Evaluating new pilot stage concept

(1)

Evaluating new pilot stage concept

Robert Bengtsson

Division of Fluid and Mechanical Engineering Systems

Degree Project

Department of Management and Engineering

LIU-IEI-TEK-A–08/00370–SE

(2)

(3)

Evaluating new pilot stage concept

Degree Project in Mechatronics

Department of Management and Engineering

Division of Fluid and Mechanical Engineering Systems

Linköping University

by

Robert Bengtsson

LIU-IEI-TEK-A–08/00370–SE

Supervisors: Björn Eriksson

IEI, Linköping University

Johan Hansson

Parker Hannifin AB, MCDE

Examiner: Karl-Erik Rydberg

IEI, Linköping University

(4)

(5)

Avdelning, Institution

Division, Department

Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling

Fluid och mekanisk systemteknik

Department of Management and Engineering

Fluid and Mechanical Engineering Systems

Datum2008-02-29 Date Språk Language Svenska/Swedish Engelska/English ⊠ Rapporttyp Report category Licentiatavhandling Examensarbete C-uppsats D-uppsats Övrig rapport ⊠

URL för elektronisk version

http://www.ep.liu.se

ISBN

—

ISRN

LIU-IEI-TEK-A–08/00370–SE

Serietitel och serienummer

Title of series, numbering

ISSN

—

Titel

Title Evaluating new pilot stage concept

Författare

Author Robert Bengtsson

Sammanfattning

Abstract

This report is a first practical study of micro valves for hydraulics, manufactured by Microstaq Inc. who uses, for hydraulics, new materials and new actuating tech-nologies. The purpose is to evaluate if, in the future, there is any possibility of complementing or exchanging the classical use of electro magnetic solenoids in electro hydraulic applications with this new technology.

The valves studied are of MEMS-type (Micro Electro Mechanical Systems), which are etched out of silicon and has an electro thermic actuation.

During the study it showed that this new valve technology had some teething troubles. The valves had proplems managing high pressure drops, both regarding strength of materials and performance. If you let the manufacturers further develop this technology there are great potentials for using this in future hydraulic systems.

Nyckelord

(6)

(7)

Abstract

This report is a first practical study of micro valves for hydraulics, manufactured by Microstaq Inc. who uses, for hydraulics, new materials and new actuating technologies. The purpose is to evaluate if, in the future, there is any possibility of complementing or exchanging the classical use of electro magnetic solenoids in electro hydraulic applications with this new technology.

The valves studied are of MEMS-type (Micro Electro Mechanical Systems), which are etched out of silicon and has an electro thermic actuation.

During the study it showed that this new valve technology had some teething troubles. The valves had proplems managing high pressure drops, both regarding strength of materials and performance. If you let the manufacturers further de-velop this technology there are great potentials for using this in future hydraulic systems.

(8)

Sammanfattning

Denna rapport är en första praktisk studie av mikroventiler för hydraulik tillverkade av Microstaq Inc. som använder sig av, för hydraulik, nya material och aktuering-steknologier. Syftet är att utvärdera om det är möjligt att på sikt komplettera, eller helt enkelt byta ut den klassiska elektromagnetiska solenoiden i elektrohydrauliska applikationer.

De ventiler som studerats är av MEMS-typ (Micro Electro Mechanical Sys-tems), som är frametsade ur kisel och har en elektro-termisk aktuering.

Det visade sig att det fanns en hel del barnsjukdomar med denna nya ven-tilteknik. De hade problem att klara högre tryckfall både funktions- och hållfas-thetsmässigt. Låter man tillverkarna förfina tekniken finns här en klar potential att nyttja för framtida hydrauliska system.

(9)

Tack

Detta examensarbete har givit mig en inblick i en helt ny värld av teknik. MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) var en ny teknik för mig och de jag arbetat med på Parker Hannifin AB, Mobile Controls Division Europe i Borås under hösten 2007. Detta faktum har medfört att vi ställts inför nya typer av problem vilket har varit lärorikt och utvecklande.

Först och främst vill jag tacka Ulf Nyberg för hans dagliga stöd och kreativa idéer i labbet på Parker. Utan Ulf Nybergs hjälp skulle detta examensarbete inte ha blivit vad det är idag. Vidare vill jag tacka handlerare på Parker, Johan Hansson och på Linköpings universitet, Björn Eriksson. Jag vill också tacka övrig personal på Parker och examinator professor Karl-Erik Rydberg som gjort detta arbete möjligt. Slutligen vill jag ge ett särskilt tack till Emma för hennes stöd och kärlek som skänkt mig glädje i livet.

