DE3532931A1 - Hydraulische antriebsvorrichtung - Google Patents
Hydraulische antriebsvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Ausbildung einer hydraulischen Antriebsvorrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die bekannten hydraulischen Antriebe sind für den Einsatz für hochgenaue
und dynamische Positionieraufgaben nicht ausreichend. Der Grund liegt in
der relativ niedrig zu realisierenden Kreisverstärkung für diese Antriebe
wegen der niedrigen Eigendämpfung. Der Integralanteil des Geschwindigkeitsregelkreises
muß aus Stabilitätsgründen reduziert werden. Außerdem bilden
sich aufgrund von Hysterese usw. im Servo- bzw. Proportionalventil sogenannte
Grenzzyklen aus, die nicht akzeptiert werden können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine hydraulische Antriebsvorrichtung
so auszubilden, daß für das zu bewegende Maschinenteil eine hohe
Positioniergenauigkeit bei hoher Laststeifigkeit sowohl bei kleinsten wie
höchsten Verfahrgeschwindigkeiten zu erzielen sind, wobei der Regler im
Vergleich zu herkömmlichen Regelungen eine Verringerung der Kolbenfläche
und damit auch eine Verkleinerung des Pumpenaggregates einschließlich der
Steuerventile zuläßt.
Nach der Erfindung wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruches 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt.
Fig. 1 zeigt die Struktur des servohydraulischen Antriebs, sie wird
gebildet aus:
a) Servoventil bzw. Proportionalventil 4
b) hydraulischem Zylinder 5 (Gleichgang- bzw. Differentialzylinder)
c) inkrementalem Wegaufnehmer
d) handelsüblicher Steuerung 2, deren Eingangssignal X der Wegaufnehmer liefert und an deren Ausgang ein analoges Spannungssignal vorliegt.
e) eine Regelelektronik 6, die das Ausgangssignal der Steuerung 2 verarbeitet und ein Stellsignal dem Servoventil 4 aufschaltet.
a) Servoventil bzw. Proportionalventil 4
b) hydraulischem Zylinder 5 (Gleichgang- bzw. Differentialzylinder)
c) inkrementalem Wegaufnehmer
d) handelsüblicher Steuerung 2, deren Eingangssignal X der Wegaufnehmer liefert und an deren Ausgang ein analoges Spannungssignal vorliegt.
e) eine Regelelektronik 6, die das Ausgangssignal der Steuerung 2 verarbeitet und ein Stellsignal dem Servoventil 4 aufschaltet.
Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen die Regelelektronik 6 in Verbindung mit der
handelsüblichen Steuerung 2 in drei verschiedenen Strukturen, wobei allen
dreien gemeinsam ist, daß die Struktur aus Fig. 1 erhalten bleibt, d. h.
die Steuerung erhält den Ausgang des Wegaufnehmers und gibt ein der Regeldifferenz
entsprechendes Signal nach außen.
Die Theorie der linearen Zustandsregelung ermöglicht es, die dynamische
Reaktion eines geschlossenen Regelkreises beliebig festzulegen. Dazu gehört
als Voraussetzung die Kenntnis und die Verwendung der Zustandsgrößen der
Strecke, nämlich der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des zu
bewegenden Maschinenteils beispielsweise den Schlitten einer Werkzeugmaschine.
Neben der gemessenen Position X des Schlittens stehen diese
zusätzlichen Größen jedoch meßtechnisch nicht zur Verfügung. Es wird daher
nach Fig. 2 eine elektronische Steuerung vorgeschlagen, die diese nicht
bekannten Größen , schätzt. Die notwendige analoge Größe der Position
wird durch einen D/A-Wandler 7 erzeugt und der elektronischen Schaltung
zum Vergleich zwischen gemessener Position X und geschätzter Position
zugeleitet (8). Die eben erwähnte beliebig festzulegende Dynamik wird dahingehend
ausgenutzt, daß die Verstärkungsfaktoren des Reglers das Übergangsverhalten
des Antriebs schnell aber nicht schwingend gestaltet.
