DE102014222437A1

DE102014222437A1 - Verfahren zum Bestimmen und/oder Regeln eines Ventilschieberwegs eines hydraulischen Stetigventils

Info

Publication number: DE102014222437A1
Application number: DE102014222437.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Mark; Daniel SEILER-THULL; Michael Hilsch; Karl-Guenter Herrmann; Tobias Mauk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2016-05-04
Also published as: WO2016071050A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen und/oder Regeln eines Ventilschieberwegs eines hydraulischen Stetigventils, das mit einer Ansteuerspannung (u) angesteuert wird, die in einer elektromagnetischen Spule einen Ventilstrom (i) erzeugt, der einen magnetischen Fluss (phi) bewirkt, wodurch eine Magnetkraft (F) auf einen Anker aufgebracht wird, der mit einem Ventilschieber gekoppelt ist, der gegen einer Rückstellkraft bewegbar ist. Um das Regeln eines Drucks oder eines Volumenstroms mit einem hydraulischen Stetigventil zu vereinfachen, wird ein dynamisches Ventilmodell (130) verwendet, durch das basierend auf einem aktuellen Ansteuerwert (uk) zu einem Zeitpunkt (k) neue Werte für den Ventilstrom (im), eine Schieberposition (sm) und eine Schiebergeschwindigkeit (vm) nach folgendem Algorithmus ermittelt werden:

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen und/oder Regeln eines Ventilschieberwegs eines hydraulischen Stetigventils, das mit einer Ansteuerspannung angesteuert wird, die in einer elektromagnetischen Spule einen Ventilstrom erzeugt, der einen magnetischen Fluss bewirkt, wodurch eine Magnetkraft auf einen Anker aufgebracht wird, der mit einem Ventilschieber gekoppelt ist, der gegen eine Rückstellkraft bewegbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt und einen Mikroprozessor mit einem derartigen Computerprogrammprodukt. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein hydraulisches Stetigventil mit einem derartigen Mikroprozessor.
Stand der Technik
Aus der internationalen Veröffentlichung WO 00/60220 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ankers bekannt, der einem elektromechanischen Stellantrieb zugeordnet ist, wobei der Stellantrieb mindestens einen Elektromagneten mit einer Spule hat und der Anker eine Ankerplatte umfasst, die zwischen einer ersten Anlagefläche an dem Elektromagneten und einer zweiten Anlagefläche beweglich ist, wobei ein Mittelwert des gemessenen Spannungsabfalls an der Spule in einem Betriebszustand mit annähernd konstantem Strom durch die Spule ermittelt wird, wobei der ohmsche Widerstand der Spule abhängig von dem Mittelwert des gemessenen Spannungsabfalls und dem Strom durch die Spule ermittelt wird, wobei der induktive Spannungsabfall an der Spule ermittelt wird aus der Differenz des gemessenen Spannungsabfalls an der Spule abzüglich des Spannungsabfalls, der sich durch das Multiplizieren des ohmschen Widerstands der Spule mit dem Strom durch die Spule ergibt, wobei der magnetische Fluss bestimmt wird durch Integrieren des induktiven Spannungsabfalls an der Spule, und wobei die Position des Ankers abhängig von dem magnetischen Fluss und dem Strom durch die Spule bestimmt wird. Aus der deutschen Patentschrift DE 10 2010 036 941 B4 ist ein Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Zustandskennwerts einer zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise mit einem zeitlich variierenden Steuersignal angesteuerten elektrischen Vorrichtung bekannt, wobei das Steuersignal durch Vergleich eines Sollwertsignals mit einem Istwertsignal ermittelt wird, wobei der zumindest eine Zustandskennwert zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise unter Verwendung der Frequenz des zeitlich variierenden Steuersignals und/oder dem Schaltverhältnis des zeitlich variierenden Steuersignals ermittelt wird, wobei der zumindest eine Zustandskennwert zumindest zeitweise und/oder zumindest teilweise ein Maß für eine Position von zumindest Teilen der elektrischen Vorrichtung, ein Maß für das Erreichen bestimmter Positionen von zumindest Teilen der elektrischen Vorrichtung und/oder ein Maß für die Geschwindigkeit von zumindest Teilen der elektrischen Vorrichtung darstellt.