DE102012210799A1 - Hydraulische Steuervorrichtung mit Volumenstromsensor für jedes Stellglied - Google Patents

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Bojan Ferhadbegović
Antoine Chabaud
Boris Buchtala
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung (20; 21; 22; 23) für ein hydraulisches Antriebssystem (10) mit mehreren Stellgliedern (11) und einer Pumpe (12), welche Druckfluid zu den Stellgliedern (11) fördern kann, wobei die Steuervorrichtung (20; 21; 22; 23) für jedes Stellglied (11) eine verstellbare Zulaufdrossel (21) umfasst, um den Fluidstrom zu steuern, wobei jedem Stellglied (11) ein Lastkompensationsmittel (20; 23) zugeordnet ist, welches derart eingerichtet ist, dass die Verfahrgeschwindigkeit des zugeordneten Stellgliedes (11) im Wesentlichen nur von einem vorgebbaren Soll-Volumenstrom abhängt. Erfindungsgemäß umfasst das Lastkompensationsmittel einen Volumenstromsensor (23), welcher den Ist-Volumenstrom des zum zugeordneten Stellglied (11) fließenden Druckfluids bestimmen kann, wobei eine Steuereinrichtung (20) vorgesehen ist, an welche der Volumenstromsensor (23) und die Zulaufdrosseln (21) angeschlossen sind, wobei die Steuereinrichtung (20) so eingerichtet ist, dass sie die Zulaufdrosseln (21) abhängig vom zugeordneten Soll-Volumenstrom und vom zugeordneten Ist-Volumenstrom verstellen kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Aus dem Buch "Hydraulik in mobilen Arbeitsmaschinen" der Bosch Rexroth AG (2. Auflage 2001, ISBN 3-933698-15-4), Kapitel 10.6, sind hydraulische Antriebssysteme mit Lastkompensationsmitteln in Form von Individualdruckwaagen bekannt. Die genannten hydraulischen Antriebssysteme umfassen mehrere Stellglieder, die beispielsweise als Hydraulikzylinder oder als Hydromotore ausgebildet sind. Die Stellglieder werden von einer gemeinsamen Pumpe mit Druckfluid, insbesondere Hydrauliköl, versorgt. Jedem Stellglied ist eine verstellbare Zulaufdrossel zugeordnet, um den Fluidstrom zu steuern. Der Fluidstrom hängt dabei von der Öffnungsquerschnittsfläche der verstellbaren Drossel und dem Druckabfall an der verstellbaren Zulaufdrossel ab. Um den genannten Druckabfall unabhängig von den an den Stellgliedern angreifenden Lasten konstant zu halten, sind Individualdruckwaagen als Lastkompensationsmittel vorgesehen.
  • Bei dem System Primärdruckwaage, welches auch als Load-Sensing-System bezeichnet wird, ist die Individualdruckwaage der Zulaufdrossel pumpenseitig in Reihe geschaltet. Die Individualdruckwaage wird von einer Feder in die offene Stellung gedrückt. An der Federseite der Individualdruckwaage steht der stellgliedseitige Druck an der Zulaufdrossel an, wobei an der gegenüberliegenden Federgegenseite der pumpenseitige Druck an der Zulaufdrossel ansteht. Die Individualdruckwaage und die Zulaufdrossel bilden damit zusammen einen Stromregler, welcher den Fluidstrom zum zugeordneten Stellglied im Wesentlichen proportional zur Stellung der Zulaufdrossel regelt.
  • Beim System Sekundärdruckwaage, welches auch als LUDV-System, bzw. Lastunabhängige-Durchflussverteilung-System bezeichnet wird. ist die Individualdruckwaage der Zulaufdrossel stellgliedseitig in Reihe geschaltet. Die Individualdruckwaage wird von einer Feder in die geschlossene Stellung gedrückt. An der Federseite steht der maximale Lastdruck aller Stellglieder an, wobei an der Federgegenseite der stellgliedseitige Druck an der zugeordneten Zulaufdrossel ansteht. Der zuletzt genannte Druck wird daher an allen Zulaufdrosseln auf einen Druck eingeregelt, der um das Druckäquivalent der Feder größer als der maximale Lastdruck aller Stellglieder ist. Pumpenseitig steht an allen Zulaufdrosseln der Förderdruck der Pumpe an, so dass an allen Zulaufdrosseln der gleiche Druckabfall gegeben ist. Damit hängt der Fluidstrom zu den Stellgliedern wiederum nur von der Stellung der zugeordneten Zulaufdrossel ab.