Zusätzlich wird die Positionsrückführungsverstärkung maximal hoch eingestellt,
um die Genauigkeit zu erhöhen. Dies wird ermöglicht durch die
Verwendung der Beschleunigung und der Geschwindigkeit im Regelalgorithmus.
Die Struktur nach Fig. 3 ermöglicht die Einbringung der gemessenen
Geschwindigkeit des Schlittens durch die Wandlung der Impulse des Wegaufnehmers
mit Hilfe eines Frequenz-Spannungswandlers 9 (f/u-Wandler).
Die Schätzelektronik für die Zustandsgrößen verringert sich dadurch,
daß jetzt nur die Beschleunigung als Schätzgröße für die Reglerrückführung
verwendet wird. Die Korrekturterme werten die Differenz zwischen gemessener
und geschätzter Geschwindigkeit .
Die Struktur nach Fig. 4 beinhaltet die Anordnung eines dem Lageregelkreis
unterlagerten Geschwindigkeitsregelkreises. Dabei wird der Ausgang der
Steuerung verstärkt und dem Geschwindigkeitsregelkreis als Sollwert X w
bei der Summenstelle 10 zugeleitet. Der Geschwindigkeitsregelkreis wird
als Zustandsregelkreis ausgeführt. Die Struktur der Schätzelektronik ist
dabei wie in Fig. 3 ausgeführt.
Die Struktur nach Fig. 5 geht davon aus, die die Reglerstruktur von den
bisherigen Strukturen entsprechend den Fig. 2, 3 und 4 verschieden ist.
Es wird nicht der in den Strukturen entsprechend den Fig. 2 bis 4
vorgestellte Zustandsregler mit Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsrückführung
vorgesehen, sondern eine Kombination sog. klassischer Reglertypen,
die ausschließlich die Regeldifferenz Xw (Ausgang der Steuerung)
verwenden.
Der Reglertyp 20 der diesen Steuerungsausgang Xw verarbeitet, setzt sich
aus
a) einem Proportionalanteil
b) einem differenzierenden Anteil
c) einem verzögernden Anteil
zusammen.
a) einem Proportionalanteil
b) einem differenzierenden Anteil
c) einem verzögernden Anteil
zusammen.
Die Werte für den jeweiligen Anteil
a) V R Verstärkungsfaktor
b) T V Vorhaltezeitkonstante
c) T Verzögerungszeitkonstante
müssen je nach den dynamischen Verhältnissen des Ventils (Servoventil, Proportionalventil) und des Antriebs (Zylinder) angepaßt werden. Die Regelungstheorie gibt mit der Methode des Wurzelortskurvenverfahrens die Möglichkeit, die obigen Faktoren für ein optimales Übergangsverhalten einzustellen.
a) V R Verstärkungsfaktor
b) T V Vorhaltezeitkonstante
c) T Verzögerungszeitkonstante
müssen je nach den dynamischen Verhältnissen des Ventils (Servoventil, Proportionalventil) und des Antriebs (Zylinder) angepaßt werden. Die Regelungstheorie gibt mit der Methode des Wurzelortskurvenverfahrens die Möglichkeit, die obigen Faktoren für ein optimales Übergangsverhalten einzustellen.
Die Auswahl der Regelungsstruktur
a) Zustandsregler
b) Klassischer Regler
kann durch die Betrachtung der Eigenfrequenzverhältnisse zwischen Ventil und Antrieb vorgenommen werden.
a) Zustandsregler
b) Klassischer Regler
kann durch die Betrachtung der Eigenfrequenzverhältnisse zwischen Ventil und Antrieb vorgenommen werden.
Für ein Verhältnis
kann ein klassischer Regler verwendet werden.
Bei einem Verhältnis
liefert die Verwendung des Zustandsreglers wesentliche Vorteile im
Hinblick auf Kreisverstärkungserhöhung und damit Positioniergenauigkeit
und Laststeifheit.
