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Magnetbetätigtes Servoventil
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Die Erfindung betrifft ein magnetbetätigtes Servoventil mit den im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angeoebenen Merkmalen.
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Ein Servoventil dient zum analogen Ansteuern eines Hydraulikverbrauchers.
Dem maanetbetätiten Servoventil wird ein Ansteuersignal kleiner Leistung, nämlich
ein Stromsignal zugeführt;dies bewirkt ein hydraulisches Ausgangssignal großer Leistung,
wie es zum analogen Ansteuern beispielsweise von Hydraulikzylindern erforderlich
ist. Zusätzlich zur Aufgabe des analogen Ansteuerns wird das Servoventil hauptsächlich
in elektro-hydraulischen Regelkreisen eingesetzt, z.B. zum Halten der Position des
Kolbens des Hydraulikzylinders unter Belastung. Hierfür ist eine lineare Hub-Druck-Kennlinie
des Servoventils erforderlich. Nach dem Stand der Technik bestehen Servoventile,
die den erwähnten Anforderungen genügen, aus einer ersten Stufe, nämlich einem Steuermotor
mit Permanentmagnet, Steuerspulen und Anker mit Prallplatte, der ein kleines Stromsignal
in eine proportionale Bewegung der Prallplatte umwandelt und einem hydraulischen
Verstärker,
bei dem die zwischen zwei Düsen angeordneten Prallplatte den Druck des aus den Düsen
ausströmenden Druckmittels je nach Aus lenkung der Prallplatte verändert, so daß
eine Druckdifferenz entsteht, sowie aus der zweiten Stufe, die als Wege-Schieberventil
ausgebildet ist, dessen Steuerkolben von der Druckdifferenz des hydraulischen Verstärkers
beaufschlagt wird. Dabei ist die Auslenkung der Prallplatte proportional dem in
den Steuerspulen des Magneten wirkenden Stromsignals und der in dem hydraulischen
Verstärker abhängig von der Aus lenkung der Prallplatte erzeugten Druckdifferenz.
Die Hub-(Auslenkung) Druck-Kennlinie des Servoventils ist linear. Damit ist jeder
vorgegebenen Druckdifferenz eine bestimmte Stellung des Steuerkolbens des Wegeventils
zugeordnet, so daß die genaue Position z.B. eines Hydraulikzylinders gesteuert werden
kann. Infolge dieser Eigenschaften können solche Servoventile in Regelkreisen eingesetzt
werden, indem der Steuerkolben des Wegeventils mit einem Weggeber versehen wird,
dessen Istwertsignal in einer Vergleichsstufe mit dem den Steuerspulen des Schallplattenmagnets
zugeführten Sollwertsignal verglichen wird und eine Regelgröße gebildet wird, welche
den Steuerspulen zugeführt wird. Damit wird der Istwert stets an den Sollwert angeglichen.
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Die geschilderten Eigenschaften eines solchen Servoventils sind jedoch
nur mit einem erheblichen Bauaufwand der ersten Stufe zu erzielen. Die der Erfindung
zugrundeliegende Aufgabe ist es daher, den Bauaufwand und die Kosten für ein Servoventil
zu verringern. Diese Aufgabe ist durch im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Es wird also erfindungsgemäß das die erste Stufe des Servoventils
bildende Steuerventil, das aus dem geschilderten magnetischen Antrieb, dem hydraulischen
Verstärker mit Düsen und Prallplatte und den Steuerkolben des ServohPqtPh+ ventils
also das komplette Servoventil durch ein einfaches
magnetbetätigtes
Schieberventil bis zu einer bestimmten Leistungsgrenze ersetzt. Ventile größerer
Leistung müssen wieder herkömmlich gebaut werden. Die Leistungsgrenze wird durch
die Leistung des Proportionalmagneten bestimmt.
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Schieberventile, bei denen der Steuerschieber zwischen zwei Magneten
angeordnet ist, sind bekannt. Als Vier-Wege-Schieberventil dienen sie zur Steuerung
der Druckmittelwege von und zu einem doppelt wirkenden Hydraulikzylinder.
