Benutzer:EHR U. Walter/Servohydraulik

Die Servohydraulik ist ein spezieller Bereich der Ölhydraulik und kommt aus dem Gebiet der Flugzeughydraulik. Heute ist sie aber in allen Bereichen der hydraulischen Antriebstechnik vertreten. Im Unterschied zur klassischen Hydraulik ist die Servohydraulik technologieübergreifend und berührt sowohl die Hydraulik, die Elektronik, die Regelungstechnik, die Sensorik und den allgemeinen Maschinenbau.

Die Artikel Stetigventile, Elektrohydraulische Regelung und "hydraulische Zylinderantriebe, in Vorbereitung" beschreiben die einzelnen Elemente, als auch die Hydraulik und wie sie geregelt werden kann.

Die einfache Bewegungssteuerung (open loop)

Die klassischen Bewegungssteuerung beweg ein Werkstück, ein Werkzeug oder Material von einer aktuellen Position zu einer neuen Position. Dabei sind die Anforderungen einfach zu definieren. Es sind die Zeit (die Hubzeit, und somit die Geschwindigkeit) und die benötigte Kraft um die Bewegung durchführen zu können. Diese Daten dienen zur Dimensionierung des Zylinders, der Ölversorgung (dem Aggregat), dass den benötigen Druck und Volumenstrom zur Verfügung stellt. Die Auswahl der Ventile erfolgt dann anhand des benötigten Volumenstroms und Versorgungsdruckes. Das Ziel ist, eine maximal Hubzeit ist einzuhalten.

Vorteile der Bewegungsteuerung mit Proportionalventile:

1. Wenige hydraulische Komponenten. Da mit einem Ventil unterschiedliche Geschwindigkeiten (die elektronisch eingestellt werden) gefahren werden können, reduziert dies die Anzahl der Komponenten.
2. Geringere Kosten (bei den Geräten aber auch bei der Montage und Wartung), geringerer Bauraum, weniger Leckagen (weniger Flächen die undicht werden können) und einfachere frei einstellbare Geschwindigkeiten.
3. Das dynamische Verhalten kann durch Beschleunigungsbegrenzung (Rampenzeiten) verbessert werden. Schaltschläge wie sie bei Schaltventilen auftreten werden reduziert bzw. eliminiert. Ein wesentlich weicherer Bewegungsablauf ist dadurch möglich, was dann die Belastung und den Verschleiß an der Anlage / Maschine positiv beeinflusst. Infolge dieses Vorteils ist oft eine höhere Geschwindigkeit bei gleicher mechanischer Belastung möglich.

Nachteile der Bewegungsteuerung mit Proportionalventile:

1. Man benötigt bis zwei / vier Endschalter bzw. zwei analoge Näherungsinitiatoren um die Positionen zu definieren an denen die Geschwindigkeit geändert werden soll. Die Endschalter werden zusammen mit den Rampen bei der Inbetriebnahme eingestellt. Die Bremsrampen über analoge Näherungsinitiatoren muss konstruktiv bestimmt werden und sind eher für Serienanwendungen geeignet.  
2. Je nach Ventiltyp sind Proportionalventile relativ teuer. Besonders im Fall von integrierter Elektronik und integrierter Kolbenpositionsregelung. Sind die Anforderungen an die Wiederholgenauigkeit (bei diesen Anwendungen die Hubzeit) nicht zu hoch, sind einfache Proportionalventile ohne Kolbenpositionsregelung und einer externen Elektronik die preislich beste Alternative.

Beispiel: Eil- / Schleichgangsteuerung

Bei dieser Anwendung wird die Bewegung über zwei Schaltsignale initiiert und die Geschwindigkeit über Endschalter umgeschaltet. Damit es zu keinen schlagartigen Belastungen bei der Umsteuerung bzw. bei der Geschwindigkeitsänderung kommt, sind Rampen zur Beschleunigung und Verzögerung für beide Bewegungsrichtungen vorgesehen. Der Antrieb wird auf eine maximale Geschwindigkeit beschleunigt, beim erreichen des ersten Endschalters für die jeweilige Richtung, wird ein Schleichgang initiiert. Der Zylinderantrieb wird über die Bremsrampe verzögert bis er die eingestellte langsamere Geschwindigkeit (Schleichfahrt) erreicht hat. Mit dieser Geschwindigkeit fährt der Antrieb bis zum Endanschlag. Der Mehraufwand am Zylinder liegt bei zwei Endschalter. Die Endschalter am Zylinderende sind, unabhängig von der technischen Lösung, immer vorzusehen.

