Proportional- und Servohydraulik

Ein normales Wegeventil schaltet. Der Steuerkolben springt von einer Endlage in die andere, der Durchfluss ist entweder voll freigegeben oder gesperrt. Die Geschwindigkeit eines Zylinders lässt sich damit nur über feste Drosseln oder über Ein- und Ausschalten grob beeinflussen. Wer eine Last sanft anfahren, in der Mitte abbremsen und exakt an einer Position halten will, kommt mit diesem Auf-Zu-Verhalten nicht weit.

Die Grundidee von Proportional- und Servohydraulik ist einfach: Statt den Steuerkolben nur in seine Endlagen zu werfen, wird er stufenlos verschoben — und zwar proportional zu einem elektrischen Eingangssignal. Ein kleiner Strom bedeutet eine kleine Öffnung und damit wenig Volumenstrom, ein großer Strom eine große Öffnung. Man spricht von stetig wirkenden Ventilen, weil sie jeden Zwischenwert einnehmen können, nicht nur die Endlagen.

Proportionaltechnik und Servotechnik sind dabei zwei Stufen derselben Idee. Proportionalventile sind robust, vergleichsweise günstig und für die meisten Aufgaben in der Maschinensteuerung völlig ausreichend. Servoventile treiben das Prinzip auf die Spitze: Sie reagieren extrem schnell und genau und werden dort eingesetzt, wo höchste Dynamik und Präzision gefragt sind. Die Grundlagen der Schaltventile selbst — Wegeventile, Sperr- und Druckventile — werden hier vorausgesetzt; sie sind im eigenen Beitrag zu den Ventilen in der Hydraulik ausführlich behandelt.

Das Herzstück, das aus einem elektrischen Signal eine mechanische Bewegung macht, ist der Proportionalmagnet. Um ihn zu verstehen, hilft der Vergleich mit dem gewöhnlichen Schaltmagneten eines Wegeventils.

Ein Schaltmagnet zieht seinen Anker einfach bis in die Endlage durch — voll oder gar nicht. Die Kraft interessiert dabei niemanden, Hauptsache der Anker liegt an. Ein Proportionalmagnet ist anders aufgebaut: Über einen bestimmten Hubbereich liefert er eine Kraft, die proportional zum Spulenstrom ist. Verdoppelt man den Strom, verdoppelt sich näherungsweise die Magnetkraft. Diese Kraft arbeitet gegen eine Feder. Stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Magnetkraft und Federkraft ein, ergibt sich ein bestimmter Ankerweg — und dieser Weg verschiebt den Steuerkolben des Ventils.

Der Zusammenhang gilt nur im ausgelegten Arbeitsbereich und nur näherungsweise. In der Realität stört vor allem die Hysterese: Fährt man den Strom hoch und wieder herunter, liegt der Ankerweg bei gleichem Strom nicht exakt auf demselben Wert. Ursache ist unter anderem die Haftreibung des Kolbens und das magnetische Verhalten des Eisens. Hochwertige Ventile messen deshalb den Ankerweg mit einem integrierten Wegsensor und korrigieren über eine Lageregelung nach — der Magnet wird so lange nachgeregelt, bis der Anker exakt an der gewünschten Position steht. Das linearisiert das Verhalten erheblich.

Angesteuert wird der Proportionalmagnet nicht direkt aus der Steuerung, sondern über eine Verstärkerkarte (auch Leistungsverstärker oder Ansteuerelektronik). Sie bekommt von der Steuerung ein kleines Sollwertsignal, meist eine Spannung von 0 bis 10 V oder einen Stromnormwert von 4 bis 20 mA, und macht daraus den passenden Spulenstrom. Wichtig: Geregelt wird der Strom, nicht die Spannung. Nur der Strom bestimmt die Magnetkraft. Würde man die Spannung konstant halten, würde der Strom mit der Erwärmung der Spule absinken (der Widerstand steigt), und die Kraft driftet weg. Die Verstärkerkarte misst den Iststrom und hält ihn konstant.

Die Verstärkerkarte erzeugt den Spulenstrom in der Regel nicht als glatten Gleichstrom, sondern über Pulsweitenmodulation (PWM). Dabei wird die Versorgungsspannung sehr schnell ein- und ausgeschaltet. Das Verhältnis von Einschaltzeit zur gesamten Periodendauer — der Tastgrad — bestimmt, wie viel Strom im Mittel durch die Spule fließt. Ein Tastgrad von 30 % ergibt näherungsweise 30 % des Maximalstroms.