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Die Mittelstellung des Steuerschiebers, in der die Druckmittelwege
zum Verbraucher abgeschlossen sind, wird durch Zentrierfedern eingestellt. Soll
der Steuerschieber aus der Mittelstellung in die eine Richtung verschoben werden,
so wird die Wicklung des einen Magneten mit einem Stromsignal beaufschlagt, während
beim Verschieben in die andere Richtung ausgehend von er Mittelstellung die andere
Wicklung erregt wird. Beim Durchfahren der Mittelstellung wird also von der einen
Magnetwicklung auf die andere umgeschaltet. Im Gegensatz zu Servoventilen bauen
solche Schieberventile einfach. Sie weisen aber keine lineare Hub-Druck-Kennlinie
auf, sondern vielmehr erhebliche Unregelmäßigkeiten in ihrer Kennlinie, so daß damit
eine Positionsregelung des Kolbens eines Hydraulikzylinders nicht möglich ist. Solche
Ventile werden deshalb nach dem Stand der Technik nur zur Geschwindigkeitsregelung
des Kolbens des Hydraulikzylinders verwendet, d.h. proportional zu dem vorgegebenen
Sollwert-Stromsignal stellt sich eine Verschiebung des Steuerkolbens des Wegeventils
ein. Zum Einsatz in einen Regelkreis, also Rückführung eines Istwerts und Bildung
einer Regelgröße aus dem Sollwert-Istwert-Vergleich ist deshalb nur bei Geschwindigkeitsregelungen
möglich.
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Erfindungsgemäß werden die Nachteile des bekannten magnetbetätigten
Schieberventils vermieden, wenn dieses in der erfindungsgemäßen Weise angesteuert
wird. Für die Mittelstellung des Steuerschiebers werden die beiden Magnetwicklungen
gegensinnig mit jeweils einem Stromsignal er-
regt. Diese Mittelstellung
bei erregten Wicklungen muß mit der Mittelstellung des Steuerschiebers im stromlosen
Zustand übereinstimmen. Ausgehend von der Mittelstellung wird nun das Stromsignal
in mindestens einer Magnetwicklung vergrößert bzw. verkleinert, so daß sich eine
Verschiebung des Steuerschiebers in der einen bzw. in der anderen Richtung ergibt.
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Hierfür sind mehrere Arten der Ansteuerung möglich: In der ersten
Ausführungsform wird der eine Magnet mit einem konstanten Strom beaufschlagt, während
das Stromsignal in der Wicklung des anderen Magneten verändert wird. Vorzugsweise
sind zur Einstellung der Mittelstellung des Steuerschiebers der Konstantstrom und
der veränderliche Strom gleich, so daß sich jede Stellung des Steuerschiebers in
der einen und in der anderen Richtung durch Veränderung des Stroms in der gesteuerten
Wicklung ergibt. Infolgedessen genügt es, den mit Konstantstrom gespeisten Magnet
als Schaltmagnet auszubilden, an den keine besonderen Anforderungen hinsichtlich'seiner
Hub-Kraft-Kennlinie gestellt werden. Dieser Magnet soll ja nur eine bestimmte Ausgangsstellung
des Steuerschiebers vermitteln. Es braucht nur der gegenüberliegende Magnet als
Proportionalmagnet ausgebildet zu sein, bei dem also die vom Magneten ausgeübte
Kraft während des vom Anker ausgeführten Hubes in einem möglichst großen Bereich
linear ist.
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Im zweiten Fall sind beide Magnete als Proportionalmagnete ausgeführt
und werden zum Einstellen der Mittelstellung des Steuerschiebers jeweils mit dem
gleichen Stromsignal erregt. Soll nun die Verschiebung des Steuerschiebers in die
eine Richtung erfolgen, so wird das Stromsignal in dem einen Magneten erhöht und
in dem anderen Magneten im selben Maße verringert, d.h. die Stromsignale in beiden
Magnetwicklungen sind zueinander umgekehrt proportional.
