des ersten Spannungsversorgungseingangs 2 mit
dem Spannungsversorgungseingang 5 des Hydraulikventilsteuergeräts 1 vorgesehen.
Ein zweiter Schalter 12 ist zwischen Spannungsversorgungseingang 5 und Anode
einer zweiten Diode 14 geschaltet. Die Kathode der zweiten
Diode 14 ist mit dem ersten Spannungsversorgungseingang 2 der
zweiten Endstufe 21 verbunden.
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Zudem
ist ein zweiter Kondensator 16 vorgesehen, dessen erste
Platte mit der Kathode der zweiten Diode 14 und dessen
zweite Platte mit der Masse 36 verbunden ist. Ein vierter
Schalter 18 ist zwischen dem Freigabeeingang ENB und dem
Steuereingang des zweiten Schalters 12 vorgesehen. Die
Unterbrechung der Spannungsversorgung für die zweite Endstufe 21 erfolgt
wie die Unterbrechung der Spannungsversorgung für die erste
Endstufe 20 und braucht deshalb hier nicht wiederholt zu
werden.
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Der
erste Schalter 11 und der zweite Schalter 12 sind
vorzugsweise als Leistungstransistoren bspw. als Leistungs-MOSFETs
ausgebildet.
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Am
Ausgang FA1 des Hydraulikventilsteuergeräts 1 wird
ein Fehler ausgegeben, falls ein Fehler von dem Überwachungsblock 19 oder
von der Ansteuerschaltung 22 angezeigt wird. Die Fehlerausgabe
wird durch einen Low-Pegels am Fehlerausgang FA1 angezeigt.
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2 zeigt
Details des Überwachungsblocks 19 des Hydraulikventilsteuergeräts 1 aus 1.
Elemente mit gleichen Funktionen wie in vorhergehenden Figuren werden
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht erneut erläutert.
Der Überwachungsblock 19 weist einen Oszillator 30,
eine statische Auswertung 31, eine dynamische Auswertung 32,
ein erstes UND-Gatter 33, einen Tiefpass 34, sowie
ein zweites UND-Gatter 35 auf.
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Der
Oszillator 30 erzeugt am Ausgang 5 des Überwachungsblocks 19 ein
periodisches Signal, das die überwiegende Zeit auf dem
High-Pegel und jeweils für kurze Zeit, beispielsweise für
eine Millisekunde, auf dem Low-Pegel ist. Während des High-Pegels
ist der dritte Schalter 17 geschlossen, wogegen während
des Low-Pegels der dritte Schalter 17 geöffnet
wird. Ist der Schalter 17 geschlossen, wird das Freigabesignal
ENA auf den Schalteingang des ersten Schalters 11 geschaltet.
Ist dabei das Freigabesignal ENA auf Null, wird der Schalter 11 geöffnet,
sodass die Spannungsversorgung für die erste Endstufe 20 unterbrochen
ist.
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Die
statische Auswertung 31 empfängt als Eingangssignale
das Signal am Eingang 1 des Überwachungsblocks 19 sowie
das Signal ENA. Die dynamische Auswertung 32 empfängt
lediglich das Signal am Eingang 1 des Überwachungsblocks 19.
Das erste UND-Gatter 33 empfängt an seinen zwei
Eingängen die Ausgangssignale der statischen Überwachung 31 und
der dynamischen Überwachung 32. Der Ausgang des
ersten UND-Gatters 33 wird an den Eingang des Tiefpasses 34 geführt,
der seinerseits den Ausgang 9 der Überwachungsschaltung 19 treibt.
Das zweite UND-Gatter 35 empfängt an seinen beiden
Eingängen das Freigabesignal ENA und das Signal am Eingang 1 des Überwachungsblocks 19. Das
zwei te UND-Gatter 35 gibt am Ausgang 7 des Überwachungsblocks 19 das
Signal für die Freigabequittung AENA aus.
