Biesbrouck Sam

EINDWERK: Onderzoek naar hydraulisch positioneren

Studiegebied Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding Elektromechanica Optie Automatisering Academiejaar 2005-2006 Sam Biesbrouck

I

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!

II

INHOUDSOPGAVE

III

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 Vermeulen NV ........................................................................................................... 7 2.2 C-Metals NV .............................................................................................................. 8 2.3 P.I.H. Kortrijk............................................................................................................. 9

HOOFDSTUK 2 Elektrohydrauliek 1 Inleiding........................................................................................................... 11

1.1 Conventionele hydrauliek ........................................................................................ 11 1.2 Proportionaal-hydrauliek.......................................................................................... 11 1.3 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 MOOG[18] ............................................................................................................... 50 2.2 BOSCH[19].............................................................................................................. 52

IV

HOOFDSTUK 4 Opbouw testopstelling 1 Componenten testopstelling .......................................................................... 55

1.1 De testbank............................................................................................................... 55 1.2 De aandrijfgroep....................................................................................................... 56 1.3 De positieterugkoppeling ......................................................................................... 57 1.4 De versterkerkaart .................................................................................................... 57 1.5 De dSPACE kaart..................................................................................................... 58 1.6 Het schakelbord........................................................................................................ 58

2 Versterkerkaart .............................................................................................. 59 2.1 Doel .......................................................................................................................... 59 2.2 Werking.................................................................................................................... 59 2.3 Aansluitingen en instellingen ................................................................................... 61

3 De regelaar ...................................................................................................... 66 3.1 Doel .......................................................................................................................... 66 3.2 Onderdelen ............................................................................................................... 66 3.3 Overzicht .................................................................................................................. 66 3.4 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 Inleiding ................................................................................................................... 84 5.2 Werking.................................................................................................................... 85 5.3 Het drukregelschema................................................................................................ 86 5.4 Metingen................................................................................................................... 86

6 Gelijkloopregelkring[1] ................................................................................. 88 6.1.1 Mechanische gelijkloop.................................................................................... 89 6.1.2 Gelijkloop d.m.v. drukgecompenseerde stroomregelkleppen.......................... 90 6.1.3 Gelijkloop d.m.v. twee gekoppelde hydromotoren .......................................... 91 6.1.4 Gelijkloop d.m.v. een stroomverdeelklep ........................................................ 92 6.1.5 Elektronische gelijkloop................................................................................... 93 6.1.6 Gelijkloop door middel van een gelijkloopcilinder.......................................... 94 6.1.7 Elektronische gelijkloopregeling...................................................................... 95

V

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

VI

LIJST MET FIGUREN EN TABELLEN

VII

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

VIII

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

1

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.

2

INLEIDING

3

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?

4

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”

5

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.

6

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.

7

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

8

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…

9

2.3 P.I.H. Kortrijk

Fig. 1-4 Logo PIH.

De Provinciale Industriële Hogeschool is een departement van de Hogeschool West-

Vlaanderen. 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.

10

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.

11

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…

12

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 proportionaal-

ventielen 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.

13

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:

ghPP ρ+= 0

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 MPaP 013.10 = .

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:

AFP = [N/m²] of [Pa]

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.

14

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: 20-70 bar Landbouwmachines: 150-200 bar Graafmachines en kranen: 100-250 bar Walsen: 100-315 bar Spuitgietmachines: 150-315 bar Toestellen voor materiaalbeproeving: 315-370 bar Hydrovormen: 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:

600. vqp

P∆

= .

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.

15

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.

16

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.

17

2.7 Basisprincipe

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.

Mechanische Energie

Controle Signalen

Mechanische Energie

Mechanische Energie

Hydraulische Energie

Actuator

Richtingcontrole

Debietcontrole

Drukcontrole

Pomp

18

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

19

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

• …

20

• 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!

21

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 geslotenlus-

systemen. 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.

22

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’.

23

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

24

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.

25

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

26

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.

27

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.

28

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 ca. 30W Spanning Standaard: gelijkspanning

Soms: wisselspanning Nominale spanning Standaard: 24V Toelaatbare spanningsafwijking Unom ±10% Inschakeltijd 100% ED Bescherming Standaard IP65 (bescherming tegen aanraking

en spuitwaterdicht Schakelfrequentie max. 1800/h Max. omgevingstemperatuur ca. 50°C Max. spoeltemperatuur ca. 120°C Schakeltijden 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.

29

Fig. 2-18 Invloed van de temperatuur op de spoelkracht.

Fig 2-19 Conventionele vs. Proportionale spoel.

30

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.

31

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.

32

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.

33

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.

34

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.

35

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.

36

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.