  • Die oben dargestellten hydraulischen Antriebssysteme unterscheiden sich im Betrieb vor allem dann, wenn der maximale Förderstrom der Pumpe nicht mehr ausreicht, um alle Stellglieder mit Druckfluid zu versorgen. Beim System Primärdruckwaage wird dann nur das Stellglied mit dem höchsten Lastdruck langsamer, während beim System Sekundärdruckwaage alle Stellglieder um den gleichen Faktor langsamer werden.
  • Anzumerken ist noch, dass die Zulaufdrosseln und die Individualdruckwaagen typischerweise in einer gesonderten Steuervorrichtung in Form eines Ventilblocks zusammengefasst sind.
  • Der Nachteil der bekannten Steuervorrichtung besteht darin, dass für unterschiedliche hydraulische Antriebssysteme unterschiedliche Steuervorrichtungen benötigt werden, die sich mechanisch zum Teil deutlich unterscheiden. Die Aufgabe der Erfindung besteht dementsprechend darin, eine Steuervorrichtung bereitzustellen, welche in mechanisch identischer Form für unterschiedliche hydraulische Antriebssysteme verwendbar ist, wobei eine Anpassung an den konkreten Einsatzfall im Wesentlichen allein durch Softwareänderung möglich ist.
  • Gemäß dem selbständigen Anspruch wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Lastkompensationsmittel einen Volumenstromsensor umfasst, welcher den Ist-Volumenstrom des zum zugeordneten Stellglied fließenden Druckfluids bestimmen kann, wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, an welche der Volumenstromsensor und die Zulaufdrosseln angeschlossen sind, wobei die Steuereinrichtung so eingerichtet ist, dass sie die Zulaufdrosseln abhängig vom zugeordneten Soll-Volumenstrom und vom zugeordneten Ist-Volumenstrom verstellen kann. Demnach wird mit dem Volumenstromsensor diejenige Größe gemessen, die durch die Lastdruckkompensationsmittel primär beeinflusst werden soll. Die eigentliche Kompensation wird von der Steuereinrichtung vorgenommen, welche auf einfache Weise an den jeweiligen Einsatzfall angepasst werden kann, ohne dass mechanische Änderungen an der Steuervorrichtung erforderlich sind.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
  • Die Zulaufdrosseln, die Volumenstromsensoren und die Steuereinrichtung können Bestandteil einer als Ganzes montierbaren Baugruppe sein. Wie bereits angesprochen, ist es üblich, Steuervorrichtungen in Form von als Ganzes montierbaren Ventilblöcken bereitzustellen. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass es möglich ist, den vorgeschlagenen Volumenstromsensor in die als Ganzes montierbare Baugruppe bzw. den Ventilblock zu integrieren. Der Ventilblock kann serienmäßig vormontiert werden, so dass für die Endmontage des gesamten hydraulischen Antriebssystems nur noch ein geringer Aufwand erforderlich ist.
  • Die Steuereinrichtung kann so eingerichtet sein, dass sie aus dem Ist-Volumenstrom und dem Soll-Volumenstrom eine Regeldifferenz berechnen kann, wobei sie die zugeordnete Zulaufdrossel abhängig von der Regeldifferenz verstellen kann. Damit ergibt sich ein geschlossener Regelkreis, so dass das gewünschte Betriebsverhalten auch dann erreicht wird, wenn äußere Störungen auf das hydraulische Antriebssystem einwirken. Als äußere Störungen kommen vor allem die auf die Stellglieder einwirkenden äußeren Lasten in Betracht, die bei der konstruktiven Auslegung des hydraulischen Antriebssystems im Detail nicht bekannt sind. Im einfachsten Fall wird die Zulaufdrossel proportional zur Regeldifferenz verstellt. Es können jedoch auch komplexere Regler, wie beispielsweise PID-Regler, zum Einsatz kommen, um die Systemstabilität und -dynamik zu verbessern.
  • Die Steuereinrichtung kann einen programmierbaren Digitalrechner umfassen, wobei für jeden Volumenstromsensor ein Analog-Digital-Umsetzer vorgesehen ist, der mit dem Digitalrechner gekoppelt ist. Damit kann die Anpassung der Steuereinrichtung an das konkrete hydraulische Antriebssystem allein durch Programmierung des Digitalrechners erfolgen. Mechanische Änderungen an der Steuervorrichtung sind nicht mehr erforderlich.