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Durch eine derartige Gegeneinanderschaltung der beiden Magnete, deren
Wicklung mit umgekehrt proportionalen Stromsignalen erregt werden, ist bei einem
derartigen
einfachen Wegeventil eine Linearität der Hub-Kraft-Kennlinie,
also der von den Magneten längs des Hubes gelieferten Kraft zu erzielen die mit
der Linearität eines eingangs geschilderten Servoventils ohne weiteres vergleichbar
ist. Es wird erfindungsgemäß eine nahezu vollständige Linearität der Kennlinie erreicht.
Die Linearität läßt sich sowohl für Proportionalmagnete mit ansteigender Kraft-Hub-Kennlinie
erreichen als auch für Proportionalmagnete mit abfallender Kraft-Hub-Kennlinie.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Servoventils liegt darin,
daß die Schaltfrequenz in starkem Maße erhöht werden kann. Soll nämlich beispielsweise
der Steuerschieber des Steuerventils in die Mittelstellung zurückgefahren werden,
so wird das Stromsignal des Magneten auf der einen Seite beispielsweise um 100 mA
erhöht, während das Stromsignal für den Magneten der anderen Seite um 100 mA verringert
wird, so daß sich eine Differenzkraft entsprechend der Stromdifferenz von 200 mA
ergibt, welche auf den Steuerkolben wirkt. Diese Kraft steht zusätzlich zur Rückstellkraft
der Justierfedern zur Verfügung, welche den Steuerkolben in die Mittelstellung zurückzuführen
suchen. Bei einem magnetbetätigten Wegeventil bekannter Bauweise, bei dem stets
nur ein Magnet erregt wird, muß zum Zurückführen des Schiebers in die Mittelstellung
dieser Magnet abgeschaltet werden, so daß allein die Rückstellkraft der Federn wirksam
ist. Dadurch ergibt sich für das erfindungsgemäße Servoventil eine wesentlich höhere
Schaltfrequenz.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform
eines zweistufigen Servoventils mit magnetbetätigtem Steuerventil und einem Vier-Wege-Schieberventil,
Fig. 2 einen Schnitt durch ein magnetbetätigtes Steuerventil in einer abgewandelten
Ausführungsform, Fig. 3 eine ansteigende Hub-Kraft-Kennlinie eines Proportionalmagneten,
Fig. 4 eine abfallende Hub-Kraft-Kennlinie-eines Proportionalmagneten und Fig. 5
ein Schaltbild der Elektronikschaltung zum Ansteuern der Proportionalmagnete.
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Fig. 1 zeigt ein zweistufiges Servoventil. Die erste Stufe besteht
aus einem magnetbetätigten Vier-Wege-Schieberventil 10. In einer Längsbohrung des
herkömmlichen und bei Großserienfertigung sehr preiswerten Ventilgehäuses 11 ist
eine Steuerbüchse 12 mit erodierten Fenstern eingesetzt. Demzufolge ist auch die
Steuerbüchse preiswert herzustellen. In. der Längsbohrung der Steuerbüchse ist ein
Steuerschieber 13 verschiebbar angeordnet, der mit Steuerbunden 14,15,16 und 17
versehen ist, über welche die im Gehäuse 11 und der Steuerbüchse 12 angeordneten
Druckmittelkanäle steuerbar sind. Auf je ein Ende des Steuerschiebers 13 wirkt je
ein Anker 20,21 eines Magneten 22,23.
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Die Anker 20,21 sind verschiebbar gelagert und jeweils von einer Magnetwicklung
umgeben, deren Anschlüsse mit nicht dargestellten Klemmen verbunden sind.
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Der Steuerschieber 13 ist in seiner Mittelstellung dargestellt. Hierzu
ist der Steuerschieber von zwei Justierfedern 29,30 gegensinnig beaufschlagt, so
daß auch im stromlosen Zustand der Magnete 22,23 die Mittelstellung des Steuerkolbens
erreicht wird.