Aus der Theorie der Abtastregelung ist bekannt, daß die Abtastzeit einen
Einfluß auf die Regelgüte hat. Die Steuerung arbeitet als Abtastregler,
der in Zeitschritten Δ t einen Weginformationswert erfaßt, der das Steuerungsprogramm
abarbeitet und ein neues Stellsignal zur analogen Schnittstelle
leitet. Innerhalb des Zeitintervalls Δ t ist somit die Regelung ausgeschaltet.
Für schnelle hydraulische Antriebe bringt somit eine Abtastzeit
von z. B. 4 ms Probleme, die sich darin äußern, daß die Kreisverstärkung
des Regelkreises reduziert werden muß. Um dies zu verhindern, muß eine
Trennung zwischen digitaler Steuerung und Regler vorgenommen werden.
Dies wird durch die in Fig. 6 gezeigte Struktur erreicht.
Der Sollwert aus der Steuerung 2 wird dem Regelkreis zugeführt.
Der Regelkreis arbeitet in analoger Technik permanent und kann somit seine
optimale Kreisverstärkung beibehalten. Die Steuerung erhält zur Überwachung
der Istwerte, der Arbeitsabläufe und zu einer etwaigen Korrektur die Information
über den jweiligen Istwert.
Der Regler ist als
a) Zustandsregler
b) PDT1-Regler
realisierbar.
a) Zustandsregler
b) PDT1-Regler
realisierbar.
Wird der Regler nach den Kriterien der Abtastregelung in Z-Bereich
entworfen, so kann er auch in Digitaltechnik (Mikroprozessor) realisierbar
werden, da dann die eingangs beschriebenen Effekte der Verstärkungsreduzierung
nicht auftreten.
Die Struktur nach Fig. 7 entspricht derjenigen nach Fig. 2, wobei das
als Servoventil ausgebildete Steuerventil 4 einen eigenen Zustandsregler 12
und Beobachter 13 erhalten hat. Der Beobachter ist nur als Parallelmodell
ohne Korrekturterme ausgebildet. Durch den Zustandsregler und Beobachter
wird die Eigenfrequenz und der Dämpfungsgrad des Servoventils im bestimmten
Bereich günstig beeinflußt. Auf Grund der höheren Kreisverstärkung wird
die Hysterese verringert und die Ansprechempfindlichkeit erhöht, d. h. die
statischen Kennwerte werden verbessert.
Durch das den Zustandsregler nachgeordnete Adaptionsglied 14 ist die
Reglerverstärkung hubabhängig zu verändern, so daß die Kreisverstärkung
des Hauptregelkreises über den gesamten Hub eines als Arbeitszylinder
verwendeten Hydromotors optimal anzupassen ist.
Die hydraulische Antriebsvorrichtung kann sowohl als Zylinderantrieb
als auch als hydraulischer Drehantrieb ausgebildet sein. Der Drehantrieb
kann dabei sowohl im Winkelpositionsregelkreis als auch im Drehzahlregelkreis
betrieben werden.
Claims (10)
1. Ausbildung einer hydraulischen Antriebsvorrichtung bestehend aus:
a) einer hydraulischen Druckmittelquelle,
b) einem elektrisch ansteuerbaren Steuerventil (4) mit elektrischer Rückführung des Öffnungsquerschnittes,
c) einem hydraulischen Motor zur Bewegung eines Maschinenteils, gekennzeichnet durch die Kombination
d) einer handelsüblichen Steuerung (2) zur Festlegung des Arbeitsablaufes einer Maschine mit
e) einer Regelelektronik (6) des Maschinenteils.
a) einer hydraulischen Druckmittelquelle,
b) einem elektrisch ansteuerbaren Steuerventil (4) mit elektrischer Rückführung des Öffnungsquerschnittes,
c) einem hydraulischen Motor zur Bewegung eines Maschinenteils, gekennzeichnet durch die Kombination
d) einer handelsüblichen Steuerung (2) zur Festlegung des Arbeitsablaufes einer Maschine mit
e) einer Regelelektronik (6) des Maschinenteils.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Soll-Istwertvergleich der Position des
Maschinenteils in der Steuerung (2) erfolgt.
3. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß
f) die Steuerung (2) zur Festlegung eines Arbeitsablaufes programmierbar ist,
g) eine Regelelektronik (6) als Zusatzregler (6 a) mit Beobachter (6 b) ausgebildet ist, deren Eingang mit dem Ausgang der Steuerung verbunden ist,
h) der Ausgang der Regelelektronik mit dem Eingang des Steuerventils verbunden ist,
i) der elektrische Ausgang (y) des Steuerventils dem Beobachter zur Erzeugung der Zustandsgrößen (Beschleunigung, Geschwindigkeit) des hydraulischen Motors zugeführt wird,
k) die inkremental erfaßte Position (15) des vom Motor bewegten Maschinenteils über einen Wandler (7, 9) dem Beobachter (6 b) zugeführt wird.
f) die Steuerung (2) zur Festlegung eines Arbeitsablaufes programmierbar ist,
g) eine Regelelektronik (6) als Zusatzregler (6 a) mit Beobachter (6 b) ausgebildet ist, deren Eingang mit dem Ausgang der Steuerung verbunden ist,
h) der Ausgang der Regelelektronik mit dem Eingang des Steuerventils verbunden ist,
i) der elektrische Ausgang (y) des Steuerventils dem Beobachter zur Erzeugung der Zustandsgrößen (Beschleunigung, Geschwindigkeit) des hydraulischen Motors zugeführt wird,
k) die inkremental erfaßte Position (15) des vom Motor bewegten Maschinenteils über einen Wandler (7, 9) dem Beobachter (6 b) zugeführt wird.
4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandler (7) dem Beobachter (6 b) die
Position zuführt.
5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandler (9) dem Beobachter (6 b) die
Geschwindigkeit zuführt (Fig. 3).
6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das vom Wandler (9) gebildete Geschwindigkeitssignal
X gleichzeitig mit dem Ausgang X W der Steuerung (2) zu einem
Geschwindigkeitsregelkreis bei Summenpunkt (10) geschaltet wird (Fig. 4).
7. Antriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Regelelektronik als PDT1-Regler
(20) ausgebildet ist.
8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 und 3 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Soll-Istwertvergleich außerhalb
der Steuerung (2) vorgenommen wird.
9. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuerventil mit einem Zusatzregler (12) und dem Beobachter (13)
versehen ist, wobei der Beobachter nur als Parallelmodell ohne Korrekturterme
ausgebildet ist.
10. Antriebsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, wobei der hydraulische Motor als Arbeitszylinder ausgebildet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reglerverstärkung
hubabhängig (14) veränderbar ist.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3532931A DE3532931C3 (de) | 1985-09-14 | 1985-09-14 | Hydraulische Antriebsvorrichtung |
JP61216090A JPS6267305A (ja) | 1985-09-14 | 1986-09-16 | 液圧式駆動装置 |
US07/201,777 US4901624A (en) | 1985-09-14 | 1988-06-20 | Hydraulic driving device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE3532931A DE3532931C3 (de) | 1985-09-14 | 1985-09-14 | Hydraulische Antriebsvorrichtung |
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DE3532931C2 DE3532931C2 (de) | 1993-09-30 |
DE3532931C3 DE3532931C3 (de) | 1993-09-30 |
Family
ID=6281043
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3532931A Expired - Fee Related DE3532931C3 (de) | 1985-09-14 | 1985-09-14 | Hydraulische Antriebsvorrichtung |
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Country | Link |
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- 1986-09-16 JP JP61216090A patent/JPS6267305A/ja active Pending
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
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Owner name: MANNESMANN REXROTH AG, 97816 LOHR, DE |
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