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, das Regeln eines Drucks oder eines Volumenstroms mit einem hydraulischen Stetigventil zu vereinfachen.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Bestimmen und/oder Regeln eines Ventilschieberwegs eines hydraulischen Stetigventils, das mit einer Ansteuerspannung angesteuert wird, die in einer elektromagnetischen Spule einen Ventilstrom erzeugt, der einen magnetischen Fluss bewirkt, wodurch eine Magnetkraft auf einen Anker aufgebracht wird, der mit einem Ventilschieber gekoppelt ist, der gegen eine Rückstellkraft bewegbar ist, dadurch gelöst, dass ein dynamisches Ventilmodell verwendet wird, durch das basierend auf einem aktuellen Ansteuerwert u_k zu einem Zeitpunkt k neue Werte für den Ventilstrom i_m, eine Schieberposition s_m und eine Schiebergeschwindigkeit v_m nach folgendem Algorithmus ermittelt werden:
Dabei bezeichnet f(...) eine vektorwertige Funktion, welche das dynamische Verhalten des Stroms i_m, der Schieberposition s_m und der Schiebergeschwindigkeit v_m beschreibt. Die vektorwertige Funktion g (i_m,k – i_k) dient dazu, die neuen Werte für Strom beziehungsweise Ventilstrom i_m Position beziehungsweise Schieberposition s_m und Geschwindigkeit beziehungsweise Schiebergeschwindigkeit v_m anhand der Differenz (i_m,k – i_k) von einem aktuellen Modellstrom und einem aktuell gemessenen Strom derart zu korrigieren, dass die Modellgrößen den realen Größen folgen. Dieser Korrekturschritt ist deshalb vorteilhaft, weil das Modell das reale Ventil nicht gegebenenfalls nicht exakt repräsentiert, wenn zum Beispiel Störkräfte auf den Ventilschieber durch ein Hydraulikfluid im Modell nicht bekannt sind. Stetigventile werden in Abhängigkeit von ihrer Genauigkeit, der Leistungsverstärkung und dem Einsatz der Ventile auch als Proportional-, Regel- oder Servoventile bezeichnet. Gemäß einem Aspekt der Erfindung arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren ohne die Verwendung von dezidierten Sensoren zur Erfassung der Ventilschieberposition. Daher wird das erfindungsgemäße Verfahren auch als sensorloses Verfahren bezeichnet. Der Algorithmus funktioniert umso besser, je stärker sich der Stromverlauf i(t) bei gegebenem Ansteuersignal v(t) abhängig von der Position ändert. Dann können Modellunsicherheiten und Störkräfte durch den Term g(...) besser kompensiert werden, so dass eine bessere Übereinstimmung der Modellgrößen s_m, v_m mit der Realität (höhere Auflösung) erreicht wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Schieberposition s_m in einer Kaskadenregelung verwendet wird. Die aktuelle Schieberposition s_m wird auch als Modellposition bezeichnet, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren anstelle eines Wegsensorsignals verwendet wird. Dadurch kann ein dezidierter oder explizierter Wegsensor entfallen. Bei der Kaskadenregelung wird in einem inneren Regelkreis der Spulenstrom oder Ventilstrom zurückgeführt. In einem äußeren Regelkreis wird die Schieberposition zurückgeführt. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Rückwirkung der Anker- oder Schieberposition über den magnetischen Fluss auf den Ventilstrom genutzt, um auf die aktuelle Schieberposition zu schließen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Schiebergeschwindigkeit v_m als zusätzliche Rückführgröße in der Kaskadenregelung verwendet wird. Dadurch kann die Regelgüte weiter verbessert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus auf einem Mikroprozessor abläuft, der dem hydraulischen Stetigventil zugeordnet ist. Der Mikroprozessor ist vorteilhaft in die Ansteuerung des hydraulischen Stetigventils integriert.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansteuersignal für die Ansteuerspannung im Mikroprozessor erzeugt wird. Das Ansteuersignal für die Ansteuerspannung wird zum Beispiel mittels eines Digital-Analog-Wandlers auf einen Leistungsteil der Ansteuerung des hydraulischen Stetigventils gegeben.