DE4201652A1 - Ansteuerung eines proportionalventils mit netzspannung - Google Patents
Ansteuerung eines proportionalventils mit netzspannungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschal
tung für Elektromagnete und zwar insbesondere für den oder die
Elektromagnete eines Ventils insbesondere eines Proportional
ventils. Speziell bezieht sich die Erfindung auf eine Ansteu
erschaltung für ein Proportional-Wegeventil.
Proportional-Wegeventile werden in großem Umfang in der Tech
nik eingesetzt und haben grundsätzlich die gleiche Funktion
wie Servoventile. Proportional-Wegeventile haben auch nicht
die hohe Genauigkeit und benötigen höhere Eingangsleistungen
(10-100 W) sind dafür aber billiger und robuster. Üblicher
weise wird der bzw. die Magnet(e) eines Proportionalventils
von einem meist getakteten Regelverstärker versorgt, der von
einem zumeist 24 V liefernden Netzteil gespeist wird. Nachdem
der Proportionalmagnet durch seine Spule eine Induktivität
besitzt, ergibt sich nur ein langsamer Stromaufbau im Magneten
und somit auch eine langsame Betätigung des zugehörigen
Ventils. Besonders bei Proportionalmagneten mit niedrigem
Widerstand ergibt sich ferner eine hohe Belastung des Netz
teils.
Die vorliegende Erfindung sieht vor den Proportionalmagneten
direkt mit der (gleichgerichteten) Netzspannung - also einer
Gleichspannung in der Größenordnung von 250 V - zu beaufschla
gen und zu betätigen. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht ins
besondere darin, daß der Proportionalmagnet schneller an
spricht. So kann die Eigenfrequenz des Proportionalmagnet
ventils von ursprünglich etwa 100 Hz auf 400 Hz gebracht wer
den. Außerdem kann auf das 26 V Netzteil verzichtet werden.
Während es also beim Betreiben eines Proportionalmagneten mit
24 V zur gewünschten Betätigung des Ventils bis zu beispiels
weise 5 msec dauern kann, wird durch das Anlegen der gleich
gerichteten wesentlich höheren Netzspannung direkt an den
Elektromagneten eine wesentlich kürzere Ansprechzeit, bei
spielsweise in der Größenordnung von 1,25 msec erreicht.
Der durch die Netzspannung direkt betätigte Proportionalmagnet
kann vorzugsweise der gleiche Proportionalmagnet sein, wie
der, der sonst durch die niedrigeren Gleichspannungen von bei
spielsweise üblicherweise 24 V betätigt wird. Die Erfindung
sieht dabei vor, daß der durch die Spule des Proportionalmag
neten fließende Strom immer unter dem maximal zulässigen Wert
von beispielsweise 3 A liegt. Dies geschieht dadurch, daß man
die verhältnismäßig hohe (gleichgerichtete) Netzspannung ent
sprechend kurz anlegt und immer dann wieder abschaltet, wenn
die Belastungsgrenze des Proportionalmagneten erreicht wird.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Patentansprüchen.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Ansteuerung eines
Proportionalmagneten;
Fig. 2 ein Schaltbild einer herkömmlichen Ansteuerung eines
Proportionalmagneten;
Fig. 3 ein Schaltbild, welches eine getaktete Endstufe veran
schaulicht wie sie beim Stand der Technik und im Prin
zip auch bei der Erfindung anwendbar ist;
Fig. 4 und 5 eine Veranschaulichung der Arbeitsweise der
Schaltung gemäß Fig. 3;
Fig. 6 ein Schaltbild einer konkreten Ansteuerschaltung für
einen Proportionalmagneten des Standes der Technik, wie
dies in Fig. 2 allgemein dargestellt ist;
Fig. 7 ein Prinzipschaltbild einer Ansteuerschaltung für einen
Proportionalmagneten gemäß der Erfindung;
Fig. 8 eine bevorzugte Ausgestaltung der Ansteuerschaltung ge
mäß Fig. 7;
Fig. 9 eine spezielle Ausgestaltung eines Teils der Fig. 8;
Fig. 10a-10f eine konkrete bevorzugte Ausführung der Schaltung
gemäß Fig. 7;
Fig. 11 und 12 graphische Darstellungen der Arbeitsweisen
gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt eine Ansteuerschaltung 2 für einen Magneten 1,
der insbesondere ein Proportionalmagnet eines (nicht gezeig
ten) Proportional-Wegeventils ist. Der Ansteuerschaltung 2
wird ein Soll-Signal S zugeführt. Entsprechend diesem Soll-Sig
nal S verschiebt der Anker des Magneten 1 den Kolben eines
Ventils, beispielsweise eines Proportionalwegeventils mehr
oder weniger. Die Ansteuerschaltung 2 wird von einem Netzteil
3 mit einer Gleichspannung von 24 V beliefert, die sowohl zur
Versorgung der Komponenten der Ansteuerschaltung 2 als auch
dazu dient um an den Magneten 1 angelegt zu werden. Der Netz
teil 3 liegt an der Netzspannung, die beispielsweise 220 V
beträgt.
