DE3116316C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektromagnetischen Stelleinrich­ tung für ein Stellglied nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher angegebenen Gattung.

Es ist schon eine elektromagnetische Stelleinrichtung aus der DE-OS 28 54 965 bekannt, bei welcher der Magnet mit einer Einrich­ tung zur Hublageerkennung ausgerüstet ist. Um bei einer Ausführungs­ form eine kompakte Bauform zu erreichen, sind eine Arbeitswicklung und eine Meßwicklung konzentrisch zueinander auf dem gleichen Magnetkörper angeordnet. Durch Einbau dieser Stelleinrichtung in einen zugeordneten Regelkreis kann das Stellglied genau geregelt werden. Obwohl diese Stelleinrichtung kompakt aufgebaut ist, hat sie doch den Nachteil, daß sie anstelle von handelsüblichen Magneten besondere Bauformen benötigt. Durch die konzentrisch angeordnete Arbeitswick­ lung und Meßwicklung ist der Magnetaufbau aufwendiger und damit teurer. Zudem hat diese Stelleinrichtung auch den Nachteil, daß die Meßwick­ lung zusätzlich auch vom Erregerstrom der Arbeitswicklung beeinflußt wird und daher für die Lagemessung eine aufwendige Auswerteschaltung notwendig wird.

Ferner ist aus der DE-Z: "fluid", Juni 1977, S. 42-47, eine gat­ tungsgemäße Stelleinrichtung für ein Stellglied bekannt, das als Steuerschieber eines hydraulischen Wegeventils ausgebildet sein kann, der von zwei lagegeregelten Regelmagneten aus einer federzen­ trierten Mittelstellung in entgegengesetzte Richtungen in Arbeits­ stellungen auslenkbar ist. Der Steuerschieber wird dabei proportio­ nal zur Größe des elektrischen Eingangssignals ausgelenkt und steuert somit die Größe des Druckmittelstroms proportional zum elektrischen Eingangssignal. Nachteilig bei dieser Bauart ist, daß je nach Durchflußrichtung bzw. Arbeitsstellung die beiden Regelma­ gnete alternativ angesteuert werden und somit für diese Lageregelung des Stellglieds ein hoher Aufwand getrieben werden muß. Dabei werden Regelmagnete verwendet, deren typische Kraft-Weg-Kennlinien ledig­ lich einen sogenannten Arbeitshubbereich aufweisen, in dem die Kenn­ linien nur eine relativ geringe Änderung der Induktivität erkennen lassen.

Weiterhin sind aus der DE-Z: "o+p, ölhydraulik und pneumatik", Band 22 (1978), Nr. 2, S. 79-84, Proportionalventile mit lagegere­ geltem Magnetstellglied bekannt, bei denen der verwendete Proportio­ nalmagnet Kraft-Hub-Kennlinien aufweist, die angrenzend an einen Ar­ beitshubbereich einen Leerhubbereich aufweisen. In diesem Leerhubbe­ reich mit steil verlaufenden Kennlinien-Abschnitten ändert sich die Induktivität verhältnismäßig stark.

Ausgehend von der gattungsbildenden Stelleinrichtung ist es Aufgabe der Erfindung, die elektromagnetische Stelleinrichtung so zu ver­ bessern, daß sie mit verringertem Aufwand eine möglichst genaue Stellungsregelung erlaubt.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Stelleinrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Auf diese Weise hat die Stelleinrichtung den Vorteil, daß sie mit relativ einfachen Mitteln eine genaue Stellungsregelung erlaubt. Da die Stelleinrichtung ohnedies vorhandene Bauelemente mehrfach nutzt, kommt sie mit geringem Aufwand an Kosten und Bauraum aus. Bereits vorhandene Magnete können ohne besondere Änderung verwendet werden. Für die Beaufschlagung der Meßeinrichtung zur Wegmessung am Stellglied ist keine besondere Verkabelung nötig.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 ange­ gebenen Stelleinrichtung möglich. Eine besonders billige Ausfüh­ rungsform ergibt sich in vorteilhafter Weise gemäß Anspruch 4 durch Verwendung von Schaltmagneten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel in ver­ einfachter Darstellung und Fig. 2 eine Kraft-Hub-Kennlinie der Magneten nach Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt eine elektromagnetische Stelleinrichtung 10, die im wesentlichen aus einem elektromagnetischen Wege­ ventil 11, einer Umschalteinrichtung 12 sowie einem Regler 13 besteht, wobei letzterer eine Meßeinrichtung 14 aufnimmt.

