Wie funktioniert ein servohydraulisches System? Druck und Durchfluss im geschlossenen Regelkreis erklärt

Wer schon einmal beobachtet hat, wie ein Hydraulikzylinder kriecht, wenn das Wegeventil zentriert ist, oder wie der Schließdruck bei jedem Schließen einer Form abfällt, hat bereits gesehen, was passiert, wenn kein geschlossener Regelkreis vorhanden ist. Servohydrauliksystem Die technische Antwort auf dieses Problem ist: Sie ersetzt die grobe Lösung einer überdimensionierten Pumpe mit Drosselventil durch ein abgestimmtes elektrisches und hydraulisches System, das von der Pumpe genau den benötigten Durchfluss und Druck anfordert und dies anschließend mit Sensoren überprüft.

Die Kurzfassung: ein elektronisches Servoantrieb Ein Servomotor steuert eine Hydraulikpumpe mit festem Fördervolumen an, die mit der jeweils benötigten Drehzahl den aktuellen Bedarf deckt. Druck-, Durchfluss- und Positionssensoren überprüfen, ob das Ergebnis dem Sollwert entspricht. Im Leerlauf des Zylinders läuft auch die Pumpe im Leerlauf. Im Betrieb arbeitet die Pumpe mit exakt der richtigen Drehzahl. Diese kontinuierliche Anpassung macht das System präzise und effizient. Der Rest dieses Artikels ist die ausführlichere Version dieses Satzes.

Das mentale Modell: Hydraulik ist ein geschlossenes Kreislaufsystem, kein Problem mit der Wasserleitung.

Der häufigste Fehler, den wir bei der frühen Konstruktionsphase von Maschinen beobachten, ist die Behandlung der Hydraulik wie bei Rohrleitungen – man wählt eine Pumpe, ein Ventil, verbindet alles und geht davon aus, dass das Ergebnis wie erwartet funktioniert. In der Praxis ist jedoch jeder hydraulische Aktor Teil eines Regelkreises, unabhängig davon, ob der Konstrukteur dies geplant hat oder nicht. Da Druck und Durchfluss kontinuierliche Variablen sind, die mit der Temperatur, der Ölviskosität, der Leckrate und der externen Last variieren, ist ein Hydrauliksystem ohne Rückkopplung im Grunde ein System mit offenem Regelkreis und unbekanntem Fehler. Ein servohydraulisches System macht diesen Regelkreis einfach explizit: Es fügt die Sensoren, den Regler und die drehzahlvariable Pumpe hinzu, die es der Maschine ermöglichen, den Regelkreis absichtlich und nicht zufällig zu schließen.

Das ist auch der Grund, warum sich dieselbe Maschine im kalten Zustand „weich“ und im warmen Zustand „fest“ anfühlen kann. Die Ölviskosität sinkt zwischen −10 °C und +60 °C um etwa den Faktor fünf, und der Leckagekoeffizient eines typischen Regelventils ändert sich entsprechend. Der Servoregler kompensiert dies kontinuierlich; ein System mit festem Hub kann dies nicht. Wenn Sie tiefer in die Bedeutung von Rückkopplung in der Bewegungssteuerung einsteigen möchten, empfehlen wir Ihnen die IEEE Control Systems Society. ASME Beide veröffentlichen einführendes Material zur Dynamik geschlossener Regelkreise, das sich gut auf die Hydraulik übertragen lässt.

Druckregelung im geschlossenen Regelkreis: Wie das System einen Sollwert "hält".

Die erste Aufgabe des geschlossenen Regelkreises besteht darin, den Betriebsdruck auch bei Störungen stabil zu halten. Da der Regler den tatsächlichen Druck von einem Druckaufnehmer ablesen und mit dem Solldruck vergleichen kann, kann er die Pumpendrehzahl bei jeder Laständerung innerhalb von Millisekunden korrigieren. Dies ist das gleiche Prinzip, das ein Tempomat im Auto anwendet: messen, vergleichen, korrigieren, wiederholen.

1. Befehl. Die Maschinensteuerung (SPS / IPC) sendet einen Solldruck an den Servoantrieb, beispielsweise 140 bar für die Klemmung.
2. Messen. Ein Druckaufnehmer (typischerweise 0–250 bar oder 0–400 bar, 4–20 mA oder IO-Link) am Aktoranschluss meldet den tatsächlichen Druck in jedem Zyklus.
3. Vergleichen. Die Firmware des Servoreglers subtrahiert den Messwert vom Sollwert, um den Fehler zu ermitteln.
4. Richtig. Ein PID-Algorithmus wandelt diesen Fehler in einen neuen Motordrehzahlbefehl um.
5. Akt. Der Servomotor passt die Pumpendrehzahl (oder in manchen Ausführungen den Taumelscheibenwinkel) innerhalb weniger Millisekunden an.

