EINDWERK: Onderzoek naar hydraulisch

EINDWERK:
Onderzoek naar hydraulisch
positioneren
Studiegebied
Industriële Wetenschappen en Technologie
Opleiding
Elektromechanica
Optie
Automatisering
Academiejaar
2005-2006
Sam Biesbrouck
EINDWERK:
Onderzoek naar hydraulisch
positioneren
Studiegebied
Industriële Wetenschappen en Technologie
Opleiding
Elektromechanica
Optie
Automatisering
Academiejaar
2005-2006
Sam Biesbrouck
WOORD VOORAF
Voor u verder leest wil ik even wat plaats vrijmaken om enkele mensen te bedanken. Zonder
deze mensen was dit eindwerk niet mogelijk geweest. Ik wil allereerst de Hogeschool West
Vlaanderen departement PIH bedanken voor de mogelijkheden die ze ons als studenten
aanbieden. Dank voor het gebruik van materialen, testbanken, meetapparatuur maar ook voor
de vele hulp van verschillende docenten.
Ten tweede wil ik graag mijn promotoren bedanken. Interne promotor Ing. Bart
Vanwalleghem heeft mij in school met raad en daad bijgestaan. Dank voor de tijd en het
geduld. Externe promotor Ing. Koen Dendauw van Vermeulen NV heeft mij met hydraulisch
materiaal en met kennis geholpen. Bedankt ook voor het maken van onze prachtige
hydraulische opstelling.
Ik wil ook graag Tom Decreane bedanken die mijn thesis, tegen beter weten in, toch heeft
willen verbeteren op taal en spellingsfouten. Bedankt Tom.
Als laatste wil ik graag mijn lieve vriendin en mijn ouders bedanken die altijd aan mijn zijde
staat bij alles wat ik doe. Dank je wel!
I
INHOUDSOPGAVE
II
Woord Vooraf ...................................................................................................I
Inhoudsopgave ................................................................................................ II
Lijst met figuren en tabellen .....................................................................VI
HOOFDSTUK 1 Doelstellingen
1 Doelstellingen van het project ......................................................................... 6
2 Voorstelling betrokken partijen...................................................................... 7
2.1
2.2
2.3
Vermeulen NV ........................................................................................................... 7
C-Metals NV .............................................................................................................. 8
P.I.H. Kortrijk............................................................................................................. 9
HOOFDSTUK 2 Elektrohydrauliek
1 Inleiding........................................................................................................... 11
1.1
1.2
1.3
Conventionele hydrauliek ........................................................................................ 11
Proportionaal-hydrauliek.......................................................................................... 11
Servo-hydrauliek ...................................................................................................... 12
2 Conventionele hydrauliek.............................................................................. 13
2.1
De wet van Pascal .................................................................................................... 13
2.2
Druk en kracht.......................................................................................................... 13
2.3
Volumestroom of debiet........................................................................................... 14
2.4
Hydraulisch vermogen ............................................................................................. 14
2.5
Hydraulische vloeistoffen ........................................................................................ 15
2.6
Opbouw van een hydraulische installatie................................................................. 15
2.7
Basisprincipe ............................................................................................................ 17
2.7.1
Drukcontrole..................................................................................................... 17
2.7.2
Debietcontrole .................................................................................................. 18
2.7.3
Richtingcontrole ............................................................................................... 19
2.7.4
In de praktijk .................................................................................................... 19
3 Elektrohydraulische ventielen....................................................................... 21
3.1
Inleiding ................................................................................................................... 21
3.2
Proportionaal-ventielen ............................................................................................ 21
3.2.1
Inleiding ........................................................................................................... 21
3.2.2
Constructie ....................................................................................................... 23
3.2.3
Soorten ventielen.............................................................................................. 32
3.3
Servo-ventielen......................................................................................................... 37
3.3.1
Inleiding ........................................................................................................... 37
3.3.2
Verschillen tussen servo-ventielen en proportionaal-ventielen ....................... 37
3.3.3
Soorten ventielen [11] ...................................................................................... 38
HOOFDSTUK 3 Marktonderzoek
1 Ventiel Karakteristieken................................................................................ 46
1.1
Terminologie ............................................................................................................ 46
1.1.1
Eenheden [11] .................................................................................................. 46
1.1.2
Belangrijkste parameters voor het selecteren van elektro-ventielen[11] ......... 46
1.2
Berekenen van het benodigde debiet en frequentieresponsie [11] ........................... 48
2 Marktonderzoek ............................................................................................. 50
2.1
2.2
MOOG[18] ............................................................................................................... 50
BOSCH[19].............................................................................................................. 52
III
HOOFDSTUK 4 Opbouw testopstelling
1 Componenten testopstelling .......................................................................... 55
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
De testbank............................................................................................................... 55
De aandrijfgroep....................................................................................................... 56
De positieterugkoppeling ......................................................................................... 57
De versterkerkaart .................................................................................................... 57
De dSPACE kaart..................................................................................................... 58
Het schakelbord........................................................................................................ 58
2 Versterkerkaart .............................................................................................. 59
2.1
2.2
2.3
Doel .......................................................................................................................... 59
Werking.................................................................................................................... 59
Aansluitingen en instellingen ................................................................................... 61
3 De regelaar ...................................................................................................... 66
3.1
3.2
3.3
3.4
Doel .......................................................................................................................... 66
Onderdelen ............................................................................................................... 66
Overzicht .................................................................................................................. 66
Algemene werking ................................................................................................... 70
4 Positieregelkring............................................................................................. 71
4.1
Inleiding ................................................................................................................... 71
4.2
Werking.................................................................................................................... 72
4.2.1
Algemeen ......................................................................................................... 72
4.2.2
De regelaar ....................................................................................................... 73
4.3
Het positieregelschema ............................................................................................ 74
4.4
Metingen................................................................................................................... 75
4.4.1
Stapresponsie.................................................................................................... 75
4.4.2
Sinusresponsie.................................................................................................. 78
5 Drukregelkring ............................................................................................... 84
5.1
5.2
5.3
5.4
Inleiding ................................................................................................................... 84
Werking.................................................................................................................... 85
Het drukregelschema................................................................................................ 86
Metingen................................................................................................................... 86
6 Gelijkloopregelkring[1] ................................................................................. 88
6.1.1
6.1.2
6.1.3
6.1.4
6.1.5
6.1.6
6.1.7
Mechanische gelijkloop.................................................................................... 89
Gelijkloop d.m.v. drukgecompenseerde stroomregelkleppen.......................... 90
Gelijkloop d.m.v. twee gekoppelde hydromotoren .......................................... 91
Gelijkloop d.m.v. een stroomverdeelklep ........................................................ 92
Elektronische gelijkloop................................................................................... 93
Gelijkloop door middel van een gelijkloopcilinder.......................................... 94
Elektronische gelijkloopregeling...................................................................... 95
IV
BESLUIT...........................................................................................96
BIBLIOGRAFIE ..............................................................................98
Boeken ................................................................................................................ 99
Artikelen............................................................................................................. 99
Eindwerken ........................................................................................................ 99
Verzamelwerken.............................................................................................. 100
Websites............................................................................................................ 100
BIJLAGE 1 Positieterugkoppeling met externe meetlat.............101
1 Werking ......................................................................................................... 102
2 Aansluitingen ................................................................................................ 103
3 Serienummer................................................................................................. 104
BIJLAGE 2 Druksensor.................................................................105
BIJLAGE 3 Technische informatie versterkerkaart BOSCH....107
BIJLAGE 4 Grafiek van moog voor het selecteren van een ventiel
[11] ...................................................................................................114
V
LIJST MET FIGUREN EN TABELLEN
VI
FIGUREN
HOOFDSTUK 1 Doelstellingen
Fig. 1-1 Logo Vermeulen. .......................................................................................................... 7
Fig. 1-2 Hydraulische sluis......................................................................................................... 7
Fig. 1-3 Logo C-metals. ............................................................................................................. 8
Fig. 1-4 Logo PIH. ..................................................................................................................... 9
HOOFDSTUK 2 Elektrohydrauliek
Fig. 2-1 Onderscheid conventionele, proportionale- en servo-hydrauliek............................... 12
Fig. 2-2 De wet van Pascal....................................................................................................... 13
Fig. 2-3 Druk en Kracht. .......................................................................................................... 13
Fig. 2-4 Hydraulisch vermogen................................................................................................ 14
Fig. 2-5 Opbouw van een hydraulische installatie. .................................................................. 16
Fig. 2-6 Principe schema van een hydraulisch systeem. .......................................................... 17
Fig. 2-7 Principiële werking drukventiel.................................................................................. 18
Fig. 2-8 Principiële werking debiet ventiel. ............................................................................. 18
Fig. 2-9 Principiële werking directionele debiet controle ventiel. ........................................... 19
Fig. 2-10 Manueel en elektrisch bediende ventielen................................................................ 20
Fig. 2-11 Proportionaal uitsturen van het debiet. ..................................................................... 22
Fig. 2-12 Dode zone in ventiel. ................................................................................................ 23
Fig. 2-13 Blokschema van een ventiel………………………………………………………..23
Fig. 2-14 Onderdelen van een doorsnee ventiel………………………………………………24
Fig. 2-15 Werking proportionaal magneet. .............................................................................. 26
Fig. 2-16 Schematische voorstelling van een ventiel met één spoel........................................ 27
Fig. 2-17 Schematische voorstelling van een elektro-hydraulisch ventiel met twee spoelen. . 27
Fig. 2-18 Invloed van de temperatuur op de spoelkracht......................................................... 29
Fig 2-19 Conventionele vs. Proportionale spoel. ..................................................................... 29
Fig. 2-20 LVDT........................................................................................................................ 30
Fig. 2-21 Schuifoverlapping – dode zone. ............................................................................... 31
Fig. 2-22 Indirect bediende proportionaal ventiel.................................................................... 32
Fig. 2-23 Proportionaal drukcontrole ventiel. .......................................................................... 33
Fig. 2-24 Druk in functie van het input signaal........................................................................ 34
Fig. 2-25 Proportionaal debietcontrole ventiel......................................................................... 35
Fig. 2-26 Lineair force motor. .................................................................................................. 38
Fig. 2-27 Lineair force motor. .................................................................................................. 38
Fig. 2-28 Lineair force motor ................................................................................................... 39
Fig. 2-29 Nozzle flapper……………………………………………………………………...39
Fig. 2-30 Nozzle flapper........................................................................................................... 40
Fig. 2-31 Nozzle flapper........................................................................................................... 41
VII
HOOFDSTUK 4 Opbouw testopstelling
Fig 4-1 De testbank. ................................................................................................................. 55
Fig. 4-2 De aandrijfgroep. ........................................................................................................ 56
Fig. 4-3 De positieterugkoppeling............................................................................................ 57
Fig. 4-4 De versterkerkaart....................................................................................................... 57
Fig. 4-5 Blokschema van de versterkerkaart – ventiel combinatie. ......................................... 60
Fig. 4-6 Elektronisch schema van de BOSCH versterkerkaart……………………………….62
Fig. 4-7 De gebruikte aansluitingen op de dSPACE aansluitmatrix. ....................................... 65
Fig. 4-8 Regeltechnisch schema van de hydraulische opstelling. ............................................ 72
Fig. 4-9 Principe van het positieregelschema........................................................................... 74
Fig.4-10 Stapresponsie bij P=1. ............................................................................................... 75
Fig. 4-11 Stapresponsie bij P=10 ............................................................................................. 76
Fig. 4-12 Stapresponsie bij P=100. .......................................................................................... 76
Fig. 4-13 Opmeten van de maximum snelheid. ....................................................................... 77
Fig. 4-14 Werkwijze voor het opmeten van de sinusresponsie................................................ 79
Fig. 4-15 Schematische voorstelling van het drukcontrolesysteem. ........................................ 85
Fig. 4-16 Stapresponsie bij P=1. .............................................................................................. 86
Fig. 4-17 Stapresponsie bij P=1,5. ........................................................................................... 87
Fig. 4-18 Stapresponsie bij P=2. .............................................................................................. 87
Fig. 4-19 Stapresponsie bij P=2,5. ........................................................................................... 87
Fig. 4-20 Mechanische gelijkloop............................................................................................ 89
Fig. 4-21 Gelijkloop d.m.v. drukgecompenseerde stroomregelkleppen. ................................. 90
Fig. 4-22 Gelijkloop d.m.v. twee gekoppelde hydromotoren. ................................................. 91
Fig. 4-23 Gelijkloop d.m.v. een stroomverdeelklep................................................................. 92
Fig. 4-24 Elektronische gelijkloop. .......................................................................................... 93
Fig. 4-25 Gelijkloop d.m.v. een gelijkloopcilinder. ................................................................. 94
Fig. 4-26 Elektronische gelijkloopregeling.............................................................................. 95
BIJLAGEN
Fig. bijlage-1 Werking van de positieterugkoppeling............................................................ 102
Fig. bijlage-2 Aansluitschema van de druksensor.................................................................. 106
TABELLEN
HOOFDSTUK 2 Elektrohydrauliek
Tabel 2-1 Technische specificaties van proportionaal magneten............................................. 28
Tabel 2-2 Verschillen servo-ventielen en proportionaal-ventielen .......................................... 37
Tabel 2-3 Overzicht van de verschillende servo-ventiel principes. ......................................... 44
HOOFDSTUK 4 Opbouw testopstelling
Tabel 4-1 Overzicht eenhedenstelsels. ..................................................................................... 46
Tabel 4-1 Instelling van de DIL switches op de versterkerkaart.............................................. 61
Tabel 4-2 Vuistregels voor het kiezen van de juiste regelaar................................................... 71
Tabel 4-3 De meetwaarden bij een stapresponsie. ................................................................... 77
Tabel 4-4 De meetwaarden bij een sinusresponsie met de belastingscilinder. ....................... 80
Tabel 4-5 De meetwaarden bij een sinusresponsie zonder de belastingscilinder. ................... 81
VIII
M.C. Escher, Waterval
Hydraulica
De tak van wetenschap die zich bezig houdt met het gedrag van stromende vloeistoffen.
Het woord "hydraulica" is afkomstig van het Griekse woord hydraulikos.
Een ander woord voor hydraulica is vloeistofdynamica.
1
INLEIDING
2
In wetenschappelijke zin is hydraulica de leer van vloeistoffen in rust en in beweging,
respectievelijk de ‘hydrostatica’ en ‘hydrodynamica’. In de werktuigbouwkunde, voertuig- en
vliegtuigtechniek, enz. verstaat men onder hydraulica de toepassing van dit deel van de
natuurkunde voor de aandrijf -, besturing - en regeltechniek.
Vooral in elektrohydraulische proportionaal - en regeltechniek is de integratie elektronica /
hydraulica zeer ver gevorderd. Zowel de hydraulicaspecialisten als de elektronicaspecialisten
zullen in de toekomst meer en meer kennis moeten hebben van elkaars vakgebied.
In de aandrijf -, besturing - en regeltechniek neemt hydraulica een niet meer weg te denken
plaats in. Met hydraulische technieken zijn lineaire en roterende bewegingen volledig onder
controle te houden. Ze zijn geschikt daar waar grote krachten nodig zijn en waar extreme
nauwkeurigheid met betrekking tot positie en snelheid wordt vereist. Door de economische
vooruitgang is er een grote behoefte en nood aan automatisering en regelsystemen. De nieuwe
trend binnen de hydraulica die daar op inspeelt is de elektrohydrauliek. Meer en meer worden
elektronische en regeltechnische systemen geïntegreerd in de gewone conventionele
hydraulica.
Deze realisatie is in samenwerking met Vermeulen NV, Roeselare en de Hogeschool West–
Vlaanderen, departement PIH, Kortrijk ontstaan. In dit eindwerk gaan we zowel theoretisch
als praktisch in op de elektro-hydrauliek.
In hoofdstuk één bespreken we de doelstellingen van dit eindwerk en hoe deze ontstaan zijn.
We stellen ook even de betrokken partijen voor.
Hoofdstuk twee gaat theoretisch in op de elektrohydrauliek, we bestuderen de basisbeginselen
en de verschillende soorten elektrohydraulische ventielen.
In hoofdstuk drie voeren we een marktonderzoek uit over de verschillende ventielen. We
bestuderen vooral de ventielen van de twee grote merken, BOSCH en MOOG.
In een vierde en laatste hoofdstuk gaan we de opstelling van het systeem uitleggen. Hoe zijn
we tot de opstelling gekomen en welke experimenten hebben we uitgevoerd?
3
Als student industrieel ingenieur elektromechanica automatisering ben ik vooral
geïnteresseerd in het besturen van productieprocessen en gesloten regelkringen. Daarom is
een heel interessante toepassing van dit eindwerk bijvoorbeeld gelijkloop van cilinders en
positieregeling. In het algemeen besluit staan de verschillende conclusies te lezen die we na
dit onderzoek konden maken.
Dit eindwerk is een verderzetting van een eindwerk dat vorig academiejaar geschreven werd
door Koen Dendauw: “Ontwerp en opbouw van een testopstelling hydraulisch positioneren,
2004-2005”
4
HOOFDSTUK 1
DOELSTELLINGEN
Heel belangrijk bij het aanpakken van een groot project zoals deze thesis, is dat er aan het
begin van het project genoeg tijd wordt gespendeerd aan het opstellen van enkele goede
doelstellingen. Deze zijn onmisbaar om gedurende het verdere jaar, een totaal overzicht te
kunnen behouden en de lijnen vast te leggen zodat er gedurende het jaar geen dwaalsporen
kunnen worden gevolgd. Daarom gaan we ook deze doelstellingen in de thesis voorstellen.
Deze doelstellingen zijn tot stand gekomen door enkele gerichte vragen komende van alle
betrokken partijen.