Das Wegeventil 11 nimmt in einem Gehäuse 15 einen hin- und herbeweglichen Steuerschieber 16 auf, der das Stellglied der Stelleinrichtung 10 bildet. Bei Auslenkung des Steuerschie­ bers 16 aus der gezeichneten Stellung kann er wahlweise ei­ nen von zwei Verbraucheranschlüssen 17, 18 mit einem Zulauf 19 verbinden, während er den anderen Verbraucheranschluß 18, 17 mit einem Rücklauf 21 verbindet. Auf der rechten Seite des Gehäuses 15, bezogen auf die Fig. 1, ist ein erster Schaltmagnet 22 am Gehäuse 15 angeflanscht, dessen Anker 23 den Steuerschieber 16 gegen die Kraft einer Feder 24 aus der gezeichneten Mittelstellung nach links auslenken kann. In entsprechender Weise ist auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 15 ein zweiter Schaltmagnet 25 angeflanscht, dessen Anker 26 den Steuerschieber 16 aus der gezeichneten Mittellage nach rechts gegen die Kraft der Feder 27 auslen­ ken kann. Der Steuerschieber 16 ist auf diese Weise durch die Federn 24, 27 in seiner Mittellage zentriert.

Ein elektrischer Anschluß 28 des ersten Schaltmagneten 22 ist in paralleler Weise an die festen Kontakte 29 bzw. 31 eines als Schließer wirkenden ersten Schalters 32 bzw. eines als Schließer wirkenden zweiten Schalters 33 ange­ schlossen. Der erste 32 und der zweite Schalter 33 sind Teile der Umschalteinrichtung 12. In entsprechender Weise ist ein elektrischer Anschluß 34 des zweiten Schaltmagneten 25 an die festen Kontakte 35 bzw. 36 eines ersten Schalters 37 bzw. eines zweiten Schalters 38 angeschlossen, wobei beide Schalter 37, 38 wiederum als Schließer wirken. Auch diese Schalter 37, 38 bilden Teile der Umschalteinrichtung 12. Die beweglichen Kontakte 39, 41 beider ersten Schalter 32, 37 sind parallel an den Ausgang 42 eines Verstärkers 43 an­ geschlossen. Die beweglichen Kontakte 44, 45 der zweiten Schalter 33, 38 sind parallel an einen Steueranschluß 46 ei­ nes Demodulators 47 angeschlossen, der zusammen mit dem Verstärker 43 Teile des Reglers 13 bildet. Die Umschaltein­ richtung 12 weist ferner ein elektrisches Steuergerät 48 auf, dessen Eingang 49 mit dem die Richtung des Steuerschie­ bers 16 bestimmenden, ersten Ausgang 51 eines Sollwertgebers 52 verbunden ist. Das elektrische Steuergerät 48 weist einen ersten Ausgang 53 auf, dessen Signal den Schließer des dem ersten Schaltmagneten 22 zugeordneten, ersten Schalters 32 sowie gleichzeitig den Schließer des dem zweiten Schaltmag­ neten 25 zugeordneten, zweiten Schalters 38 betätigt. Ferner ist am elektrischen Steuergerät 48 ein zweiter Ausgang 54 angeordnet, dessen Ausgangssignal den Schließer des dem er­ sten Schaltmagneten 22 zugeordneten, zweiten Schalters 33 sowie den Schließer des dem zweiten Schaltmagneten 25 zuge­ ordneten, ersten Schalters 37 betätigt.