Beispielberechnung einer typischen Anwendung:

Man berechnet die Rampenzeiten, die sich infolge des dynamischen Verhaltens des hydraulischen Systems ergeben. Diese Rampenzeit ist eine Abschätzung und berücksichtigt nur das hydraulische System. Ist die Mechanik schwingungsanfällig (typisches Beispiel: Brücken) so sind andere Rampenzeiten einzustellen. 

Positionsregelungen (closed loop)

Bei der einfachen Bewegungssteuerung ist das Anfahren von festen Positionen (mit Ausnahme: über mechanische Anschläge) kaum realisierbar. Um frei positionieren zu können, ist immer ein Positionssensor als Rückführungssignal (feedback signal) erforderlich. Anhand dieses Signals wird über einen Regler festgestellt an welcher Position sich die Kolbenstange des Zylinders befindet und es wird ein Korrektursignal ausgegeben, dass den Zylinder zur richtigen Position fahren lässt. Diese Korrektursignal (Stellgröße) ist proportional zum Öffnungsgrad des Ventils und somit proportional zur Geschwindigkeit des Antriebs.

Dieses geregelte Positionieren ist eine Basisanwendung von hydraulischen Achsen die mit Proportionalventilen gesteuert werden. Dabei können alle Arten von Proportionalventilen, je nach Anforderung, zum Einsatz kommen. In der Planungsphase sind genaue Beschreibungen der Anforderungen, für die Bewertung der Kosten aber auch der Leistungsfähigkeit, entscheidend. Da dies nicht immer ganz einfach ist, hilft erst mal eine grobe Gruppierung.  

Die Punkt-zu-Punkt Positionierung

Die vermeintlich einfachste Positionsregelung ist eine Punkt-zu-Punkt Steuerung. Es wird eine Zielposition vorgegeben und die Achse fährt zu dieser Position. Dabei ist das „wie die Position erreicht wird“ nicht definiert. Die Anforderungen die an ein solches System gestellt werden sind:

• die Positioniergenauigkeit und
• die Positionierzeit (Hubzeit)

Sehr oft wird hier das wegabhängige Bremsen eingesetzt. Die Anforderungen an die Genauigkeit bestimmen dann die Auswahl des entsprechenden Proportional- oder Regelventils und die Signalauflösung des Sensors. Bei moderaten Genauigkeiten, ca. im Bereich von 0,1… 0,3 mm, können einfache Proportionalventile (oft auch ohne Kolbenpositionsregelung) eingesetzt werden. Liegen die Anforderungen höher, zum Beispiel im Bereich von 0,01 mm, ist der Einsatz von hochwertigen Regelventilen oder auch Servoventilen notwendig.

Bei der Punkt-zu-Punkt Steuerung findet keine Regelung während des Hubes statt. Der Regler befindet sich meist in der Sättigung und verlässt diese erst kurz vor der Zielposition (abhängig von der Regelverstärkung). Der Vorteil ist, der Antrieb kann während der Fahrt nicht instabil werden (erst wenn er die Zielposition erreicht). Der Nachteil, die Hubzeit kann infolge von Viskositätsänderungen variieren.    

Streckensteuerung

Bei der Streckensteuerung kommt es nicht nur auf das Positionieren an, sondern auch auf die Art, wie die Position angefahren wird. Das heißt, das Geschwindigkeitsprofil der Bewegung ist zu berücksichtigen und hat einen erheblichen Einfluss auf die Auslegung der Hydraulik. Typisch für diese Anwendungen sind NC bzw. CNC Regelfunktionen. Das heißt, der Regler bekommt nicht mehr direkt seinen Sollwert mit der Zielposition, sondern eine sich kontinuierlich verändernde Zielposition. Die Änderungsgeschwindigkeit wird in einem sogenannten Profilgenerator berechnet. Der Antrieb fährt mit der vorgegebenen Geschwindigkeit zu seiner endgültigen Zielposition. Die Fahrgeschwindigkeit ist konstant (quasi geregelt) und entspricht der Änderungsgeschwindigkeit des Profilgenerators.