Das Ansprechverhalten – die Zeit, die benötigt wird, um den Sollwert zu erreichen und sich dort zu stabilisieren – ist die wichtigste Kennzahl, die die meisten Ingenieure bei der Bewertung eines servohydraulischen Systems vergleichen. Auf unseren Prüfständen beobachten wir regelmäßig, dass sich ein Drucksprung von 0 → 140 bar bei einer 75-kW-Anlage innerhalb von 50–80 ms stabilisiert; dieser Wert hängt sowohl von der volumetrischen Steifigkeit der Pumpe als auch von der Reglerabstimmung ab.

Geschlossene Durchflussregelung: Wie das System die richtige Ölmenge liefert

Der Durchfluss ist die zweite Hälfte des geschlossenen Regelkreises und der Teil, der die Geschwindigkeit steuert. Weil der Volumenstrom Q gleich der Pumpenverdrängung V ist_G Multipliziert mit der Motordrehzahl n, entspricht die Steuerung der Motordrehzahl im Grunde der Steuerung des Durchflusses. Die Beziehung ist so linear, dass wir für die meisten industriellen Anwendungen die Drehzahl des Servomotors als direkten Eingangsbefehl betrachten können.

Hier liegt auch der entscheidende Vorteil der Servohydraulik gegenüber der Proportionalventilsteuerung. Bei der Drosselung wird der volle Druck erzeugt und der Überschuss über ein Ventil zur Durchflussregelung abgeführt. Dieser Überschuss wird als Wärme abgeführt. Mit der Servopumpensteuerung wird hingegen nur der benötigte Durchfluss erzeugt – der Druckverlust entspricht dem tatsächlichen Bedarf der Last und nicht dem von der Pumpe erzwungenen Druck. Dies ist die physikalische Ursache für die oft genannten Energieeinsparungen von Servohydrauliksystemen.

In der Praxis sind drei Unterfälle relevant:

• Beschleunigungsphase. Hoher Fördermengenbedarf – der Regler erhöht die Pumpendrehzahl auf Maximum. Der Druck sinkt auf das für die Beschleunigung erforderliche Minimum, sodass der Motor nicht gegen sich selbst arbeitet.
• Haltephase. Bei nahezu null Fördermenge reduziert die Steuerung die Pumpendrehzahl auf das Minimum, das zum Ausgleich der Leckage erforderlich ist. Die Leistungsaufnahme sinkt auf einen Bruchteil der Volllast.
• Verzögerungsphase. Der Zylinder fungiert nun als Pumpe. Die meisten integrierten Einheiten nutzen ein Rückschlagventil und einen Energiespeicher, um diese Energie zurückzugewinnen, anstatt sie als Wärme zu verbrennen; die Steuerung lässt die Pumpendrehzahl einfach so lange sinken, bis sie der natürlichen Verzögerungskurve entspricht.

Innerhalb einer integrierten elektrohydraulischen Servoeinheit

Ein integrierte elektrohydraulische Servoeinheit ist die moderne Verpackung all dessen, was oben beschrieben wurde. Anstelle eines an einem Tank befestigten Motors mit Schläuchen, die zu einem Ventilblock und Druckschaltern führen, ist der gesamte Kreislauf ein einziger Rahmen:

• Servomotor. Permanentmagnet-Synchronmotor mit Encoder, typischerweise Effizienzklasse IE4/IE5. Treibt die Pumpe direkt an, keine Kupplungsausrichtung erforderlich.
• Servopumpe. Innengetriebe oder Axialkolben, festes Hubvolumen. Volumetrischer Wirkungsgrad über 95 % unter Nennbedingungen; das macht den Kreislauf schnell.
• Reservoir und Filtration. Im Rahmen integriert und auf die Anwendung abgestimmt. Typischerweise erfolgt die Rückfiltration im absoluten Bereich von 10–25 μm.
• Ansteuerelektronik. Der Servoantrieb befindet sich entweder oben auf dem Motor oder in einem angrenzenden Fach, empfängt Feldbusbefehle und steuert den inneren Strom-/Drehzahl-/Druckregelkreis in der Firmware.
• Sensoren. Druckaufnehmer am Pumpenanschluss und an der Aktuatorleitung; Durchflussmesser oder drehzahlabhängiger Durchfluss; optionale Temperatur- und Füllstandsschalter im Tank.
• Kühlpfad. Luftkühlung für kleine Gehäuse, Wasserkühlung (oder Ölkühlung über das Gehäuse) für höhere Dauerleistung. Da das System nur im Betrieb Wärme erzeugt, ist der Spitzenkühlbedarf geringer.

Die praktische Konsequenz sind kurze Rohrleitungen. Da die Energiequelle im selben Stahlrahmen wie die Sensoren und der Antrieb untergebracht ist, sind die Hydraulikleitungen für das Hochdrucköl kurz, die elektrischen Leitungen für die Steuersignale ebenfalls, und der Regelkreis ist schnell. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass integrierte Einheiten in modernen Kunststoffspritzgießmaschinen die diskreten Komponentenstapel verdrängt haben.