37

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 servo-

ventielen 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

Servo-ventielen Overlappend gebied

Proportionaal-ventielen

Toepassingsgebied Gesloten lus ----- Open lus Kostprijs Hoger

kan zeer duur zijn ----- Lager

Schuif Schuif en sleeve ----- Schuif en huis Schuifoverlapping Null overlapping ----- Grotere overlap, tot 20%

Schuif ‘uitschuifbaarheid’ korter ----- Langer Dynamische

mogelijkheden Zeer goed ----- Goed

Statische mogelijkheden Zeer goed ----- Goed, kan minder zijn Grootte en gewicht Meestal kleiner ----- Meestal groter

1 Tabel gegevens: zie bibliografie [8]

38

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.

39

• 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.

40

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.


41

• 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.


• 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.

42


• 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 jet-

pipe 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.

43

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

44

3.3.3.4 Overzicht

Tabel 2-3 Overzicht van de verschillende servo-ventiel principes. Proportionaal

spoel

Lineair Force

Motor

Nozzle –

Flapper

Jet Pipe

Schuif krachten Belangrijk voor: Krachten met invloed op debiet frequentieresponsie

laag

medium

hoog

hoog tot

zeer hoog

Frequentieresponsie Belangrijk voor: Frequentieresponsie van de

hoofdschuif

laag tot

medium

medium tot

hoog

hoog tot zeer

hoog

hoog

Demping Belangrijk voor: Frequentieresponsie van de

hoofdschuif

laag

laag

medium

laag

Dynamische Lineariteit Belangrijk voor: Testen met sinusgolven

laag tot

medium

medium

medium tot

hoog

laag tot

medium

Null stabiliteit Belangrijk voor: Positie en druk controle

laag tot

medium

medium tot

hoog

hoog

hoog

Onderhoud op de werkvloer

hoog

laag

laag

laag

45

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.

46

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 Engelse eenheden Metrische eenheden Omrekenfactoren Debiet in³/sec (cis) Liter/min 0.98 lpm/cis Druk lb/in² (psi) Bar 0.069 bar/psi

Grootte Inches (in) Milimeters (mm) Micrometers (µm)

25.4 mm/in 25400µm/in

Gewicht Pounds (lb) Kilogram (kg) 0.454 kg/lb Koppel in-ib Newtom-meter (Nm) 0.113 Nm/in-lb

Temperatuur Graden fahrenheit (°F) Graden Celsius (°C) °C=0,55 (°F-32)

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

47

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).

48

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 actuator oppervlakte FR kracht nodig om de belasting bij maximale snelheid te bewegen PS 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 debiet van ventiel bij belasting XL maximum benodigde snelheid bij belasting A actuator oppervlakte

PL = FR / A Met:

PL drukval bij belasting

49

• 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.

50

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 60 tot 90 Hz (bij 100% signaal) Stap responsie 15 ms Debiet 30 tot 200 gpm Maximum werkdruk 5000 psi

51

D765 serie Frequentie responsie 90 tot 250 Hz (bij 100% signaal)Stap responsie 2 tot 4 ms Debiet 1 tot 16,5 gpm Maximum werkdruk 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 40 tot 60 Hz (bij 100% signaal) Stap responsie 15 tot 20 ms Debiet 1 tot 26 gpm Maximum werkdruk 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 10 tot 30 Hz Stap responsie 12 tot 32 ms Debiet 20 tot 1000 gpm Maximum werkdruk 5000 psi

52

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 20 tot 450 ms Debiet Van 7 tot 1000 l/min Maximum werkdruk 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 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.

53

Frequentie responsie 20 tot 250 Hz (bij 100% signaal)Stap responsie 40 tot 80 ms Debiet 2 tot 18000 bar Maximum werkdruk 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 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.

54

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.

55

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 proportionaal-

ventielen 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

56

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.

57

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.

58

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 DSP-

processor. 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.

59

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.

60

Fig. 4-5 Blokschema van de versterkerkaart – ventiel combinatie.

De relevante datasheets van de versterkerkaart zijn bijgevoegd in bijlage 3.

61

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 Betekenis Fabrieks instellingen

Positie regeling

Druk regeling

DIL 1 Geen functie OFF OFF DIL 2 Druksensor signaal :

ON: 1…+ 6V OFF: 0…+10V

ON OFF

DIL 3 Druksensor versterking : ON: x1

OFF: x0,66

ON OFF

DIL 4 Tonen van kabelfout bij druksensor: ON OFF

ON OFF

DIL 5 Drukregeling: ON OFF

ON ON*

DIL 6 Ventiel uitgangssignaal: ON: No inverted

OFF: Inverted

OFF ON

DIL 7 (D-actie)

Druk-increase: ON: normaal

OFF: speciale toepassingen

OFF OFF

DIL 8 (D-actie)

Druk-decrease: ON: normaal

OFF: speciale toepassingen

OFF OFF

DIL 9 (D-actie)