  • Der Volumenstromsensor kann Ultraschallschwingungen in das Druckfluid einleiten, um dessen Strömungsgeschwindigkeit zu messen. Hierdurch lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Druckfluids besonders genau bestimmen. Ein entsprechender Volumenstromsensor ist aus der DE 43 20 295 A1 bekannt.
  • Der Volumenstromsensor kann das Druckfluid einem elektromagnetischen Wechselfeld aussetzen, um dessen Strömungsgeschwindigkeit zu messen. Hierdurch lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Druckfluids besonders genau bestimmen.
  • Der Volumenstromsensor kann einen Laserstrahl in das Druckfluid einleiten, um dessen Strömungsgeschwindigkeit zu messen. Hierdurch lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Druckfluids besonders genau bestimmen. Eine besonders hohe Messgenauigkeit ergibt sich, wenn man das Laserverfahren mit dem oben angesprochenen Ultraschallverfahren kombiniert.
  • Der Volumenstromsensor kann eine Wärmequelle umfassen, mit der er das Druckfluid lokal erwärmen kann, wobei Lagebestimmungsmittel vorgesehen sind, mit denen die Lage des resultierenden Temperaturfeldes bestimmt werden kann, um die Strömungsgeschwindigkeit des Druckfluids zu messen. Dieser Sensor ist besonders kostengünstig und Platz sparend. Ein entsprechender Sensor wurde beispielsweise am 08.06.2012 auf der Internetseite http://www.omron.com/ecb/products/sensor/flow_prin.html beschrieben.
  • Die Steuereinrichtung kann einen Gesamt-Soll-Volumenstrom aus der Summe der Soll-Volumenströme für jedes Stellglied berechnen, wobei sie wenigstens einen Soll-Volumenstrom herabsetzen kann, wenn der Gesamt-Soll-Volumenstrom den maximalen Förderstrom der Pumpe übersteigt. Hierdurch soll erreicht werden, dass von der Pumpe niemals ein Förderstrom angefordert wird, der über ihrer maximalen Förderleistung liegt.
  • Es kann ausschließlich der maximale Soll-Volumenstrom herabgesetzt werden. Es können aber auch alle Soll-Volumenströme proportional um den gleichen Faktor herabgesetzt werden. Diese beiden Betriebsverhalten sind aus dem Eingangs genannten Buch grundsätzlich bekannt, wobei sie je nach konkreter Verwendung des hydraulischen Antriebssystems bevorzugt werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
  • 1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebssystems.
  • 1 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebssystems 10. Das hydraulische Antriebssystem 10 umfasst beispielhaft zwei Stellglieder 11, welche als Hydraulikzylinder oder als Hydromotore ausgebildet sein können. Die Stellglieder 11 werden von einer Pumpe 12 mit Druckfluid versorgt, wobei alle Stellglieder 11 parallel an die Pumpe 12 angeschlossen sind. Die Pumpe 12 weist ein verstellbares Verdrängungsvolumen auf und ist beispielsweise als Axialkolbenpumpe ausgeführt. Das genannte Verdrängungsvolumen kann von der Steuereinrichtung 20 verstellt werden. Die Pumpe 12 saugt das Druckfluid, insbesondere Hydrauliköl aus einem Tank 13 an, wobei das Druckfluid von den Stellgliedern 11 wieder in den gemeinsamen Tank 13 zurückfließt. Alternativ kann auch ein geschlossener Hydraulikkreis vorgesehen sein, der ohne den Tank 13 auskommt.
  • Jedem Stellglied 11 ist eine Zulaufdrossel 21 zugeordnet, welche beispielsweise in Form eines Wegeschieberventils ausgebildet ist. Dieses Wegeschieberventil 21 wird von einer Feder in die Sperrstellung gedrückt, wobei es von einem Elektromagneten in die geöffnete Stellung bewegt werden kann, wobei durch ein proportionales Ansteuersignal jede beliebige Zwischenstellung der Zulaufdrossel 21 eingestellt werden kann. Der Elektromagnet kann wiederum an eine Steuereinrichtung 20 angeschlossen sein, so dass diese die Drosselquerschnittsfläche der Zulaufdrossel 21 stetig verstellen kann. Mit der Zulaufdrossel 21 kann somit die Bewegungsgeschwindigkeit des zugeordneten Stellgliedes 11 gesteuert werden.