(10)

(11)

Innehåll

1 Inledning 1 1.1 Bakgrund . . . 1 1.2 Syfte . . . 2 1.3 Metod . . . 2 1.4 Begränsningar. . . 2 1.4.1 Begränsningar i omfattning . . . 2 1.4.2 Tekniska begränsningar . . . 2 1.5 Målsättning . . . 3 2 Teori hydraulik 5 2.1 Begreppet hydraulik . . . 5 2.2 Historisk tillbakablick . . . 5

2.3 Ett hydraulsystems beståndsdelar. . . 7

2.3.1 Riktningsventilen . . . 7 2.3.2 Proportionalventilen . . . 7 2.3.3 Servoventilen . . . 8 3 Teori pilotventiler 9 3.1 Elektromagnetiska aktuatorer . . . 9 3.1.1 Elektromagnetism . . . 10

3.1.2 Elektrisk till mekanisk till hydraulisk omvandling . . . 10

3.2 MEMS, Micro Electro Mechanical System . . . 11

3.2.1 Integrerade MEMS . . . 11

3.2.2 Microstaqs teknologi . . . 12

3.2.3 DRIE . . . 12

3.2.4 Bulk Micromachining . . . 12

4 Data testade ventiler 15 4.1 CPS4 . . . 15

4.1.1 Data CPS4 . . . 16

4.2 PDA3 . . . 16

4.2.1 Data PDA3 version 1 . . . 16

4.3 PDA6 . . . 17

4.3.1 Data PDA6 . . . 17 ix

(12)

x Innehåll 5 Laborationsuppsättning 21 5.1 Mätprogram. . . 21 5.2 PWM-generering . . . 22 5.2.1 XP2 . . . 22 5.2.2 MC2 . . . 22 5.3 IQAN . . . 23 5.3.1 Effektreglering . . . 23 5.3.2 Implementering . . . 24

5.4 Scilabsimulering av tryckstegring i sluten oljevolym . . . 24

6 Nya ventilkombinationer och konstruktion av adapterplattor 27 6.1 Adaptrar PDA3 och PDA6 . . . 27

6.2 Kombinationsventil . . . 29

6.2.1 Konstruktion och laborationstest . . . 29

6.2.2 Design komplett kombinationsventil . . . 31

6.3 Simulering. . . 32

6.3.1 AMESim simulering av PDA3 i kombination med PVC25-slid 32 6.3.2 Dämpstrypning PVC25 . . . 33

7 Mätresultat Hysterestest 37 7.1 Samband i karaktäristik . . . 37

7.2 Repeterbarhet. . . 38

7.3 Intermittenta fenomen . . . 38

8 Mätresultat Small Step Response 45 8.1 Tydlig skillnad mellan MEMS och PVC25 . . . 45

9 Stegsvar 49 9.1 Översläng . . . 49

9.2 Tidsfördröjning . . . 49

9.2.1 Trycknivå . . . 50

9.2.2 Typ av PWM-generering . . . 50

9.2.3 Steg inom reglerområdet . . . 50

9.3 Inverkan av viskositet . . . 50

10 Resultat och slutsatser 57 10.1 Är det hysteres man ser i mätningarna? . . . 57

10.1.1 Strömningskrafter . . . 57

10.1.2 Beräkningsmodell flödeskrafter . . . 58

10.1.3 Iteration av flödeskrafter i Scilab . . . 59

10.2 Repeterbarheten . . . 60

10.3 Är det viskositeten eller temperaturen som avgör stigtiden? . . . . 60

10.4 Instoppad effekt MC2 XP2 . . . 61

10.4.1 Inverkan av kraftig översläng . . . 62

10.4.2 Steg som ej går över hela reglerområdet . . . 62

10.5 Går det att förbättra linjäriteten? . . . 63

(13)

10.7 Har MEMS-teknologin någon framtid inom hydrauliken? . . . 64

Litteraturförteckning 67

.1 Nomenklatur . . . 69

A 70

A.1 Scilabkod, sluten oljevolym . . . 70

(14)

(15)

Kapitel 1

Inledning

Introduktionskapitlet innehåller bakgrund, syfte, metod, samt begränsningar och målsättning för detta examensarbete.