In een eerste punt worden de doelstellingen van het project mooi op papier gezet. We willen
ook even alle betrokken partijen voorstellen, dit doen we in een tweede punt. Verder in de
thesis en vooral in het besluit, komen we te weten of we alle doelstellingen hebben bereikt.
5
1 DOELSTELLINGEN VAN HET PROJECT
Vorig jaar, bij de opstart van dit eindwerk, waren er enkele betrokken partijen die elk hun
specifieke vragen hadden betreffende elektrohydrauliek. Uiteraard werd daarmee rekening
gehouden en werd er getracht in te gaan op hun verschillende vragen. We overlopen even:
•
Vermeulen NV is de belangrijkste partner in deze studie en is vooral geïnteresseerd in
de kennis, zowel praktisch als theoretisch, zodat ze in de toekomst met die kennis ook
klanten kunnen helpen die een hydraulisch probleem van regeltechnische aard hebben.
Hiervoor hebben ze nood aan een opstelling om hydraulische regelkringen met
proportionaal- en servo-ventielen te kunnen bouwen.Vermeulen NV leverde de
hydraulische onderdelen van de aandrijfgroep en de testbank. Ook zijn ze heel erg
geïnteresseerd om in een handig naslagwerk een goed overzicht te hebben over de
verschillende elektrohydraulische ventielen die op de markt zijn.
•
C-metals NV is een groothandel van assen, cilinderbuizen, cilinders, enz… Daarnaast
doen ze ook revisies van plooibanken, plaatscharen, enz. Vanuit deze optiek zoeken ze
een oplossing voor de problematiek van de regeltechnische gelijkloop van cilinders.
C-metals NV leverde de stalen onderdelen van de draagconstructie.
•
PIH Kortrijk is vooral geïnteresseerd in enkele labo-opstellingen waarin hydraulische
en regeltechnische problemen kunnen worden getoond en onderzocht. Met dit
eindwerk wordt theoretische en praktische kennis opgedaan inzake hydraulica. De
resultaten kunnen worden gebruikt in labo sessies.
Vanuit deze vragen werd mij duidelijk wat mij te doen stond. In mijn stage zou ik allereerst
een basiskennis hydraulica moeten opdoen. Daarnaast kon ik al een stapje verder gaan en mij
gaan verdiepen in de elektrohydrauliek. Ook wilde ik goed weten hoe je de testbank moest
bedienen zodat verdere testen in het PIH konden doorgaan. Met de eerste ervaring, opgedaan
op stage bij Vermeulen NV, kon ik enkele doelstellingen opstellen.
6
De doelstellingen kort samengevat:
•
Theoretische kennismaking van elektrohydrauliek
•
Aansturen proportionaal-ventielen met hun versterkerkaart.
•
Integratie van proportionaal-ventiel in enkele didactische controlesystemen.
•
Marktonderzoek elektrohydraulische ventielen
2 VOORSTELLING BETROKKEN PARTIJEN
2.1 Vermeulen NV
Fig. 1-1 Logo Vermeulen.
In 1856 richtte Charles Vermeulen een fabriek op die handelde in schietspoelen, bobijnen en
klossen. Vermeulen NV overleefde de twee wereldoorlogen en de crisis van 1930. Men
verwierf na WO II een internationale reputatie op vlak van pneumatiek en hydrauliek.
Door een enorme economische explosie en door de opkomst van verschillende concurrenten
kwam de noodzaak naar boven om het bedrijf en productieproces te gaan specialiseren en
automatiseren. In die periode deden zich ook de eerste gevallen van automatiseringsprojecten
aangedreven door perslucht en hydraulica voor.
Herman Deboutte, in die tijd de bedrijfsleider van Vermeulen
NV, zag hierin een grote en belangrijke markt en werd door de
invloed van de VS geconfronteerd met het begrip ‘Low Cost
Automation’. Vanaf de jaren 50 werd de productie van
schietspoelen en bobijnen stopgezet en begon men met de
productie van pneumatische en hydraulische ventielen en
cilinders. Daarnaast werd ook een studiebureau opgericht dat
zich boog over de meest uiteenlopende productieproblemen.
Fig. 1-2 Hydraulische sluis.
Vermeulen NV is nu al meer dan 50 jaar producent en leverancier van hydraulische en
pneumatische componenten en systemen voor de hele Belgische markt. Sinds 1996 maakt de
onderneming deel uit van de Eriks groep. Samen met het zusterbedrijf IECO NV in Brussel en
7
Flexion BV in Nederland, in totaal acht vestigingen, vormt ze de aandrijfgroep voor de
Benelux.
Anno 2005 bestaat Vermeulen NV uit twee grote afdelingen: de pneumatiek en de hydrauliek.
Vermeulen Pneumatiek verzorgt vooral de studie en constructie van speciale units zoals
automatische boor - en tapeenheden, automatische laadmagazijnen, enz… Vermeulen
Hydrauliek zorgt voor op maat gemaakte componenten en volledige geïntegreerde systemen.
Dit gaat van specifieke opdrachten voor de industrie tot de realisatie van bruggen en sluizen
langs de belgische waterwegen. Totaaloplossingen worden uitgewerkt en getekend op het
studiebureau. In het atelier worden systemen geassembleerd en getest.
Anderzijds beschikt met over moderne draai – en freesinstallaties om alle mogelijke speciale
onderdelen te vervaardigen. Vermeulen kan alle systemen ter plaatse installeren en dus ook
het onderhoud verzorgen.
Om te voldoen aan de vraag van de klant, wil men zich bij Vermeulen NV nu ook gaan
toeleggen op de regeltechnische mogelijkheden in hydraulische installaties. Vermeulen NV is
dus het bedrijf bij uitstek om de uitwerking van dit eindwerk te ondersteunen.
2.2 C-Metals NV
Fig. 1-3 Logo C-metals.
C-Metals NV is opgericht in oktober 2000. In december werd het eerste kantoor en magazijn
ingericht in Bissegem. In januari startte de verkoop. Het bedrijf verdubbelde zijn capaciteit al
na 1 jaar. In november 2000 verhuisde C-Metals naar zijn nieuwe locatie in Herseaux.
Het bedrijf is vooral bekend als voorraadhoudende groothandel van hard verchroomde assen,
gehoonde cilinderbuizen en stangkoppen voor hydraulische en pneumatische cilinders.
Daarnaast doen ze ook revisies van plooibanken, plaatscharen, enz…
8
2.3 P.I.H. Kortrijk
Fig. 1-4 Logo PIH.
De Provinciale Industriële Hogeschool is een departement van de Hogeschool WestVlaanderen. Ze voorziet een ingenieursopleiding en doet aan studie en onderzoek ten behoeve
van de industrie.
Voor het P.I.H. is de belangrijkste doelstelling dat er enkele didactische opstellingen ontstaan
omtrent hydraulische aandrijfsystemen. Een positieregelkring en een drukregelkring kunnen
in het labo dienst doen ter aanvulling van de cursus regeltechniek en vermogenelektronica.
9
HOOFDSTUK 2
ELEKTROHYDRAULIEK
De integratie van elektronische besturingstechniek in de ‘industriële hydrauliek’ heeft al
uitgebreid plaatsgevonden. Ook in de ‘mobiele hydrauliek’ zet deze integratie door. Bij het
construeren en ontwikkelen van gecombineerde systemen worden hydrauliek en elektronica
veelal als op zichzelf staande technieken beschouwd, terwijl bij het plegen van onderhoud en
bij het lokaliseren van storingen het van belang is beide technieken als één geheel te zien.
Vooral in elektrohydraulische proportionaal- en servo-techniek is de integratie van
elektronica/hydrauliek zeer ver doorgedrongen. Men moet zich meer en meer specialiseren op
beide terreinen.
In dit hoofdstuk gaan we in op de theorie betreffende elektrohydrauliek. Om wat meer te
weten over proportionale- en servo-hydrauliek, moeten we wat thuis zijn in ‘basishydrauliek’.
We gaan niet te diep in op de technische aspecten maar wel genoeg om de meeste
aandrijfsystemen te begrijpen. Er wordt nadruk gelegd op de werking en constructie van
proportionale- en servo-ventielen. Daarnaast geven we een eerste onderverdeling van de
verschillende soorten elektrohydraulische ventielen.
10
1 INLEIDING
1.1 Conventionele hydrauliek
We bedoelen hiermee systemen die werken met mechanische instelbare componenten. De
verwerking van de elektrische signalen gebeurt met behulp van relaistechniek of door middel
van een PLC.
De verandering van stromingsrichting en druk of volumestroom gebeurt in de conventionele
elektrische schakeltechniek meestal in oncontroleerbare sprongen, men noemt dat ‘zwart-wit’
hydrauliek of anders gezegd: hydrauliek met ‘aan - uit’ toestanden. Het gevolg hiervan is dat
er hoge piekdrukken kunnen ontstaan en dat de componenten dus grote schakelklappen te
verwerken krijgen. Dit gaat natuurlijk ten koste van de levensduur. Overdrachtsfuncties zoals
éénparig versnelde of vertraagde bewegingen zijn soms nog te realiseren met behulp van
nokkenmechanismen.
1.2 Proportionaal-hydrauliek
Dit is een analoge besturingstechniek die gebruik maakt van proportionaal-componenten met
bijhorende elektronica. De ingestelde waardes van druk, debiet en stromingsrichting worden
als analoog elektrisch signaal aangeboden. De overgangsfuncties worden gerealiseerd door
middel van een rampgenerator.
De verwerkingsvolgorde van de voorgeprogrammeerde, ingestelde waardes wordt bepaald
door een machinebesturing (meestal een PLC of microprocessor). Op die manier zijn
veeleisende besturingsproblemen op te lossen en zijn bvb versnelling en
vertragingsbewegingen optimaal te sturen.
Proportionaal-ventielen werken in het algemeen in een open stuurketen. Kenmerk daarvan is
het ontbreken van de terugkoppeling tussen het proces en de besturing. Met andere woorden,
er wordt niet gecontroleerd of het proces de ingestelde waarde wel echt bereikt. Het verband
tussen ingang- en uitgangssignaal wordt bepaald door de overbrengingsverhouding van de
afzonderlijke besturings-componenten (het proces). Treden er fouten of storingen op, dan
kunnen we ze niet detecteren en komen deze ook in het uitgangssignaal naar boven.
Deze fouten kunnen ontstaan door: inwendige lekkage, wrijving, nulpuntverschuiving,
lineariteitsfouten, slijtage, enz…
11
1.3 Servo-hydrauliek
Hieronder verstaan we de toepassing van de regeltechniek in de hydrauliek. We gaan
regeltechniek in combinatie met regelventielen (servo-ventielen), sensoren en regelversterkers
gaan gebruiken. De verwerkingsvolgorde van de vooraf bepaalde ingestelde waardes volgt uit
de machinebesturing.
Kenmerk van dit systeem is de gesloten regelkring. De werkelijke waardes van de te regelen
procesgrootheden, zoals positie en/of snelheid van een cilinder, worden continu via sensoren
naar de besturingseenheid teruggekoppeld en vergeleken met de ingestelde waardes.
Bij een eventueel verschil wordt er een signaal naar de regelklep gestuurd om de fout te
corrigeren. In tegenstelling tot regelventielen (servo-ventielen) kunnen proportionaalventielen in het algemeen niet voldoen aan de eisen die daarbij aan de besturingscomponenten
worden gesteld.
Wat betrerfd constructie zien de servo-ventielen er uit als de proportionaal-ventielen, ze zijn
er dan ook rechtsreeks van afgeleid.
Fig. 2-1 Onderscheid conventionele, proportionale- en servo-hydrauliek.
12
2 CONVENTIONELE HYDRAULIEK
2.1 De wet van Pascal
De wet van Pascal is een zeer belangrijke wet in de hydraulica. Alle andere wetten en
formules steunen op deze ene wet. De wet van Pascal is de basis wet in de hydrostatica.
De Wet van Pascal zegt:
‘De druk in een gecomprimeerde in rust zijnde vloeistof plant
zich in een gesloten vat in alle richtingen gelijkmatig voort’. In
de praktijk geldt deze wet ook als de vloeistof met een constante
eenparige snelheid door een leiding stroomt.
In formulevorm geeft dat:
P = P0 + ρgh
Fig. 2-2 De wet van Pascal.
Hierin is P de druk in een willekeurig punt in de vloeistof gemeten op een diepte h onder het
vloeistofoppervlak. Po is de referentiedruk, meestal de atmosferische druk P0 = 1.013MPa .
Verder is g is de aardversnelling en is ρ de massadichtheid van de beschouwde vloeistof.
2.2 Druk en kracht
Druk is de kracht die de (gecomprimeerde) vloeistof uitoefent op een bepaald oppervlak.
In formulevorm geeft dat:
P=
F
[N/m²] of [Pa]
A
De druk van de vloeistof is ook recht evenredig
met de opgeslagen potentiële energie in de
vloeistof. De maximale druk die in een systeem
kan voorkomen is afhankelijk van vele
verschillende factoren, zoals een overdrukklep, de
maximale druk die de leidingen kunnen verdragen,
maar ook van het maximale vermogen van de
pomp die de energie in het systeem steekt.
Fig. 2-3 Druk en Kracht.
13
Afhankelijk van de toepassingen zijn er verschillende drukbereiken mogelijk. Onderstaande
lijst geeft een idee van de drukken die gebruikt worden bij verschillende toepassingen. De
omrekening van pascal [Pa] naar [bar] gebeurd op deze manier: 1 bar = 100.000 Pa.
Verspanende werktuigmachines:
Landbouwmachines:
Graafmachines en kranen:
Walsen:
Spuitgietmachines:
Toestellen voor materiaalbeproeving:
Hydrovormen:
20-70 bar
150-200 bar
100-250 bar
100-315 bar
150-315 bar
315-370 bar
tot 6000 bar
De bovengrens van het drukbereik wordt bepaald door de sterkte van de onderdelen en de
pomp. De praktijk toont aan dat het beperken van de werkdruk beneden 315 bar, een meer
economische oplossing oplevert. Hoge drukken worden bekomen door gebruik te maken van
speciaal geconstrueerde pompen of door het gebruik van drukomvormers.
2.3 Volumestroom of debiet
De volumestroom is de hoeveelheid vloeistof die per tijdseenheid door een systeem vloeit. De
volumestroom is een belangrijke bepalende factor voor de druk in het systeem.
Volumestroom:
qv [m³/s] [l/min]
2.4 Hydraulisch vermogen
Het hydraulisch vermogen dat door een component wordt opgenomen is eenvoudig te
berekenen met:
P=
∆p.q v
.
600
Hierin is dan ∆p het drukverschil over het component in [bar], qv de volumestroom door het
component in [l/min] en P het opgenomen vermogen in [kW].
Fig. 2-4 Hydraulisch vermogen.
14
In hydraulische systemen wordt elektrische energie gebruikt voor het opwekken van
mechanische energie en deze wordt dan omgezet in hydraulische energie. In deze vorm wordt
de hydraulische energie dan getransporteerd en verdeeld om tenslotte weer te worden omgezet
in mechanisch vermogen.
2.5 Hydraulische vloeistoffen
Het probleemloos functioneren, de levensduur, bedrijfszekerheid en rendement van een
hydraulische installatie wordt voor een belangrijk deel bepaald door een juiste keuze van de
hydraulische vloeistof.
Voor de meeste industriële en mobiele toepassingen gebruikt met minerale oliën. In
brandgevaarlijke ruimten zullen uit veiligheidsoverwegingen moeilijk ontvlambare
hydraulische vloeistoffen worden gebruikt. Het gaat hier dan over olie-emulsies of
synthetische vloeistoffen
De functie van hydraulische vloeistoffen is naast energietransport ook smering, bescherming
tegen corrosie, afvoer van warmte en afvoer van verontreinigingen. Uit milieu-oogpunt
worden ook steeds vaker biologisch afbreekbare vloeistoffen gebruikt. Over hydraulische
oliën valt er nog veel meer te zeggen, maar we gaan daar in deze thesis niet verder op in.
2.6 Opbouw van een hydraulische installatie
In een hydraulische installatie wordt door de pomp eerst mechanische energie omgezet in
hydraulische energie. Deze energie wordt met de vloeistof via leidingen en
besturingscomponenten naar de hydromotor getransporteerd en daar weer omgezet in
mechanische energie. Figuur 2-5 geeft schematisch een hydraulische installatie weer.
De verschillende componenten zijn verdeeld in groepen met elk een specifieke functie:
•
De pompgroep
•
De conditioneringgroep
•
De besturingsgroep
•
De motorgroep
De pompgroep is de energiebron van de hydraulische installatie. Tot deze groep behoren de
aandrijfmotor van de pomp, de pomp, het reservoir en eventuele accumulatoren.
15
De conditioneringgroep heeft als doel voor het optimaal in conditie houden van het systeem
en de hydraulische vloeistof. Tot deze groep behoren filters, koelers, warmtewisselaars,
overdrukventielen. Overigens speelt ook het reservoir uit de pompgroep een grote rol bij de
conditionering.
De besturingsgroep heeft een sturende en regelende functie. De componenten van deze groep,
stuurschuiven (sturende functie) en stroom-en drukregelventielen (regelende functie), zorgen
ervoor dat de hydraulische vloeistof onder de juiste condities op de goede plaats terechtkomt.
De motorgroep (verbruikers) zet de hydraulische energie om in mechanische energie en zorgt
voor het aandrijven van de last. Tot deze groep behoren: hydromotoren, cilinders en
zwenkmotoren.
Fig. 2-5 Opbouw van een hydraulische installatie.
16
2.7 Basisprincipe
Actuator
Mechanische
Energie
Hydraulische
Energie
Richtingcontrole
Debietcontrole
Drukcontrole
Controle
Signalen
Mechanische
Energie
Mechanische
Energie
Pomp
Fig. 2-6 Principe schema van een hydraulisch systeem.