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Wenn
das Freigabesignal ENA und das Signal am Eingang 1 der Überwachungsschaltung 19 beide
auf logisch Eins, dass heißt auf High-Pegel, sind, hat
das Hydraulikventilsteuergerät 1 das Freigabesignal
ENA erhalten und der Schalter 11 ist geschlossen. In diesem
Fall wird das Freigabequittungssignal AENA an die übergeordnete
Ansteuerung des Hydraulikventilsteuergeräts 1 ausgegeben.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Implementierung der statischen
Auswertung 31 und der dynamischen Auswertung 32.
Die statische Auswertung 31 weist ein NAND-Gatter D2 mit
einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang auf.
Die statische Auswertung 31 überprüft
den Zustand des ersten Schalters 11 im Falle, dass keine Freigabe
vorliegt. Ist das Freigabesignal ENA auf Low-Pegel, sollte der Schalter 11 geöffnet
sein. Dabei wird die Spannung am Knoten 300 gesenkt, weil Strom
durch den Widerstand R1 der dynamischen Auswertung 32 zur
Masse fließt. Zwar ist noch Ladung in dem Kondensator 15 gespeichert,
sodass die Spannung an der Kathode der ersten Diode 13 nur um
wenige Volt, z. B. 2 V, einbricht. Doch verhindert der pn-Übergang
der ersten Diode 13, dass Ladung von der ersten Platte
des ersten Kondensators 15 zur Anode der ersten Diode 13 fließt.
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Falls
der erste Schalter 11 fehlerfrei geöffnet ist,
liegt das Potential am Knoten 300 nahe dem Massepotential.
Im Fehlerfall wird dagegen immer noch ein High-Pegel getrieben,
weil der erste Schalter 11 nicht richtig geöffnet
ist. In diesem Fall wird am Ausgang des NAND-Gatters D2 ein Low-Pegel
ausgegeben und somit ein Fehler angezeigt.
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Die
dynamische Auswertung 32 weist einen ersten Widerstand
R1, einen zweiten Widerstand R2, einen dritten Widerstand R3, einen
Kondensator C1, eine Diode V1, sowie einen Schwellwertdetektor D1 auf.
Der erste Widerstand R1 ist zwischen dem Knoten 300 und
der Masse 36 vorgesehen. Die Kathode der Diode V1 ist ebenfalls
mit dem Knoten 300 verbunden, während ihre Anode
mit einem ers ten Anschluss des dritten Widerstands R3 verbunden
ist. Der zweite Anschluss des dritten Widerstands R3 ist mit einem
Knoten 320 verbunden, der mit dem Eingang des Schwellwertdetektors
D1 verbunden ist. Der zweite Widerstand R2 ist zwischen einer Spannungsversorgung
VDD und dem Knoten 320 vorgesehen.
Der Kondensator C1 ist an den Knoten 320 mit seiner ersten
Platte und mit seiner zweiten Platte an die Masse 36 angeschlossen.
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Die
dynamische Auswertung 32 funktioniert im Zusammenspiel
mit dem Oszillator 30. Der Oszillator 30 gibt
an seinem Ausgang zyklisch, zum Beispiel einmal pro Sekunde, jeweils
für einen kurzen Zeitraum einen Low-Impuls von beispielsweise
einer Millisekunde aus. Im Falle, dass eine Freigabe durch das Signal
ENA erfolgt ist, wird somit für diesen kurzen Impuls auch
der erste Schalter 11 geöffnet.
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Beim Öffnen
des ersten Schalters 11 sinkt das Potenzial am Knoten 300 wegen
des Stroms durch den Widerstand R1 in Richtung Masse. Dadurch wird
auch das Potenzial am Knoten 320 gesenkt, weil ebenfalls
Strom durch den Widerstand R3, die Diode V1 und den Widerstand R1
Richtung Masse fließt. Der Kondensator C1 wird dabei entladen.