Der Demodulator 47 ist zugleich ein Teil der Meßeinrichtung 14 und erhält an einem Eingang 55 von einem Oszillator 56 eine Wechselspannung konstanter Größe. Der Demodulator 47 gibt an einem Ausgang 57 ein zum Hub des Steuerschiebers 16 proportionales Signal ab, das über einen AC/DC-Wandler 58 an eine Summierstelle 59 geleitet wird. Diese Summierstelle 59 steht zusätzlich mit einem zweiten Ausgang 61 des Sollwert­ gebers 52 in Verbindung, wodurch dem Regler 13 ein als Füh­ rungsgröße dienendes, die Größe der Auslenkung des Steuer­ schiebers 16 bestimmendes Signal eingegeben wird. Das Aus­ gangssignal der Summierstelle 59 wird dem Eingang 62 des Verstärkers 43 eingegeben.

Die Wirkungsweise der elektromagnetischen Stelleinrichtung 10 wird wie folgt erläutert, wobei auch auf Fig. 2 Bezug ge­ nommen wird.

Die Richtung und die Größe der Auslenkung des Steuerschiebers 16 wird mit Hilfe des Sollwertgebers 52 vorgewählt. Dabei wird das Richtungssignal über den ersten Ausgang 51 an das elektrische Steuergerät 48 gegeben. Es sei nun angenommen, daß der Steuerschieber 16 aus der gezeichneten Mittelstellung heraus nach links - bezogen auf die Figur - ausgelenkt werden soll, wobei am ersten Ausgang 53 des Steuergeräts 48 ein Signal ansteht. Dieses Signal betätigt somit den Schließer 32 des dem ersten Schaltmagneten 22 zugeordneten, ersten Schalters 32, sowie gleichzeitig den Schließer des dem zwei­ ten Schaltmagneten 25 zugeordneten, zweiten Schalters 38. Die Schließer der Schalter 33 und 37 bleiben dabei geöffnet. Das die Größe der Auslenkung des Steuerschiebers 16 bestim­ mende Signal wird am zweiten Ausgang 61 des Sollwertgebers 52 als Führungsgröße w dem Regler 13 eingegeben. Davon ab­ hängig entsteht am Ausgang 42 des Verstärkers 43 eine Stell­ größe y, die über den geschlossenen, ersten Schalter 32 dem elektrischen Anschluß 28 des ersten Schaltmagneten 22 ein­ gegeben wird. Entsprechend dieser Stellgröße übt der Anker 23 eine dazu proportionale Kraft auf den Steuerschieber 16 aus und drückt ihn gegen die Kraft der Feder 24 nach links, wobei durch die Feder 24 die auf den Steuerschieber 16 aus­ geübte Kraft in einen entsprechenden Weg umgewandelt wird. Entsprechend der Lage des Steuerschiebers 16 ändert sich auch die Lage des Ankers 26 im zweiten Schaltmagneten 25. Die Spule des zweiten Schaltmagneten 25 wird vom Oszillator 56 über den Demodulator 47 und den zweiten Schalter 38 mit ei­ ner Wechselspannung gespeist und die Änderung der Induktivität in der Spule infolge Verschiebung des Ankers 26 wird in an sich bekannter Weise als Istwert der Lage vom Demodu­ lator 47 an seinem Ausgang 57 ausgegeben. Die Spule 63 des zweiten Schaltmagneten 25 ist somit bei der Auslenkung des Steuerschiebers 16 nach links mit Hilfe der Umschalteinrich­ tung 12 mit der Meßeinrichtung 14 verbunden und kann somit als Meßspule arbeiten. Die Regelgröße x am Steueranschluß 46 des Demodulators 47 führt somit zu einem wegproportionalen Signal am Ausgang 57, das im Wandler 58 in ein Gleichspan­ nungssignal umgewandelt wird und an der Summierstelle 59 mit der Führungsgröße w verglichen wird. Ein an der Summier­ stelle 59 auftretendes Differenzsignal wird an den Verstär­ ker 43 weitergeleitet und führt zu der Stellgröße y, mit der die als Arbeitswicklung arbeitende Spule 64 des ersten Schaltmagneten 22 angesteuert wird. Der Steuerschieber 16 kann somit in jeder beliebigen Lage geregelt werden, wobei die Größe der Auslenkung aus der Mittelstellung proportional ist zur Größe des am zweiten Ausgang 61 vorgegebenen Wertes. Entsprechend proportional ist auch der vom Steuerschieber 16 aufgesteuerte Querschnitt und damit der zugeordnete Druck­ mittelstrom vom Zulauf 19 zum zweiten Verbraucheranschluß 18.