We kunnen hydraulische systemen gebruiken om energie te transporteren en te controleren.
Aan het ene eind van het hydraulische systeem hebben we de mechanische energie, meestal
geleverd door een elektromotor en omgezet in hydraulische energie door een pomp. Aan het
andere eind van het systeem bevindt zich een actuator die de hydraulische energie terug omzet
naar mechanische energie, meestal in een lineaire of roterende beweging. Tussen deze twee
uiteinden bevindt zich het controlegedeelte, druk-debiet-richtingventielen controleren de
hydraulische vloeistoffen afhankelijk van de aangelegde controlesignalen.
2.7.1 Drukcontrole
Bij een drukventiel wordt de ontwikkelde kracht gebruikt om variaties in de klepzitting te
bekomen. De klep wordt, in een mate afhankelijk van de kracht, tegen de zitting gedrukt. Om
een opening te creëren (de klep wordt van de zitting weggedrukt) moet er via de perszijde een
bepaalde druk worden geleverd die deze kracht kan overwinnen en dus de klep van de zitting
wegdrukt. De druk kan zo geleverd worden door middel van het besturen van stroom door de
spoel. Vanzelfsprekend wordt de te bereiken druk bepaald door de maximum kracht die de
stroom in de spoel kan ontwikkelen.
17
Fig. 2-7 Principiële werking drukventiel.
2.7.2 Debietcontrole
In een proportionaal debiet ventiel wordt de elektromagnetische spoel gebruikt om een
‘schuif’ te verschuiven.
Fig. 2-8 Principiële werking debiet ventiel.
Door het vloeien van een stroom door de spoel ontstaat er een kracht die zorgt voor een
beweging van de ‘schuif’ in het ventiellichaam. Door de beweging van de schuif tegen een
veer, ontstaat er een tegenwerkende kracht. De schuif zal zich dan positioneren op een plaats
waar deze twee krachten in evenwicht zijn. Hoe groter de spoelkracht, hoe groter de kracht
moet zijn in de veer om het evenwicht te doen ontstaan. We kunnen dus zeggen dat de stroom
door de spoel direct zijn invloed heeft op de plaats van de schuif. In dezelfde mate als de
18
schuif verder schuift wordt proportionaal het pad groter waar de olie moet doorheen passeren.
We kunnen nu dus het debiet regelen.
2.7.3 Richtingcontrole
Door gebruik te maken van een proportionale spoel aan beide einden van de schuif, kunnen
we de schuif aan beide kanten van het centerpunt bewegen, zo kunnen we een debietcontrole
met een richtingcontrole combineren.
Fig. 2-9 Principiële werking directionele debiet controle ventiel.
Het verschil met de debietcontrole is dat er nu 4 flow-paths zijn. Het bedienen van spoel (a)
geeft een flow van P naar A en van B naar T, bedienen van spoel (b) geeft een flow van P
naar B en van A naar T
2.7.4 In de praktijk
Het grootste voordeel van hydraulische energie is dat het heel gemakkelijk is om grote
hoeveelheden energie te controleren. Richtingsventielen kunnen met een klein elektrisch
signaal de richting veranderen van de uiteindelijke mechanische beweging. Druk-en
debietventielen kunnen de snelheid en kracht van de actuator gaan bepalen. We kunnen dus
met deze relatief simpele componenten een grote waaier aan mogelijke functies gaan
controleren:
•
Volledig omkeerbare bewegingen
•
Oneindig variabele kracht en koppel controle
•
Oneindig variabele snelheidscontrole op maximum kracht en koppel
•
Limiteren van kracht en koppel
•
…
19
•
Het is niet altijd even gemakkelijk geweest om deze functies volledig te benutten. In
de industrie is het heel lang een gangbare zaak geweest om de druk en het debiet
handmatig te bedienen en de richting elektrisch te bedienen.
Fig. 2-10 Manueel en elektrisch bediende ventielen.
Na een tijd werden ook het debiet en de druk elektrische bediend. In de praktijk is het
voordeel van geleidelijke, omkeerbare en oneindige variabele controle van grote
hoeveelheden energie niet altijd even gemakkelijk te verkrijgen. Daarom is het gebruik van
conventionele ventielen, elektrische schakelaars, enz. niet aangewezen. Na verloop van tijd
werden er elektronische controllers gemaakt die de mogelijkheid hadden om een analoog
signaal te generen voor het controleren van de hydraulische debiet en druk. Deze snelle
evolutie leidde tot een nieuwe familie bij de hydraulische ventielen. Deze ventielen bieden nu
de mogelijkheid om met een laag vermogen elektrisch signaal het debiet en de druk te regelen
op een vloeiendere manier.
De flexibiliteit van de elektronica gecombineerd met de robuuste kracht van de hydraulica
heeft tot een technologie geleid die vele groot-vermogen en positioneer toepassingen omvat!
20
3 ELEKTROHYDRAULISCHE VENTIELEN
3.1 Inleiding
Servo- en proportionaal ventielen kunnen debiet en druk bepalen, en dus uiteindelijk snelheid
en kracht. In tegenstelling tot richtingbepalende ventielen kunnen ze gelijk welke positie
aannemen tussen het volledig gesloten en volledig open zijn.
Hoog performante ventielen zijn meestal onderverdeeld in de categorie servo- ventiel of de
categorie proportionaal ventiel, een onderverdeling die een indicatie geeft van de verwachtte
performantie. Helaas zorgt deze onderverdeling er soms voor dat de echte verschillen tussen
deze verschillende typen ventielen vervagen. Het onderscheid moet worden gemaakt op basis
van hun toepassing.
Traditioneel, beschrijft de term servo- ventiel een ventiel dat gebruikt wordt in geslotenlussystemen. Ze geven de positie van de main-stage schuif en koppelen deze terug. Proportionaal
ventielen hebben deze terugkoppeling meestal niet en bewegen gewoon hun schuif
proportionaal aan het ingangssignaal uit, ze hebben dus meestal geen automatische fout
correctie (feedback) binnenin het ventiel.
Soms gebeurt het echter dat een hoog performant proportionaal ventiel ook deze
terugkoppeling bezit. Dan is deze onderverdeling natuurlijk niet meer van toepassing. Dit
toont aan dat ontwerpers en gebruikers dezelfde terminologie moeten gebruiken en focussen
op de performantie-eisen van de toepassing.
3.2 Proportionaal-ventielen
3.2.1 Inleiding
Conventionele hydrauliek noemt men ook soms zwart-wit hydrauliek. Daarmee wordt
bedoeld dat de schuiven of bediend, of onbediend zijn; de schuif beïnvloedt dus alleen de
stromingsrichting van de olie en heeft geen invloed op de volumestroom.
21
Fig. 2-11 Proportionaal uitsturen van het debiet.
Een elektrisch bediende 4/3-schuif staat of in de linker-, rechter-, of in de middenstand; het is
niet mogelijk de schuif ‘half’ te bedienen om zo de volumestroom te beïnvloeden. Bij
proportionale ventielen is dit wel mogelijk. Met één signaal stuurt men dan zowel de richting
als de grootte van de volumestroom. De mate waarin de schuif bediend wordt is proportionaal
met de stroomsterkte door de proportionaal spoelen. Deze variabele stroomsterkte zorgt voor
een variabele kracht op de stuurschuif; deze kracht verplaatst de schuif net zo lang tot er een
evenwicht ontstaat met de op de schuifwerkende veerkracht.
Behalve proportionale stuurschuiven zijn er ook proportionale overdrukventielen,
reduceerventielen, debietregelventielen, enz…
Het overgrote deel van de toepassingen van de proportionaal hydrauliek zijn toepassingen op
het langzaam op snelheid brengen en afremmen van machine onderdelen.
Door de smorende werking van proportionale schuiven ontstaat er over de schuif een ∆p. De
volumestroom door de schuif hangt, behalve van de schuifdoorlaat af van deze ∆p. De
verschillende fabrikanten geven van schuiven een ‘standaard’ volumestroom op bij een
‘standaard’ drukval ∆p. In het algemeen wordt bij deze standaard volumestroom een drukval
∆p aangehouden van een 10 bar. Dit wil zeggen een 5 bar op de ‘heenweg’ en een 5 bar op de
‘terugweg’.
22
Door de constructie van een proportionale schuif is een nauwkeurige automatisch werkende
positieregeling relatief moeilijk te realiseren en zelfs lang niet altijd mogelijk; men is dan
aangewezen op servo-techniek.
Fig. 2-12 Dode zone in ventiel.
Proportionale schuiven hebben in de ruststand namelijk vaak een positieve overlap. Er
ontstaat als het ware een ‘dode’ zone waar de schuif wel ‘beweegt’, maar er geen
volumestroom door de schuif stroomt.
3.2.2
Constructie
3.2.2.1 Ontstaan
De mogelijkheid om vloeiend controle van druk en debiet te verkrijgen in hydraulische
systemen heeft een grote vooruitgang gekend in de voorbije jaren. Elektro-hydraulische
ventielen werden uitgevonden in de late jaren’ 30 als een hoog technologische, dure oplossing
voor het controleren van bewegingen. In de jaren’ 80 werden proportionaal ventielen
ontworpen als een alternatief, zowel qua prijs als qua technologie, voor servo-ventielen. Men
kon met bepaalde constructies al verschillende drukken of debieten instellen, door ventielen te
gebruiken die het besturingsventiel voorstuurden. Maar wat als er een staploos controle nodig
was?
Vroeger moest de machineoperator, manueel de positie van het ventiel verstellen. Deze
‘menselijke’ manier van staploos controleren is zoals het woord bijna zelf zegt, helemaal niet
nauwkeurig en accuraat. Elektrische controle was voor de uitvinding van de microprocessor in
de jaren’ 80 ook heel primitief, bestaande uit relaisschakelingen die konden schakelen tussen
on en off. Eenmaal de microprocessor en dan uiteindelijk de PLC op de markt kwam, was er
23
een nieuwe generatie van procescontrole. Machines moesten niet meer hardwarematig worden
veranderd.
De eerste proportionaal ventielen die op de markt kwamen waren de openlus-ventielen. Er
was geen terugkoppeling van het schuifsignaal naar het ingangssignaal. Om de performatie
van deze ventielen toch deze van de servo-ventielen te laten benaderen werd er een Lineair
Variable Displacement Transducer geïmplementeerd in het ventiel. Het uitgangssignaal van
de LVDT toonde de werkelijke schuifpositie.
Wanneer deze signalen konden bijeen worden gebracht in een versterkerkaart dan kon er een
gesloten lussysteem worden ontwikkeld. De kaart vergeleek de werkelijke positie van de
schuif met de positie waar deze normaal zou moeten zijn. De uitgang van de versterkerkaart
werd dan veranderd om deze fout weg te werken. Deze nauwkeurige ventielen worden
geslotenlus-proportionaal-ventielen genoemd.
3.2.2.2 Blokschema van een ventiel
Ieder ventiel heeft een versterker. Deze versterker voorziet het ventiel van de juiste
ingangsspanning, zowel qua vorm als qua waarde. Als een grotere nauwkeurigheid gewenst is
dan wordt een spoelpositiesensor opgenomen in het ventiel. De beweging van de schuif wordt
dan gemeten door een LVDT (zie verder) en teruggekoppeld naar de versterker. We doen dit
om een zo goed mogelijk benadering te hebben van het gewenste signaal.
Fig. 2-13 Blokschema van een ventiel.
24
3.2.2.3 Onderdelen ventiel
Een ventiel bestaat uit een aantal verschillende onderdelen. Hun werking wordt hier in het
kort uitgelegd.
Fig. 2-14 Onderdelen van een doorsnee ventiel.
Proportionaal magneet: Deze magneet zet het elektrisch input signaal om in een
mechanische verplaatsing van het anker.
Anker: Deze ‘kern’ van de magneet zal de schuif verplaatsen proportionaal aan het
inputsignaal.
Schuif: Wordt onder druk van het anker bewogen. Deze opent of sluit de toegang
naar de poortopeningen. Er wordt meer of minder druk toegestaan of er wordt meer
of minder debiet doorgelaten.
Poortopeningen: Deze worden meer of minder gesloten door de schuif. Het zijn de
toegangswegen tot de aanvoerkant en afvoerkant van het ventiel.
P poort (P~pressure), hier wordt de onder druk gebrachte olie aangevoerd
T poort (T~tank) , hierlangs kan alle olie terugstromen naar het reservoir.
A en B poort leiden dan naar een hydraulische actuator, bvb een cilinder.
Huis: behuizing van het ventiel.
Veer: met deze veren wordt de schuif in de goede positie gehouden.
3.2.2.4 Werking proportionaal magneet
Een elektrisch ingangssignaal van een bepaalde bron wordt naar de versterkerkaart gestuurd,
die op zijn beurt een versterkte stroom stuurt naar de spoel van het proportionaal ventiel.
Omdat de elektrische input van de meeste bronnen te laag is wat betreft vermogen vergeleken
met de elektrische input die nodig is om de spoel te voeden, moet deze inputstroom worden
25
versterkt. Deze functie wordt uitgevoerd door de versterkerkaart. Deze versterker is soms
rechtsreeks gemonteerd op het ventiel of het is een aparte kaart die bij het ventiel hoort. Het
ingangssignaal kan van verschillende bronnen komen, een potentiometer, microprocessor,
PLC.
De versterkkaart stuurt dus een gepaste stroom (PWM signaal) door de spoel zodat deze
bediend wordt. Bij een bediende spoel(1) ontstaat er een magnetisch veld(2) via het ijzeren
huis(3) en de beweegbare schuif(4). Dit veld trekt de schuif de spoel in. De schuif bedient via
een stift(5) de stuurschuif en drukt deze tegen de druk van de terugstelveer in naar de
gewenste schakelstand.
Fig. 2-15 Werking proportionaal magneet.
De stroom door een spoel zorgt voor een elektromagnetisch veld dat een kracht veroorzaakt in
het ventiel. Deze kracht beweegt een kern voort waardoor een bepaalde opening meer open of
meer gesloten komt te staan. De grootte van de kracht is rechtsreeks afhankelijk van de
grootte van het magnetisch veld. Dit magnetisch veld is rechtsreeks afhankelijk van de
geleverde stroom. Uiteindelijk kunnen we zeggen dat de opgewekte kracht afhankelijk is van
de stroom, en wel met een lineair verloop. De kracht ontwikkeld door de spoel wordt
tegengewerkt ofwel door een veer, ofwel door een tweede spoel. Er zijn dan twee spoelen die
zich aan elk uiteinde van het ventiel bevinden.
Om schematisch een proportionaal ventiel te onderscheiden van een gewoon ventiel, is het
symbool van een gewoon ventiel uitgebreid met twee horizontale lijnen buiten het ventiel.
26
Deze lijnen lopen parallel aan de lengte-as van het symbool. De lijnen duiden aan dat de
schuif de mogelijkheid heeft om in gelijk welke stand, tussen volledig open en volledig
gesloten, te bewegen.
Deze ventielen hebben 4 posities in plaats van het normale aantal 3. In de niet geactiveerde
toestand zijn alle toegangen afgesloten.
Fig. 2-16 Schematische voorstelling van een ventiel met één spoel.
Schematische voorstelling van een ventiel met twee spoelen:
Fig. 2-17 Schematische voorstelling van een elektro-hydraulisch ventiel met twee spoelen.
Ventielen die ook de richting bepalen maken gebruik van deze constructie.
De grootste verschillen tussen een on / off ventiel en een proportionaal-ventiel zijn:
De veren die de schuif centreren zijn veel sterker in proportionaal ventielen dan in
gewone ventielen.
Proportionaal magneten kunnen een veel grotere kracht ontwikkelen dan gewone
magneten.
Proportionaal ventielen gebruiken altijd DC aangedreven spoelen.
3.2.2.5 Droge en natte magneten
Bij een droge magneet staat de schuifruimte niet in verbinding met de olie. Er is een
afdichting aangebracht. Deze afdichting is echter onderhevig aan slijtage en geeft bij het
schakelen wrijvingsverliezen en stelt grenzen aan de toelaatbare druk op de T-aansluiting van
de stuurschuif.
27
Modernere magneten zijn zogenaamde natte magneten waarbij de schuifruimte is gevuld met
dezelfde hydraulische olie die door de leidingen stroomt. In deze situatie hebben we dan ook
geen afdichting. Er is wel een O-ring aangebracht om lekkage te vermijden. De schuif zit in
een drukbuis, de spoel bevindt zich erbuiten.
3.2.2.6 Technische specificaties
De technische gegevens van magneten worden conform vooropgestelde normen (VDI 3263 en
VDE 0580) gedefinieerd. In ons geval zitten we met een NG6-schuif
Tabel 2-1 Technische specificaties van proportionaal magneten.
Vermogensopname
Spanning
Nominale spanning
Toelaatbare spanningsafwijking
Inschakeltijd
Bescherming
Schakelfrequentie
Max. omgevingstemperatuur
Max. spoeltemperatuur
Schakeltijden
ca. 30W
Standaard: gelijkspanning
Soms: wisselspanning
Standaard: 24V
Unom ±10%
100% ED
Standaard IP65 (bescherming tegen aanraking
en spuitwaterdicht
max. 1800/h
ca. 50°C
ca. 120°C
Inschakelen: ca. 20…100ms
Uitschakelen: ca. 10…60ms
3.2.2.7 Verloop magneetkracht
Er is een luchtspleet tussen de schuif en het huis. Met het kleiner worden van de luchtspleet
neemt de magnetische flux, en daarmee de magneetkracht F, toe. De vorm van de schuif en de
ijzerdelen is zodanig geconstrueerd, dat er bij het aansturen van de magneet al direct een grote
magneetkracht ontstaat. Er ontstaan zo sterk gekromde karakteristieken.