Dazu wird das Verhältnis von drittem Widerstand R3 zu der
Summe der Widerstände R1 und R2 geeignet groß gewählt,
damit das Potential des Knotens 320 nach dem Entladen des
Kondensators möglichst nahe am Massepotential ist.
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Nachdem
der erste Schalter 11 wieder geschlossen wird, fließt
aufgrund der Polarität der Diode V1 kein Strom mehr zwischen
den Knoten 300 und 320. Vielmehr wird der Kondensator
C1 über den Widerstand R2 in Richtung des Potenzials VDD,
was bspw. auf 5 V liegt, gezogen.
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Sobald
das Potenzial am Knoten 320 etwa 2 V erreicht hat, gibt
der Oszillator 30 seinen nächsten Low-Puls aus,
sodass der Kondensator C1 wieder entladen wird. Solange die Pulse
vom Oszillator 30 regelmäßig ausgelöst
werden, steigt das Potenzial am Knoten 320 nicht über
einen bestimmten Schwellwert.
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Falls
kein Puls mehr vom Oszillator 30 ausgeben wird oder der
erste Schalter 11 während der Pulse nicht mehr öffnet,
so wird der Kondensator C1 nicht mehr entladen. Falls dann der Schwellwert
von bspw. 3 V am Knoten 320 überschritten wird,
gibt der Schwellwertdetektor D1 einen Low-Pegel an seinem Ausgang
aus und zeigt somit einen Fehler an.
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Die
erste Diode 13 dient dazu, die Endstufe 20 von
dem ersten Schalter zu entkoppeln, wenn der erste Schalter 11 geöffnet
ist. Damit wird der Knoten 300 schnell und unabhängig
von der Last an dem Knoten, der mit dem ersten Spannungsversorgungseingang 2 der
Endstufe 20 verbunden ist, entladen. Somit kann der erste
Widerstand R1 unabhängig von dieser Last dimensioniert
werden. Auch wird die für die Entladung benötigte
Zeit verkürzt, sodass auch die Pulsdauer des Low-Pulses
des Oszillators 30 verkürzt werden kann. Anstelle
der ersten Diode 13 kann beispielsweise auch ein Transistor
vorgesehen werden, der beim Öffnen des ersten Schalters 11 ebenfalls
geöffnet wird, um die Endstufe von dem Knoten 300 zu
entkoppeln.
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Die
vom Oszillator 30 ausgegebenen Low-Pulse sollen so kurz
sein, dass die Funktion der Endstufe 20 nicht beeinträchtigt
wird. Aufgrund der in dem ersten Kondensator 15 gespeicherten
Ladung sinkt das Potential an der Kathode der ersten Diode. Der
erste Kondensator 15 hat in einer Ausführungsform
eine so große Kapazität, dass die Spannung nur um
wenige Volt absinkt, auch wenn durch die Endstufe 20 ein
Strom von 3 A fließt. Vorzugsweise wird als erste Kondensator 15 deshalb
ein Elektrolytkondensator verwendet.
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In
einer anderen Ausführungsform wird ein erster Kondensator 15 mit
einer kleinen Kapazität vorgesehen. Dauern die Impulse
beispielsweise nur eine Millisekunde, so wird auch bei großem
Spannungseinbruch aufgrund der Trägheit des Ventils der Positionsfehler
so klein sein, dass er in der Anwendung kaum bemerkbar und zudem
ohne Schwierigkeiten wieder ausregelbar ist.
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Das
erste UND-Gatter 33 gibt an seinem Ausgang einen Low-Pegel
aus, falls eine oder beide der Auswertungen 31 und 32 einen
Low-Pegel ausgibt bzw. ausgeben.
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Der
Fehlerausgang FA1 ist hier als Low-aktiver Summenfehlerausgang geschaltet.
Fehler werden an dem Ausgang FA1 durch Ausgabe eines Low-Pegels
an die dem Hydraulikventilsteuergeräts 1 übergeordnete
Schaltung ausgegeben. Durch den Tiefpass 34 werden hochfrequente
Störimpulse herausgefiltert.