PWM hat zwei handfeste Vorteile. Erstens entsteht in der schaltenden Endstufe kaum Verlustleistung, weil der Transistor entweder ganz durchgeschaltet oder ganz gesperrt ist — das hält die Verstärkerkarte kühl. Zweitens lässt sich die PWM-Frequenz so wählen, dass sie gleichzeitig als Dither wirkt: eine gewollte, kleine, hochfrequente Schwingung des Stroms, die den Steuerkolben permanent minimal in Bewegung hält. Dieses leichte Zittern verhindert, dass der Kolben durch Haftreibung festklebt, und senkt damit die Hysterese spürbar. Bei der Diagnose an einem Proportionalmagneten misst man deshalb selten einen sauberen Gleichstrom, sondern einen mittleren Strom mit überlagerter Welligkeit — das ist normal und gewollt.

Mit dem Proportionalmagneten als Stellglied lassen sich alle wichtigen Ventilfunktionen stufenlos ausführen. In der Praxis trifft man auf drei Grundtypen.

Das Proportional-Wegeventil ist der häufigste Typ. Sein Steuerkolben wird vom Proportionalmagneten gegen eine Zentrierfeder verschoben. In Mittelstellung sind die Anschlüsse meist gesperrt, je nach Auslenkung gibt der Kolben eine seiner Steuerkanten frei und verbindet Druck- und Verbraucheranschluss. Je weiter er auslenkt, desto größer wird der freigegebene Querschnitt an der Steuerkante — und desto mehr Öl fließt. Über die Auslenkungsrichtung wird zugleich die Bewegungsrichtung des Zylinders vorgegeben.

Ein wichtiges Konstruktionsmerkmal ist die Überdeckung der Steuerkanten in Mittelstellung. Bei positiver Überdeckung verschließt der Kolben die Kanten mit etwas Überstand — rund um die Mittelstellung gibt es dann ein Totband, in dem sich der Sollwert ändern kann, ohne dass Öl fließt. Das ist unempfindlich gegen kleine Signalschwankungen, aber ungenau im Nullbereich. Bei Nullüberdeckung schließen die Kanten genau bündig. Negative Überdeckung lässt schon in Mittelstellung eine kleine Leckage zu. Proportional-Wegeventile haben üblicherweise eine leichte positive Überdeckung.

Daneegen gibt es das Proportional-Druckventil, etwa als Druckbegrenzungs- oder Druckregelventil. Hier verstellt der Magnet nicht einen Durchflussquerschnitt, sondern die Vorspannung der Feder, gegen die der Druck arbeitet. So lässt sich der Ansprech- oder Regeldruck stufenlos elektrisch vorgeben, statt ihn von Hand an einer Schraube einzustellen. Das Proportional-Stromventil schließlich hält einen eingestellten Volumenstrom unabhängig von der Last konstant und macht den Sollwert dafür elektrisch verstellbar.

Für die Auslegung in der Praxis ist die Frage entscheidend: Wie viel Öl fließt bei welcher Kolbenstellung und welchem Druck? Eine Steuerkante wirkt wie eine veränderliche Drossel. Der Volumenstrom durch eine Drossel steigt mit dem Öffnungsquerschnitt und mit der Wurzel aus der Druckdifferenz:

Diese Form ist physikalisch korrekt, in der Praxis aber unhandlich, weil man den Öffnungsquerschnitt der Steuerkante selten kennt. Hersteller geben deshalb einen Nennvolumenstrom an: den Volumenstrom, der bei voller Ansteuerung und einem definierten Nenn-Druckabfall über die Steuerkante fließt. Üblich sind nach ISO ein Nenn-Druckabfall von 5 bar oder 10 bar pro Steuerkante. Steht im Datenblatt etwa „Q_N = 40 l/min bei Δp_N = 5 bar“, weiß man genau, womit man rechnet.

Weicht der tatsächliche Druckabfall vom Nennwert ab, rechnet man über die Wurzelbeziehung um:

Umgekehrt lässt sich daraus auch der Druckabfall bestimmen, der sich bei einem gewünschten Betriebsvolumenstrom einstellt — eine der häufigsten Fragen bei der Fehlersuche und Systemoptimierung:

Die Werte gelten für volle Ansteuerung. Bei teilweiser Auslenkung verkleinert sich der wirksame Querschnitt entsprechend, und der erreichbare Volumenstrom sinkt.