In de grafiek hebben de karakteristieken betrekking op de magneetkracht bij verschillende
temperaturen. De spoeltemperatuur heeft invloed op de spoelweerstand R en daarmee de
stroomsterkte en de magneetkracht F. Ook het verschil tussen aantrekkracht en
terugdrukkracht, komt uit de karakteristieken naar voren.
Zoals we op de figuur kunnen zien blijft de ontwikkelde kracht van de spoel in zijn
werkingsgebied redelijk constant in vergelijking met een gewone spoel. Als we er nu van uit
gaan dat de andere kant van de schuif wordt tegengehouden door een veertje dan kunnen we
de karakteristiek van de veerkracht ook opnemen in de grafiek.
28
Fig. 2-18 Invloed van de temperatuur op de
spoelkracht.
Fig 2-19 Conventionele vs. Proportionale spoel.
29
3.2.2.8 Schuifpositie-sensor
De sensor die wordt gebruikt voor de schuifpositie-feedback is een LVDT (Lineair Variabel
Differentiaal Transformer)
Fig. 2-20 LVDT.
De LVDT bestaat uit een primaire en een secundaire spoel met als kern een verlengstuk aan
de stift uit zacht ijzer. De primaire spoel is verbonden met een hoog frequente AC-voeding
die een variërend magnetisch veld opwekt. Dit magnetisch veld wekt een spanning op in de
twee secundaire spoelen (transformatoreffect). Als de twee secundaire spoel tegengesteld zijn
gepolariseerd dan zullen, als de kern gecentraliseerd is, de twee opgewekte spanningen elkaar
tegenwerken en een nulspanning opwekken. Is de kern verschoven, dan zal in de ene spoel
een grotere spanning opgewekt worden dan in de andere. Dit resulteert in een spanning
verschillend van nul, we hebben nu een uitgangsspanning die evenredig is met de grootte van
de verplaatsing. De faseverschuiving van het uitgangssignaal met het ingangssignaal toont ons
de richting van de beweging. De uitgangsspanning wordt dan door een gelijkrichter
gelijkgericht tot een DC-spanning proportionaal aan de beweging, de polariteit afhankelijk
van de richting. De AC-voedingsspanning wordt opgewekt door een oscillator. Zowel de
oscillator als de gelijkrichter zitten tegenwoordig ingewerkt in de LVDT. Dit betekent dat de
LVDT alleen maar een DC-spanning nodig heeft om te werken.
30
3.2.2.9 Schuifoverlapping
Proportionaal ventielen die met het schuifprincipe werken, hebben normaal een zekere
overlap tussen de schuif en de poort van de behuizing
Dit betekent dat de spoel een zekere verplaatsing moet maken alvorens er een opening
ontstaat en er debiet kan vloeien. Deze initiële afstand is bekend als DEADBAND en wordt
gemiddeld beschouwd als 20% van de totale beweging.
Fig. 2-21 Schuifoverlapping – dode zone.
Deze overlap is om enkele redenen belangrijk:
•
Het reduceert de hoeveelheid lekkage als er geen bekrachtiging van de spoel is.
•
Het zorgt voor een grotere veiligheid als het elektrisch signaal zou wegvallen.
•
De overlap zorgt voor een mindere nauwkeurigheid bij de constructie, dus
gemakkelijker om te construeren en dus lager in kostprijs.
Het nadeel van deze overlap is echter wel dat bij een klein ingangssignaal er een
onnauwkeurige reactie is van de spoel. Dit gebeurt al typisch bij een signaal kleiner dan 20%
van het maximum spoelsignaal. De spoelterugkoppeling is ook hiervoor een oplossing, we
kunnen door de positie van de spoel terug te koppelen toch nauwkeurig een bepaalde positie
bereiken.
Het is echter ook mogelijk om een ventiel te creëren waar er een overlap is van 0, dus waar de
rand van de spoel en de poort perfect op mekaar afgelijnd zijn. Bij zeer kleine
ingangssignalen zal er toch al een debiet kunnen vloeien, evenredig met de grootte van het
signaal. Dit wordt alleen maar toegepast in applicaties die een grote nauwkeurigheid vereisen,
bijvoorbeeld in een geslotenlus-systeem.
31
3.2.3
Soorten ventielen
3.2.3.1 Direct versus indirect bediende ventielen.
Allereerst moeten we een onderverdeling maken wat betreft constructie. We spreken in het
engels van ‘two-stage-ventielen’ en in het nederlands van indirect bediende of voorgestuurde
ventielen.
Fig. 2-22 Indirect bediende proportionaal ventiel.
Bij de indirect bediende of voorgestuurde ventielen staan de Av en Bv poort van het
voorstuurschuif in verbinding met de stuurpoorten van de hoofdschuif. In de ruststand van de
voorstuurschuif staan beide stuurpoorten via de voorstuurschuif met het reservoir in
verbinding en zijn dan ook drukloos. De hoofdschuif wordt door veren in de middenstand
gehouden. Wordt één van de magneten van de voorstuurschuif bediend dan komt er druk te
staan op een van de stuurpoorten van de hoofdschuif waar door deze in een andere
schakelstand terechtkomt. De stuurdruk op voorstuurpoort Pv wordt of intern, of extern
betrokken via kanaal X. Het afvoeren van de stuurolie kan eveneens intern of extern via
kanaal Y plaatsvinden. De meeste stuurschuiven zijn hiervoor om te bouwen door gebruik te
maken van blindpluggen welke kunnen worden gemonteerd of worden verwijderd als de
voorstuurschuif is verwijderd.
Uit veiligheidsoogpunt en om de nauwkeurigheid te verhogen kan het nodig zijn om de
positie van de stuurschuif elektronisch te controleren. De positie van de schuif wordt bepaald
met een inductieve wegopnemer, zoals eerder al opgemerkt.
32
Deze indirect bediende ventielen worden vooral gebruikt bij hydraulische systemen die bij erg
grote drukken en debieten werken. In deze situatie kan het handig zijn om de stuurkring en
vermogenkring te scheiden, zowel naar veiligheid als naar nauwkeurigheid toe.
We kunnen proportionaal ventielen verder ook nog onderverdelen uitgaande van hun
toepassing en werking. Als we uitgaan van hun toepassingsgebied dan kunnen we volgende
onderverdeling maken:
3.2.3.2 Proportionaal drukcontrole
Het onder controle houden van de druk in het systeem, dit kan bijvoorbeeld druk verhogen,
druk verlagen, enz. zijn. Algemeen gezien is de werking identiek.
Fig. 2-23 Proportionaal drukcontrole ventiel.
33
Met een elektrisch signaal kunnen we de druk traploos regelen. Naarmate de stroom in de
spoel verandert zal de opening meer of minder groot worden en de druk zal stijgen of dalen.
Te regelen DRUK = SpoelKRACHT / VentielOPPERVLAK
Fig. 2-24 Druk in functie van het input signaal.
De veer, dient voor de overbrenging van de opgewekte kracht naar de beweging van de klep.
Ze heeft een dempende functie, zowel om dithersignalen op te vangen als om tot de kleinste
fluctuaties op te vangen.
Het kritische punt van een drukregeling is het minimum. Dit is heel moeilijk te regelen, omdat
we met een veersysteem zitten dat ervoor zorgt dat de klep altijd een beetje open staat.
34
3.2.3.3 Proportionaal debietcontrole
Met deze ventielen kunnen we de volumestroom of debiet op een elektronische wijze traploos
regelen. De doorlaatopening wordt met een proportionaal magneet gevarieerd.
Fig. 2-25 Proportionaal debietcontrole ventiel.
Er zijn een heleboel verschillende soorten debietventielen om de verschillende
toepassingsgebieden te overlappen. De schuif wordt in onbekrachtigde toestand op zijn plaats
gehouden door een veer. Soms wordt maar 1 spoel gebruikt om de beweging te maken. Soms
is er ook een tweede spoel aanwezig om in omgekeerde richting ook een nauwkeurige
beweging te kunnen maken. Afhankelijk van het gewenste debiet wordt dus de
doorlaatopening meer of minder opengezet.
Het is mogelijk om op vlak van nauwkeurigheid nog een onderverdeling te maken:
Non-feedback proportionaal ventielen
Bij deze ventielen wordt de positie van de schuif niet teruggekoppeld, we
weten dus nooit of de spoel echt werkelijk zijn gewenste positie bereikt. Heel
exact kunnen we dus niet werken
Feedback proportionaal ventielen
Proportionaal ventielen met feedback zullen aan de schuif een verlengstuk
hebben die door middel van een LVDT de positie van de schuif zal opmeten.
Deze positie wordt teruggekoppeld en vergeleken met de gewenste positie. Een
veel nauwkeuriger resultaat kan zo worden bekomen.
35
High performance proportionaal ventielen
Als we spreken over een hoge performance dan betekent dit dat het ventiel aan
enkele voorwaarden moet voldoen. Deze voorwaarden zijn nodig voor
toepassingen die een hogere performantie vereisen. Deze voorwaarden kunnen
zijn: zeer snelle reactietijden, zeer lage hysteresis, hoge druk versterking en nul
of negatieve overlapping.
3.2.3.4 Proportionaal richtingcontrole
Deze ventielen controleren zowel het debiet, als de stromingsrichting waarin het debiet
stroomt. Debiet en stromingsrichting worden proportionaal aan het gestuurde
ingangssignaal veranderd.
36
3.3 Servo-ventielen
3.3.1 Inleiding
Servo-ventielen zijn in principe extreem nauwkeurig gefabriceerde proportionaal schuiven
waarbij met een laagvermogen ingangssignaal (enkele milliwatt) grote hydraulische
vermogens kunnen worden aangestuurd. Ook de schakelsnelheid van servo-ventielen is groter
tegenover proportionaal schuiven (5…10ms tov 40…60ms). Proportionaal schuiven hebben
een sturende functie; zo wordt bijvoorbeeld bij een cilinder niet gecontroleerd of de gewenste
snelheid of gewenste positie daadwerkelijk gehaald wordt. Servo-ventielen zitten meestal in
een gesloten regelkring. Op de cilinder bevindt zich dan een positieopnemer. Komt de
gemeten positie niet overeen met de op de regelaar ingestelde positie dan wordt via de
elektronica de fout weggeregeld.
3.3.2 Verschillen tussen servo-ventielen en proportionaal-ventielen
De volgende tabel geeft enkele eigenschappen weer die een verschilpunt zijn tussen servoventielen en proportionaal-ventielen. Er moet wel vermeld worden dat om de verschillen te
benadrukken er soms uitersten worden aangetoond. Het moet duidelijk blijven dat het
onderscheid tussen servo- en proportionaal-ventielen wordt bepaald door de fabrikant van het
ventiel.
Dit zijn de belangrijkste gebieden die moeten worden overdacht als moet een keuze gemaakt
worden. De schuifoverlapping blijkt een belangrijke factor te zijn. MOOG bijvoorbeeld maakt
proportionaal ventielen die in alle opzichten lijken op servo-ventielen behalve voor de
“schuifoverlapping” en de misschien meer ‘schuif uitschuifbare’ toepassingen1.
Tabel 2-2 Verschillen servo-ventielen en proportionaal-ventielen
Overlappend Proportionaal-ventielen
Servo-ventielen
gebied
Toepassingsgebied
Kostprijs
Schuif
Schuifoverlapping
Schuif ‘uitschuifbaarheid’
Dynamische
mogelijkheden
Statische mogelijkheden
Grootte en gewicht
1
Gesloten lus
Hoger
kan zeer duur zijn
Schuif en sleeve
Null overlapping
korter
Zeer goed
---------
Open lus
Lager
-----------------
Schuif en huis
Grotere overlap, tot 20%
Langer
Goed
Zeer goed
Meestal kleiner
---------
Goed, kan minder zijn
Meestal groter
Tabel gegevens: zie bibliografie [8]
37
3.3.3
Soorten ventielen [11]
3.3.3.1 Servo-ventielen met lineair force motor (Direct Drive Valve)
•
Een lineaire force motor is eigenlijk een permanente magneetmotor. De motor bestaat
uit een spoel, een paar permanente magneten, een anker (armature) en centrerende
veren. Loopt er geen stroom door de spoelen dan houden de permanente magneten het
anker in evenwicht.
Fig. 2-26 Lineair force motor.
•
Als een stroom door de spoelen vloeit met een zekere polariteit zal de flux in één van
de luchtspleten rond de magneten toenemen en zo de flux in de andere luchtspleet
opheffen. Dit onevenwicht helpt om het anker te laten bewegen in de richting van het
sterker magnetisch veld.
Fig. 2-27 Lineair force motor.
38
•
Het anker zal in de andere richting bewegen door de polariteit van de stroom in de
spoel om te keren.
Fig. 2-28 Lineair force motor
•
Een eletrisch signaal evenredig met de gewenste schuifpositie wordt door de
bijhorende elektronica door de spoel van de lineair force motor gestuurd. Deze stroom
is van een PWM-vorm. De stroom doet het anker bewegen en het anker doet de schuif
bewegen.
•
Er is een LVDT, een positiemeter, aanwezig die mechanisch bevestigd is aan de
schuif. Deze meet de positie van de schuif en creëert een elektrisch signaal dat
teruggekoppeld en vergeleken wordt met de gewenste positie. Er ontstaat een
foutsignaal dat zorgt voor een correctie. Deze inwendige terugkoppeling zorgt voor
een grotere nauwkeurigheid.
•
De schuif beweegt naar de gewenste positie en het foutsignaal wordt nul. De
resulterende schuifpositie is dus proportionaal aan het gewenste signaal.
39
3.3.3.2 Servo-ventielen met nozzle flapper
•
De koppel motor bestaat uit permanente magneten die de uiteinden van de motor
polariseren. Een DC stroom in de spoelen zorgt voor een toenemende kracht in de
luchtspleten op de uiteinden. Deze krachten zorgen voor een koppel op de flapper. Het
koppel is evenredig met de opgewekte krachten
Fig. 2-29 Nozzle flapper.
•
Er stroomt voortdurend een debiet van druk Ps, door de ingang langs de nozzles in de
flapperkamer en terug naar de tank. Door de roterende beweging van de flapper, zal
een van de nozzles meer of minder doorgang hebben dan de andere. Dit zorgt ervoor
dat er een ander debiet naar de schuif wordt gestuurd. Dit verschil zorgt dan voor een
verplaatsing van de schuif.
Fig. 2-30 Nozzle flapper.
40
•
De behuizing (bushing) van de schuif heeft rechthoekige poorten die verbonden zijn
met de P-poort en de T-poort. In de null positie is de schuif zo gepositioneerd tov de
poorten dat er juist geen debiet kan vloeien. Een schuiverplaatsing naar een richting
zorgt ervoor dat er debiet kan vloeien van Ps naar de voeding van een hydraulische
actuator en terug naar T.
Fig. 2-31 Nozzle flapper.
•
Een elektrische stroom in de ‘koppel’ motorspoelen zorgt voor magnetische krachten
aan de uiteinden van de motor. De flapper roteert en sluit één van de nozzles af en
zorgt dus voor een verschil in debiet aan de uiteinden van de schuif. De schuif
verplaatst zich en opent dus de doorgang voor het debiet. De schuif drukt tegen een
tegenwerkende veer die een tegenwerkende kracht uitoefent op de flapper. Als de
tegenwerkende kracht gelijk wordt aan de kracht opgewekt door het magnetisch veld
(en dus de stroom) dan zal de flapper terug in de centrale positie gecentreerd zijn. De
schuif staat stil als beide krachten elkaar opheffen.
41
Fig. 2-32 Nozzle flapper.
•
De schuifpositie en dus het debiet is proportionaal aan de inputstroom. En dus zo heel
nauwkeurig te regelen.
3.3.3.3 Servo-ventielen met servo-jet
•
De servo-jet bestaat grotendeels uit een ‘koppel’ motor, een jet-pipe en een ontvanger.
Een stroom door de spoel verplaatst de jet-pipe van zijn neutrale positie. Deze
verplaatsing, gecombineerd met de speciale vorm van de nozzle, richt een gefocusde
straal vloeistof naar de ontvanger. Deze ontvanger zal zich kantelen en zorgt voor een
drukverschil in de controlepoorten. Deze drukverschillen resulteren in een bepaald
debiet dat de schuif zal doen bewegen naar de kant waar de kleinste druk zal zijn.
•
Een elektrisch signaal (gewenste debiet) wordt door de geïntegreerde positiecontroller
door de spoel gestuurd. De stroom door de spoel zorgt voor de verplaatsing van de jetpipe van zijn neutrale positie. De verplaatsing van de jet-pipe richt het debiet naar een
kant van de schuif. De schuif beweegt in de gewenste richting en opent poort P en
poort T naar de juiste openingen.
42
Fig. 2-33: Servo-jet.
•
De behuizing (bushing) van de schuif heeft rechthoekige poorten die verbonden zijn
met de P-poort en de T-poort. In de null positie is de schuif zo gepositioneerd
tegenover de poorten dat er juist geen debiet kan vloeien. Een schuiverplaatsing naar
een richting zorgt ervoor dat er debiet kan vloeien van Ps naar de voeding van een
hydraulische actuator en terug naar T.
•
Er is een LVDT, een positiemeter, geïntegreerd die via een oscillator de positie van de
hoofdschuif meet. Dit signaal wordt dan teruggekoppeld zodat een nog nauwkeurigere
controle kan gebeuren
43
3.3.3.4 Overzicht
Tabel 2-3 Overzicht van de verschillende servo-ventiel principes.