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In 3 sind
die beiden Auswertungen 31 und 32 schematisch
mit Bauteilen dargestellt. Nicht dargestellt sind gegebenenfalls
benötigte Pegelanpassungen. Anstelle des Widerstands R1
kann auch ein aktives Bauelement, bspw. ein Transistor oder ähnliches
eingesetzt werden, der für einen noch schnelleren Abbau
der Spannung am Knoten 300 bei Öffnen des ersten
Schalters 11 sorgt.
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4 zeigt
ein Prinzipschaubild für die Überwachungsfunktionen
eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Hydraulikventilsteuergeräts 1.
Die Endstufe 20 und das Hydraulikventil 24 sind
in 4 nur als Blöcke gezeigt.
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An
den Spannungsversorgungseingang 5 des Hydraulikventilsteuergeräts 1 wird
wiederum eine Gleichspannung von 24 V angelegt. Zwischen den Spannungsversorgungseingang 5 des
Hydraulikventilsteuergeräts 1, sowie dem ersten
Spannungsversorgungseingang 2 der ersten Endstufe 20 sind
zwei Schalter in Reihe vorgesehen. Zusätzlich zu dem ersten
Schalter 11 ist der Redundanzschalter 40 so in
Reihe geschaltet, dass beim Öffnen mindestens einer der
beiden Schalter 11 und 40 die Kopplung zwischen
dem Spannungsversorgungseingang 5 des Hydraulikventilsteuergeräts
und dem ersten Spannungsversorgungseingang 2 der Endstufe 20 unterbrochen
wird. Um sicher zu stellen, dass das Trennen von der Versorgungsspannung
auch funktioniert, wenn der erste Schalter 11 ausfällt,
ist der Redundanzschalter 40 vorgesehen. Der Redundanzschalter 40 und
die dazugehörige Logik dienen dazu, die Sicherheitsanforderungen
entsprechend der Kategorie 3 der Norm EN954-1 bzw. EN13849-1 zu
erfüllen.
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Zur
Ansteuerung des ersten Schalters 11 und des Redundanzschalters 40 enthält
das Hydraulikventilsteuergerät 1 eine erste Abschaltlogik 41, eine
zweite Abschaltlogik 42, den dritten Schalter 17, einen
fünften Schalter 172, einen sechsten Schalter 47 und
einen siebten Schalter 472. Das Freigabesignal ENA ist über
die Reihenschaltung des fünften Schalters 172 und
des dritten Schalters 17 mit dem Schalteingang des ersten
Schalters 11 gekoppelt. Zudem ist der Freigabeeingang ENA über
die Reihenschaltung aus siebtem Schalter 472 und sechstem
Schalter 47 mit dem Steuereingang des Redundanzschalters 40 gekoppelt.
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Die
Steuereingänge des dritten Schalters 17, des fünften
Schalters 172, des sechsten Schalters 47 und des
siebten Schalters 472 werden von den Abschaltlogiken 41 und 42 angesteuert.
Die Ansteuerlogiken 41 und 42 sind baugleich zu
dem Überwachungsblock 19, wobei zusätzlich
ein Eingang 9' vorgesehen ist, der zum Abschalten eines
weiteren Schalters dient. Der Ausgang 9 dient zum Abschalten des
dritten Schalters 17 bei fehlender Freigabe und zum Überprüfen
des ersten Schalters 17 mittels des vom Oszillator 30 ausgegebenen
Signals.
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Falls
ein Fehler in der Funktionalität des ersten Schalters 11 festgestellt
wird, wird über den Ausgang 9 der Abschaltlogik 41 und
den dritten Schalter 17 der erste Schalter 11 geöffnet.
Zusätzlich wird der Ausgang 9' so betrieben, dass
auch der siebte Schalter 472 geöffnet wird. Dadurch
wird auch der Redundanzschalter 40 geöffnet, sodass
durch den zusätzlichen Redundanzschalter 40 sichergestellt
wird, dass kein Strom mehr in die Endstufe 20 fließt.