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Die Zentrierfeder 29ist zwischen dem Bund 17 des Steuerschiebers 13
und einer Hohlschraube 31 angeordnet, die mit der Steuerbüchse 12 verschraubt ist
und durch welche der Anker 21 des Magneten 23 greift.
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Zentrierfeder 30 dient als Die andere/Justierfeder 30 ist auf der
dem Steuerschieber 13 abgekehrten Seite des Magneten 22 angeordnet und stützt sich
mit ihrem einen Ende auf dem Anker 20 und mit ihrem anderen Ende in einer Sackbohrung
einer Einstellschraube 32 ab, die in eine Gewindebohrung 33 im Deckel 34 des Magnetgehäuses
eingeschraubt ist. Durch Verstellen der Schraube 32 läßt sich so die Federspannung
der Justierfeder 30 verändern und damit die Mittelstellung des Steuerschiebers 13
von außen her einstellen.
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In der dargestellten Mittelstellung sind durch die Bunde 15 und 16
des Steuerschiebers 13 die zu der zweiten Stufe führenden Kanäle 36 und 37 abgesperrt.
Die Räume zwischen den Bunden 14, 15 bzw. 16 und 17 sind über den Kanal 38, 39 mit
Tank verbunden und der Raum zwischen den Bunden 15 und 16 über den Kanal 40 mit
einer Druckmittelquelle P.
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Wird die Magnetwicklung des Magneten 22 mit einem bestimmten S romsignal
erregt, so verschiebt sich der Anker 20 nach rechts und drückt auf den Steuerschieber
13, der sich somit ebenfalls nach rechts verschiebt und über den Steuerbund 16 die
Verbindung des Druckmittelkanals 40 zum Kanal 37 öffnet, so daß Druckmittel zur
zweiten Stufe gelangen kann, während die Verbindung des Kanals 36 über den Steuerbund
15 zum Kanal 39 geöffnet wird, wodurch eine Verbindung des Kanals 36 zum Tank zwecks
Druckentlastung hergestellt wird. Je größer das Stromsignal i in der Magnetwicklung
eingestellt wird, desto größer ist die vom Anker ausgeübte Kraft F. In Fig. 3 ist
dies für eine ansteigende Hub-Kraft-Kennlinie des Magneten dargestellt, wobei sich
zeigt, daß sich eine Linearität eines einzelnen Proportionalmagneten nicht erzielen
läßt. Vielmehr ändert sich die Kraft über die Hublänge für jedes eingestellte Stromsignal
in der dargestellten Weise.
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Es können auch Proportionalmagnete mit abfallender Hub-
Kraft-Kennlinie
Verwendung finden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
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Erfindungsgemäß sind zum Einstellen des Steuerschiebers 13 auf die
dargestellte Mittelstellung beide Magneten 22 und 23 mit dem gleichen Stromsignal
erregt. Die Größe des Stromsignals beträgt etwa die Hälfte des Nennstroms.
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Soll nun der Steuerschieber 13 nach rechts verschoben werden, so wird
der Strom im Magneten 22 im selben Maße erhöht, wie im Magneten 23 verringert. Die
Magnete werden also so angesteuert, daß ihre Ströme zueinander umgekehrt proportional
sind. Es läßt sich anhand der in den Fig.3 und 4 dargestellten Kennlinien zeiqen,
daß mit einem derartigen Gegeneinanderschalten der beiden Magnete und Ansteuern
mit umgekehrt proportionalen Strömen eine nahezu vollständige Linearität der aus
beiden Magneten resultierenden Hub-Kraft-Kennlinie erzielt wird. Die am Steuerkolben
13 wirkende Kraftdifferenz beider Magnete ist somit linear proportional dem Hub
des Steuerschiebers, wie dies bisher nur mit komplizierten und aufwendigen Servoventilen
mit Prallplatte und Düsensteuerung erreicht werden konnte.