1.1 Bakgrund

Anledningen till att detta examensarbete blev till är att Parker Hannifin AB, MCDE (Mobile Controls Division Europe) i Borås vill ligga i framkant inom teknikutveckling. Nya teknologier ger nya möjligheter som på sikt kan komplettera eller helt enkelt ersätta den gamla klassiska solenoiden, exempelvis PVC25 från Thomas Magnete GmbH, som i dag används på ett flertal av Parkers ventiler.

För att kunna konkurrera med piloterna av solenoidtyp krävs mycket eftersom de utvecklats och förfinats under lång tid. På MCDE anser man dock att solenoi-derna börjar närma sig taket av sin utvecklingskurva och därför är tiden mogen att titta på nya teknologier.

Tidigare år har teknologistudier gjorts inom området för ventilaktuering. Som exempel kan nämnas Ida Johanssons examensarbete, A study on new acturator technoligies for electrohydraulic valves, där hon bland annat studerade piezotekniken.

Efter denna studie ville MCDE gå vidare med att utvärdera MEMS-teknologin (Micro Electro Mechanical Systems). Efter att MCDE varit i kontakt med det amerikanska företaget Microstaq, som med MEMS-teknologi börjat utveckla och prototyptillverka ventiler för pneumatik och hydraulik, beslöts att beställa några hydrauliska ventiler till Borås. De hydrauliska ventilerna är i grunden en pneuma-tisk ventil och utveckling pågår fortfarande för att anpassa dem till hydrauliska förutsättningar. Dessa prototyper, benämnda CPS4 är av tvåstegstyp med aktuer-ingselement, pilotkrets (benämnd PDA3) och huvudslid i kisel.

Med dessa ventiler som grund fanns underlag för ett praktiskt utvärderande examensarbete.

(16)

2 Inledning

1.2 Syfte

Syftet med detta arbete är att se om det är möjligt att komplettera, eller på sikt ersätta de traditionella solenoiderna med MEMS-teknik för att styra hydraul-ventiler. För att uppnå detta måste MEMS:en vara snabb, exakt, energieffektiv, billig att tillverka samt mindre utrymmeskrävande än motsvarande traditionella pilotventiler. Detta examensarbete skall undersöka om så är fallet med MEMS-teknologin.

1.3 Metod

Det sätt som Microstaq:s ventiler kommer att utvärderas efter i denna rapport är främst prestanda, eftersom att det är den mest elementära delen för att kunna ingå i ett fungerande system.

Prestandamätningarna kommer att göras i en testbänk på MCDE och fokusera på hysteres, repeterbarhet och dynamisk prestanda. De olika typer av test som kommer att genomföras är hysterestest för hysteres- och repeterbarhetsmätningar, stegsvar för dynamiska egenskaper samt Small Step Response för att lättare upp-täcka olinjäriteter inom reglerområdet.

Testbänken har möjlighet att strömstyra och ge ut reglerat hydraultryck och hydraulflöde, samt mäta ström, pumptryck, signaltryck, tanktryck, hydraulflöde och även oljetemperatur.

1.4 Begränsningar

1.4.1 Begränsningar i omfattning

Omfattningen av utvärderingen kommer att begränsas till rena prestandamät-ningar, eftersom det anses vara mest fundamentalt att ha en fungerande kom-ponent innan aspekter så som enegieffektivitet på ett mer exakt sätt utvärderas. Samma sak gäller med framtida produktionskostnader. Dagens ventiler från Mi-crostaq är mer eller mindre enstyckstillverkade vilket medför ett högt pris. En rationell serieproduktion bör kunna sänka prisbilden radikalt eftersom konstruk-tionsmaterialet kisel är förhållandevis billigt.

1.4.2 Tekniska begränsningar

Att uppnå tillräckligt låga stabila konstanttrycksnivåer vid provbänken visade sig vara en begränsning för utföranden av testerna. Lägsta stabila trycknivån som används för att genomföra tester är 15 bar. Detta ses som en begränsning då Microstaq gjort flertalet av sina tester vid så lågt tryck som 7 bar och därför inte varit möjliga att återupprepa i provbänken på MCDE.

En annan teknisk begränsning var att Microstaq använt sig av en ATF-olja (Au-tomatic Transmission Fluid), medan provbänken varit utrustad med hydraulolja. Att byta olja och frångå standard för mätningar och kontaminera hela labora-tionsutrustningen ansågs inte rimligt för uppgiften.

