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Technische Hinweise von SUN Hydraulik
Proportionalverstärker und Zubehör
8. Theoretischer
Hintergrund
Sun Hydraulics verwendet die Begriffe
Dither und PWM synonym. Der von SUN
Verstärkern verwendete Niederfrequenz-
bereich wird als niederfrequente PWM
eingestuft. (Diese Regelung ist nicht mit
der von Verstärkern zu verwechseln, die
hochfrequente PWM benutzen und nie-
derfrequenten Dither überlagern. Es ist
auch nicht mit PFM zu verwechseln. Bei
der Erläuterung der Funktionstheorie sol-
cher Geräte sind Dither und PWM nicht
dasselbe.)
8.1. Pulsweitenmodulation
Die Pulsweitenmodulation, oder PWM, ist
eine Rechteckspannung, die verwendet
wird, um der Magnetspule Strom zuzufüh-
ren. Die PWM findet Anwendung, weil es
sich im Gegensatz zu einer Widerstands-
schaltung um eine effektive Methode zur
Regelung von Gleichstrom handelt. Sie
ermöglicht die Regelung hoher Ströme,
während bei diesem Vorgang nur mini-
male Energie verbraucht wird.
Die Änderung des Tastgrads (die Dau-
er des Impulses im Vergleich zur Pause)
der Rechteckspannung ändert die Breite
des Pulses aber nicht die Amplitude oder
die Frequenz. Dadurch wird die durch-
schnittliche Stromzufuhr zur Spule gere-
gelt. Dieses Konzept ist in einer simplen
Grafik in Bild 23 dargestellt. Der mittlere
Ausgangsstrom für ein PWM-gesteuertes
System ist eine Funktion des Tastgrads.
Bild 23: Tastgrad der PWM
Die PWM erzeugt außerdem den Effekt
eines überlagerten Dithers. Dither oder
Stromrippel haben eine positive Wirkung
auf die Leistung eines Proportionalventils,
da sie das Ruckgleiten verringern, das zur
Hysterese beiträgt. Auch Linearität und
Wiederholgenauigkeit der Ventile werden
verbessert, die sonst unter der mecha-
nischen Reibung im Ventil leiden können.
Dither ist ein Ergebnis der Rechteckspan-
nung der PWM und des nacheilenden
Stroms. Der Strom eilt der Spannung auf-
grund des induktiven Widerstands in der
Magnetspule nach.
Der Effekt des Dither hat ein Minimum in
der Nähe von null und bei maximalem
Strom. Der Effekt des Dither ist am größ-
ten bei 50 % Tastgrad.
Proportionalverstärker können entweder
niederfrequente
oder
hochfrequente
PWM nutzen. SUN hat sich entschlos-
sen, Verstärker auf Basis
niederfrequenter
PWM
zu nutzen, da die Ven-
tilleistung im Vergleich
zu hochfrequenter PWM
besser ist. Bei nieder-
frequenten
Verstärkern
kann die Ditheramplitude
nicht eingestellt werden
und die Ditheramplitu-
de befindet sich immer
bei
maximaler
Versor-
gungsspannung. Eine zu
niedrige PWM-Frequenz
kann zur Bildung von
Druckschwankungen bei
Druckregelventilen
füh-
ren. Dieses Problem lässt
sich durch die Änderung
der Ditherfrequenz fest-
stellen. Bei Verstärkern
auf Basis niederfrequenter
PWM führt eine Änderung
der Ditherfrequenz auch
zu einer Änderung der PWM-Frequenz.
SUN empfiehlt 140 Hz für die Ditherfre-
quenz. Diese Empfehlung basiert aller-
dings auf der Optimie-
rung der Ventilleistung
auf Prüfständen. Andere
hydraulische
in
unterschiedlichen
Maschinen
unter Umständen eine
Anpassung der Dither-
frequenz. Eine Ände-
rung der Frequenz lässt
sich einfach mit dem IR-
Adapter und Handpro-
grammiergerät oder der
SUN Einstellsoftware für
Verstärker vornehmen.
8.2. Auflösung
Sowohl Spannungssignal als auch Strom-
signal von Proportionalverstärkern ver-
wenden einen 10 Bit Analog-Digital-Um-
wandler (A/D-Wandler). Die theoretischen
Eingangs- und Ausgangsauflösungen der
Verstärker können berechnet werden, in-
dem man die maximalen Eingangs- und
Ausgangswerte des Verstärkers durch
1024 oder 210 teilt. Bei einem Verstär-
ker mit Spannungssignal beispielsweise
liegt das maximale Eingangssignal bei
10 V. 10 V geteilt durch 1024 ergibt eine
Signalauflösung von 0,01 V. Ebenso hat
ein 600 mA Verstärker auf der Ausgangs-
seite einen maximalen Ausgangsstrom
von 625 mA. 625 geteilt durch 1024 ergibt
Bild 24: Rechteckspannung und Strommessung bei
einem PWM-gesteuerten Verstärker. 12
eine Ausgangsauflösung von 0,6 mA. Die
Auflösung ist durch das Hardware-Design
festgelegt und lässt sich nicht einfach
durch die Begrenzung des maximalen
Ausgangsstroms oder des maximalen
Eingangssignals ändern. Beispiel:
Antriebe
Die Einstellung von 5 V als maximales
Eingangssignal bei einem Verstärker mit
erfordern
Spannungssignal führt nicht zur Verbes-
serung der Signalauflösung. Dadurch
wird lediglich die Anzahl der Schritte bis
zu einem Maximum von 512 anstatt 1024
beschränkt. Im Endeffekt wird die Rege-
lauflösung des Geräts, das ein Analogsi-
gnal sendet, „empfindlicher".
Im Hinblick auf eine Druckregelung:
Bei einem Höchstdruck von 210 bar steht
jede Signaländerung von 0,01 V für eine
Druckänderung von 0,20 bar.
In der Praxis ist die hydraulische Regelau-
flösung aufgrund von Hysterese, Reibung
und der Unterschiede von Ventil zu Ventil
schwieriger zu berechnen. Dieses ein-
fache Beispiel geht auch davon aus, dass
Technische Hinweise, 01/13 999-901-421
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