  • Weiter ist jedem Stellglied 11 ein Wegeventil 22 zugeordnet, welches beispielsweise von der Steuereinrichtung 20 über einen Elektromagneten angesteuert werden kann. Genauso gut können aber auch die Zulaufdrossel 21 und das Wegeventil 22 mit einem gemeinsamen Ventilschieber ausgebildet sein, so dass nur eine einzige Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 20 erforderlich ist. Mit dem Wegeventil 22 kann die Bewegungsrichtung des zugeordneten Stellgliedes 11 gesteuert werden.
  • Zwischen der Zulaufdrossel 21 und dem Wegeventil 22 ist ein Volumenstromsensor 23 angeordnet, mit dem gemessen werden kann, welches Volumen an Druckfluid in einer bestimmten Zeiteinheit durch den betreffenden Strömungskanal fließt. Dabei wird vorzugsweise die Strömungsgeschwindigkeit des Druckfluids gemessen, wobei der Volumenstrom durch Multiplikation mit der bekannten Querschnittsfläche des genannten Strömungskanals bestimmt wird. Der Volumenstromsensor 23 ist an die Steuereinrichtung 20 angeschlossen. Die vorliegende Anordnung des Volumenstromsensors 23 zwischen der Zulaufdrossel 21 und dem Wegeventil 22 hat den Vorteil, dass unabhängig von der Bewegungsrichtung des Stellgliedes 11 der maßgebliche Ist-Volumenstrom im Zulauf gemessen wird, der von der Pumpe 12 gefördert werden muss.
  • Für den Volumenstromsensor 23 kann jedes beliebige bekannte Messverfahren zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit zum Einsatz kommen. Beispielhaft genannt seien das Ultraschallverfahren, das magnetisch-induktive Verfahren, das Laserverfahren und das Verfahren, bei dem die Verlagerung einer Thermolinse gemessen wird. Grundsätzlich könnte auch das sehr geläufige Bernoulli-Verfahren zum Einsatz kommen. Bei diesem wird jedoch eine Druckmessung durchgeführt, um die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen. Mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung 20; 21; 22; 23 sollen aber gerade Druckschwankungen kompensiert werden, die durch äußere Lasten verursacht werden. Diese Störgrößen würden das Messergebnis des Bernoulli-Sensors verfälschen. Dementsprechend kommen solche Messverfahren bevorzugt zum Einsatz, bei denen der Druck des Druckfluids im Wesentlichen keinen Einfluss auf das Messergebnis hat.
  • Weiter ist ein Sollwertvorgabemittel 24 an die Steuereinrichtung 20 angeschlossen. Bei dem Sollwertvorgabemittel kann es sich beispielsweise um einen Joystick mit mehreren Achsen handeln, so dass mehrere Sollwerte vorgegeben werden können. Es kann aber auch für jedes Stellglied ein gesondertes Sollwertvorgabemittel 20 vorgesehen sein. Bei dem genannten Sollwert handelt es sich in erster Linie um die Bewegungsgeschwindigkeit des zugeordneten Stellgliedes 11. Diese kann aber über die bekannte Kolbenfläche bzw. das bekannte Verdrängungsvolumen des Stellgliedes 11 leicht in den Soll-Volumenstrom des zugeordneten Stellgliedes 11 umgerechnet werden.
  • Der Volumenstromsensor 23 ist über einen (nicht dargestellten) Analog-Digital-Umsetzer mit der Steuereinrichtung 20 verbunden, welche in Form eines programmierbaren Digitalrechners ausgebildet ist. In der Steuereinrichtung 20 liegen also für jedes Stellglied ein Soll-Volumenstrom und ein Ist-Volumenstrom in digitaler Form vor. Die Steuereinrichtung 20 berechnet aus diesen eine Regeldifferenz. Ist diese positiv, also der Ist-Volumenstrom gegenüber dem Soll-Volumenstrom zu groß, so verstellt die Steuereinrichtung 20 die zugeordnete Zulaufdrossel 21 zu kleineren Drosselquerschnittsflächen hin. Ist die genannte Regeldifferenz negativ, so werden die genannten Drosselquerschnittsflächen vergrößert.