(17)

1.5 Målsättning 3

Microstaq drev sina MEMS med hjälp av en PWM-generator (Puls Width Modulation) som ej hade någon form av återkoppling eller ditherfrekvens. En PWM-generator gör om en styrsignal oftast till en fyrkantsvåg, där styrsignalens värde översätts till hur breda pulserna skall vara. Är exempelvis styrsignalen på 30 procent av sitt maxvärde, kommer fyrkantsvågen att ligga på sitt höga värde

30 procent och på sitt låga värde 70 procent av tiden, se figur5.4 i kapitel5.

Provbänken var från början utrustad med en för ändamålet användbar PWM-generator med intern strömåterkoppling och ställbar ditherfrekvens (XP2). Dither-frekvens är en överlagrad Dither-frekvens som ligger och ripplar på grundtonen, i syfte att det mekaniska element som styrs aldrig skall ligga helt stilla och fastna på grund av statisk friktion.

Mot slutet av testperioden ansågs det nödvändigt att utrusta provbänken med ytterligare en PWM-generator, utan någon form av dither eller strömåterkoppling (MC2) för att kunna efterlikna Microstaqs drivning.

1.5 Målsättning

Efter att ha kört och mätt upp prestanda i provbänken, var målsättningen att byta ut dagens piloter mot MEMS-teknologi på en Parker L90LS ventil, se figur

1.1 och figur1.2. Denna typ av utvärdering under verkliga förutsättningar skulle

kunna ge mycket intressanta resultat.

Figur 1.1. Genomskärning av Parker L90LS sektion. Uppe till höger sitter de båda

PVC25 piloterna som har till uppgift att styra ut ventilsliden, en för vardera riktningen. Är båda piloterna opåverkade centreras sliden i ett neutralläge av fjäderpaketet till höger om sliden. [12]

(18)

4 Inledning

ps

pA pB

Figur 1.2.Tänkt uppkoppling med Microstaq CPS4 som tryckstyr en L90 sektion, enligt

(19)

Kapitel 2

Teori hydraulik

Detta kapitel lägger en teoretisk ram och inkluderar grunderna för begreppen hydraulik, aktuatorer och ventiler.

2.1 Begreppet hydraulik

Ordet hydraulik kommer från de grekiska uttrycken för vatten, hydro och rör, aulos. I dagligt tal innebär hydraulik den teknik som bygger på omvandlingsprocessen

från vätskeenergi till mekaniskt arbete och som domineras av statiska krafter. [11]

2.2 Historisk tillbakablick

Tekniken att på hydraulisk väg skapa stora krafter med hjälp av trycksatta vätskor tillämpades redan under antiken, men det dröjde fram till industrialismens Europa

innan hydrauliken fortsatte att utvecklas. [11]

En av pionjärerna var Joseph Bramah, som i England 1795 färdigställde den

första hydrauliska pressen med vatten som tryckmedium. [11]

I början av 1800-talet i England startade en projektering av stora tryckvatten-nät, som kom att färdigställas några decennier senare. Ångmaskinsdrivna pumpar försåg ledningssystemet med trycksatt vatten. Dessa anläggningar, som vi i dag skulle kalla centralhydrauliksystem, var av imponerande storlek. Det var möjligt

att överföra så pass stora effekter som 100 kW, på sträckor över 10km. [11]

Vid 1900-talets början fick centralhydraulikanläggningarna stark konkurrens från elektrifieringen. De tappade då mark på längre sträckor, men behöll sin po-sition på kortare avstånd. Konstruktörer hade emellertid fått upp ögonen för hy-draulikens fördelar i form av hög styvhet och enkelheten i att styra den överförda effekten. Annars var det främst den marina krigsindustrin som drev utvecklingen av hydrauliken, exempelvis för att styra tunga kanontorn med hög precision. Det var även under den här tiden som vattnet byttes ut mot olja som tryckmedium i

systemen. [11]

(20)

6 Teori hydraulik

Under 1930-talet var tiden mogen för den moderna hydrauliken. Ett stort genomslag för hydrauliska reglersystem var när servostyrning för bilar introduc-erades i slutet av detta decennium. Även servoventilen hade nu utvecklats till en

användbar komponent för avancerade reglertekniska system. [11]