Bei dieser Lageregelung der Stelleinrichtung 10 wird eine Eigenschaft der Schaltmagnete 22, 25 ausgenutzt, wozu auf Fig. 2 näher Bezug genommen wird. Die Fig. 2 zeigt die Weg-Kraft-Kennlinie der Schaltmagneten 22, 25, wobei auf der Abszisse der Weg s und auf der Ordinate die Kraft F aufgetragen sind. Wie die Kennlinie 65 in Fig. 2 deutlich erkennen läßt, ändert sich die Kraft über dem Hub in einem Arbeitsbereich A des Magneten relativ wenig, während sie sich in einem Leerhubbereich L sehr stark ändert. Die Ände­ rung der Induktivität der Schaltmagneten 22, 25 entspricht im wesentlichen dem Verlauf der Kennlinie 65, so daß sie also im Arbeitsbereich A relativ gering ist, während sie im Leerhubbereich L sehr stark ausgeprägt ist. Diese Ver­ hältnisse werden bei der Lageregelung des Steuerschiebers 16 ausgenutzt, wobei bei der geschilderten Auslenkung nach links der Anker 23 des ersten Schaltmagneten 22 im Arbeits­ bereich A arbeitet, während andererseits der Anker 26 im zweiten Schaltmagneten 25 sich im Leerhubbereich L befindet. Die Istwerterfassung mit Hilfe des Ankers 26 wird auf diese Weise vorteilhaft begünstigt.

In entsprechend umgekehrter Weise kann der Steuerschieber 16 aus seiner Mittellage heraus nach rechts - bezogen auf die Figur - ausgelenkt und in der jeweiligen Lage geregelt werden. Zu diesem Zweck gibt der Sollwertgeber 52 über den ersten Ausgang 51 ein entsprechendes Signal an das elektri­ sche Steuergerät 48, so daß dessen zweiter Ausgang 54 akti­ viert wird. Dadurch werden die Schließer der Schalter 33 und 37 geschlossen, während die Schalter 32 und 38 geöffnet bleiben. Die Stellgröße y wird nun über den ersten Schalter 37 dem zweiten Schaltmagneten 25 zugeleitet, der über sei­ nen Anker 26 den Steuerschieber 16 nach rechts gegen die Kraft der Feder 27 auslenkt. Gleichzeitig arbeitet der An­ ker 23 im ersten Schaltmagnet 22 über den geschlossenen Schalter 33 mit der Meßeinrichtung 14 zusammen, wodurch der Istwert der jeweiligen Steuerschieberlage erfaßt und im Regelkreis verarbeitet werden kann. Hierbei arbeitet nun der als Istwertgeber dienende erste Schaltmagnet 22 im Leerhubbereich L.

Der Steuerschieber 16 im Wegeventil 15 kann somit mit Hilfe der Stelleinrichtung 10 abhängig von einem stetigen, elektrischen Eingangssignal auch stetig verstellt werden. Ein am Wegeventil 15 angeschlossener hydraulischer Motor kann somit in gezielter Weise beschleunigt oder verzögert werden.