Ein Servoventil arbeitet nach demselben Grundprinzip wie ein Proportionalventil — ein elektrisches Signal verschiebt einen Steuerkolben — treibt aber Genauigkeit und Geschwindigkeit auf ein ganz anderes Niveau. Der entscheidende konstruktive Unterschied liegt in einer Vorsteuerstufe.

Der Steuerkolben eines Servoventils ist zu schwer und die nötige Stellkraft zu hoch, um ihn direkt mit der kleinen Kraft eines empfindlichen Stellglieds hochdynamisch zu bewegen. Deshalb sitzt vor der eigentlichen Hauptstufe eine hydraulische Verstärkung. Eine verbreitete Bauform ist das Düse-Prallplatte-System: Ein elektrisch ausgelenktes Plättchen — die Prallplatte — sitzt zwischen zwei gegenüberliegenden Düsen, durch die ständig etwas Steueröl strömt. Bewegt sich die Prallplatte minimal zur einen Düse hin, staut sich dort der Druck, während er an der anderen Düse abfällt. Diese kleine Druckdifferenz wirkt auf die Stirnflächen des Hauptkolbens und schiebt ihn. So steuert eine winzige mechanische Auslenkung einen kräftigen Hauptkolben — eine hydraulische Verstärkung. Eine andere Bauform ist das Strahlrohr, bei dem ein schwenkbares Röhrchen einen Ölstrahl mehr auf den einen oder anderen Aufnehmer richtet und so dieselbe Druckdifferenz erzeugt.

Servoventile besitzen außerdem eine integrierte Lagerückführung des Hauptkolbens und werden mit sehr geringer, oft nahezu null Überdeckung gefertigt. Dadurch reagieren sie schon auf kleinste Signaländerungen und arbeiten im Nullbereich praktisch ohne Totband. Der Preis dafür ist hohe Empfindlichkeit gegen Schmutz: Die feinen Steuerspalte und Düsen verlangen sehr sauberes Öl.

Hier kommt der Begriff des geschlossenen Regelkreises ins Spiel. Ein Proportionalventil wird oft in offener Steuerung betrieben: Die Steuerung gibt einen Sollwert vor, das Ventil öffnet entsprechend — ob die Achse tatsächlich genau dort landet, wird nicht zurückgemeldet. Ein geregelter Achsbetrieb dagegen schließt den Kreis. Ein Sensor — etwa ein Wegsensor am Zylinder — misst die tatsächliche Position. Diese Istgröße wird laufend mit dem Sollwert vergleich. Aus der Abweichung berechnet ein Regler ein korrigiertes Stellsignal für das Ventil, bis Soll und Ist übereinstimmen. Servoventile sind für genau diesen geschlossenen Betrieb gemacht; ihre Dynamik erlaubt es dem Regler, Abweichungen sehr schnell auszugleichen.

Die detaillierte Reglerdynamik ist Gegenstand des Beitrags zum Aufbau eines Regelkreises. Für die Hydraulik genügt das Verständnis: offene Steuerung gibt nur vor, der geschlossene Regelkreis misst nach und korrigiert.

Proportional- und Servoventil lösen verwandte Aufgaben, sind aber nicht beliebig austauschbar. Die Auswahl richtet sich nach geforderter Genauigkeit, Dynamik und nicht zuletzt nach Kosten und Aufwand.

Als Faustregel gilt: Solange eine Aufgabe mit guter, aber nicht extremer Genauigkeit und mittlerer Dynamik auskommt, ist das Proportionalventil die wirtschaftlichere und robustere Wahl. Es verzeiht auch etwas weniger sauberes Öl und ist im Betrieb unkritischer. Erst wenn höchste Präzision und schnelle Regelvorgänge gefordert sind — etwa bei einer kraftgeregelten Werkstoffprüfmaschine oder einem hochdynamischen Prüfstand — rechtfertigt das Servoventil seinen höheren Preis und den Mehraufwand bei der Ölpflege.

Ein Punkt verdient besondere Aufmerksamkeit: die Ölreinheit. Beide Ventiltypen reagieren empfindlicher auf Verschmutzung als klassische Schaltventile, das Servoventil besonders stark. Eine angemessene Filterung und die regelmäßige Kontrolle der Ölqualität sind deshalb keine Nebensache, sondern Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb — die Filtration ist im eigenen Beitrag zur Filterung und Ölpflege ausführlich behandelt.