Ett stort genombrott i historien var under 1960-talet då den mobila industrin började se hydrauliken som användbar i maskiner. Den mest påtagliga tillämp-ningen var i grävmaskiner där de traditionella vajertransmissionerna på kort sikt konkurrerades ut. Erfarenheterna från entreprenadmaskinerna överfördes till

an-dra mobila områden, så som jordbruket, figur2.1, och skogsnäringen. [11]

Figur 2.1.Jordbrukstraktor (John Deere 4255) med ett stort antal hydrauliska

kompo-nenter. I fronten syns den hydrauliska lastaren med dess lyft- och tiltcylindrar. [3]

Ventilutvecklingen började också att ta fart under 1960-talet, även om man inte kunde se några banbrytande förändringar. De stora innovationerna på ventilsidan lät vänta på sig till in på 1970-talet. Det var nu som proportionalventilen, av slidtyp, och den kontinuerligt styrbara sätesventilen för flödesstyrning lanserades.

[11]

Proportionalventilen fick sitt namn efter det elektromekaniska försteg som an-vändes för att styra huvudventilen. Detta försteg, även kallat pilotsteg, består av en proportionalmagnet, av solenoidtyp, som inom en begränsad slaglängd ger en gentemot styrströmmen proportionell kraft. Det blev nu möjligt att styra sina ventiler med måttlig snabbhet och noggranhet på elektrisk väg och till en rimlig inköpskostnad jämfört med servoventilen som har väsentligt högre prestanda men

är betydligt dyrare. [11]

Sätesventilen har den trevliga egenskapen att den kan göras helt tät i sitt stäng-da läge, vilket skiljer den från slidventilen. De första proportionalstyrstäng-da sätesven-tilerna som kom ut på marknaden blev totalt sett dyra och komplicerade, eftersom

att de hade elektrisk eller hydraulmekanisk återkoppling. [11]

Den första enkla flödesstyrande sätesventilen utvecklades under slutet av

1970-talet av Bo Andersson vid Tekniska Högskolan i Linköping, figur2.2. Denna

(21)

2.3 Ett hydraulsystems beståndsdelar 7

Ventilen döptes till Valvistor, med paralleller dragna till elektronikens transistor, eftersom att ett litet pilotflöde genom huvudkäglan förstärks proportionellt ett

antal gånger och bildar ett huvudflöde genom ventilen. [11]

Figur 2.2. Valvistorkägla med pilotventil. Käglan kopierar pilotventilens läge och ger

en flödesförstärkning. [6]

2.3 Ett hydraulsystems beståndsdelar

Grunden i ett hydraulsystem är en pump som agerar tryck- och/eller flödeskälla. I andra ändan av systemet finner man aktuatorer i form av cylindrar för linjär

rörelse, eller motorer för angulär rörelse. Figur2.3visar de principiella likheterna

mellan mekanisk och hydraulisk överföring av arbete. Mellan pump och aktuatorer finner man, förutom hydraulledningar och kopplingar även olika typer av ventiler.

[11]

Ventilerna har flera olika uppgifter, allt från att styra cylindrar och motor-er till rena säkmotor-erhetsfunktionmotor-er. För styrning används riktnings-, proportional-eller servoventiler. Som säkerhet för att undvika för höga systemtryck används tryckbegränsningsventiler och för att hålla lasten vid slangbrott används

over-centerventiler eller slangbrottsventiler. [11]

2.3.1 Riktningsventilen

Som namnet antyder används riktningsventilen till att bestämma riktningen på oljeflödet som driver aktuatorerna. Vissa ventiler har enbart två lägen, ett för

vardera riktningen, medan andra har ett tredje läge som stänger flödet helt. [11]

2.3.2 Proportionalventilen

I likhet med riktningsventilen styr proportionalventilen riktningen på flödet, men förutom att dirigera riktningen på flödet styr den det även proportionellt.

(22)

8 Teori hydraulik

Figur 2.3.Princip för hydraulisk överföring av arbete, antingen linjärt eller angulärt,

paralleller är dragna till mekaniken. [18]

Proportionalventilen fungerar som en signalomvandlare mellan elektrisk och

hy-draulisk signal, där förstärkningen kan uppgå till 105_{gånger. Första omvandlingssteget}

är ofta en proportionalmagnet eller en pilotventil. [11]

2.3.3 Servoventilen

En servoventil är en form av proportionalventil som är väldigt snabb, exakt men dyr i jämförelse. Den används i avancerade reglertekniska sammanhang, ofta med återkoppling, exempelvis för manövrering av flygplansroder.