Proportionaal
Lineair Force
Nozzle –
spoel
Motor
Flapper
laag
medium
hoog
Jet Pipe
Schuif krachten
Belangrijk voor:
Krachten met invloed op debiet
frequentieresponsie
hoog tot
zeer hoog
Frequentieresponsie
Belangrijk voor:
Frequentieresponsie van de
hoofdschuif
laag tot
medium tot
hoog tot zeer
hoog
medium
hoog
hoog
laag
laag
medium
laag
laag tot
medium
medium tot
laag tot
hoog
medium
hoog
hoog
laag
laag
Demping
Belangrijk voor:
Frequentieresponsie van de
hoofdschuif
Dynamische Lineariteit
Belangrijk voor:
Testen met sinusgolven
medium
Null stabiliteit
Belangrijk voor:
Positie en druk controle
laag tot
medium tot
medium
hoog
hoog
laag
Onderhoud op de werkvloer
44
HOOFDSTUK 3
MARKTONDERZOEK
In dit hoofdstuk gaan we in op een specifieke vraag van een van het betrokken bedrijf
Vermeulen NV. Een overzicht van de belangrijkste proportionale - en servo-ventielen van de
twee belangrijkste merken. Het aanbod van BOSCH en MOOG en werd onder de loep
genomen.
In een eerste puntje gaan we de belangrijkste ventiel karakteristieken en eigenschappen gaan
definiëren. Deze zijn universeel en zijn dan ook de punten waarmee we de verschillende
merken kunnen vergelijken. De terminologie is niet vertaald omdat we deze enkel in
Engelstalige werken terugvinden. De uitleg is wel vertaald in het Nederlands.
In de volgende drie punten gaan we zo compact mogelijk het aanbod van de drie merken
bespreken.
In een laatste puntje maken we dan een duidelijk overzicht van de verschillen. We maken
vooral verschil op vlak van kenmerken, niet op vlak van merk.
45
1 VENTIEL KARAKTERISTIEKEN
1.1 Terminologie
1.1.1 Eenheden [11]
Omdat er soms gegevens worden meegegeven in engelse eenheden of in metrische eenheden
volgt hier een overzichtelijke tabel van de belangrijkste grootheden.
Tabel 4-1 Overzicht eenhedenstelsels.
Categorie
Debiet
Druk
Engelse eenheden
in³/sec (cis)
lb/in² (psi)
Metrische eenheden
Liter/min
Bar
Omrekenfactoren
0.98 lpm/cis
0.069 bar/psi
Inches (in)
Milimeters (mm)
Micrometers (µm)
25.4 mm/in
25400µm/in
Pounds (lb)
in-ib
Graden fahrenheit (°F)
Kilogram (kg)
Newtom-meter (Nm)
Graden Celsius (°C)
0.454 kg/lb
0.113 Nm/in-lb
°C=0,55 (°F-32)
Grootte
Gewicht
Koppel
Temperatuur
1.1.2 Belangrijkste parameters voor het selecteren van elektro-ventielen[11]
Voedingsdruk
De meeste servo-ventielen zijn bedoeld voor werking met een constante voedingsdruk en een
constant debiet om het hydraulisch evenwicht te bewaren. De voedingsdruk is best ingesteld
zodat het drukverlies over het ventiel gelijk is aan één derde van de voedingsdruk. Voor
toepassingen met een variabele voedingsdruk is het aan te raden om Direct Drive Valves te
gebruiken omdat de stuurkring van dit ventiel niet afhankelijk is van de hydraulische
eigenschappen van het systeem. De prestatie van een DDV is constant onafhankelijk van wat
de voedingsdruk doet.
Type van vloeistof
Iedere hydraulische vloeistof heeft een eigen viscositeit in een bepaalde temperatuur range.
Daarom is het goed om bij elke hydraulisch systeem na te gaan welke soort vloeistof geschikt
is. De zuiverheid van de vloeistof is zeer belangrijk voor een goede werking van alle
componenten in een hydraulisch systeem. De vloeistof moet aan specifieke ISO normen
voldoen.
Krachtvereisten
In de meeste toepassingen moet een deel van de voedingsdruk gebruikt worden om enkele
krachten te overwinnen. De totale kracht is de som van alle individuele krachten die om
verschillende, zowel statische als dynamische redenen optreden.
FR = FL + FA + FE
46
Met:
FR
Totale optredende kracht
FL
Kracht optredend door de belasting
FA
Kracht optredend door versnellingen
FE
Kracht optredend door externe invloeden
We overlopen even deze krachten:
Krachten veroorzaakt door de belasting
Een kracht door de belasting kan zowel meewerken met het systeem als tegenwerken,
dit is afhankelijk van de richting en zin van de inwerkende kracht. Bij het berekenen
van deze krachten moeten we goed rekening houden met de juiste
wrijvingscoëfficiënten.
Kracht veroorzaakt door versnelling
De krachten die optreden om een bepaalde inertie in beweging te versnellen worden
heel erg groot in toepassingen waar een hoge snelheid vereist is. Deze kracht is heel
belangrijk om het geschikte ventiel te kiezen.
Kracht veroorzaakt door externe factoren
Deze krachten treden op door externe factoren. Bijvoorbeeld bij drukpersen komen
zulke krachten aan bod.
Dynamisch response
De dynamische responsie kan bepaald worden door bepalen van de frequentie waarbij de
faseverschuiving tussen een sinusvormig ingangssignaal en het uitgangssignaal 90° wordt.
Deze frequentie responsie zal variëren met de ingangsamplitude, voedingsdruk, en
temperatuur. Ook hier is bij een DDV de responsie onafhankelijk van de voedingsdruk.
Resonantie frequentie van de belasting
Voor een ideale werking van het ventiel moet het 90° fase punt op een grote afstand liggen
van de resonantie frequentie van de belasting, het liefst met een factor drie of meer. Deze
resonantie frequentie is afhankelijk van de algemene stijfheid van het systeem. Deze is op zijn
beurt afhankelijk van de hydraulische stijfheid en de structurele stijfheid (stijfheid van het
systeem).
47
1.2 Berekenen van het benodigde debiet en frequentieresponsie [11]
Hoe selecteren we het beste een servo- of proportionaal ventiel? Allicht moeten er uitgaande
van de toepassingen enkele berekeningen worden gemaakt. Hieronder bespreken we enkele
stappen die we kunnen overwegen bij het kiezen van een ventiel.
•
Om de ongekende extra krachten te compenseren die op de hydraulische actuator
(cilinder of motor) zal ondergaan, nemen we best een marge van 30% extra bij de
kracht nodig om de belasting te overwinnen. In het geval van een cilinder berekenen
we dus best van al de oppervlakte van de cilinder als volgt:
A = 1,3FR / PS
Met:
A
FR
PS
actuator oppervlakte
kracht nodig om de belasting bij maximale snelheid te bewegen
voedingsdruk
Afhankelijk van het bekomen resultaat kan men nu een cilinder kiezen uit de standaard
genormeerde afmetingen.
•
Samen met de maximum benodigde snelheid (bij belasting) en de hierboven berekende
oppervlakte kunnen we nu het benodigde debiet van het ventiel bepalen en de drukval
(bij belasting).
QL = A XL
Met:
QL
XL
A
debiet van ventiel bij belasting
maximum benodigde snelheid bij belasting
actuator oppervlakte
PL = FR / A
Met:
PL
drukval bij belasting
48
•
We kunnen nu het debiet bepalen in niet belaste toestand.
QNL = QL (PS / PS - PL)1/2
Met:
QNL
•
debiet in niet belaste toestand
Bepaal het ‘rated’ ventiel debiet bij 1000 psi (69 bar) drukval voor servo-ventielen en
150 psi (10 bar) voor proportionaal ventielen. Bouw een marge in van 10%.
QR = 1,1 (QNL / 3,8)
Met:
QR
•
‘rated’ ventiel debiet
Voor open lus systemen is een ventiel met een faseachterstand van 90° bij 3 Hz of
hoger zeker genoeg.
•
Voor gesloten lus systemen met elektrische terugkoppeling is het nog nodig om de
natuurlijke frequentie van de belasting te berekenen. De optimale prestatie zal worden
bereikt als het ventiel 90° fase punt met een factor van drie of meer verschilt van de
resonantie frequentie van de belasting.
•
Met het berekende debiet en frequentieresponsie kan nu een ventiel worden gekozen.
Ieder ventiel dan aan deze eisen voldoet, of zelfs hogere kwalificaties heeft is uiteraard
meer dan geschikt. MOOG heeft hiervoor een overzichtsgrafiek, waar al een eerste
keuze kan worden gemaakt (zie bijlage 5).
•
In de datasheets van het ventiel vind je uiteraard nog meer parameters van het ventiel.
49
2 MARKTONDERZOEK
2.1 MOOG[18]
Er is in bijlage 4 een grafiek te vinden waar debiet en frequentie responsie voor verschillende
soorten ventielen staan uitgetekend. Deze grafiek kan helpen bij het maken van een keuze
tussen de MOOG ventielen. Afhankelijk van de toepassing kan nu een keuze worden
gemaakt!
Moog maakt voor zijn ventielen een onderscheid op deze manier:
•
Mechanisch teruggekoppelde servo-ventielen (MFB)
o G631 serie zijn standaard servo-ventielen.
Frequentie responsie 70 Hz (bij 100% signaal)
Stap responsie
15 ms
Debiet
1 tot 20 gpm
Maximum werkdruk 4500 psi
o G761 serie zijn hoog performante servo-ventielen.
Frequentie responsie 90 tot 180 Hz (bij 40% signaal)
Stap responsie
4 tot 13 ms
Debiet
1 tot 16,5 gpm
Maximum werkdruk 4500 psi
o 72 serie zijn standaard performantie servo-ventielen.
Frequentie responsie 30 tot 80 Hz (bij 100% signaal)
Stap responsie
12 tot 32 ms
Debiet
25 tot 60 gpm
Maximum werkdruk 5000 psi
•
Elektrisch teruggekoppelde servo-ventielen (EFB)
o D765 en 79 serie zijn servo-ventielen waarbij de mechanische
schuifpositieterugkoppeling vervangen is door een elektrische terugkoppeling.
Ze maken gebruik van een schuif positie trasducer. Deze serie is stabieler en
performanter gebleken dan de mechanisch teruggekoppelde servo-ventielen.
79 series
Frequentie responsie
Stap responsie
Debiet
Maximum werkdruk
60 tot 90 Hz (bij 100% signaal)
15 ms
30 tot 200 gpm
5000 psi
50
D765 serie
Frequentie responsie
Stap responsie
Debiet
Maximum werkdruk
•
90 tot 250 Hz (bij 100% signaal)
2 tot 4 ms
1 tot 16,5 gpm
5000 psi
Direct Drive Servo- en Proportionaal ventielen (DDV)
o D633 en D634 serie zijn gesloten lus servo-ventielen met ene permanent
magneet lineaire force motor met inwendige elektrische feedback.
Frequentie responsie
Stap responsie
Debiet
Maximum werkdruk
•
40 tot 60 Hz (bij 100% signaal)
15 tot 20 ms
1 tot 26 gpm
5000 psi
Servo- en Proporitonaal debiet controle ventielen (PFC)
o D660 serie zijn de recentste servo- en proportionaal-ventiel reeks. Ze zijn
gebaseerd op het Jetpipe principe.
Frequentie responsie
Stap responsie
Debiet
Maximum werkdruk
10 tot 30 Hz
12 tot 32 ms
20 tot 1000 gpm
5000 psi
51
2.2 BOSCH[19]
Bosch maakt voor zijn ventielen een onderscheid tussen proportionaal, high - response en
servo-ventielen.
• Proportionaal ventielen
De proportionaal ventielen worden meestal OBE uitgevoerd. Dit wil zeggen ‘On Board
Electronics’. Dit zorgt voor minder bekabeling en zijn zo gemakkelijker in gebruik. Ze bieden
ook een exacte reproduceerbaarheid. Algemeen worden deze ventielen zo gekenmerkt:
o Druk, debiet en richting controle in grootte NG6 tot NG52.
o Maximum debiet 2800 l/m.
o Maximum werkdruk 350 bar
o Proportionale spoel met een elektrisch gesloten lus positiecontrole voor grote
nauwkeurigheden.
Er zijn heel wat verschillende soorten ventielen die verschillen in
terugkoppelsystemen, direct of indirect bediend en on board elektronica of niet.
Stap responsie
Debiet
Maximum werkdruk
20 tot 450 ms
Van 7 tot 1000 l/min
250 tot 350 bar
•
High – response ventielen
Deze ventielen zijn compact en robuust. Ze overtuigen vooral in hun dynamiek en controle
nauwkeurigheid. In indirect bediende ventielen kunnen ze tot grootte NG160 aan met een
nominaal debiet van 18000 l/min
o Maximum debiet 50000 l/min
o Maximum werkdruk 420 bar
o Grootte NG 6 tot NG 160
o Hoogdynamische ventielen met een ‘zero overlap’ voor gebruik bij gesloten lus
systemen.
o Direct en Indirect te bedienen.
De frequentieresponsie is heel sterk afhankelijk van de grootte van het ventiel (als
de grootte stijgt dan daalt de frequentie) en het principe waarop het ventiel berust.
Voor het debiet geldt juist het omgekeerde, hoe groter het ventiel hoe groter het
maximum debiet. Onderstaande waarden tonen het bereik aan waarin we deze
groep kunnen situeren, het zijn waarden bij een –90° fase responsie.
52
Frequentie responsie
Stap responsie
Debiet
Maximum werkdruk
20 tot 250 Hz (bij 100% signaal)
40 tot 80 ms
2 tot 18000 bar
210 tot 420 bar
• Servo-ventielen
Deze servo-ventielen worden meestal indirect bediend. Ze worden hoofdzakelijk gebruikt
voor positie, kracht of druk en snelheids toepassingen. Ze zijn compact gebouwd hebben een
laag elektrisch verbruik en zijn hoogdynamisch.
o Maximum debiet 1600 l/min
o Maximum werkdruk 315 bar
o Grootte NG 6 tot NG32
•
Versterkerkaarten
Ieder ventiel heeft een aantal compatibele versterkerkaarten. Deze kaarten kunnen ‘on –board’
zijn of kunnen aparte kaarten zijn. Ze verschillen vooral in toepassing en uitvoering. Hoe
groter de performantie van de toepassing hoe belangrijker de versterkerkaart wordt.
o Er zijn kaarten voor proportionaal-ventielen of voor high – performance ventielen.
o Er zijn kaarten voor debietcontrole en/of druk controle.
Er zijn kaarten voor specifieke toepassingen.
53
HOOFDSTUK 4
OPBOUW TESTOPSTELLING
In dit hoofdstuk willen we dieper ingaan op de manier waarop de testopstelling verder
uitgebouwd werd. We bespreken nog even alle onderdelen en hun werking.
De hardware, of met andere woorden: de testbank en groep, was al aanwezig, de software
moest nog geschreven worden. Met software bedoelen we, het regelsysteem dat op de pc werd
gemaakt. Dit regelsysteem is het hart van de besturing. Met dit regelschema zullen we de
versterkerkaart aansturen die dan op zijn beurt het ventiel aanstuurt. De positieterugkoppeling
wordt hier binnengelezen en verwerkt.
Dit hoofdstuk kan als een handleiding gelezen worden voor het opstarten van een
controlesysteem. Alle nodige instellingen op de versterkerkaart en in het MATLAB schema
zijn uitvoerig beschreven en uitgelegd.
De verschillende metingen die zijn uitgevoerd zijn besproken en geïnterpreteerd en geven
vooral een aanzet tot een grondig regeltechnisch onderzoek op de hydraulische testbank.
54
1 COMPONENTEN TESTOPSTELLING
In de thesis “Ontwerp en opbouw van een testopstelling hydraulisch positioneren, 2004-2005”
geschreven door Koen Dendauw, wordt heel gedetailleerd uitgelegd hoe het ontwerp en de
opbouw van de testbank ontstaan zijn. Voor meer gedetailleerde informatie wil ik dus
verwijzen naar deze thesis. We zullen hier dus niet meer in detail op ingegaan. Wel zullen we
eerst een beschrijving geven van hoe de testopstelling werkt en welke onderdelen er aanwezig
zijn.
1.1 De testbank
Fig 4-1 De testbank.
De testbank beschikt over 2 ‘aanstuurcilinders’ die elk belast worden met een
‘belastingscilinders’. Voor de aansturing van de stuurcilinders is er voor proportionaalventielen van BOSCH gekozen. Om de belastingscilinders aan te sturen is er voor klassieke
NG6 VICKERS stuurschuiven gekozen. Om de kracht van de belastingscilinders in te stellen,
is er een drukreducering onder de stuurschuiven gemonteerd. Het voordeel van deze
opstelling is dat we elke stuurcilinder een afzonderlijke belasting meegeven. Dit is voor ons
onderzoek een goede uitgangspositie.
Er werd gekozen voor een externe, zichtbare positieterugkoppeling zodat we een didactisch
overzicht kunnen bewaren. We moeten volledigheidshalve wel zeggen dat op industrieel
niveau deze positieterugkoppeling meestal intern in de zuiger wordt aangebracht.
Het externe systeem brengt wel met zich mee dat we een stabiel en uitgebreid
koppelingssysteem nodig hebben tussen stuurcilinder en belastingscilinder. Deze koppeling
zorgt voor de naadloze verbinding tussen stuurcilinder en belastingscilinder maar ook voor
55
een koppeling met de positiemeetlat, zodat deze vrij wordt van iedere extern aangrijpende
kracht.
Door het manometerbord kunnen we alle drukken in de cilinders gaan aflezen op de druk- of
manometers, dit zijn de rechtstreekse kamerdrukken van de cilinders.
Er werd met vaste leidingen gewerkt en niet met flexibele verbindingen. De reden hiervoor is
dat bij flexibele verbindingen er een extra veersysteem ontstaat, die op regeltechnisch vlak
voor extra onnauwkeurigheden kan zorgen.
1.2 De aandrijfgroep
Fig. 4-2 De aandrijfgroep.