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf des Ventilstroms i durch Abtasten eines Ventilstromsignals bereitgestellt wird. Das Abtasten des Ventilstromsignals erfolgt zum Beispiel mittels eines Analog-Digital-Wandlers. Alternativ kann auch für die Abtastung der Spulenansteuerung ein Analog-Digital-Wandler verwendet werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Schieberposition s_m mit einer elektronischen Kennlinienkompensation gekoppelt ist. Die elektronische Kennlinienkompensation erfolgt zum Beispiel in einem Mikroprozessor. Der Mikroprozessor kann Teil eines elektronischen Steuergeräts sein. Der Mikroprozessor kann aber auch Teil einer sogenannten On-Board-Elektronik sein. So kann der Mikroprozessor, wie vorab beschrieben, zum Beispiel in die Ansteuerung des hydraulischen Stetigventils integriert sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Schieberposition s_m verwendet wird, um positionsabhängige Nichtlinearitäten mit Hilfe der Kennlinienkompensation zu kompensieren. Optional kann die Positionsinformation dazu verwendet werden, die Ventilschieberposition mit Hilfe eines Positionsreglers zu regeln, um unbekannte Störungen, die zum Beispiel durch Reibung, Strömungskräfte etc. hervorgerufen werden können, zu unterdrücken.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen des vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Bei dem Computer handelt es sich zum Beispiel um einen Mikroprozessor und/oder eine elektronische Schaltung, der beziehungsweise die dem elektromagnetisch betätigten hydraulischen Schaltventil zugeordnet ist. Der Mikroprozessor und/oder die elektronische Schaltung können aber auch Teil eines Steuergeräts und/oder einer sogenannten On-Board-Elektronik sein.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Mikroprozessor mit einem derartigen Computerprogrammprodukt. Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Steuergerät mit einem derartigen Mikroprozessor.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein hydraulisches Stetigventil mit einem derartigen Mikroprozessor.
Die Erfindung betrifft auch ein hydraulisches Stetigventil, dessen Magnetkreis für eine Verwendung gemäß 4 optimiert ist, so dass möglichst hohe Kräfte zur Verfügung stehen und zugleich die Auswirkung der Ankerposition auf den Strom-Spannungs-Zusammenhang möglichst groß ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Regelventils;
2 ein weiteres Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Kaskadenregelung in einer Ansteuerung des Regelventils aus 1;
3 eine vereinfachte Darstellung einer Struktur eines Algorithmus zur Bestimmung einer Ventilposition aus einem Strom- und Spannungssignal und
4 eine vereinfachte Darstellung zur Veranschaulichung der Realisierung einer Kennlinienbeeinflussung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Erfindung betrifft elektromagnetisch aktuierte hydraulische Stetigventile für die industrielle Anwendung, die Fabrikautomatisierung und für mobile Arbeitsmaschinen. Stetigventile zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass ein Ventilschieber kontinuierlich verstellt werden kann, womit erreicht wird, dass auch ein Durchfluss kontinuierlich einstellbar ist.
1 zeigt den typischen Aufbau eines elektromagnetisch aktuierten hydraulischen Stetigventils. Ein Rechteck 101 symbolisiert eine Ansteuerung des Stetigventils. Ein Rechteck 102 symbolisiert eine elektromagnetische Spule des Stetigventils. Ein Rechteck 103 symbolisiert einen Anker und einen Ventilschieber des Stetigventils. Der Anker wirkt betätigungsmäßig mit der elektromagnetischen Spule zusammen und ist, zum Beispiel mechanisch, mit dem Ventilschieber gekoppelt. Ein Rechteck 104 symbolisiert ein Fluid, mit dem das Stetigventil betrieben wird. Bei dem Fluid handelt es sich zum Beispiel um ein Hydraulikmedium, wie Öl.
Ein Pfeil 100 symbolisiert einen Eingang der Ansteuerung 101. Ein Buchstabe u symbolisiert ein Spannungssignal. Ein Buchstabe i symbolisiert einen Spulenstrom. Ein Buchstabe F symbolisiert eine Kraft auf den Anker, der auch als Magnetanker bezeichnet wird, und den damit interagierenden Ventilschieber. Die Buchstaben phi symbolisieren einen magnetischen Fluss in der Spule 102. Ein Doppelpfeil 105 symbolisiert ein Zusammenwirken zwischen dem Fluid 104 und dem Anker beziehungsweise Ventilschieber 103.