  • Gleichzeitig überwacht die Steuereinrichtung 20 den Gesamt-Soll-Volumenstrom, also die Summe aller Soll-Volumenströme aller Stellglieder 11. Ist dieser größer als der maximale Förderstrom der Pumpe 12, so wird wenigstens einer der Soll-Volumenströme reduziert. Je nach konkretem Einsatzfall werden entweder nur der maximale Soll-Volumenstrom oder alle Soll-Volumenströme um den gleichen Faktor reduziert.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    hydraulisches Antriebssystem
    11
    Stellglied
    12
    Pumpe
    13
    Tank
    20
    Steuereinrichtung
    21
    Zulaufdrossel
    22
    Wegeventil
    23
    Volumenstromsensor
    24
    Sollwertvorgabemittel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 4320295 A1 [0013]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ISBN 3-933698-15-4 [0002]
    • http://www.omron.com/ecb/products/sensor/flow_prin.html [0016]

Claims (11)

  1. Steuervorrichtung (20; 21; 22; 23) für ein hydraulisches Antriebssystem (10) mit mehreren Stellgliedern (11) und einer Pumpe (12), welche Druckfluid zu den Stellgliedern (11) fördern kann, wobei die Steuervorrichtung (20; 21; 22; 23) für jedes Stellglied (11) eine verstellbare Zulaufdrossel (21) umfasst, um den Fluidstrom zu steuern, wobei jedem Stellglied (11) ein Lastkompensationsmittel (20; 23) zugeordnet ist, welches derart eingerichtet ist, dass die Verfahrgeschwindigkeit des zugeordneten Stellgliedes (11) im Wesentlichen nur von einem vorgebbaren Soll-Volumenstrom abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastkompensationsmittel einen Volumenstromsensor (23) umfasst, welcher den Ist-Volumenstrom des zum zugeordneten Stellglied (11) fließenden Druckfluids bestimmen kann, wobei eine Steuereinrichtung (20) vorgesehen ist, an welche der Volumenstromsensor (23) und die Zulaufdrosseln (21) angeschlossen sind, wobei die Steuereinrichtung (20) so eingerichtet ist, dass sie die Zulaufdrosseln (21) abhängig vom zugeordneten Soll-Volumenstrom und vom zugeordneten Ist-Volumenstrom verstellen kann.
  2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufdrosseln (21), die Volumenstromsensoren (23) und die Steuereinrichtung (20) Bestandteil einer als Ganzes montierbaren Baugruppe sind.
  3. Steuervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) so eingerichtet ist, dass sie aus dem Ist-Volumenstrom und dem Soll-Volumenstrom eine Regeldifferenz berechnen kann, wobei sie die zugeordnete Zulaufdrossel (21) abhängig von der Regeldifferenz verstellen kann.
  4. Steuervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) einen programmierbaren Digitalrechner umfasst, wobei für jeden Volumenstromsensor (23) ein Analog-Digital-Umsetzer vorgesehen ist, der mit dem Digitalrechner gekoppelt ist.
  5. Steuervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstromsensor (23) Ultraschallschwingungen in das Druckfluid einleiten kann, um dessen Strömungsgeschwindigkeit zu messen.
  6. Steuervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstromsensor (23) das Druckfluid einem elektromagnetischen Wechselfeld aussetzen kann, um dessen Strömungsgeschwindigkeit zu messen.
  7. Steuervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstromsensor (23) einen Laserstrahl in das Druckfluid einleiten kann, um dessen Strömungsgeschwindigkeit zu messen.
  8. Steuervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstromsensor (23) eine Wärmequelle umfasst, mit der er das Druckfluid lokal erwärmen kann, wobei Lagebestimmungsmittel vorgesehen sind, mit denen die Lage des resultierenden Temperaturfeldes bestimmt werden kann, um die Strömungsgeschwindigkeit des Druckfluids zu messen.
  9. Steuervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) einen Gesamt-Soll-Volumenstrom aus der Summe der Soll-Volumenströme für jedes Stellglied (11) berechnen kann, wobei sie wenigstens einen Soll-Volumenstrom herabsetzen kann, wenn der Gesamt-Soll-Volumenstrom den maximalen Förderstrom der Pumpe (12) übersteigt.
  10. Steuervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich der maximale Soll-Volumenstrom herabgesetzt wird.
  11. Steuervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Soll-Volumenströme proportional um den gleichen Faktor herabgesetzt werden.
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