De hydraulische aandrijfgroep is een gereviseerde groep die werd omgebouwd naar de
wensen van onze testbank. Ze is uiteindelijk ontwikkeld voor een werking op 100 bar. Door
de extra filter en drukregeling is ze uiterst geschikt voor onze testopstelling. Er is ook een
elektrische kast aanwezig waar de aansturing van zowel de schakelcomponenten, de motor als
de beveiligingen aanwezig zijn.
56
1.3 De positieterugkoppeling
Fig. 4-3 De positieterugkoppeling.
De positieterugkoppeling wordt voorzien door twee externe meetlatten van het merk Balluff.
Deze positiemeters zijn gekoppeld aan de verbindingsstukken tussen de belasting- en
aanstuurcilinder. Deze twee positiemeetlatten zijn op mekaar afgemeten, en geven in normale
omstandigheden en in de gelijke positie een identiek signaal af. Het signaal is evenredig aan
de afstand tot het beginpunt: [0..10V] voor [0..0,5m]. Er is een flexibele verbinding voorzien
tussen de meetlatten en de verbindingsstukken om externe krachten op te kunnen vangen.
Voor de gedetailleerde werking van deze meetlatten wil ik verwijzen naar bijlage 1.
1.4 De versterkerkaart
Fig. 4-4 De versterkerkaart.
Deze versterkerkaart is van het type: PL6-PQ BOSCH. Ze kan een ventiel besturen van
bouwvorm NG6.
57
Het is een :
Closed Loop Pressure Control,
Open Loop Flow Control
inc. Valve Amplifier
Deze druk/debiet-versterker heeft twee verschillende kaarten. Een versterker met
debietcontrole en een dochterkaart. Deze dochterkaart is verbonden met de basiskaart. Op de
dochterkaart vindt de eigenlijke drukcontrole plaats. Deze kaart kan worden gebruikt voor het
controleren van debiet en druk in een gesloten lus controlesysteem.
Een belangrijke opmerking:
Het is belangrijk dat de versterkerkaart wordt gevoed door een gestabiliseerde voeding.
Anders zal er op de verschillende signalen een rimpel ontstaan wegens het niet mooi afgevlakt
zijn van de voedingsspanning. Als we de sensoren dan ook nog voeden met dezelfde voeding
dan moet deze in staat zijn om bij gelijk welke belasting dezelfde spanning te kunnen leveren.
In punt 2 gaan we dieper in op de werking van de versterkerkaart.
1.5 De dSPACE kaart
Het hart van het regelsysteem is de computer. Op de pc zit een dSPACE kaart ingeplugd. Dit
is een hoog performant digitaal controlesysteem gebaseerd op een TI TMS320C31 DSPprocessor. Deze kaart is in staat om signalen binnen te lezen en signalen uit te sturen.
Vervolgens worden ze gedigitaliseerd en aangeboden aan de software. Via de dSPACE kaart
kunnen we signalen naar buiten brengen en inlezen. We kunnen een zelf ingesteld signaal
sturen naar de versterkerkaart en de verschillende positiemetingen en drukmetingen
binnenlezen.
1.6 Het schakelbord
Er is een schakelbord voorzien om alle aansluitingen overzichtelijk te kunnen overzien. Op
het bord zijn een aantal schakelaars voorzien. Een schakelaar voor de toevoer van spanning,
een schakelaar voor de voedingsspanning van de versterkerkaart, een voor de voeding van de
sensoren, en een om de dochterkaart uit te schakelen.
De versterkerkaart zit op het bord geïmplementeerd en alle aansluitpinnen zijn naar buiten
gebracht zodat met verbindingsdraden de nodige verbindingen kunnen worden gemaakt.
58
Het gewenste debiet en de gewenste druk kunnen via een BNC aansluiting worden
aangesloten. Er zijn ook aansluitingen voorzien om de twee positiemeetlatten en twee
druksensoren naar buiten te brengen. De aansluiting van het ventiel en de
positieterugkoppeling van de schuif zijn ook ter beschikking.
2 VERSTERKERKAART
De versterkerkaart, die voor elk ventiel specifiek is, zal het proportionaal-ventiel aansturen.
Het is de intelligentie van het ventiel. En zal naargelang een bepaalde gewenste waarde, een
versterkt signaal (in PWM vorm) gestuurd worden naar het ventiel die deze gewenste waarde
zo goed mogelijk wil benaderen. We gaan even dieper in op dit component.
2.1 Doel
Het doel van de kaart is om het ventiel aan te sturen afhankelijk van een aangelegd gewenst
signaal. Dit signaal moet in de juiste vorm worden gegoten en moet worden versterkt.
2.2 Werking
De p/Q versterkerkaart bezit een basiskaart met debietcontrole en een dochterkaart met
drukcontrole. Op de dochterkaart vind het drukcontrole proces plaats. Als het gebruikt wordt
met de juiste ventielen en sensoren kan de kaart gebruikt worden voor het controleren van
debiet en druk in een gesloten lussysteem. De input parameters zijn de druk p en het debiet Q.
Druk en de schuifpositie van het ventiel kunnen worden teruggekoppeld. De dochterkaart
bezit een eigen PID regelaar die wordt gebruikt om de druk te regelen. Deze drukregeling
kunnen we met een DIL switch uitschakelen (zie aansluitschema). Deze optie is op onze kaart
in een minder goede staat, daarom hebben we de drukcontrole zelf overgenomen in MATLAB
(zie verder).
De basistaak van de kaart is het regelen van het debiet. Door het aanleggen van een gewenst
debiet, onder de vorm van een ingangssignaal [0..10V], kunnen we het debiet door het ventiel
regelen. De versterkerkaart zal dit ingangssignaal versterken en omzetten in een PWM golf en
vertalen in een gewenste positie van de schuif. In het ventiel zal de schuif zich verplaatsen om
het gewenste debiet door te laten. De verschuiving van de schuif wordt door middel van een
LVDT opgemeten en teruggekoppeld naar de versterkerkaart, zodat een zo exact mogelijke
benadering verkregen wordt van het gewenste debiet.
59
Fig. 4-5 Blokschema van de versterkerkaart – ventiel combinatie.
De relevante datasheets van de versterkerkaart zijn bijgevoegd in bijlage 3.
60
2.3 Aansluitingen en instellingen
Om een goede werking te hebben moeten aan de onderkant van de kaart enkele instellingen
gebeuren. Enkele DIL switches moeten in de juiste positie staan. De instellingen worden
uitgelegd in volgende tabel. Voor de drukregeling hebben we geen instellingen omdat de
dochterkaart niet goed meer werkt. We schakelen deze dus uit.
Schakelaar
DIL 1
DIL 2
DIL 3
DIL 4
DIL 5
DIL 6
DIL 7
(D-actie)
DIL 8
(D-actie)
DIL 9
(D-actie)
DIL 10
(D-actie)
DIL 11
(D-actie)
DIL 12
(I-actie)
DIL 13
(I-actie)
DIL 14
(P-actie)
DIL 15
(P-actie)
DIL 16
(P-actie)
DIL 17
(P-actie)
HEX KP
HEX KI
HEX KD
Betekenis
Fabrieks
instellingen
OFF
ON
Positie
regeling
OFF
OFF
ON
OFF
ON
OFF
ON
ON*
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
Invloed medium:
ON en 9&11OFF:
OFF
OFF
Invloed laag:
ON en 9&10OFF
OFF
OFF
Invloed=0:
ON en 13OFF:
OFF
OFF
Invloed=actief:
ON en 12OFF:
OFF
OFF
Speciale toepassing:
ON: speciale toepassing
OFF: normale toepassing
Invloed laag:
ON en 17=ON en 16=OFF:
OFF
OFF
OFF
OFF
Invloed medium:
ON en 15&17OFF
ON
ON
Invloed hoog:
ON en 15&16OFF:
ON
ON
Geen functie
Druksensor signaal :
ON: 1…+ 6V
OFF: 0…+10V
Druksensor versterking :
ON: x1
OFF: x0,66
Tonen van kabelfout bij druksensor:
ON
OFF
Drukregeling:
ON
OFF
Ventiel uitgangssignaal:
ON: No inverted
OFF: Inverted
Druk-increase:
ON: normaal
OFF: speciale toepassingen
Druk-decrease:
ON: normaal
OFF: speciale toepassingen
Invloed groot:
ON en 10&11OFF
Druk
regeling
P-actie
0
I-actie
E
D-actie
4
Tabel 4-1 Instelling van de DIL switches op de versterkerkaart.
61
De werking van de versterkerkaart word aan de hand van zijn schema hier uitgelegd. We
verwijzen met het nummer naar de bijhorende klemmen.
(1) Dit zijn de 2 aansluitdraden van de kaart naar het ventiel. Ze geven een signaal aan de
spoel in het ventiel dat evenredig is met het aangelegde gewenste debiet. De kaart stuurt een
soort PWM signaal dat ervoor zorgt dat de spoel evenredig meer of minder debiet doorlaat in
het ventiel.
(2) Deze 4 aansluitdraden geven de positie van de spoel weer. Er is een (interne)
terugkoppeling voorzien die de positie van de spoel terugkoppelt. Zo kunnen we zeker zijn dat
de gewenste verplaatsing van de spoel bij het gewenste debiet bereikt wordt.
(3 a&b) De versterkerkaart heeft een voedingsspanning nodig van 24V DC. Ze moet een
stroom van 2 à 3 A kunnen leveren. Intern voorziet hij 2 klemmen, z32 en b32 van een
spanning +10V en -10V tegenover de klem b12. Deze spanningen kunnen worden gebruikt
om bvb de versterkerkaart in te schakelen of de drukcontrolekaart uit te schakelen.
(4) Als we een spanning van 10V sturen naar deze klem dan wordt de kaart ingeschakeld.
(5) Tussen deze klemmen kunnen we een spanning van [0..10V] schakelen. Deze is evenredig
met het gewenste debiet. 0V is geen debiet, 10V het maximum.
(6) We krijgen hier een negatieve flank als de kaart een fout opmerkt.
62
BASISKAART
(3b)
(3a)
(4)
(6)
(5)
(2)
(1)
DOCHTERKAART
Fig. 4-6 Elektronisch schema van de BOSCH versterkerkaart.
63
Hier worden alle aansluitingen nog eens overzichtelijk getoond. Diegene die gebruikt worden
in de positieregeling zijn in het blauw gemarkeerd.
0V/1,5A voedingsspanning
afvlakcondensator 4700µF
aansturen schuif
aansturen schuif
druk – controller off 6..40V
referentie 0V spanning
referentie 0V spanning
drukterugkoppeling 0..+10V
drukterugkoppeling 0V
wenswaarde debiet 0..10V
schuifpositie terugkoppeling 10V
schuifpositie terugkoppeling 0V
schuifpositie terugkoppeling voeding –15V
voorziening –10V/10mA
b1
b2
b3
b4
b5
b6
b7
b8
b9
b10
b11
b12
b13
b14
b15
b16
b17
b18
b19
b20
b21
b22
b23
b24
b25
b26
b27
b28
b29
b30
b31
b32
z1
z2
z3
z4
z5
z6
z7
z8
z9
z10
z11
z12
z13
z14
z15
z16
z17
z18
z19
z20
z21
z22
z23
z24
z25
z26
z27
z28
z29
z30
z31
z32
+24V/1,5A voedingsspanning
afvlakcondensator 4700µF****
voedingsspanning druksensor +15V
voedingsspanning druksensor -15V
wenswaarde druk 0..10V
wenswaarde druk OV
drukterugkoppeling 1..6V
+10V aanschakelen
wenswaarde debiet 0V
foutindicatie*
extern controlesignaal 24V/0.1A
0V massa***
schuifpositie terugkoppeling voeding +15V
voorziening +10V/10mA
*foutindicatie: geen fout: +Uk | fout: 0V
**controlesignaal: werkt de drukcontroller?
***klem z28 en b2 zijn intern met elkaar verbonden
****de afvlakcondensator moet uitwendig nog worden aangebracht als de spanningsrimpel op
de voedingsspanning >10%
64
Verder moeten de wenswaardes door de dSPACE kaart worden uitgestuurd en moeten de
sensoren kunnen binnengenomen worden. Daarvoor gebruiken we een matrix die alle
mogelijk signalen verbind met de dSPACE kaart. De relevante signalen voor onze opstelling
zijn hieronder schematisch weergegeven.
DACH3
uitsturen van de druk
DACH4
uitsturen van het debiet
ADCH5
Werkelijke waarde positie SLAVE
ADCH6
Werkelijke waarde positie MASTER
ADCH7
Werkelijke waarde druk
Fig. 4-7 De gebruikte aansluitingen op de dSPACE aansluitmatrix.
65
3 DE REGELAAR
De regelaar is het hart van de regelkring en bevindt zich op de PC. De regelaar wordt
opgebouwd in MATLAB / simulink. Hier vind de intelligentie plaats. We vergelijken
verschillend signalen en doen er enkele bewerkingen mee. Er wordt na deze bewerkingen een
gewenst debiet uitgestuurd.
3.1 Doel
Het doel van de regelaar is om de gewenste positie of druk zo exact mogelijk te gaan regelen.
3.2 Onderdelen
Als we de weg die de signalen volgen even overlopen dan zien we dat we een drietal
onderdelen tegenkomen.
De dSPACE kaart is verbonden met MATLAB / SIMULINK. Een simulink blokdiagram
wordt omgezet in een (real-time) C-code. Deze code wordt gecompileerd en gedownload in
de processor. Hier zullen alle ingestelde bewerkingen plaatsvinden.
In een visualisatieprogramma: ControlDesk kunnen we de verschillende blokken uit het
blokdiagram online aanpassen. We kunnen zo alle parameters wijzigen.
Als we een signaal binnenlezen (bijvoorbeeld een positie in de vorm van een spanning) dan
zal dit signaaldoor de dSPACE kaart gesampled worden en in digitale vorm aangeboden aan
de processor. Het signaal wordt door de intelligentie in simulink omgerekend en uiteindelijk
gevisualiseerd in ControlDesk.
3.3 Overzicht
Om het overzicht zo goed mogelijk te bewaren hebben we de positieregeling en de
drukregeling in één simulink-file ondergebracht. We tonen in de volgende figuren het
simulink blokdiagram, de positieregelkring-visualisatie en de drukregelkring-visualisatie
kunnen we in de komende paginas bekijken. In het volgende puntje kunnen we dan de
werking gaan bespreken.
66
67
68
69
3.4 Algemene werking
Dit regelsysteem heeft maar één uitgang. We sturen enkel via de dSPACE kaart een gewenst
debiet naar de versterkerkaart. Voor deze uitgang hebben we een schakelaar geplaatst. Hier
kunnen we kiezen tussen positieregeling, drukregeling of de stopknop.
Voor de positie en druk – regelkring gaan we in de desbetreffende stukken dieper in op hun
werking.
Tussen de schakelaar en de uitgang zien we nog een stukje beveiliging. Omdat gedurende de
testfase de belastingscilinder werd losgekoppeld was het handig om een soort beveiliging in te
bouwen. Zo kan het wagentje niet met volle kracht op de losgekoppelde stang van de cilinder
botsen. We koppelen de werkelijke positie terug en vergelijken die met een in te stellen
veiligheidspositie. Als de ingestelde positie wordt bereikt dan wordt het uitgestuurde debiet
vermenigvuldigd met een factor 0. Zo zal het ventiel geen debiet meer leveren en zal deze
positie dus nooit overschreden worden.
Om een systeem te regelen hebben we een drietal basisfuncties:
•
Proportionaal P-actie
Het uitgangssignaal komt in de tijd gezien overeen met het ingangssignaal
•
Integrerend I-actie
De mate van toename is evenredig met het ingangssignaal. Zolang er een regelfout is
blijft de integrator corrigeren en voorkomt een blijvende regelfout.
•
Differentiërend D-actie
Het antwoord aan de uitgang is een korte signaalpiek voor een snelle foutcompensatie.
•
Tijdsvertraging T
Regelaars bestaan uit een van deze functies of uit combinaties ervan. Soms wordt ook een
tijdsvertraging opgenomen in het geheel.
De keuze van de optimale overdrachtsfunctie hangt zeer nauw samen met de te regelen
grootheid. Deze instellingen worden meestal empirisch gezocht maar kunnen ook soms
berekend worden. Algemeen gezien kunnen we deze vuistregels in acht nemen zonder met
veel meer factoren rekening te houden.
70
Tabel 4-2 Vuistregels voor het kiezen van de juiste regelaar.
Geregelde
P
PT
I
PI
PD
PID
Positie
+
+
-
-
-
-/o
Snelheid
-
+
o
+
-
+
Hoekpositie
+
+
-
-
-
-/o
Hoeksnelheid
-
+
o
+
-
+
Druk / kracht
+
o
-
o
-
+
grootheid
gelijkloop
+ = goed
- = ongeschikt
o = matig
In onze toepassingen is alleen een P-actie gebruikt Deze worden voor een drukregeling en een
positieregeling aangeraden.
4 POSITIEREGELKRING
4.1 Inleiding
In de industrie is hydraulisch positioneren vooral belangrijk bij persen en plooibanken. De
vakgebieden hydraulica, regeltechniek en elektronica komen hier samen. Het hydraulisch
positioneren wordt vooral belangrijk als er grote krachten vereist worden. Er is ook een grote
nauwkeurigheid te bereiken.
Om een regelkring op te bouwen hebben we een gesloten systeem nodig. Servo-ventielen en
proportionaal-ventielen zijn hiervoor uitermate geschikt. Om het systeem te sluiten, hebben
we een terugkoppeling nodig, in ons geval is dit de externe positieterugkoppeling. Deze
terugkoppeling moet bruikbaar zijn voor alle mogelijke bestaande commerciële controllers.