Servoventilerna har ett elektriskt steg bestående av en momentmotor. När mo-mentmotorn erhåller en matningsström levererar den mot strömmen ett propor-tionellt vridmoment. Vridmomentet används för att styra det första hydrauliska steget i ventilen. Detta kan beroende på modell vara antingen av flapper- och/ eller nozzeltyp. Efter detta steg följer ett eller två hydrauliska slidsteg med

(23)

Kapitel 3

Teori pilotventiler

Detta kapitel syftar till att mer ingående behandla den bakomliggande teorin för pilotventiler. Den banbrytande teknologin MEMS, Micro- Electro- Mechanical Sys-tem kommer att beskrivas, så även dess möjligheter att fungera som tryck- eller flödesstyrande element i hydrauliska applikationer. I detta arbete kommer den klassiska solenoiden, närmare bestämt Thomas Magnete PVC25 att användas som

prestandareferens till Microstaq MEMS-ventiler, se figur3.1.

Figur 3.1. Till vänster en solenoid (av okänt fabrikat) och till höger en MEMS från

Microstaq. [5]

3.1 Elektromagnetiska aktuatorer

Elektromagnetiska aktuatorer är en vanlig teknisk komponent som ofta går obe-märkt förbi i det vardagliga livet, men som finns lite överallt. De låser dörrar, manövrerar parkeringsbromssystem i bussar mm. De är också en viktig

(24)

10 Teori pilotventiler

nent i arbetslivet, exempelvis jord- och skogsbruk och entreprenad där de hjälper till att manövrera ett antal funktioner. I tillverkningsmaskiner för exempelvis

tex-tilindustrin är elektromagnetiska aktuatorer en viktig del av vävmekanismen. [10]

Elektromagnetiska aktuatorer benäms ofta som solenoidaktuatorer, eller

solenoi-der. [10]

3.1.1 Elektromagnetism

Elektromagneten är en magnettyp som består av en spole i ett elektriskt ledande

material. Magnetfältet från elektromagneten, se figur3.2, är en funktion av den

ström som flödar genom spolen. Jämfört med permanentmagneter kan elektro-magneter mycket snabbt ändra sitt magnetfält i takt med att strömmen ändras. Det elektromagnetiska fältet kan enkelt omformas till mekanisk kraft, som kan utnyttjas som antingen linjär eller roterande rörelse. Typiska exempel där

elektro-magnetism används är solenoider, elmotorer, relän och högtalarspolar. [14]

Figur 3.2.Genomskuren solenoidspole med de magnetiska fältlinjerna utritade. [20]

3.1.2 Elektrisk till mekanisk till hydraulisk omvandling

En elektromagnetisk aktuator består av minst tre komponenter, en cylindrisk ihålig kropp som innehåller en cylindrisk spole (solenoid) och ett ankare med en lagrad stång. Magnetfältet som bildas i spolen leds genom ankaret och bildar således en kraft som som kan överföras via stången som är fäst i ankaret.

I PVC25 används kraften från stången till att trycka på ändan av en ventilslid. På motstående sida av sliden verkar det hydraultryck som man vill styra. Tryck-et gånger arean på slidänden ger upphov till en kraft motriktad ankarTryck-ets kraft. När kraftjämvikt råder över sliden lägger den sig i sitt neutralläge. I och med detta har man uppnått det man önskat, nämligen att trycknivån motsvarar den elektriska ström som går genom spolen. Ändras strömmen ändras kraftjämvikten och sliden förskjuts något tills dess att trycknivån återigen motsvarar den pålagda kraften från ankaret. Om det motsatta skulle inträffa, nämligen att strömmen lig-ger konstant och trycket skulle ändra sig, då förändras också jämvikten tills dess

(25)

3.2 MEMS, Micro Electro Mechanical System 11 psignal pt pp F psignal· A

Figur 3.3.Snitt genom ventilslid och ventilhus i PVC25. [3]

3.2 MEMS, Micro Electro Mechanical System

MEMS är en teknologi som har utvecklats från elektronikindustrins IC-kretstillverkning (Integrated Circuits). På samma sätt som man tidigare etsat fram elektronikkom-ponenter på kiselplattor, kan man i dag även etsa fram mikroskopiskt små

mask-inelement, se figur3.4. [13]