Fig. 1 veranschaulicht das erfindungsgemäße Prinzip. Hier wird
der Proportionalmagnet 1 durch eine Ansteuerschaltung 4 in der
Weise betrieben, daß entsprechend dem zugeführten Soll-Wert S
zur Verschiebung des Ventilkolbens durch den Magneten 1 be
wirkt wird, wobei an diesen die Netzspannung von 220 V (oder
110 V) sozusagen direkt angelegt werden kann. Konkret gespro
chen wird die gleichgerichtete Netzspannung an den Magneten an
gelegt, wobei in der Ansteuerschaltung 4 Schaltungen vorgese
hen sind, die eine Überlastung des Magneten 1 unmöglich ma
chen.
Bevor auf die konkretere Ausgestaltung (Fig. 7 und 8) der er
findungsgemäßen Ansteuerschaltung nach Fig. 1 eingegangen
wird, sei zunächst anhand der Fig. 3 bis 6 der Stand der Technik
erläutert.
Aus "Der Hydraulik Trainer" Band 2, 1986, Herausgeber Mannes
mann Rexroth, ist es bekannt eine getaktete Endstufe gemäß
Fig. 3 einzusetzen. Man erkennt in Fig. 3 wiederum den Magne
ten 1 und sieht, daß die Ansteuerschaltung 2 einen Stromregler
6, einen Taktgenerator 7, ein Spannungs-/Stromwandler 8 und
parallel zum Magneten 1 geschaltet eine Diode 9 aufweist. Aus
den Fig. 4 und 5 (a. a. O. Seite D3) ergibt sich ohne weiteres
die Arbeitsweise der Ansteuerschaltung gemäß Fig. 3.
Fig. 6 zeigt (vgl. a. a. O. Seite D15) nun ein Proportional-
Wegeventil 10, das durch zwei Magnete A und B angesteuert wer
den kann. Die Ansteuerschaltung oder der Proportionalverstär
ker 2 befinden sich hier auf einer Schaltungskarte, wobei sich
die Funktion dieses Proportionalverstärkers 2 wie folgt dar
stellt.
Aus dem Verbrauchernetz mit 220 V/380 V wird über Transforma
toren mit Gleichrichter (nicht gezeigt) die Versorgungsspan
nung UV der Proportionalverstärkerkarte 11 erzeugt.
An den Klemmen 22ac (+) und 28ac (OV) wird die Versorgungs
spannung UV angelegt. Auf der Verstärkerkarte 11 wird diese
Versorgungsspannung UV geglättet und aus dieser eine stabili
sierte Spannung von ±9V gebildet. Die stabilisierte Spannung
±9V dient
- a) für Versorgung der externen Potentiometer bzw. der internen Potentiometer abgreifbar an 26a +9V und an 24a -9V.
- b) für die Versorgung der internen Operationsverstärker.
Auf der Verstärkerkarte sitzen 4 Potentiometer zur Sollwert
einstellung P1 bis P4 (13). Um eine Sollwertspannung einzu
stellen müssen die 4 Sollwerteingänge Klemme 20c, 20a, 14a,
14c mit der stabilisierten Spannung +9V Klemme 26a oder -9V
Klemme 24a verbunden werden. Werden die Sollwerteingänge auf
+9V gelegt, so wird der Magnet A aktiv. Der Magnet A liegt an
den Klemmen 2a und 32a. Werden die Sollwerteingänge auf -9V
gelegt, so wird der Magnet B aktiv. Der Magnet B liegt auf den
Klemmen 2c und 32c. Die eingestellten Sollwertspannungen
P1 . . . P4 werden über die Relais 12 abgerufen. Sie liegen an den
Klemmen 12c, 12a, 16a, 16c an. Die Abrufspannung der Relais
kann an 24c abgegriffen werden und über potentialfreie Kontak
te auf die Relaiseingänge 12c, 12a, 16a, 16c gelegt werden.