Invloed groot: ON en 10&11OFF

OFF OFF

DIL 10 (D-actie)

Invloed medium: ON en 9&11OFF:

OFF OFF

DIL 11 (D-actie)

Invloed laag: ON en 9&10OFF

OFF OFF

DIL 12 (I-actie)

Invloed=0: ON en 13OFF:

OFF OFF

DIL 13 (I-actie)

Invloed=actief: ON en 12OFF:

OFF OFF

DIL 14 (P-actie)

Speciale toepassing: ON: speciale toepassing OFF: normale toepassing

OFF OFF

DIL 15 (P-actie)

Invloed laag: ON en 17=ON en 16=OFF:

OFF OFF

DIL 16 (P-actie)

Invloed medium: ON en 15&17OFF

ON ON

DIL 17 (P-actie)

Invloed hoog: ON en 15&16OFF:

ON ON

HEX KP P-actie 0 HEX KI I-actie E HEX KD D-actie 4

Tabel 4-1 Instelling van de DIL switches op de versterkerkaart.

62

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.

63

Fig. 4-6 Elektronisch schema van de BOSCH versterkerkaart.

DOCHTERKAART

BASISKAART

(1)

(2)

(3a) (3b)

(4)

(5)

(6)

64

Hier worden alle aansluitingen nog eens overzichtelijk getoond. Diegene die gebruikt worden

in de positieregeling zijn in het blauw gemarkeerd.

b1 z1 b2 z2 b3 z3 b4 z4 b5 z5 b6 z6 b7 z7 b8 z8 b9 z9 b10 z10b11 z11b12 z12b13 z13b14 z14b15 z15b16 z16b17 z17b18 z18b19 z19b20 z20b21 z21b22 z22b23 z23b24 z24b25 z25b26 z26b27 z27b28 z28b29 z29b30 z30b31 z31b32 z32

*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%

+24V/1,5A voedingsspanning 0V/1,5A voedingsspanning

aansturen schuif

aansturen schuif

druk – controller off 6..40V

wenswaarde debiet 0..10V

schuifpositie terugkoppeling 0V

schuifpositie terugkoppeling voeding –15V

voorziening –10V/10mA voorziening +10V/10mA

schuifpositie terugkoppeling voeding +15V

wenswaarde debiet 0V

+10V aanschakelen

schuifpositie terugkoppeling 10V

wenswaarde druk OV

wenswaarde druk 0..10V

drukterugkoppeling 1..6V

drukterugkoppeling 0..+10V

drukterugkoppeling 0V

extern controlesignaal 24V/0.1A

foutindicatie*

referentie 0V spanning

referentie 0V spanning

voedingsspanning druksensor +15V

voedingsspanning druksensor -15V

0V massa***

afvlakcondensator 4700µF****afvlakcondensator 4700µF

65

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.

66

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.

70

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.

71

Tabel 4-2 Vuistregels voor het kiezen van de juiste regelaar. Geregelde

grootheid P PT I PI PD PID

Positie + + - - - -/o Snelheid

gelijkloop - + o + - +

Hoekpositie + + - - - -/o Hoeksnelheid - + o + - + Druk / kracht + o - o - +

+ = 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.

72

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.

73

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.

74

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.

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.

gewenste positie

werkelijke positie

fout versterkingsfactor (P-actie)

uitgestuurd debiet

75

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.

76

Fig. 4-11 Stapresponsie bij P=10

Fig. 4-12 Stapresponsie bij P=100.

77

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

fout

[mm]

Nodige tijd

voor bereiken

positie

[s]

Gemiddelde

snelheid

[m/s]

Maximum

Snelheid

[m/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.

78

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.

i

u

UUdB log20=

met Uu het uitgangssignaal en Ui het ingangssignaal.

In volgende figuur is de werkwijze verduidelijkt:

79

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.

80

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 Werkelijke sinus

Amplitude f

(rad/s) f (Hz) Amplitude fase (s) dB fase (°)100 3 0,48 38,57 0,50 -8,28 -85,94 100 5 0,80 22,57 0,34 -12,93 -97,40 100 7 1,11 16,63 0,23 -15,58 -92,25 100 10 1,59 11,07 0,17 -19,12 -97,40 100 20 3,18 5,54 0,09 -25,14 -103,13100 25 3,98 4,50 0,07 -26,94 -95,97 100 30 4,77 3,79 0,06 -28,44 -103,13100 40 6,37 2,77 0,05 -31,17 -105,42100 50 7,96 2,22 0,04 -33,09 -114,59100 60 9,55 2,14 0,03 -33,38 -98,49 100 70 11,14 1,65 0,03 -35,65 -106,07100 80 12,73 1,26 0,02 -37,98 -108,82100 90 14,32 1,14 0,02 -38,86 -116,02100 95 15,12 1,03 0,02 -39,76 -116,48100 100 15,92 0,97 0,02 -40,25 -113,45100 150 23,87 0,54 0,02 -45,30 -129,77100 200 31,83 0,35 0,01 -49,12 -140,95