Die Ansteuerung 101 kann mit einer Analog- und/oder Digital-Elektronik dargestellt werden und erzeugt basierend auf einem externen Sollwert für eine gewünschte Durchflussrate oder Schieberposition ein meist pulsweitenmoduliertes Spannungssignal u, wodurch ein Spulenstrom i entsteht. Durch den Spulenstrom i entsteht ein magnetischer Fluss phi in der Spule 102, welcher eine Kraft F auf den Anker und den damit interagierenden Ventilschieber 103 zur Folge hat. Durch die Kraft F wird der Verbund 103 von Anker und Ventilschieber entgegen einer Rückstellkraft, die zum Beispiel durch eine Rückstellfeder erzeugt wird, ausgelenkt, was eine Änderung der effektiven Ventilöffnung und damit des Durchflusses zur Folge hat. Der Weg oder die Position s des Verbunds 103 von Anker und Ventilschieber werden in herkömmlichen Stetigventilen mittels dezidierter Wegsensoren auf die Ansteuerung 101 zurückgeführt.
In 2 ist die Ansteuerung (101 in 1) veranschaulicht. Die Ansteuerung ist zum Beispiel in einer Kaskadenstruktur realisiert, wobei ein Rechteck 121 einen Positionsregler und ein Rechteck 122 einen Stromregler symbolisieren. Durch einen Pfeil 124 ist ein Sollwert für die Schieberposition symbolisiert. Durch einen Pfeil 125 ist ein Sollstrom symbolisiert. Durch einen Pfeil 126 ist das Ergebnis eines Vergleichs von dem Sollstrom 125 mit dem Spulenstrom i symbolisiert.
Bei der in 2 dargestellten Kaskadenregelung wird der zum Beispiel über einen Shunt-Widerstand gemessene Spulenstrom i in einem inneren Regelkreis zurückgeführt, während in einem äußeren Regelkreis die Schieberposition s zurückgeführt wird. Dabei wird die Schieberposition s in herkömmlichen Kaskadenregelungen mittels dezidiertem Wegsensor gemessen. Der geregelte Betrieb mit Rückführung des Wegsignals s ist bei herkömmlichen Kaskadenregelungen zwingend notwendig, um eine ausreichende Genauigkeit in der Verstellung des Ventilschiebers zu erreichen.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung kann der dezidierte Wegsensor zur Erfassung der Schieberposition beziehungsweise des Wegsignals s eingespart werden. Stattdessen wird eine Rückwirkung der Ankerposition über den magnetischen Fluss phi auf den Spulenstrom i genutzt, um auf die aktuelle Schieberposition s zu schließen. Dadurch kann der in 1 gestrichelt eingezeichnete Rückführpfad s entfallen.
Für die Einsparung des dezidierten Wegsensors ist zum Beispiel ein Mikroprozessor mit einem speziellen Algorithmus vorgesehen. Der Mikroprozessor muss zwar leistungsfähig sein, ist aber im Vergleich zu typischen Wegsensoren deutlich billiger. Zudem können durch die Verwendung des Mikroprozessors unerwünschte Beschädigungen verhindert werden, die an herkömmlichen Wegsensoren aufgrund ihrer exponierten Lage auftreten können. Demzufolge kann durch den Wegfall der Wegsensoren die Ausfallrate des erfindungsgemäßen Stetigventils reduziert werden. Darüber hinaus verringert sich durch den Wegfall der Wegsensoren der für das Stetigventil benötigte Bauraum.
Kern der Erfindung ist ein Algorithmus zur Bestimmung der Schieberposition, der auf einem Mikroprozessor in der Ansteuerung abläuft. Essenziell ist eine Messung des Stroms i durch die Spule und Kenntnis der Ansteuerung u der Spule. Der Stromverlauf ist durch Abtastung des Stromsignals mittels Analog-Digital-Wandler für den Mikroprozessor bereitzustellen. Für die Kenntnis der Spulenansteuerung u bietet es sich an, dieses Ansteuersignal im Mikroprozessor zu erzeugen und mittels Digital-Analog-Wandler auf den Leistungsteil der Ansteuerung zu geben. Andernfalls ist auch für die Abtastung der Spulenansteuerung ein Analog-Digital-Wandler vorzusehen.