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Die entsprechend der Verschiebung des Steuerschiebers 13 erzeugte
Druckdifferenz in den Kanälen 36, 37 wirkt auf die einander entgegengesetzten Steuerflächen
42, 43 des Schiebers 44 der zweiten Stufe, die ebenfalls als Vier-Wege-Schieberventil
45 ausgebildet ist. Steuerbunde 46, 47 des Schiebers 44 steuern je nach Lage des
Schiebers die Verbindung von einer Druckmittelquelle P zu einem ersten Auslaß A
bzw. zu einem zweiten Auslaß B, während jeweils der andere Auslaß A bzw. B mit Tank
T verbunden ist. Im bekannter Weise können die Auslässe A und B mit einem doppelt
wirkenden hydraulischen Zylinder verbunden sein, der nicht dargestellt ist.
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Ferner kann auf der einen Seite des Wegeventils 45 ein elektro-mechanischer
Wegegeber 50 befestigt sein, der die jeweilige Verschiebung des Schiebers 44 erfaßt
und in ein elektrisches Istwert-Signal umwandelt.
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In Fig. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Steuerventils 10
dargestellt, wobei gleich Bauteile mit sleichen Bezugszeichen versehen sind. Die
zweite Stufe des Steuerventils, nämlich das Vier-Wege-Schieberventil 45 ist in Fig.
2 nicht dargestellt.
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Die Änderung in Fig. 2 besteht darin, daß der Anker 20 des Magneten
22 nicht unmittelbar auf den Steuerschieber 13 wirkt, sondern vielmehr über eine
Justierfeder 52, die zwischen einer auf dem Steuerkolben 13 angeordneten Platte
53 und einem auf dem Anker 20 angeordneten Federhalter 54 angeordnet ist. Somit
sind die Feder 52 und der Anker 20 hintereinander in Reihe geschaltet. Wie in der
Ausführungsform nach Fig. 1 ist aber die Justierfeder 29 parallel zum Anker 21 des
gegenüberliegenden Magneten 23 angeordnet und stützt sich unmittelbar zwischen der
gehäusefesten Hohlschraube 31 und dem Steuerkolben 13 ab, wie auch der Anker 21
unmittelbar auf den Anker wirkt.
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Die dargestellte Mittelstellung des Steuerkolbens 13 wird durch entsprechende
Bemessung und Einstellung der Federn 31 und 52 im stromlosen Zustand der Magneten
erreicht.
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Diese Mittelstellung soll auch beim Einschalten der Magnete erreicht
werden. Hierzu wird die Wicklung des linken Magneten 22 mit einem Konstantstrom
erregt und die Wicklung des rechten Magneten 23 mit einem bestimmten Strom, wobei
beide Ströme so aufeinander abgestimmt sind, daß die Mittelstellung beibehalten
bleibt. Aus dieser Mittelstellung heraus erfolgt nun die Verschiebung des Steuerschiebers
13 nach rechts bzw. nach links durch Änderung des Stromsignals in der Wicklung des
Magneten 23,
das vergrößert bzw. verringert wird. Dabei bleibt
das Stromsignal in der Wicklung des Magneten 22 konstant.
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Der Magnet 22 kann somit als einfacher Schaltmagnet ausgebildet sein,
während nur der Magnet 23 ein Proportionalmagnet ist.