Den stora styrkan med denna teknik är att många maskinelement kan byg-gas samtidigt på en kiselplatta utan att det krävs något större monteringsarbete. Detaljerna blir små, och med paralleller dragna till IC-kreststillverkningen inom elektronikindustrin, är det rimligt att styckpriset sjunker radikalt vid stor

seriepro-duktion. [13]

3.2.1 Integrerade MEMS

Eftersom att MEMS-ventiler tillverkas med samma typ av verktyg som IC-kretsar finns det möjlighet att kombinera MEMS tillsammans med elektronik på samma bit kisel. Att lägga maskinelement sida vid sida med transistorer innebär att man med MEMS-teknologin kan integrera styrelektronik och sensorer direkt kopplade

(26)

12 Teori pilotventiler

Figur 3.4.Små maskinelement framtagna ur kisel. På den bakre plattan syns en fjäder

och en rektangulär ventilslid. [7]

3.2.2 Microstaqs teknologi

Microstaq använder sig av både Deep Reactive Ion Etching (DRIE) och Standard Wet Etching (traditionell etsmetod där kiselplattan sänks ner i ett kemikaliebad) för att tillverka de olika delarna på ventilerna. De använder tre lager kisel med varierande tjocklek och utformning. Dessa kisellager etsas helt och hållet fram ur sextums kiselplattor. När de sedan är färdiga sammanfogas de till en ventil genom att de tre lagrerna bränns samman under hög temperatur. Nu innehåller den både rörliga maskinelement och elektriskt ledande material för aktueringen. Efter denna process metalliseras ventilen för att kunna lödas fast i ett ytterhölje av metall. Slutligen görs ytterligare en metallisering där man skapar anslutningspunkter till

de elektriska ledarna på ventilen. [5]

Nästa steg i utvecklingsplanen är att integrera regulatorer och tryckgivare di-rekt i kislet. Detta innebär att ventilen endast behöver en matningsspänning och en styrsignal. Således slipper man en extern PWM-generator att driva ventilen med. Med intern regulator får man i samma ventilhölje en tryckåterkopplad loop som kan kompensera för hysteres och olinjäriteter och göra den hydrauliska signalen

proportionell mot den elektriska. [5]

3.2.3 DRIE

Deep Reactive Ion Etch är en anisotropisk etsmetod som används för att skapa djupa och skarpkantade hål eller kanaler i kiselplattor. Förhållandet mellan djup

och bredd kan med denna metod uppgå till 20:1. [17]

3.2.4 Bulk Micromachining

Bulk Micromachining är en annan produktionsmetod som även den bygger på att man tillverkar maskinelement på en kiselplatta genom att etsa bort oönskat

(27)

3.2 MEMS, Micro Electro Mechanical System 13

material. Vanligtvis läggs ett fotografiskt mönster ut på kiselplattan som bildar ett skyddande skikt för de delar av kislet man vill behålla. Efter att önskat mönster är utritat på plattan sänks det ner i ett etsningsbad, där oönskat material löses

upp. [13]

I dag tillverkas de flesta tryckgivare med Bulk Micromachining. Dessa tryckgi-vare har flertalet fördelar jämfört med traditionella tryckgitryckgi-vare. De blir billigare,

(28)

(29)

Kapitel 4

Data testade ventiler

Här beskrivs mer ingående de testade ventilernas konstruktion och av Microstaq

uppgivna data. Figur 4.1 visar en bild på PDA3 och PDA6 med de inkapslingar

de levererades med från Microstaq.

Figur 4.1.Till vänster PDA6 och till höger, stående på en adapterplatta, PDA3 i sina

kapslinger. På PDA3:ans kapsling ser man de tre o-ringsförsedda anslutningarna. [3]

4.1 CPS4

CPS4 är en tvåstegsventil sammansatt av en PDA3 som fungerar som ett pilotsteg

till en huvudslid, se figur 4.5. Ventilen är tryckstyrd eftersom det skall råda en

tryckbalans över huvudsliden. På ena sidan ligger pilottrycket från PDA3 och på andra sidan av sliden ligger signaltrycket som går ut till omgivningen, se figur

4.6. Så länge huvudslidens flödeskapacitet räcker till kommer signaltrycket ut från

CPS4 att hålla samma nivå som det tryck (på grund av kraftbalans, se förklaring under: Elektrisk till mekanisk till hydraulisk omvandling) pilotelementet lämnar

eftersom areaförhållanderna är lika. [11]