Die Struktur des Algorithmus zur Bestimmung der Schieberposition ist in 3 zu sehen. Ein Rechteck 130 symbolisiert in 3 ein Ventilmodell für den Algorithmus zur Bestimmung der Ventilposition s aus dem Stromsignal i und dem Spannungssignal u. Wie beschrieben sind Eingänge des Algorithmus Abtastwerte i und u des Strom- und Spannungssignals. Im Kern des Algorithmus steht ein dynamisches Modell des Ventils, das basierend auf dem aktuellen Ansteuerwert u_k zum Zeitpunkt k neue Werte für den Ventilstrom i_m, die Schieberposition s_m und die Schiebergeschwindigkeit v_m nach folgender Vorschrift berechnet:
Dabei bezeichnet f(...) eine vektorwertige Funktion, welche das dynamische Verhalten des Stroms, der Schieberposition und der Schiebergeschwindigkeit beschreibt. Die vektorwertige Funktion g(i_m,k – i_k) dient dazu, die neuen Werte für Strom, Position und Geschwindigkeit anhand der Differenz i_m,k – i_k von aktuellem Modellstrom und aktuell gemessenen Strom derart zu korrigieren, dass die Modellgrößen den realen Größen folgen. Dieser Korrekturschritt ist notwendig, da das Modell (nur f(...) ohne Korrektur durch g(...)) das reale Ventil nicht exakt repräsentiert und z.B. Störkräfte auf den Ventilschieber durch das Hydraulikfluid im Modell nicht bekannt sind. Die aktuelle Modellposition s_m wird dann anstelle des Signals s vom Wegsensor in der Kaskadenregelung in 2 verwendet wodurch der explizite Wegsensor wegfallen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert auch bei bewegtem Ventilschieber und bei ständigen Änderungen des Ansteuersignals u, was beides ganz typisch für den geregelten Betrieb von hydraulischen Stetigventilen ist. Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf eine bestimmte Art von Ansteuersignalen, wie rechteckförmige, pulsweitenmodulierte Ansteuerungen beschränkt.
Eine weitere interessante Eigenschaft des vorgestellten Verfahrens zur Bestimmung der Schieberposition besteht darin, dass aus dem Modell eine Schätzung der aktuellen Schiebergeschwindigkeit verfügbar ist. Diese Größe kann als zusätzliche Rückführgröße für die Regelung verwendet werden, wodurch sich die Regelgüte verbessert.
Das hier vorgestellte Verfahren ist nicht auf Ventile mit Stromregelung eingeschränkt. Zudem wird darauf eingegangen, wie die Schieberposition aus der Stellgröße im Regelkreis bestimmt werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist möglich, beliebige Schieberpositionen, auch unter dem Einfluss von Strömungskräften oder anderen unbekannten Kräften (z.B. Klemmen), zu berechnen. Dabei ist es nicht notwendig, eine Frequenz der Stellgröße zu kennen oder auszuwerten.
Mögliche Alternativen bestehen darin, andere oder zusätzliche Größen im Modell (1) für jeden Zeitschritt neu zu berechnen. Wichtig ist dabei lediglich, dass die Schieberposition s_m Teil der Modellgrößen ist bzw. sich daraus berechnen lässt. Gleiches gilt für den Spulenstrom i_m, dieser muss Teil der Modellgrößen sein bzw. sich daraus berechnen lassen, damit eine Korrektur durch Vergleich mit dem gemessenen Strom i möglich ist.
Der Korrekturterm g(...) im Modell (1) muss nicht notwendigerweise eine feste Funktion der Differenz i_m,k – i_k sein, denkbar ist auch eine allgemeine nichtlineare Funktion von Mess- und Modellstrom sowie eine Änderung der Funktion g(...) mit jedem Zeitschritt k.
Die Erfindungsmeldung betrifft auch ein Low Cost Regelventil für hydraulische Anwendungen als ein elektromagnetisch aktuiertes hydraulisches Stetigventil. Im Wesentlichen besteht ein solches Ventil aus einem Ventilschieber (oder auch Ventilstößel bei Sitzventilen), der je nach Position eine definierte Ventilöffnung freigibt, womit der Durchfluss eines hydraulischen Fluids variiert werden kann. Auf den Ventilschieber (oder auch Ventilstößel) wirkt eine Magnetkraft als Folge eines Stromes in den Spulen des Magnetkreises, welcher sich wiederum als Folge einer angelegten Spannung an den Spulen einstellt. Der Magnetkraft wirkt in der Regel eine Rückstellkraft einer Zentrier- oder Rückstellfeder entgegen. Ein Stetigventil zeichnet sich dadurch aus, dass der Ventilschieber (Ventilstößel) kontinuierlich verstellt werden kann, womit erreicht wird, dass auch der Durchfluss kontinuierlich einstellbar ist. Unter Regelventil soll an dieser Stelle verstanden werden, dass die Position des Ventilschiebers (Ventilstößels) elektronisch geregelt werden kann und oder auch das Ventil als Stellglied in einem übergeordneten Regelkreis verwendet werden kann. Insbesondere für die Verwendung als Stellglied in einem übergeordneten Regelkreis ist es von Vorteil, wenn das Regelventil eine Ventilschieberposition (Ventilstößelposition) proportional zu der angelegten Spannung einstellt.