Bei Abruf der Sollwertpotentiometer P1 bis P4 wird am Eingang
des Rampenbildners 50 ein Sprungsignal erzeugt. Der Rampenbil
dner 50 bildet aus einem sprunghaft ansteigenden Eingangssig
nal ein langsam ansteigendes Ausgangssignal. Die Anstiegszeit
(Steilheit) des Ausgangssignals ist über das Potentiometer P5
(Rampenzeit) einstellbar. Die angegebene Rampenzeit von maxi
mal 5 sek. kann nur über den vollen Spannungsbereich (von OV
bis ±6V, gemessen an den Sollwert-Meßbuchsen) erreicht werden.
Eine Sollwertspannung von ±9V am Eingang ergibt eine Spannung
von ±6V an den Sollwert-Meßbuchsen. Wird ein kleinerer Soll
wert als ±9V auf den Eingang des Rampenbildners 50 geschaltet,
so verkürzt sich die Rampenzeit.
Das Ausgangssignal des Rampenbildners 50 geht auf den Summie
rer 51 und auf den Sprungfunktionsbildner 52. Der Sprungfunk
tionsbildner 52 erzeugt an seinem Ausgang eine Sprungfunktion,
die im Summierer 51 auf das Ausgangssignal des Rampenbildners
50 aufaddiert wird. Die Sprungfunktion wird zum schnellen
Durchfahren der Nullüberdeckung des Ventils 10 benötigt.
Dieser Sprung wird bei kleinen Sollwertspannungen (kleiner
100 mV) unwirksam. Steigt die Sollwertspannung auf einen hö
heren Wert an, gibt der Sprungfunktionsbildner 52 ein kon
stantes Signal ab.
Das Ausgangssignal des Summierers 51 wird als Sollwert dem
PID-Regler 58 zugeführt.
Der Oszillator 54 wandelt ein Gleichspannungssignal in eine
Wechselspannung (Frequenz 2,5 kHz) um. Dieses Signal wirkt auf
den induktiven Weggeber 55.
Der Weggeber 55 verändert in Abhängigkeit von der Stellung des
Ventilkolbens die Wechselspannung. Das Wechselspannungssignal
wird vom Demodulator 56 in ein Gleichspannungssignal zurück
geführt.
Der Anpaßverstärker 57 verstärkt die Gleichspannung auf eine
maximale Spannung von ±6V (max. Kolbenhub). Das Ausgangssignal
des Anpaßverstärkers 57 wird als Istwert dem PID-Regler 58 zu
geführt.
Der PID-Regler 58 ist speziell auf den Ventiltyp optimiert. Er
gibt in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen Soll- und
Istwert ein Signal ab. Dieses Ausgangssignal steuert die End
stufe 59 des Verstärkers.
Fig. 7 zeigt eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 60 für
einen Proportionalmagneten 1. Der Elektromagnet 1 betätigt mit
seinem Stößel ein Proportionalventil 10. Die Ansteuerschaltung
weist einen Stromregler 61 auf, der ein Stellsignal G bei
spielsweise ein Spannungssignal an eine Signalverarbeitungs
schaltung 62 liefert. Das Ausgangssignal der Signalverarbei
tungsschaltung 62 ist mit K bezeichnet und wird in eine Netz
spannungsschaltung 63 eingegeben um diese zu veranlassen ein
dem Ausgangssignal K entsprechendes Ausgangssignal L an den
Proportionalelektromagneten 1 anzulegen. Erfindungsgemäß ist
das Ausgangssignal L unmittelbar aus der Netzspannung vorzugs
weise durch Gleichrichtung gebildet und wird auch in der Größenordnung
der Netzspannung an den Elektromagneten 1 angelegt.
Vorzugsweise ist die Signalverarbeitungsschaltung 62 derart
ausgelegt, daß die zur Verfügung stehende gleichgerichtete
Netzspannung immer nur kurze Zeit an den Elektromagneten 1
angelegt wird, wodurch der im Elektromagneten 1 fließende
Strom auf einem zulässigen Niveau gehalten wird. Dies ist ohne
weiteres möglich, da beim Anlegen der Spannung an den Elektro
magneten 1 der Strom nach einer E-Funktion ansteigt und somit
zu einem Zeitpunkt abgeschaltet werden muß, wo die Belastung
zu groß wird. Vergleiche dazu die Fig. 11 und 12 wo dieser
Vorgang im Vergleich mit dem Stand der Technik dargestellt
ist.
Als Beispiel sei erwähnt, daß ein üblicher Elektromagnet 1 mit
nicht mehr als 3A belastet werden darf. Die Signalverarbei
tungsschaltung 62 wird dann derart ausgelegt, daß der Strom in
der Spule des Elektromagneten 1 niemals mehr als 3A oder 3,5A
übersteigt. Kurz vor Erreichen des Grenzwertes wird dann die
Spannung einfach abgeschaltet.