Besonderes Merkmal dieser Regelung ist, der Antrieb fährt hinter der dynamischen generierten Sollposition hinterher. Dies nennt man den Schleppabstand oder Schleppfehler, der typisch für diese Art von Regelungen ist. Die Höhe des Schleppabstands wird durch das dynamische Verhalten des Systems, den externen Kräften, den Bauteilen (Ventilen) und der maximalen Geschwindigkeit bestimmt. D. h., der Schleppabstand kann infolge dynamischer und statischer Einflüsse variieren. Gegenüber der Punkt-zu-Punkt Steuerung ist das Verhalten kritischer und stellt höhere Anforderungen an die Systemauslegung und der Ventiltechnik, da sich das System immer im geregelten Modus befindet. Weiterhin kann auch nicht mit 100 % Geschwindigkeit gefahren werden, da immer eine Regelreserve zum Ausregeln von Störgrößen sichergestellt werden muss. Wie hoch diese Regelreserve sein sollte hängt stark vom gesamten System ab. Typisch ist, die maximale Geschwindigkeit sollte ca. 70… 80 % der hydraulischen möglichen Geschwindigkeit betragen.

Zu berücksichtigen ist auch, der Schleppabstand ist keine konstante Größe. Er variiert infolge unterschiedlicher Temperatur des Öls (unterschiedliche Viskosität) und durch die Lastkraft / Gewichtskraft.

Beispiel: Durch eine Lastkraft von 50 % des Versorgungsdruckes (es steht nur noch der halbe Druck über dem Ventil zur Verfügung) verringert sich die Geschwindigkeit um den Faktor 1,4142 ( ). Der Schleppabstand wird um den gleichen Faktor größer und das Ventil muss entsprechend geöffnet werden damit wieder mit der Sollgeschwindigkeit gefahren werden kann. Wird eine maximale Lastkraft von 25 % benötigt, so beträgt der Faktor nur 1,15 um den sich der Schleppabstand ändert. Die Achse fährt wieder mit der Sollgeschwindigkeit, nur der Schleppabstand ist etwas größer. Um diese Einflüsse zu kompensieren ist eine Begrenzung der maximal Geschwindigkeit notwendig, oder anders gesagt, der Antrieb muss entsprechend dimensioniert werden.

Berechnungsbeispiel folgt!

Gleichlaufregelungen / Bahnsteuerung

Die Gleichlaufregelung / Bahnsteuerung stellt die höchsten Anforderungen an das Systemverhalten. Bei diesen Systemen ist es nicht nur wichtig, dass die Geschwindigkeit korrekt ist, sondern die Achse muss sich auch an einer reproduzierbaren dynamischen Position befinden. D. h., ein theoretisch berechneter Schleppabstand muss eingehalten werden. Der Einfluss der Lastkraft, wie er bei der Streckensteuerung beschrieben wird, ist durch den Regler zu kompensiert.

Beispiel: Fahren zwei Achsen im Gleichlauf, eine Achse ohne Last und eine mit einer Lastkraft von 25 % der maximalen Lastkraft, dann verändert sich der Schleppfehler der belasteten Achse um den Faktor 1,15. Wenn wir mal annehmen, dass der normale Schleppabstand 10 mm bei maximaler Geschwindigkeit beträgt dann erhöht er sich auf 11,5 mm (10 mm * 1,15). Für die Streckensteuerung ist dies kein Problem, bei der Gleichlaufregelung haben wir jetzt aber einen Positionsfehler zwischen den beiden Achsen von 1,5 mm. Das gleiche gilt für Bahnsteuerungen, die Achse befindet sich nicht an der geplanten Position, sondern 1,5 mm dahinter. Im Fall von 75 % Lastkraft sind es bei diesem Beispiel dann 10 mm.

Gleichlaufsteuerung

Wenn wir uns nun auf die Gleichlaufregelung, die auch häufiger in der Hydraulik anzutreffen ist, konzentrieren, so ist schnell klar, dass dieses unerwünschte Verhalten regelungstechnisch kompensiert werden muss. Das bedeutet, man benötigt einen zusätzlichen Regler. Als erstes fällt einem dazu natürlich die Lastdruckkompensation mittels einer Druckwaage ein. Keine schlechte Idee, wenn auch die erreichbare Genauigkeit begrenzt ist und die typischen Einschränkungen beim Einsatz von Druckwaagen berücksichtigt werden müssen.

Aber wie macht es eigentlich der Wettbewerb mit seinen elektromechanischen Antrieben. Im Prinzip sind hier keine Gleichlaufregelungen erforderlich, da diese Antriebe über eine unterlagerte Geschwindigkeits- / Drehzahlregelung verfügen. Durch diese unterlagerte Regelung bleibt die Streckenverstärkung, auch bei unterschiedlichen Lasten, konstant. Der Schleppabstand ist konstant und somit sind Gleichlauffehler nicht zu erwarten.