Selbstverständlich sind an der gezeichneten Ausführungsform Änderungen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzu­ weichen. So kann anstelle des gezeigten Meßsystems auch jedes andere, an sich bekannte Meßsystem verwendet werden, unabhängig davon ob es mit Amplitudenmodulation oder Fre­ quenzmodulation arbeitet. Auch die Funktionen der Umschalt­ einrichtung 12 können mit elektrischen oder elektronischen Mitteln in beliebiger Weise verwirklicht werden. Selbstver­ ständlich sind als Stellglieder auch Steuerglieder pneuma­ tischer Wegeventile vorstellbar. Auch ist die Stelleinrich­ tung nicht auf eine Bauart beschränkt, bei der die Schalt­ magnete auf gegenüberliegenden Seiten eines Wegeventils angeflanscht sind. Obwohl die Stelleinrichtung mit geeigne­ ten Schaltmagneten besonders billig ausführbar ist, kann sie auch mit Proportionalmagneten realisiert werden.

Claims (4)

1. Stelleinrichtung für ein Stellglied (16), das abhängig von Sig­ nalen eines Sollwertgebers (52) elektromagnetisch, insbesondere von den Ankern zweier einfachwirkender Magnete (22, 25), aus einer Mittelstellung nach entgegengesetzten Richtungen in Arbeitsstellun­ gen auslenkbar ist und mit einer Umschalteinrichtung (12), die ab­ hängig von Signalen des Sollwertgebers (52) den jeweils im Arbeits­ betrieb befindlichen Magneten (22, 25) mit einer Stellgröße (Y) eines Reglers (13) versorgt, dem ferner eine Regelgröße (X) zuge­ führt wird, indem die Lage des Stellglieds (16) in einer Meßeinrich­ tung induktiv ermittelt und diese Istwerte in einem Regelkreis zum Ausregeln der abweichenden Lage des Stellglieds von seiner Soll-Größe benutzt werden, wobei der jeweils im Arbeitsbetrieb be­ findliche Magnet (22, 25) in einem Arbeitshubbereich (A) arbeitet, in dem infolge des sich relativ wenig verändernden Kraftverlaufs über dem Hub eine entsprechend geringe Änderung der Induktivität auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder den entgegengesetzten Richtungen zugeordnete Magnet (22, 25) einen an den Arbeitshubbe­ reich (A) anschließenden Leerhubbereich (L) mit einer demgegenüber sich stärker ändernden Induktivität über dem Hub aufweist, daß jeder Magnet (22, 25) in seinem Leerhubbereich (L) als Meßeinrichtung zur Bildung der Regelgröße (X) arbeitet, daß bei sich im Arbeitshubbe­ reich (A) befindlichen Anker (23, 26) des einen Magneten (22, 25) der Anker (26, 23) des anderen Magneten (25, 22) im Leerhubbereich (L) befindet und daß die vom Sollwertgeber (52) beeinflußbare Um­ schalteinrichtung (12) jeweils die vom anderen Magneten (25, 22) im Leerhubbereich (L) gebildete Regelgröße (X) zum Regler (13) über­ trägt.

2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied als Steuerschieber (16) eines fluidischen Wegeventils (15) ausgebildet ist, der von Federn (24, 27) in seiner Mittel­ stellung zentriert ist.

3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (12) ein elektrisches Steuergerät (48) aufweist, dessen Eingang (49) mit einem Ausgang (51) des Sollwert­ gebers (52) für die Auslenkung des Stellgliedes (16) in entgegenge­ setzten Richtungen verbunden ist und das einen ersten (53) und einen zweiten Ausgang (54) aufweist, von denen jeder Ausgang (53, 54) einen die Stellgröße (Y) steuernden, ersten Schalter (32 bzw. 37) und einen die Regelgröße (X) oder ein davon abhängiges Signal steuernden, zweiten Schalter (38 bzw. 33) so steuert, daß abwech­ selnd einem der Magnete (22, 25) die Stellgröße (Y) zugeführt wird, während gleichzeitig vom anderen Magnet (25, 22) die Regelgröße (X) abgegriffen wird.

4. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Magnete Schaltmagnete (22, 25) verwendet wer­ den.