Durch das Anlegen einer gegenüber den üblichen 24 V verhältnis
mäßig hohen Spannung von etwa 220 V erreicht man ein wesentlich
schnelleres Ansprechen des Elektromagneten 1. Ferner kann auf
diese Weise die Eigenfrequenz des Magnetventils von herkömmli
cherweise 100 Hz auf ungefähr 400 Hz gesteigert werden.
Wie bei einer Regelung üblich wird der in den Elektromagneten
1 fließende Strom fortlaufend gemessen und das entsprechende
Istwertsignal D wird mit einem Sollwertsignal verglichen.
Sobald zwischen beiden, hervorgerufen durch eine Störgröße,
ein Unterschied auftritt, wird eine geeignete Verstellung
vorgenommen, welche die Regelgröße und damit das Istwertsignal
wieder mit dem Sollwertsignal in Übereinstimmung bringen soll.
Der Stromregler 61 hat die Aufgabe eine Stellgröße in der Form
eines Stellsignals G zu erzeugen.
Die Netzspannungsschaltung 63 weist vorzugsweise ein Transi
stormodul 64 und eine Gleichrichtungsschaltung 65D auf. An das
Transistormodul wird über Leitungsmittel 66 eine Gleichspan
nung von beispielsweise 300 V angelegt. Diese verglichen mit
24 V verhältnismäßig hohe Gleichspannung wird über das Transi
stormodul 64 vorzugsweise getaktet derart angelegt, daß die
mögliche Strombelastung des Elektromagneten 1 nicht über
schritten wird. Vergleiche Fig. 11 und 12.
Fig. 8 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des Ausführungsbei
spiels gemäß Fig. 7. Speziell ist in Fig. 8 dargestellt, wie
die Signalverarbeitungsschaltung 60 vorzugsweise aufgebaut
sein kann. Zudem ist in Fig. 8 noch im einzelnen dargestellt
wie das Istwertsignal D vorzugsweise erfaßt wird.
Zunächst sei auf die Signalverarbeitungsschaltung 60 eingegan
gen.
Das vom Stromregler 61 gelieferte Stellsignal G liegt vorzugs
weise in der Form einer Spannung vor und es wird in eine Puls
weiten-Modulationsschaltung 65 eingespeist. In der Pulsweiten-
Modulationsschaltung 65 wird die die Stellgröße betreffende
Information in der Weise kodiert, wie dies in den Fig. 4 und 5
erläutert wurde. Die Pulsweiten-Modulationsschaltung 65 gibt
demgemäß ein impulsbreiten-moduliertes Stellsignal H ab. In
einer Signalaufbereitungsschaltung 66 wird das Signal H in ein
Ausgangssignal 1 umgewandelt, welches aus vier impulsbreiten-
modulierten Stellsignalen besteht. Diese vier impulsbreiten-
modulierten Stellsignale sind in der noch zu beschreibenden
Fig. 9 mit U+, U-, V+ und V- bezeichnet. Diese vier impuls
breiten-modulierten Stellsignale werden über einen Optokoppler
67 in ein Ausgangssignal K umgewandelt, welches seinerseits
aus vier impulsbreiten modulierten Steuersignalen besteht.
Diese Steuersignale sind in Fig. 9 mit BU bzw. EU, BV bzw. EV,
BX bzw. EX und BY bzw. EY bezeichnet. Die Optokopplerschaltung
67 sieht eine galvanische Trennung zwischen den Signalen I und
K vor. Das Signal K schaltet das Transistormodul 64 entspre
chend der in seinen vier impulsbreiten-modulierten Signalen
enthaltenen Information, d. h. der Größe des Stellsignals.
Die Optokopplerschaltung 67 dient ferner dazu durch eine Ge
gentakterzeugungsschaltung 69 und eine Übertragerschaltung 70
dem Signal K bzw. seinen vier impulsbreiten-modulierten Ein
zelsignalen eine Taktfrequenz aufzuprägen.
Zur galvanisch getrennten Istwerterfassung (vorzugsweise
Stromistwerterfassung) ist ein Hallsensor oder ein Trennver
stärker mit dem Magneten 1 verbunden, dessen Ausgangssignal A
einer Offset-Abgleich- und Regelanpassungsschaltung 73 zuge
führt wird. Das Ausgangssignal D der Offset-Abgleich- und
Regelanpassungsschaltung schwankt dann um einen Nullpunkt
beispielsweise zwischen OV und ±2V.