Bei der Ausführung als einfacher linearer Magnetkreis gibt es nun im Wesentlichen zwei Effekte, welche die Funktion als Regelventil nachteilig beeinflussen. Zum einen besteht zwischen Strom und Magnetkraft ein nichtlinearer Zusammenhang zum Anderen ist die Magnetkraft im Allgemeinen abhängig von der Ventilschieberposition.
Um die Positionsabhängigkeit der Magnetkraft zu kompensieren werden in konventionellen Regelventilen die Magnetkreise modifiziert. Durch eine sogenannte Kennlinienbeeinflussung ergibt sich in bestimmten Bereichen eine Magnetkraft, welche unabhängig von der Position ist. Die Kennlinienbeeinflussung erfolgt dabei meist durch Modifikation des Magnetkreises, derart, dass in bestimmten Ventilschieberpositionen ein Teil des magnetischen Flusses überbrückt wird und somit für den Kraftaufbau nicht mehr zur Verfügung steht. Dadurch wird eine Absenkung der Magnetkraft in diesen Bereichen erreicht. Insbesondere wenn die Polrohre hohen hydraulischen Drücken standhalten müssen, ist hierbei eine sehr aufwändige und kostenintensive Polrohrbearbeitung notwendig. Dabei werden beispielsweise zwei konusförmige Teilstücke (ein nichtmagnetisches und ein magnetisches Teilstück) durch Schweißen gefügt. Bei Anwendungen mit niedrigen Drücken ist auch durch sogenanntes Dünndrehen des Polrohres an einer bestimmten Stelle, oder ähnliche Verfahren eine Kennlinienbeeinflussung realisierbar. In beiden Fällen der Kennlinienbeeinflussung treten im Magnetkreis Sättigungseffekte auf, die eine erhöhte magnetische Hysterese zur Folge haben.
In vielen Anwendungsfällen wird die Ventilschieberposition geregelt. Dazu wird die mittels Wegsensor gemessene Schieberposition mit einem Positionssollwert verglichen. Die Regelabweichung wird von einem Regler zu einer Stellgröße, in dem Fall die Spannung an den Spulen, verarbeitet. Der geregelte Betrieb ist notwendig um Störeffekte, wie hydraulische Strömungskräfte auf den Ventilschieber zu kompensieren und dadurch die gewünschte Genauigkeit der Ventilschieberposition in jedem Betriebsfall zu gewährleisten.
Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, die auf Basis der Messgrößen Spulenspannung und -strom Rückschlüsse auf die Position ermöglichen. In der Praxis zeigt sich jedoch insbesondere bei kennlinienbeeinflussten Magnetkreisen, dass die Qualität des so gewonnen Sensorsignals nur unzureichend ist.
Durch eine Kennlinienbeeinflussung kann auch die Qualität des über sensorlose Verfahren ermittelten Positionssignals negativ beeinflusst werden. Dabei wurden die konstruktiven Elemente des Ventils und insbesondere des Magnetkreises ausschließlich dazu verwendet um die Kennlinienbeeinflussung optimal zu realisieren.
Die vorliegende Erfindung behebt den Mangel zum Stand der Technik, dass durch die Kennlinienbeeinflussung die Positionsinformation des Ventilschiebers (Ventilstößels) nur unzureichend genau aus Strom und Spannung gewonnen werden können. Der erfinderische Vorteil wird durch eine optimale Auslegung und Ausgestaltung des Magnetkreises im Hinblick auf Maximierung der sensorischen Effekte gewonnen.
Gleichzeitig kann der aufwendige Produktionsprozess zur Kennlinienbeeinflussung deutlich vereinfacht werden, was zu einer deutlichen Kostenreduktion führt. Zu der Kostenreduktion trägt auch der Wegfall des Positionssensors bei.
Die gewünschte elektronische Kennlinienbeeinflussung erfolgt hier mit Hilfe des guten Positionssignals dann auf elektronischem Wege mittels einer invertierten Kennlinie in einem elektronischen Steuergerät oder On-Board-Elektronik.