81

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 Werkelijke sinus

Amplitude f

(rad/s) f (Hz) Amplitude fase (s) dB fase (°)100,00 1,00 0,16 118,57 1,48 1,48 -84,80 100,00 1,50 0,24 77,50 1,01 -2,21 -86,80 100,00 2,00 0,32 60,00 0,76 -4,44 -87,09 100,00 3,00 0,48 41,07 0,51 -7,73 -87,66 100,00 4,00 0,64 29,75 0,38 -10,53 -85,94 100,00 5,00 0,80 23,75 0,31 -12,49 -88,81 100,00 7,00 1,11 17,00 0,20 -15,39 -80,21 100,00 10,00 1,59 11,88 0,16 -18,51 -91,67 100,00 12,50 1,99 9,38 0,12 -20,56 -88,81 100,00 15,00 2,39 7,57 0,11 -22,42 -94,45 100,00 20,00 3,18 6,00 0,08 -24,44 -91,67 100,00 25,00 3,98 4,86 0,07 -26,28 -100,27100,00 30,00 4,77 4,07 0,06 -27,81 -103,13100,00 35,00 5,57 3,13 0,05 -30,10 -96,26 100,00 40,00 6,37 2,80 0,04 -31,07 -91,67 100,00 50,00 7,96 2,10 0,03 -33,56 -94,82 100,00 55,00 8,75 2,23 0,03 -33,03 -102,73100,00 60,00 9,55 1,93 0,03 -34,31 -101,76100,00 65,00 10,35 1,62 0,03 -35,79 -99,81 100,00 70,00 11,14 1,50 0,03 -36,48 -104,28100,00 75,00 11,94 1,33 0,02 -37,56 -103,13100,00 80,00 12,73 1,37 0,02 -37,26 -113,67100,00 85,00 13,53 1,23 0,02 -38,24 -101,79100,00 90,00 14,32 1,11 0,02 -39,06 -110,87100,00 95,00 15,12 1,07 0,02 -39,40 -108,86100,00 97,00 15,44 1,03 0,02 -39,76 -110,04100,00 100,00 15,92 1,09 0,02 -39,23 -111,15100,00 110,00 17,51 0,96 0,02 -40,32 -109,41100,00 120,00 19,10 0,82 0,02 -41,71 -119,70100,00 135,00 21,49 0,96 0,02 -40,32 -117,57100,00 150,00 23,87 0,87 0,01 -41,20 -120,75100,00 175,00 27,85 0,66 0,01 -43,60 -124,33100,00 200,00 31,83 0,54 0,01 -45,35 -127,20100,00 220,00 35,01 0,58 0,01 -44,73 -134,87100,00 250,00 39,79 0,36 0,01 -48,81 -157,13100,00 300,00 47,75 0,36 0,01 -48,95 -161,57100,00 350,00 55,70 0,28 0,01 -51,10 -164,04

OPGEMETEN

82

Deze meetwaarden geven als resultaat:

Amplitudekarakteristiek

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

0,1 1 10 100 1000

Frequentie [Hz]

A [d

B]

Amplitude_met last Amplitude_zonder last

83

Frequentiekarakteristiek

-180

-150

-120

-90

-60

-30

00 1 10 100

Frequentie [Hz]

Fase

[°]

freq met last freq zonder last

84

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.

85

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

86

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:


87

Fig. 4-17 Stapresponsie bij P=1,5.


Fig. 4-19 Stapresponsie bij P=2,5.

88

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 P-

actie 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.

89

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.

90

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.

91

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.

92

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.

93

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.

94

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.

95

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.

96

BESLUIT

97

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.

98

BIBLIOGRAFIE

99

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

100

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

101

BIJLAGE 1 POSITIETERUGKOPPELING MET EXTERNE MEETLAT

102

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

103

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 not used, moet worden verbonden met de massa, niet met de coax-afscherming

2 GY grey 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.

104

(**) 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.

105

BIJLAGE 2 DRUKSENSOR

106

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:

1

2 3

z6

b12

b16

b18

Bruin

Zwart

Blauw

Voeding

Signaal

Fig. bijlage-2 Aansluitschema van de druksensor.

107

BIJLAGE 3 TECHNISCHE INFORMATIE VERSTERKERKAART BOSCH

114

BIJLAGE 4 GRAFIEK VAN MOOG VOOR HET SELECTEREN VAN EEN VENTIEL [11]

Biesbrouck Sam

Documents

Transcript of Biesbrouck Sam