Fig. 9 veranschaulicht im einzelnen die Netzspannungsgleich
richtungsspannung 650, die Optokopplerschaltung 67 und die
Signalaufbereitungsschaltung 66. Man erkennt, daß die vier das
Signal I bildenden Ausgangssignale jeweils einen Optokoppler
IC1, IC2, IC3 und IC4 zugeführt werden. Die Gegentakterzeugung
69 ist mit den einzelnen Optokopplern über Übertrager verbun
den. Die Ausgänge der Optokoppler IC1 bis IC4 liegen an den
Steuereingängen von vier Transistoren T1, T2, T3 und T4. Ent
sprechend den vier durch die Optokoppler IC1, IC2, IC3 und IC4
angelegten impulsbreiten-modulierten Signalen, die vorzugswei
se Stromsignale sind, werden die Transistoren T1 bis T4 ge
schaltet, so daß diese über Ausgangsleitungen 75, 76 den Elek
tromagneten 1 erregen, und zwar mit einer vorzugsweise in der
Größenordnung von ungefähr 300 V Gleichspannung liegenden Span
nung.
Die Fig. 10a-10f zeigen anhand eines Schaltbildes Einzelheiten
der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Schaltungen. Einer ins De
tail gehenden Beschreibung dieser Schaltung wird nicht für
notwendig erachtet, da alle verwendeten Symbole herkömmlich
und dem Fachmann ohne weiteres verständlich sind.
Claims (10)
1. Proportionalventil dessen Ausgangsgröße proportional einem
elektrischen Eingangssignal ist, wobei das Proportionalventil
vorzugsweise durch einen Proportionalmagneten betätigt ist,
der spannungs- oder stromproportional durch ein Steuersignal
angesteuert werden kann
dadurch gekennzeichnet, daß
der Proportionalmagnet direkt mit "Hochspannung" angesteuert
wird, d. h. der gleichgerichteten Netzspannung, wobei durch
eine Ansteuerschaltung (60) sichergestellt wird, daß die Spule
des Proportionalmagneten nicht überlastet wird, insbesondere
ein maximaler Stromwert nicht überschritten wird.
2. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ansteuerschaltung einen mit dem Elektromagneten des
Proportionalventils verbundenen Stromregler (61) aufweist, der
ein Stellsignal (G) an eine Signalverarbeitungsschaltung (62)
liefert, die ihrerseits eine Netzspannungsschaltung (63) ver
anlaßt die gleichgerichtete Netzspannung an den Elektromagne
ten anzulegen, und zwar für eine dem vom Stromregler (61) ge
lieferten Stellsignal entsprechende Zeit.
3. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Netzspannungsschaltung (63) eine Gleichrichtungsschal
tung (65) aufweist, sowie ein Transistormodul (64), welches
durch die Signalverarbeitungsschaltung (62) derart gesteuert
wird, daß die von der Gleichrichtungsschaltung (65) kommende
gleichgerichtete Netzspannung für die gewünschten Zeiträume
direkt an den Elektromagneten (1) angelegt wird.
4. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Signalverarbeitungsschaltung (62) eine Pulsbreiten-
Modulationsschaltung (65) aufweist, um ein impulsbreiten-modu
liertes Stellsignal H zu erzeugen, welches die Steuerung der
Netzspannungsschaltung (63) bewirkt.
5. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ansteuerschaltung (60) anschließend an die Pulsbrei
ten-Modulationsschaltung (65) eine Signalaufbereitungsschal
tung (66) aufweist, welche aus dem impulsbreiten-modulierten
Stellsignal H vier impulsbreiten-modulierte Signale herstellt
um diese zur Steuerung des Transistorsmoduls (64) zu verwen
den, welches seinerseits vier Transistoren (T1 bis T4) auf
weist.
6. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ansteuerschaltung (60) eine Optokopplerschaltung (67)
aufweist, welche eine galvanisch getrennte Signalübertragung
zwischen der Signalaufbereitungsschaltung (66) und dem Tran
sistormodul (64) vorsieht.
7. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Optokopplerschaltung mit Gegentaktübertragermitteln
(69, 70) zur galvanisch getrennten Übertragung der Ansteuer
leistung verbunden ist.
8. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung des Istwertsignals eine Hallsensorschaltung
(72) mit dem Elektromagneten (1) verbunden ist.
9. Proportionalventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Hallsensor (72) eine Offset-Abgleich- und Regelanpas
sungsschaltung (73) nachgeschaltet ist, um das Istwertsignal
in einem um einen Nullpunkt schwankenden Bereich vorzusehen.
10. Proportionalventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß anstelle eines Hallsensors ein Trennverstärker ver
wendet wird.
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