Die vorliegende Erfindung optimiert das Systemdesign im Hinblick auf eine gute Sensierbarkeit der Ventilschieberposition (Ventilstößelposition). Des Weiteren wird die sensorlose Positionsbestimmung (nun mit ausreichender Genauigkeit) mit einer elektronischen Kennlinienbeeinflussung kombiniert, wodurch zusätzliche konstruktive Freiheitsgrade geschaffen werden um das Ventil kostengünstiger zu fertigen.
4 zeigt den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Stetigventils. Ein Rechteck 141 symbolisiert eine Positionsregelung. Ein Rechteck 142 symbolisiert eine Kennlinienkompensation. Ein Rechteck 143 symbolisiert eine Leistungselektronik. Ein Rechteck 144 symbolisiert das erfindungsgemäße Stetigventil. Ein Rechteck 145 symbolisiert ein Verfahren zur sensorlosen Positionsbestimmung. Ein Pfeil 151 symbolisiert einen Eingang der Positionsregelung. Ein Pfeil 154 symbolisiert eine Spannung als Ausgang der Leistungselektronik 143. Ein Pfeil 155 symbolisiert einen Strom und eine Spannung beziehungsweise ein Stromsignal beziehungsweise ein Spannungssignal. Ein Pfeil 156 symbolisiert eine Rückführung der Schieberposition zur Kennlinienkompensation 142. Ein Pfeil 157 symbolisiert eine Rückführung der Schieberposition und gegebenenfalls der Schiebergeschwindigkeit auf die Positionsregelung 141.
Die Spule des Elektromagneten wird durch die Spannung 154 angesteuert, welche von der Leistungselektronik 143 erzeugt wird. Dabei kann die Ansteuerung mittels PWM (Pulsweitenmodulation) Verfahren erfolgen. Ein Verfahren zur sensorlosen Positionsbestimmung berechnet auf Basis des zeitlichen Verlaufes von Strom und Spannung, die als Messgrößen vorliegen, die Ventilschieberposition (Ventilstößelposition). Eine spezielle Auslegung (Optimierung) des Magnetkreises im Stetigventil 144 sorgt hier für eine hohe Sensitivität hinsichtlich der Position. Die Positionsinformation wird dann dazu verwendet 156, die positionsabhängigen Nichtlinearitäten mit Hilfe der Kennlinienkompensation 142 zu kompensieren. Optional kann die Positionsinformation dazu verwendet werden 157, die Ventilschieberposition mit Hilfe des Positionsreglers 141 zu regeln und so unbekannte Störungen (Reibung, Strömungskräfte, etc.) zu unterdrücken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 00/60220 [0002]
DE 102010036941 B4 [0002]

Claims

Verfahren zum Bestimmen und/oder Regeln eines Ventilschieberwegs eines hydraulischen Stetigventils (144), das mit einer Ansteuerspannung (u) angesteuert wird, die in einer elektromagnetischen Spule einen Ventilstrom (i) erzeugt, der einen magnetischen Fluss (phi) bewirkt, wodurch eine Magnetkraft (F) auf einen Anker (103) aufgebracht wird, der mit einem Ventilschieber gekoppelt ist, der gegen einer Rückstellkraft bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein dynamisches Ventilmodell (130) verwendet wird, durch das basierend auf einem aktuellen Ansteuerwert (u_k) zu einem Zeitpunkt (k) neue Werte für den Ventilstrom (i_m), eine Schieberposition (s_m) und eine Schiebergeschwindigkeit (v_m) nach folgendem Algorithmus ermittelt werden:
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Schieberposition (s_m) in einer Kaskadenregelung (2) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Schiebergeschwindigkeit (v_m) als zusätzliche Rückführgröße in der Kaskadenregelung (2) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus (1) auf einem Mikroprozessor abläuft, der dem hydraulischen Stetigventil (144) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansteuersignal für die Ansteuerspannung (u) im Mikroprozessor erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf des Ventilstroms (i) durch Abtasten eines Ventilstromsignals bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Schieberposition (s_m) mit einer elektronischen Kennlinienkompensation (142) gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Schieberposition (s_m) verwendet wird, um positionsabhängige Nichtlinearitäten mit Hilfe der Kennlinienkompensation (142) zu kompensieren.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen des vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
Mikroprozessor mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9.
Hydraulisches Stetigventil mit einem Mikroprozessor nach Anspruch 10.