Het probleem met commerciële regelaars is dat er maar een beperkt aantal parameters kan
worden ingesteld, afhankelijk van fabrikant tot fabrikant. In het labo gaan we gebruik maken
van een dSPACE kaart. Daarmee kunnen we digitaal een regelaar ontwerpen en alle
mogelijke parameters onderzoeken.
71
4.2 Werking
Fig. 4-8 Regeltechnisch schema van de hydraulische opstelling.
4.2.1 Algemeen
Onze positieregeling is een gesloten regelsysteem. We sturen een gewenste positie naar het
systeem en wensen dat in alle omstandigheden (schommelingen in belasting) deze positie
bewaard wordt.
De gewenste positie (2) is meestal een analoog elektrisch gelijkspanningssignaal afkomstig
van bvb een potentiometer of een waarde komende van een ander systeem. De werkelijke
waarde (1) wordt aan de hand van meetopnemers geregistreerd en omgezet in een analoog
signaal. In de regelaar (3) worden deze signalen vergeleken. Is er een verschil (bvb is de
werkelijke waarde kleiner dan de gewenste waarde) dan wordt het foutsignaal of stuursignaal
(4) versterkt in de regelaar om in een gepaste vorm aangeboden te worden aan de
schuifversterker (6). In de regelaar wordt het foutsignaal versterkt (4) en volgens een bepaald
algoritme (PID) naar de versterkerkaart gestuurd.
72
Dit signaal wordt in de versterkerkaart omgezet in een gewenste positie van de schuif, ze
wordt versterkt en omgezet in een PWM signaal. De positie van de schuif (5) wordt door
middel van een LVDT gemeten en teruggekoppeld naar de versterkerkaart zodat de positie
van de schuif perfect evenredig wordt met het gewenste debiet. Dit zorgt ervoor dat het debiet
proportionaal wordt geregeld en de cilinder naar de gevraagde positie beweegt. Zo is de cirkel
rond. De versterkerkaart is een interface die het analoge stuurspanningsignaal (4) omzet in
een gepast PWM-signaal voor de spoel in het ventiel.
4.2.2 De regelaar
In deze regelaar worden gewenste en gemeten waarden van de positie van de cilinderstang
met elkaar vergeleken. Bij een eventueel verschil- of foutsignaal wordt deze versterkt en in
gepaste vorm gegoten tot het een stuursignaal is voor de versterkerkaart. De versterking
gebeurt volgens een bepaald algoritme (P-actie).
Signalen kunnen zowel analoog als digitaal worden geleverd en afgegeven. Een digitaal
signaal is een signaal in binaire vorm. Microprocessoren die deze signalen verwerken worden
goedkoper en dus meer en meer gebruikt. Het uitgangssignaal is niet exact analoog, maar
overeenkomstig de bitverwerking is het signaal wat getrapt. Het oplossende vermogen is
daarbij zo groot dat dit signaal in de praktijk toch als analoog beschouwd mag worden. Het
grote voordeel van deze techniek is een grotere nauwkeurigheid, maar vooral de mogelijkheid
om alle parameters softwarematig te programmeren. We kunnen de parametersettings
eenvoudig opslaan, ook is het systeem veel minder storingsgevoelig. Hiervoor wordt
universeel verkrijgbare apparatuur gebruikt.
In ons geval is er met MATLAB en dSPACE een regelaar ontworpen en dan de invloed van
de parameters onderzoeken. Stel dat we een ideale regelaar met instelling vinden, dan kunnen
we die regelaar analoog bouwen en zo gaan sturen of we kunnen de programmacode in bvb
een PLC steken om digitaal de signalen te verwerken. We gaan dit regelschema even van
dichter bekijken.
73
4.3 Het positieregelschema
We hebben al algemeen gezien dat we in onze regelaar kunnen switchen van positieregeling
naar drukregeling door deze schakelaar. We zitten nu in het gedeelte positieregeling.
Het principe van de positieregeling ziet er zo uit.
gewenste positie
fout
versterkingsfactor (P-actie)
uitgestuurd debiet
werkelijke positie
Fig. 4-9 Principe van het positieregelschema.
Om genoeg verschillende soorten gewenste posities te kunnen aanleggen hebben we aan de
gewenste kant een schakelaar voorzien. We kunnen kiezen uit een sinusvariërende positie, een
gewenste positie en de terugkoppeling van een MASTER cilinder. Deze gewenste positie
worde constant vergeleken met de werkelijke positie van het wagentje. Als we deze twee
signalen van elkaar aftrekken dan bekomen we een foutsignaal dat een maat is voor de
afwijking in huidige positie tegenover de gewenste positie. Deze fout wordt versterkt met een
P-actie en dan doorgestuurd naar de uitgang als gewenst debiet.
De invloed van de P-actie is belangrijk om bij stil te staan. Hoe groter deze factor hoe groter
het foutsignaal versterkt wordt. Dit wil dus zeggen dat zelfs zeer kleine afwijkingen in positie
ook versterkt worden en kunnen worden gecorrigeerd.
74
4.4 Metingen
Er zijn enkele metingen die we kunnen uitvoeren op de positieregelkring. Allereerst is er de
stapresponsie. Dit is het antwoord van het uitgangssignaal (werkelijke positie) op een
stapvormig ingangssignaal. Een tweede meeting is de sinusresponsie. Hier gaan we een
sinussignaal gebruiken als ingangssignaal en gaan controleren hoe de uitgang meebeweegt.
Als we nu de frequentie van de gewenste sinus gaan opdrijven dan kunnen we gaan
controleren hoe goed onze regelkring deze frequentie kan volgen.
4.4.1 Stapresponsie
Als we een sprongsignaal aan de ingang aanbieden dan ontstaat in onze regelkring een groot
foutsignaal. Dit wordt versterkt door de P-actie. De uitgang tracht deze sprong onmiddellijk te
volgen maar door de mechanische traagheid, de wrijvingsverliezen en door het (door het
ventiel) beperkte debiet kan het systeem niet onmiddellijk deze ontstane fout corrigeren. We
kunnen bij verschillende P-instellingen volgende figuren opnemen.
Fig.4-10 Stapresponsie bij P=1.
75
Fig. 4-11 Stapresponsie bij P=10
Fig. 4-12 Stapresponsie bij P=100.
76
Als we de maximum snelheid willen opmeten dan bekomen we volgende beelden. We moeten
dan enkel de maximum bereikte snelheid gaan meten. Opgelet. In de figuur is de eenheid
[mm/s].
Fig. 4-13 Opmeten van de maximum snelheid.
Als we nu telkens de fout gaan opmeten bij verschillend P-instellingen dan bekomen we
volgende resultaten.
Tabel 4-3 De meetwaarden bij een stapresponsie.
P-actie
Sprong
Blijvende
Nodige tijd
Gemiddelde
Maximum
fout
voor bereiken
snelheid
Snelheid
[mm]
positie
[m/s]
[m/s]
[s]
P =1 0mm 400mm
28,35
4,372
0,091
0,56
P =10 0mm 400mm
2,682
0,937
0,427
0,72
P =20 0mm 400mm
1,359
0,8
0,5
0,768
P =30 0mm 400mm
0,823
0,734
0,545
0,78
P =60 0mm 400mm
0,412
0,724
0,55
0,79
P =100 0mm 400mm
0,267
0,71
0,55
0,79
Om de gemiddelde snelheid te berekenen kunnen we de afgelegde weg delen door de tijd
nodig om deze weg af te leggen. Alle resultaten zijn gemeten in ControlDesk zelf. De
gemiddelde snelheid is minder van belang omdat de snelheid in de eerste periode van de
sprong veel groter zal zijn dan de snelheid op het einde van de sprong. Dit komt omdat de
regelfout verkleint naarmate de positie wordt bereikt.
77
We merken op dat er geen doorschot optreedt als de positie de gewenste positie benaderd. Dit
komt omdat het systeem met een grote dempingfactor zit. Onder andere de belastingscilinder,
de wrijving van het wagentje, maar ook de inwendige wrijvingsverliezen zijn hier de oorzaak
van. Doorschot is bij positieregeling nooit gewenst dus dat is zeer positief, maar grote
wrijvingsverliezen daarentegen zullen de dynamiek van het systeem flink gaan dempen.
4.4.2 Sinusresponsie
Om de versterkingsfactor van de regelkring te bepalen kunnen we als volgt te werk gaan. We
gaan het frequentieverloop van het systeem gaan analyseren bij onderbroken regelkring, zo
kunnen we dan de amplitudeversterking en de faseverschuiving tegenover de frequentie gaan
uitzetten in zogenaamde Bodekarakteristieken.
We gaan aan de ingang een sinusvormig signaal aanleggen. We koppelen de regelkring niet
terug, dus we regelen niet in positie maar in debiet. Aan de uitgang kunnen we nu de
hydraulische uitgang gaan opmeten. We vergelijken nu de sinusvorm aan de uitgang met deze
die we aanlegden aan de ingang.
Van het signaal aan de ingang gaan we nu stelselmatig de frequentie gaan verhogen. Hoe
groter deze frequentie wordt hoe groter de faseverschuiving en de amplitudeverschuiving.
In een bodekarakteristiek geven we de faseverschuiving van één periode (360°) weer. De
amplitudeverhouding en de frequentie worden op logaritmische schalen uitgezet.
dB = 20 log
U
U
u
i
met Uu het uitgangssignaal en Ui het ingangssignaal.
In volgende figuur is de werkwijze verduidelijkt:
78
Fig. 4-14 Werkwijze voor het opmeten van de sinusresponsie.
Als we nu bij verschillende frequenties deze faseverschuiving en amplitudeverhouding gaan
uitzetten, dan bekomen we de bodekarakteristieken. We zetten de frequentie as uit in
logaritmische schaal. Alle metingen zijn ook uitgevoerd bij een ingestelde P=1. De metingen
zijn ook uitgevoerd met en zonder een bevestigde belastingscilinder.
79
In het geval dat de belastingscilinder verbonden blijft met de aangestuurde cilinder bekomen
we volgende resultaten.
Tabel 4-4 De meetwaarden bij een sinusresponsie met de belastingscilinder.
Aangelegde sinus
f
Amplitude (rad/s)
100
3
100
5
100
7
100
10
100
20
100
25
100
30
100
40
100
50
100
60
100
70
100
80
100
90
100
95
100
100
100
150
100
200
Werkelijke sinus
f (Hz)
0,48
0,80
1,11
1,59
3,18
3,98
4,77
6,37
7,96
9,55
11,14
12,73
14,32
15,12
15,92
23,87
31,83
Amplitude
38,57
22,57
16,63
11,07
5,54
4,50
3,79
2,77
2,22
2,14
1,65
1,26
1,14
1,03
0,97
0,54
0,35
fase (s)
0,50
0,34
0,23
0,17
0,09
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,03
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
0,01
dB
-8,28
-12,93
-15,58
-19,12
-25,14
-26,94
-28,44
-31,17
-33,09
-33,38
-35,65
-37,98
-38,86
-39,76
-40,25
-45,30
-49,12
fase (°)
-85,94
-97,40
-92,25
-97,40
-103,13
-95,97
-103,13
-105,42
-114,59
-98,49
-106,07
-108,82
-116,02
-116,48
-113,45
-129,77
-140,95
80
In het geval dat de belastingscilinder niet verbonden blijft met de aangestuurde cilinder
bekomen we volgende resultaten.
Tabel 4-5 De meetwaarden bij een sinusresponsie zonder de belastingscilinder.
Aangelegde sinus
f
Amplitude (rad/s)
100,00
1,00
100,00
1,50
100,00
2,00
100,00
3,00
100,00
4,00
100,00
5,00
100,00
7,00
100,00
10,00
100,00
12,50
100,00
15,00
100,00
20,00
100,00
25,00
100,00
30,00
100,00
35,00
100,00
40,00
100,00
50,00
100,00
55,00
100,00
60,00
100,00
65,00
100,00
70,00
100,00
75,00
100,00
80,00
100,00
85,00
100,00
90,00
100,00
95,00
100,00
97,00
100,00
100,00
100,00
110,00
100,00
120,00
100,00
135,00
100,00
150,00
100,00
175,00
100,00
200,00
100,00
220,00
100,00
250,00
100,00
300,00
100,00
350,00
Werkelijke sinus
f (Hz)
0,16
0,24
0,32
0,48
0,64
0,80
1,11
1,59
1,99
2,39
3,18
3,98
4,77
5,57
6,37
7,96
8,75
9,55
10,35
11,14
11,94
12,73
13,53
14,32
15,12
15,44
15,92
17,51
19,10
21,49
23,87
27,85
31,83
35,01
39,79
47,75
55,70
Amplitude
118,57
77,50
60,00
41,07
29,75
23,75
17,00
11,88
9,38
7,57
6,00
4,86
4,07
3,13
2,80
2,10
2,23
1,93
1,62
1,50
1,33
1,37
1,23
1,11
1,07
1,03
1,09
0,96
0,82
0,96
0,87
0,66
0,54
0,58
0,36
0,36
0,28
fase (s)
1,48
1,01
0,76
0,51
0,38
0,31
0,20
0,16
0,12
0,11
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
dB
1,48
-2,21
-4,44
-7,73
-10,53
-12,49
-15,39
-18,51
-20,56
-22,42
-24,44
-26,28
-27,81
-30,10
-31,07
-33,56
-33,03
-34,31
-35,79
-36,48
-37,56
-37,26
-38,24
-39,06
-39,40
-39,76
-39,23
-40,32
-41,71
-40,32
-41,20
-43,60
-45,35
-44,73
-48,81
-48,95
-51,10
fase (°)
-84,80
-86,80
-87,09
-87,66
-85,94
-88,81
-80,21
-91,67
-88,81
-94,45
-91,67
-100,27
-103,13
-96,26
-91,67
-94,82
-102,73
-101,76
-99,81
-104,28
-103,13
-113,67
-101,79
-110,87
-108,86
-110,04
-111,15
-109,41
-119,70
-117,57
-120,75
-124,33
-127,20
-134,87
-157,13
-161,57
-164,04
OPGEMETEN
81
Deze meetwaarden geven als resultaat:
Amplitudekarakteristiek
10
0
0,1
1
10
100
1000
-10
A [dB]
-20
-30
-40
-50
-60
Frequentie [Hz]
Amplitude_met last
Amplitude_zonder last
82
Frequentiekarakteristiek
0
0
1
10
100
-30
Fase [°]
-60
-90
-120
-150
-180
Frequentie [Hz]
freq met last
freq zonder last
83
5 DRUKREGELKRING
5.1 Inleiding
Hydraulica wordt vaak gebruikt bij toepassingen die een grote kracht en toch een grote
nauwkeurigheid vereisen. Het kan dus interessant zijn om deze grote drukken (en dus kracht)
perfect onder controle te houden. Als aanvulling op de gestelde doelstellingen is een
drukregelsysteem opgebouwd. Deze feature is normaal aanwezig op de dochterkaart van de
versterkerkaart. Deze uitbreiding heeft zelf een PID regelaar aanwezig.
Na onderzoek bleek dat deze uitbreiding niet meer functioneel was. Daarom hebben we zelf
een drukcontrole systeem opgebouwd in MATLAB. Deze is echter vereenvoudigd en heeft
niet dezelfde eigenschappen als die op de versterkerkaart.
Een drukgeregeld systeem is complexer dan een positiegeregeld systeem. Voor een goede
regeling hebben we al een PID regelaar nodig en dan speelt de resonantiefrequentie een
grotere rol. We moeten regelen op druk, dus de daarbij veroorzaakte krachten moeten worden
ingeschat. Onze geleverde druk is echter begrensd op 100 bar. Ook de testbank is
gedimensioneerd op deze druk, dus we kunnen gerust het maximum uitsturen.
Om de druk te kunnen terugkoppelen hebben we een druksensor geselecteerd en aangekocht.
Deze druksensor geeft een signaal af van [0..10V] voor een druk van [0..160 bar]. Meer
gegevens over de druksensoren en hun aansluitingen vind je in bijlage 2.
84
5.2 Werking
Fig. 4-15 Schematische voorstelling van het drukcontrolesysteem.
De drukregeling is een gesloten regelsysteem. We sturen een gewenste druk naar het systeem
en wensen dat in alle omstandigheden (schommelingen in belasting) deze druk bewaard
wordt.
De gewenste druk (2) is meestal een analoog elektrisch gelijkspanningssignaal afkomstig van
bvb een potentiometer of ergens een waarde komende van een ander systeem. De werkelijke
waarde (1) wordt aan de hand van meetopnemers geregistreerd en omgezet in een analoog
signaal. In de regelaar (3) worden deze signalen vergeleken. Is er een verschil (bvb is de
werkelijke waarde kleiner dan de gewenste waarde) dan wordt het foutsignaal of stuursignaal
(4) versterkt in de regelaar om in een gepaste vorm te kunnen aanbieden aan de
schuifversterker (6). In de regelaar wordt het foutsignaal versterkt (4) en volgens een bepaald
algoritme (PID) naar de versterkerkaart gestuurd.
Dit signaal wordt in de versterkerkaart omgezet in een gewenste positie van de schuif, ze
wordt versterkt en omgezet in een PWM signaal. De positie van de schuif (5) wordt door
85
middel van een LVDT gemeten en teruggekoppeld naar de versterkerkaart zodat de positie
van de schuif perfect evenredig wordt met het gewenste debiet. Dit zorgt ervoor dat het debiet
proportionaal wordt geregeld en in de kamer van de cilinder de gevraagde druk ontstaat. Zo is
de cirkel rond. De versterkerkaart is een interface die het analoge stuurspanning signaal (4)
omzet in een gepast PWM signaal voor de spoel in het ventiel.
5.3 Het drukregelschema
Her drukregelschema is identiek aan dat van de positieregeling. We kunnen dus verwijzen
naar paragraaf 4.3 waar we positie in druk moeten veranderen.