In der Hydraulik werden unterlagerte Geschwindigkeitsregelung eher selten eingesetzt. Durch die niedrige Dämpfung ist bei einer vergleichbaren Regelstruktur selten gute Ergebnisse zu erwarten. Alternativ kann ein zweiter Regler, der parallel zum NC Regler arbeitet zum Einsatz kommen. Als Regelstruktur kann dann ein P, PT1 oder PI Regler eingesetzt werden. Der PI Regler ist die gängigste Variante, da über den I Anteil der Gleichlauffehler theoretisch vollständig ausgeregelt wird. In der Praxis ist dies aber nur mit sehr hochwertigen Ventilen (mit einer sehr geringen Umkehrspanne) möglich. Ist eine Ventilhysterese vorhanden so kommt es in der Gleichlaufregelung zu Schwingungen. Alternativ ist in solchen Fällen dann ein PT1 Regler einzusetzen. Durch das verzögerte Zeitverhalten kann eine relativ hohe Verstärkung eingestellt werden. Der Gleichlauffehler wird aber im Gegensatz zum PI Regler nicht zu 100 % ausgeregelt.  

Bahnsteuerung

Regelungstechnisch ist die Bahnsteuerung mit der Streckensteuerung vergleichbar. Zusätzlich muss aber noch der Schleppabstand kontrolliert werden (ähnlich wie bei der Gleichlaufregelung).

Die Systemkomponenten

Die Komponenten sind Regler, Ventil, Zylinder und Sensor

Zur Beurteilung der erreichbaren Systemleistung sind die Komponenten des Regelkreises von entscheidender Bedeutung. In den verschiedenen Artikeln (Elektrohydraulische Regelung, Stetigventil und "hydraulischer Zylinderantrieb") wird dezidiert darauf eingegangen.

Hydraulik Zylinder

Servohydraulische Antriebe werden mit Zylindern oder Motoren realisiert. Die Zylinderantriebe mit Hydraulikzylindern dominieren aber in diesem Segment.

Stetigventile

Diese Ventile werden im Artikel Stetigventile umfassend behandelt.

Der Regler

Die Regelungstechnik wird im Artikel Elektrohydraulische Regelung umfassend behandelt.

Die Sensoren

Die Sensoren, Genauigkeit und regelungstechnische Anforderungen/Einschränkungen

Systemverhalten

Das Systemverhalten kann über diverse Berechnungen oder aber über Simulationen geprüft werden. Hier geht es um die Berechnungen, die mit Excel, Mathcad oder anderen Hilfsmittel nachvollziehbar sind.

Statisches Systemverhalten

Bei der statischen Berechnung geht es um die Kraft und die Geschwindigkeit des Antriebs. Um die Berechnungen zu vereinfachen wird immer mit einem Differentialzylinder (wenn möglich) gearbeitet. Andere Zylinder, wie zum Beispiel: Plunger- und Gleichgangzylinder werden als Variante des Differentialzylinders betrachtet. Dies hat den Vorteil, dass nicht unterschiedliche Berechnungen, abhängig vom Zylindertyp notwendig sind.

Dynamisches Systemverhalten

Das Beschleunigungsvermögen!

Kavitation

Die Kavitation ist ein unerwünschter Effekt in der Hydraulik, welche durch Unterdruck entsteht und zur Gasbildung und erhöhten Verschleiß führt. Wir betrachten hier nur den kritischen Fall, das Ausfahren eines Differentialzylinders. Infolge der hohen Kammerdrücke ist das Einfahren meist unkritisch.

       

Literatur

• Hubertus Murrenhoff: Servohydraulik – Geregelte hydraulische Antriebe: Umdruck zur Vorlesung. (= Reihe Fluidtechnik. U 4). 4. Auflage. Shaker-Verlag, Aachen 2012, ISBN 978-3-8440-0947-7.
• Mohieddine Jelali / Andreas Kroll: Hydraulic Servo-systems. Springer Verlag 2004, ISBN 1-85233-692-7.
• Norbert Gebhardt, Jürgen Weber: Hydraulik-Fluid-Mechatronik. 7. Auflage, Springer Vieweg Verlag 2020, ISBN 978-3-662-60663-6.
• Dietmar Findeisen / Siegfried Helduser: Ölhydraulik 6. Auflage, Springer Verlag, ISBN 978-3-642-54908-3.