Falls bei der Überprüfung festgestellt wird, dass
der erste Schalter 11 nicht richtig geschaltet hat, ist
das Risiko groß, dass auch das Abschalten mit Hilfe des
dritten Schalters 17 erfolglos bleibt und die Spannungsversorgung
nicht unterbrochen wird. Deshalb ist der Redundanzschalter 40 vorgesehen,
der für ein sicheres Abschalten sorgt.
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In
analoger Weise arbeitet die Abschaltlogik 42, die über
ihren Eingang 1 den Redundanzschalter 40 überwacht
und am Ausgang 9 das vom Oszillator 30 bereitgestellte
gepulste Signal ausgibt und im Falle eines Fehlers nicht nur den
sechsten Schalter 47, sondern auch den fünften
Schalter 172 ausschaltet. Die beiden Abschaltlogiken 41 und 42 gewährleisten durch
die kreuzweise Abschaltung eine höhere Sicherheit für
das Trennen der Endstufe von der Versorgungsschaltung.
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5 zeigt
weitere Details der in 4 dargestellten Abschaltung.
Wie in 1 sind auch die erste Diode 13 und der
erste Kondensator 15 vorgesehen. Zudem ist noch eine weitere
Diode 144 zwischen ersten Schalter 11 und Redundanzschalter 40 in
Reihe zu diesen beiden Schaltern 11 und 40 geschaltet.
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Die
Endstufe 20 enthält eine Vollbrücke,
die ihre Steuersignale von dem Stromregler 44 empfängt,
der die Vollbrücke anhand eines Messwerts für den
durch die Magnetspule fließenden Strom regelt. Der Stromregler
kann analog, als eigene digitale Schaltung oder in einem Mikrocontroller
realisiert sein.
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Die
Abschalteinrichtungen 41 und 42 weisen jeweils
eine Fehlererkennung 411 bzw. 421 sowie ein UND-Gatter 412 bzw. 422 auf.
Die Fehlererkennung 411 gibt, falls ein Fehler entdeckt
wurde, einen Low-Pegel an das UND-Gatter 412 aus. Das UND-Gatter 412 empfängt
als zweites Eingangssignal das Ausgangssignal des Oszillators 30 und
steuert mit seinem Ausgang den dritten Schalter 17 an. Zwischen
den Ausgang des Oszillators und das UND-Gatter 422 ist
ein Verzögerungsglied 43 geschaltet, das dafür
sorgt, dass die Schalter 11 und 40 nicht gleichzeitig
ausgeschaltet werden.
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- 1
- Hydraulikventilsteuergerät
- 10
- DC-DC-Spannungswandler
- 11
- erster
Schalter
- 12
- zweiter
Schalter
- 13
- erste
Diode
- 14
- zweite
Diode
- 15
- erster
Kondensator
- 16
- zweiter
Kondensator
- 17
- dritter
Schalter
- 18
- vierter
Schalter
- 19
- Überwachungsblock
- 20
- erste
Endstufe
- 21
- zweite
Endstufe
- 22
- Endstufenansteuerung
- 23
- UND-Gatter
- 24
- Hydraulikventil
- 25
- Hydraulikzylinder
- 30
- Oszillator
- 31
- statische
Auswertung
- 32
- dynamische
Auswertung
- 33
- erstes
UND-Gatter
- 34
- Tiefpass
- 35
- zweites
UND-Gatter
- 36
- Masse
- 40
- Redundanzschalter
- 41
- erste
Abschaltlogik
- 42
- zweite
Abschaltlogik
- 43
- Verzögerungsglied
- 44
- Stromregler
- 47
- sechster
Schalter
- 142
- fünfter
Schalter
- 412
- UND-Gatter
- 422
- UND-Gatter
- 411
- Fehlererkennung
- 421
- Fehlererkennung
- 472
- siebter
Schalter
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Norm EN954-1 [0069]
- - EN13849-1 [0069]