5.4 Metingen
Ook bij de drukcontrole kunnen we en stap signaal aan de ingang aanbieden. Ook hier zal de
uitgang op een zeker manier gaan reageren. In de regelaar gebruiken we voorlopig allen een
P-actie. Andere regelaars kunnen nog verder worden onderzocht. We bekomen volgende
resultaten:
Fig. 4-16 Stapresponsie bij P=1.
86
Fig. 4-17 Stapresponsie bij P=1,5.
Fig. 4-18 Stapresponsie bij P=2.
Fig. 4-19 Stapresponsie bij P=2,5.
87
Zoals je in de vorige figuren kan opmerken wordt een stap aangelegd van [0 tot 70 bar]. De
cilinder moet in een eerste fase wat druk opbouwen (tegen de wrijving in) om zijn stang uit te
bewegen. Eenmaal de stang een tegenkracht (volledig uitbewogen en kracht uitoefenen op
belastingscilinder) ondervind zal de druk zich zeer snel opbouwen. Er ontstaat zelfs een
doorschot en een korte oscillatie die direct terug uitdempt. Als de P-actie te groot wordt zal
deze oscillatie blijvend zijn. Er is ook een blijvende fout aanwezig die met een gewone Pactie heel moeilijk weg te regelen is. We kunnen duidelijk zien dat hier een I en een D – actie
benodigd is om een goede drukregeling te bekomen.
6 GELIJKLOOPREGELKRING[1]
Een van de belangrijkste toepassingen van positioneren met hydraulica is: gelijkloop. De
gelijkloop van twee cilinders is een toepassing die bijvoorbeeld wordt gebruikt in
plooibanken. Deze plooibanken hebben twee ingebouwde cilinders die op exact dezelfde
manier moeten uit- en inbewegen om een zo exact mogelijke plooi te maken in het materiaal
(meestal staal). Het is dus uiterst belangrijk dat deze cilinders gelijklopen, dat ze dezelfde
snelheid hebben en dezelfde kracht uitoefenen. Met sensoren kunnen we deze grootheden
opmeten en integreren in het regelsysteem.
Eén van de cilinders wordt dan als ‘master’ aangesteld en de andere is dan de ‘slave’. Het is
de bedoeling dat de ‘slave’ de bewegingen van de ‘master’ volgt. Er zijn een aantal
verschillende soorten gelijkloop schakelingen.
88
6.1 Mechanische gelijkloop
Fig. 4-20 Mechanische gelijkloop.
Worden twee parallel opgestelde cilinders via een gemeenschappelijke stuurschuif
aangestuurd, dan is gelijkloop van beide cilinders niet gegarandeerd. Zelfs al gaat het om
identieke cilinders die even zwaar belast zijn, dan nog zullen de cilinders door verschillen in
wrijving en productie-technische toleranties niet gelijklopen. Een nauwkeurige gelijkloop
krijgt men door de cilinders mechanisch te koppelen, zodat er een gedwongen gelijkloop
ontstaat.
89
6.2 Gelijkloop d.m.v. drukgecompenseerde stroomregelkleppen
Fig. 4-21 Gelijkloop d.m.v. drukgecompenseerde stroomregelkleppen.
Door de olie toe- en afvoer van de beide cilinders te regelen met twee identieke
stroomregelventielen is een redelijk nauwkeurige hydraulische gelijkloop mogelijk. Door de
toepassing van een Greatz-schakeling zelfs in twee richtingen.
90
6.3 Gelijkloop d.m.v. twee gekoppelde hydromotoren
Door twee identieke hydromotoren met de assen aan elkaar te koppelen ontstaat een
zogenaamde ‘gelijkloopmotor’. De volumestroom verdeelt zich 1 op 1 en de mate van
nauwkeurigheid van de gelijkloop wordt bepaald door de inwendige lekkage van de
hydromotoren. Mochten de cilinders niet gelijktijdig tegen de eindaanslag komen dan is
synchronisatie mogelijk door het bedienen van de 2/2 schuif.
Fig. 4-22 Gelijkloop d.m.v. twee gekoppelde hydromotoren.
91
6.4 Gelijkloop d.m.v. een stroomverdeelklep
Bij deze toepassing verdeelt het stroomverdeelventiel de toegevoerde volumestroom in twee
gelijke volumestromen. Het stroomverdeelventiel bestaat in principe uit twee parallel
geschakelde drukgecompenseerde stroomregelventielen en werkt hier slechts in 1
stromingsrichting.
Fig. 4-23 Gelijkloop d.m.v. een stroomverdeelklep.
92
6.5 Elektronische gelijkloop
Door twee cilinders met doorlopende zuigerstang in serie te schakelen, wordt een redelijk
nauwkeurige gelijkloop verkregen. De eerste cilinder doseert de volumestroom naar de
tweede cilinder. Voorwaarde voor een goede werking is dat de zuigeroppervlakken van de
beide cilinders even groot zijn. Om eventuele verschillen, ontstaan door bijvoorbeeld
lekverliezen, te kunnen corrigeren, kan er via een tweede schakeling olie worden toe- of
afgevoerd. In het voorbeeld gebeurt dat automatisch d.m.v. eindschakelaars in de uiterste
stand van de cilinders.
Fig. 4-24 Elektronische gelijkloop.
93
6.6 Gelijkloop door middel van een gelijkloopcilinder
Fig. 4-25 Gelijkloop d.m.v. een gelijkloopcilinder.
Een gelijkloopcilinder bestaat uit meerdere mechanische gekoppelde cilinders. De gelijkloop
werkt in beide bewegingsrichtingen.
94
6.7 Elektronische gelijkloopregeling
Als een zeer nauwkeurige gelijkloop noodzakelijk is, wordt er een elektronische
positieregelkring met gesloten regelkring toegepast. Daarbij wordt de positie van beide
cilinders langs elektronische weg opgemeten en wordt een eventuele afwijking tussen de
beide cilinders via de besturingselektronica en stuurschuiven direct gecorrigeerd. Bij het
weergegeven systeem wordt de snelheid van de cilinder I bepaald door het stroomregelventiel.
Fig. 4-26 Elektronische gelijkloopregeling.
De positie van deze cilinder wordt door de wegopnemer geregistreerd en als gewenste waarde
aan de besturingselektronica doorgegeven. De wegopnemer van cilinder II registreert de
positie van deze cilinder en stuurt deze informatie als gemeten waarde naar de
besturingselektronica. De besturingselektronica vergelijkt beide signalen en afhankelijk van
het verschil wordt de proportionale regelschuif aangestuurd om het verschil te corrigeren.
Een variant op bovenstaande gelijkloopregelingen is het systeem waarbij een twee of meer
parallel werkende regelkringen wordt gewerkt en waarbij de gemeten waarden worden
vergeleken met een gemeenschappelijke, separaat ingestelde gewenste waarde.
95
BESLUIT
96
Op het einde van deze thesis kan worden gesteld dat alle doestellingen zijn behaald. Laten we
ze nog even overlopen.
•
Theoretische kennismaking van elektrohydrauliek
In de stage periode en gedurende het jaar is kennis opgedaan van (basis) hydraulica en
elektro-hydraulica. Door het lezen en bestuderen van verschillende bronnen is veel bijgeleerd
over het anders voor mij onbekende vakgebied van de hydrauliek. In het tweede hoofdstuk
zijn de belangrijkste principes van de elektro-hydrauliek uitgelegd.
•
Aansturen proportionaal-ventielen met hun versterkerkaart.
De ventielen kunnen met hun versterkerkaart worden aangestuurd en geïmplementeerd in een
controle systeem.
•
Integratie van proportionaal-ventiel in enkele didactische controlesystemen.
Er zijn twee controlesystemen opgebouwd. Een positie controlesysteem, en een
drukcontrolesysteem. Deze zijn overzichtelijk uitgewerkt en kunnen in het labo worden
toegepast. Er zijn ook enkele metingen uitgevoerd op de positie en druk kring. De
stapresponsie en sinusresponsie zijn nagegaan. De drukcontrole is een onderdeel die ter
aanvulling is opgenomen.
•
Marktonderzoek elektro-hydraulische ventielen
Op aanvraag van het stagebedrijf Vermeulen NV is een beperkt onderzoek gebeurd naar de
soorten ventielen die op de markt zijn. Er is kennis opgedaan in verband met de verschillende
soorten proportionale en servo-ventielen en er is een marktonderzoek gebeurd, uitgaande van
de belangrijkste kenmerken van elektro-ventielen.
In de toekomst kunnen volgende stappen nog worden genomen:
•
Verder onderzoeken van de controlesystemen
•
Experimenteren met andere ventiel – versterkerkaart combinaties
•
Hydraulische kringen kunnen worden opgebouwd en getest.
•
Op regeltechnisch vlak kunnen nog een aantal kenmerken worden onderzocht.
Dit was een heel boeiend eindwerk, om praktisch eens een gesloten regelsysteem op te
bouwen en te onderzoeken en om in aanraking te komen met het anders voor mij onbekende
vakgebied van de hydrauliek.
97
BIBLIOGRAFIE
98
BOEKEN
[1]
Werner, G., Hydrauliek, basiskennis, Stuttgart, Delta Press BV, 1999, 285p.,
ISBN 90 6674 841 9
[2]
Bosch, R., Elektro-hydrauliek: Proportionaal- en regeltechniek in theorie en praktijk,
Stuttgart, Delta Press BV, 1999, 149p., ISBN 90 6674 919 9
[3]
Skinner, S C., Principles of proportional valves, Havant UK, Germany, 1994, 106p.,
GB-9042A
[4]
Vickers, Closed loop training manual for proprional and servo valves, Germany,
1989, 65p., GB-B-9052
[5]
Vickers, SM4 servo valves,…and how to apply them in closed loop systems, Germany,
1989, 72p., GB-C-2009
[6]
Walters, R.B., Hydraulics and Electro-hydraulic control systems, Essex UK, Elsevier,
1991, 251p., ISBN 1 85166 556 0
ARTIKELEN
[7]
Maskrey, R.H., Thayer, W.J., A brief history of electro-hydraulic servomechanisms,
ASME Journal of dynamic systems measurement and control, Technical Bulletin 4,
1978
[8]
Jones, J.C., Developments in design of electro-hydraulic control valves from their
initial disign concept to present day design and applications, Workshop on
proportional and servo valves, MOOG, 1997
[9]
DeRose, D., Proportional and Servo valve Technologie, Fluid Power Journal, 2003,
p.8-15
EINDWERKEN
[10]
Dendauw, K., Ontwerp en opbouw van een testopstelling hydraulisch positioneren.,
Kortrijk, Hogeschool West-Vlaanderen, departement Provinciale Industriële
Hogeschool, 2005, Eindwerk tot het behalen van de graad van industrieel ingenieur
elektromechanica, optie elektromechanica
99
VERZAMELWERKEN
[11]
MOOG, Electro-hydraulic valves… A technical look, Industrial Control Division
MOOG Inc., East Aurora, NY, www.moog.com
[12]
Helduser, S., Antriebstechnik / Aktorik Teil II (Elektro-hydraulik), Institut für
Fluidtechnik, Dresden, 2004
WEBSITES
[13]
Electro-hydaulic motion control, Pention Media, 2006, Beschikbaar op het World
Wide Web:
http://www.hydraulicsPneumatics.com/200/FPE/SystemDesign/Article/True/6463/
[14]
Johnson, J.L., Electro-hydraulic pressure control, Pention Media, 2006, Beschikbaar
op World Wide Web: http://www.hydraulicsPneumatics.com
[15]
Electro-hydraulic valves part 1, Pention Media, 2006, Beschikbaar op het World Wide
Web:
http://www.hydraulicsPneumatics.com/200/FPE/Valves/Article/True/6413/
[16]
Electro-hydraulic valves part 2, Pention Media, 2006, Beschikbaar op het World Wide
Web:
http://www.hydraulicsPneumatics.com/200/FPE/Valves/Article/True/6414/
[17]
Electro-hydraulic valves part 3, Pention Media, 2006, Beschikbaar op het World Wide
Web:
http://www.hydraulicsPneumatics.com/200/FPE/Valves/Article/True/6415/
[18]
Website MOOG Inc., Beschikbaar op het World Wide Web: http://www.moog.com
[19]
Website BOSCH - REXROTH, Beschikbaar op het World Wide Web:
http://www.bosch-rexroth.com
[20]
Website EATON – VICKERS, Beschikbaar op het World Wide Web:
http://www.eaton.com
100
BIJLAGE 1
POSITIETERUGKOPPELING MET EXTERNE
MEETLAT
101
Er werd gekozen voor een Balluff encoder, dit is een absolute lineaire encoder. De opstelling
moest zo universeel mogelijk zijn. Deze meetlat heeft dan ook een analoge spanningsuitgang
die gemakkelijk in iedere regelkring is te verwerken.
Deze meetlat doet een positiemeting gebaseerd op het magneetprincipe. Ze heeft een
nauwkeurigheid van 6µm bij een meetlengte van 500mm. Het absolute uitgangssignaal is een
signaal dat ligt tussen de 0 … 10V DC en de 10 … 0V DC.
De magneet is met een kogelkoppeling verbonden aan de meetlat. Door de draaibare kop
kunnen er praktisch geen externe krachten aangrijpen op de meetlat. Dit zorgt er voor dat de
uitlijning van de meetlat niet zo kritisch is. De kabel is niet verbonden met het beweegbare
deel, maar met de vast gemonteerde meetlat.
Er moet worden opgepast voor gebruik van deze meetlat in omgevingen waar sterke
elektrische en magnetische velden aanwezig zijn. Deze zouden de werking kunnen verstoren.
De bevestigingen van de meetlat op de machine moeten op symmetrische afstand zitten. Ze
zorgen ook voor een elektrische scheiding.
1 WERKING
Fig. bijlage-1 Werking van de positieterugkoppeling.
Het meetelement (wave guide) bestaat uit een nikkel-ijzer cilinder met daarin een koperen
gelijder. De start van de meting wordt ingeleid door een korte stroompuls. Deze stroom
102
genereert een cirkelvormig magnetisch veld dat rond de wave guide roteert. De permanente
magneet op het punt van de meeting wordt gebruikt als het ‘aanduidelement’, deze magneet
heeft zijn eigen magnetisch veld. Dit magnetisch veld beweegt loodrecht op het opgewekte
magnetische veld. Daar waar de magneet terecht komt, dus de afstand die moet worden
gemeten, ontstaat een interferentie tussen de twee magnetische velden. Door die interferentie
ontstaat een elastische deformatie van de wave guide (dit is wel op microschaal). Deze
deformatie beweegt zich voort, onder de vorm van een mechanische golf, in beide richtingen.
De snelheid van deze golf in de wave guide is 2830 m/s en is bijna ongevoelig voor allerlei
omgevingsfactoren, zoals temperatuur, schokken,… De golf gaande naar het verste eind van
de wave guide wordt door een demper gedempt. De golf gaande naar het andere uiteinde komt
aan bij de converter. De golf wordt omgezet in een elektrisch signaal door het effect gewoon
om te keren. De tijd die de golf nodig heeft om de afstand af te leggen is direct evenredig met
de afstand tussen de permanente magneet en de signaalconverter. Een simpele tijdsmeting laat
dan toe om de afstand te bepalen met een hele hoge betrouwbaarheid.
2 AANSLUITINGEN
PIN
KLEUR
BETEKENIS
1
YE yellow
2
GY grey
not used, moet worden verbonden met de massa, niet met de coaxafscherming
0V (*)
3
PK pink
10 … 0V DC (**)
4
not used
/
5
GN green
0 … 10V DC (**)
6
BV bleu
GND = referentie voor voedingsspanning (*)
7
BN brown
+24V
8
WH white
not used
(*)
Deze outputs zijn potentiaal-vrij. Wanneer we nu een verbinding maken
met een module die niet potentiaal-vrij is kunnen er ‘ground-loops’
ontstaan. Deze kunnen interfereren met de signalen en ze dus negatief
beïnvloeden. We kunnen dit mogelijk vermijden door PIN 2 en PIN 6 te
verbinden in de vrouwelijke connector.
103
(**)
Er is een kleine spanning (< 10mV) tussen PIN 3 en PIN 5 om de output-drivers te
scheiden.
3 SERIENUMMER
BTL5 - A11 - M0500 - P - S32
-BTL5 staat voor Micropulse lineair transducer.
-A11 staat voor analoge interface (d.i. 0 … 10V DC en de 10 … 0V DC als uitgang). De
eerste 1 staat voor +24V DC voedingsspanning.
-M0500 staat voor de nominale meetlengte, 500mm, de M staat voor metric [mm].
-P staat voor Profile form factor.
-S32 betekent dat het meetsysteem is geleverd met een connector.
104
BIJLAGE 2
DRUKSENSOR
105
Deze druksensor is van het merk tecsis en geeft evenredig met de druk een spanning af van
[0..10 V] voor een druk van [0..160 bar]. Ze moet worden gevoed door een gelijkspanning
tussen de [10..30 V]
Deze sensor heeft geen onderhoud nodig, enkel een re-callibratie om het jaar.
De callibratie procedure gaat als volgt:
•
Open de sensor
•
Zero aanpassen (Z) in een drukloze toestand
•
Span aanpassen (A) door het gebruiken van een drukstandaard met een voldoende
nauwkeurigheid.
Aansluitschema:
Bruin
Voeding
z6
b12
1
Zwart
3
2
Signaal
b16
Blauw
b18
Fig. bijlage-2 Aansluitschema van de druksensor.
106
BIJLAGE 3
TECHNISCHE INFORMATIE VERSTERKERKAART
BOSCH
107
108
109
110
111
112
113
BIJLAGE 4
GRAFIEK VAN MOOG VOOR HET SELECTEREN VAN
EEN VENTIEL [11]
114
115
116