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Der Schaltmagnet muß über die Feder 52 auf den Steuerschieber 13 wirken,
damit die Mittelstellung des Schiebers bei durchgeschalteten Schaitmagnet und halb
angesteuertem Proportionalmagnet 23 erreicht wird. Wird die Feder 52 durch den Schaltmagneten
22 um den doppelten Kolbenhub zusammengedrückt, so bewegt sich der Steuerkolben
13 in eine Endstellung, also nur um den Einfachkolbenhub weiter. Da der Proportionalmagnet
23 unmittelbar auf den Steuerkolben 13 wirkt, verstellt er diesen bei halber Ansteuerung
in seine Mittelstellung und bei voller Ansteuerung in die andere Endstellung. Während
der Magnet 23 über den Kolben 13 die Druckfeder 52 belastet, entlastet er die Druckfeder
29 um den gleichen Betrag. Die Federkonstanten beider Druckfedern sind gleich und
addieren sich. Eine Linearität des Kraft-Hub-Verhältnisses zwischen den beiden Magneten
im Sinne der Ausführungsform nach Fig. 1 durch Kompensiérung der Hub-Kraft-Kennlinien
zweier Proportionalmagnete ist in der Ausführungsform nach Fig. 3 nicht möglich,
die jedoch eine sehr einfache Variante darstellt.
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Da beide Federn 29 und 52 in Fig. 2 zum Einstellen der Mittellage
des Steuerschiebers 13 nicht von außen zugänglich sind, kann eine weitere Feder
30 vorgesehen sein, die von außen verstellbar ist und die in der in Fig. 1 dargestellten
Weise angeordnet ist.
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Es ist auch möglich, mit dem Servoventil nicht ein in Fig. 1 dargestelltes
Schieberwegeventil anzusteuern, sondern beispielsweise ein Druckventil, das zur
Reduzierung des Pumpendruckes auf einen Verbraucherdruck propor-
tional
zu dem elektrischen Eingangssignal dient. Die Erfindung ist somit nicht auf Servoventile
zum Ansteuern von Wegeventilen oder Servoventilen beschränkt.
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In Fig. 5 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die zum Ansteuern
der beiden Proportionalmagnete mit zueinander umgekehrt proportionalen Stromsionalen
dient.
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Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung dient zur Ansteuerung der Magnete
22 und 23 von Fig. 1. Ein elektrischer Sollwert zur Verstellung des Servoventils
wird in einem Verstärker 60 verstärkt und wird dem Endverstärker 61 des Magneten
22 unmittelbar und dem Endverstärker 62 des Magneten 23 über eine Inverterstufe
63 invertiert zugeführt. Ober die Einstellpotentiometer 64 und 65 der Verstärker
61 und 62 läßt sich das dem Magneten 22 bzw. 23 zugeführte Stromsignal so einstellen,
daß bei eingeschalteter Elektronik die Nullage des Steuerschiebers vorgegeben wird.
Dann erhalten beide Magnete 22 und 23 etwa 502 ihres Nennstroms, sie arbeiten mit
gleichen Kräften und halten den Steuerschieber in der Nullage.
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Die Eingabe eines positiven Sollwerts in den Verstärker 60 bewirkt
eine Vergrößerung des vom Verstärker 61 abgegebenen Stromsignals und mittels der
Invertierstufe 63 eine Verringerung des vom Verstärker 62 abgegebenen Stromsignals
um den gleichen Betrag. Bei Eingabe eines negativen Sollwerts verläuft der gleiche
Vorgang umgekehrt, so daß ausgehend von der Nullage der Steuerschieber je nach Eingabe
eines positiven oder negativen Sollwertsignals in Richtung der einen oder der anderen
Endstellung verschoben wird.
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Wird das erfindungsgemäße Servoventil in einer Regelschaltung vorgesehen,
so ist dem Verstärker 60 noch.eine Sollwert-Istwert-Vergleichsstufe 66 vorgeschaltet,
der über die Leitung 67 das Sollwertsignal und über die Leitung 68 das Istwertsignal
vom Weggeber 50 zugeführt wird.
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Wenn sich bei Laständerungen die Position des Schiebers 44 der zweiten
Stufe des Servoventils ändert, so bedingt dies eine Änderung des Istwertsignals
auf der Leitung 68 und die Vergleichsstufe 66 bildet ein neues Fehlersignal, das
dem Verstärker 60 zugeführt wird und eine Änderung der den Magneten 22 und 23 zugeführten
Stromsignale bewirkt, so daß die Position des Steuerschiebers 44 entsprechend korrigiert
wird.
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