Open-Loop vs. Closed-Loop: Was man tatsächlich aufgibt

Die ehrlichste Herangehensweise ist, sich zu fragen, was ohne Rückmeldung verloren geht. Mit einer Festverdrängerpumpe und einem Proportionalventil lassen sich Druck und Durchfluss nicht unabhängig voneinander steuern, Viskositätsänderungen nicht ausgleichen und Druckverluste an einem gehaltenen Zylinder nicht korrigieren. Da das Servosystem alle paar Millisekunden die reale Welt abliest, kann es alle drei Dinge gleichzeitig tun, und diese Kombination erzeugt die wiederholbare Bewegung.

Diese Unterschiede schlagen sich in Energiekosten, Zykluszeiten und Ausschussquoten nieder – nicht in abstrakten Zahlen. Beim Spritzgießen werden in Branchenumfragen häufig Energieeinsparungen von 50–80 % gegenüber einer herkömmlichen Proportionalventilmaschine berichtet; Zykluszeitverkürzungen von 5–15 % sind typisch, da Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen nicht mehr auf das Öffnen der Ventile warten müssen.

Abstimmung eines servohydraulischen Regelkreises in der Praxis

Die Güte des geschlossenen Regelkreises hängt von seiner Abstimmung ab. Drei Regeln, die wir bei der Inbetriebnahme einer neuen Maschine auf dem Prüfstand in unserem Werk in Ningbo anwenden:

• Beginne mit der inneren Schleife, dann mit der äußeren Schleife. Stromregelkreis zuerst (werkseitig per Firmware optimiert), dann Drehzahlregelkreis (die automatische Anpassung auf der Antriebsseite erreicht in der Regel eine Genauigkeit von ca. 80 %), zuletzt Druckregelkreis (erfordert den Anschluss des Aktuators).
• Stimmen Sie auf den schlimmsten Fall ein, nicht auf den Durchschnittsfall. Der Druckregelkreis wird beim Bremsen und Halten am stärksten beansprucht. Wenn man nur auf Beschleunigung achtet, jagt man ewig Schwingungen hinterher.
• Überprüfen Sie die Funktion mit einer Sprungantwort, nicht mit einem Sinus-Sweep. Ein 10–90%-Sprungtest liefert Informationen zu Einschwingzeit, Überschwingen und stationärem Fehler in einem einzigen Wert. Sinus-Sweeps dienen der Diagnose, nicht der Abnahme.

Unser Anwendungsteam kann auf Wunsch auch eine Ferninbetriebnahmesitzung mit Ihrem Maschinenbauer durchführen, um eine zweite Meinung einzuholen. Kontaktieren Sie uns über [Link einfügen]. Seite des VICKS-Ingenieurteams um einen einzurichten.

Wo servohydraulische Systeme am sinnvollsten sind (und wo nicht).

Da ein servohydraulisches System pro Kilowatt teurer ist als ein System mit festem Hubvolumen, ist es nicht überall die optimale Lösung. Wirtschaftlich gesehen ist es jedoch dann vorteilhaft, wenn eine oder mehrere der folgenden Bedingungen zutreffen:

• Das Arbeitsverhältnis ist zyklisch. mit erheblichen Leerlaufzeiten. Spritzgussanlagen, Druckgussanlagen, Presslinien und Prüfstände erfüllen diese Kriterien alle.
• Energiekosten sind MaterialDie Kosten für kontinuierlich laufende Hydraulikaggregate in Anlagen, die rund um die Uhr in Betrieb sind, summieren sich schnell; die Servoeinheit amortisiert die zusätzlichen Investitionskosten.
• Die Prozessqualität hängt von der Druckwiederholbarkeit ab.Der Druck im geschlossenen Regelkreis wird innerhalb des Bereichs, in dem Proportionalventile um ± 5 % abweichen, um ± 0,5 % gehalten.
• Lärm oder Ölreinheit sind wichtigDa die Pumpe im Leerlauf läuft, sind integrierte Einheiten deutlich leiser und halten das Öl sauberer als diskrete Komponentensätze.

Wo sie das tun nicht Sinnvoll sind Anwendungen im Dauerbetrieb mit vollem Durchfluss (z. B. eine Hydraulikpresse, die den ganzen Tag unter Volllast läuft), Anwendungen, bei denen die Kosten eines Encoderausfalls ohne redundante Schaltung inakzeptabel sind, und Anwendungen mit extrem niedrigem Stromverbrauch unter ca. 1 kW, bei denen eine kleine, frequenzumrichtergesteuerte Zahnradpumpe kostengünstiger ist. Liegt Ihr Anwendungsfall im Grenzbereich, sprechen Sie uns an – die optimale Lösung hängt sowohl vom Betriebszyklus als auch von der Nennleistung ab.

Häufig gestellte Fragen