Huvudsteget är sammansatt enligt samma princip som PDA3 och PDA6. Det undre kiselskiktet innehåller anslutningar för pump, tank, signal, styrtryck och

(30)

16 Data testade ventiler

signaltrycksreferens. Mellersta skiktet innehåller det hålrum som sliden och fjädern vilar i. Det övre skiktet fungerar som ett lock som tätar av mot slidens ovansida. Sliden är gjord i ett skikt av kisel. Tvärsnittet är rektangulärt på grund av att bearbetningsprocessen i dagsläget inte inte klarar av att tillverka rotation-ssymetriska detaljer. De två spegelvända D-formade hålen utgör slidens

stryp-ställen och de små hålen i mitten, figur4.7(a), och urgröpningarna i kanterna är

tryckutjämningsspår, se figur 4.7(b). Tryckutjämningsspåren är till för att olika

tryck som uppstår kring slidens kanter skall kunna passera över till motstående sida. Utjämnas trycken kring sliden upprätthålls en kraftbalans så att den inte trycks mot en vägg och kärvar fast.

4.1.1 Data CPS4

• Maximal stryparea: 2,0 mm2

• Maximalt arbetstryck: 105 bar (1500 psi) • Försörjning: PWM 65 Hz, max 10- 14 V • Maximal försörjningseffekt: 12 W

[5]

4.2 PDA3

PDA3 är en treportsventil, figur4.3, tillverkad i kisel och tillhör kategorin MEMS

och sitter som pilotkrets i CPS4. Den är tillverkad i tre kiselskikt. I det undre skiktet sitter de tre hydraulanslutningarna, NO (Normally Open), NC (Normally Closed) och Signal. Det mellersta skiktet är gjort med hålrum för de ingående rörli-ga komponenterna. Dessa är kisellameller som är förbundna med ett kiselankare,

figur 4.2, som agerar ventilslid. Lamellerna är termiskt aktiverade och utvidgar

sig när det leds ström genom dem och återgår till ursprungsformen när strömmen

kopplas från. Lamellerna syns i figur4.4som visar det mellersta skiktet för PDA6,

men som förutom det övre ankaret är identiskt med PDA3. Övre skiktet är ett lock som sluter tätt mot ankaret och innehåller elanslutningarna till kisellamellerna. [5]

Det går att koppla pump och tank till antingen NO- eller NC-porten beroende på om man vill ha en öppnande eller slutande funktion vid spänningssättning. Det är också möjligt att plugga antingen NO- eller NC-porten och ta ut flöde genom signalporten om man vill ha en tvåportsventil, det vill säga en variabel strypning. [5]

4.2.1 Data PDA3 version 1

• Maximal stryparea, NO: 0,09 mm2 • Maximal stryparea, NC: 0,22 mm2

(31)

4.3 PDA6 17 • Maximalt arbetstryck: 150 bar (2200 psi)

• Försörjning: PWM 65 Hz, max 10- 14 V • Maximal försörjningseffekt: 12 W

[5]

Figur 4.2.En spräckt PDA3 där drygt halva övre skiktet är borta. Man ser delar av det

mellersta, och genom ankaret lite av det undre skiktet. Ankarkonturerna är utskissade och överst syns konturerna av NO-porten, i mitten signalporten och underst NC-porten. De två blanka groparna överst i bilden är elanslutningarna på det översta skiktet. Mellan

elanslutningarna ligger kisellamellerna dolda av övre skiktet. [3]

4.3 PDA6

PDA6 bygger på samma princip som PDA3 och beställdes på grund av kortare leveranstid, samt för att få en ytterligare bild av Microstaqs produktprogram. För PDA6 gäller exakt samma specifikationer som för PDA3, förutom att PDA6 har

två ankare, figur 4.4, och således dubbel öppningsarea jämfört med PDA3. Den

dubbla arean ger upphov till dubbelt så stor flödeskapacitet hos PDA6. [5]

4.3.1 Data PDA6

• Maximal stryparea, NO: 0,18 mm2 • Maximal stryparea, NC: 0,44 mm2 • Maximalt arbetstryck: - bar (- psi) • Försörjning: PWM 65 Hz, max 10- 14 V • Maximal försörjningseffekt: 12 W

(32)

psignal

ps pt

Figur 4.3.Principskiss över PDA3 och PDA6. De fungerar som treportsventiler,

alter-nativt tvåportsventiler om NO- eller NC-porten pluggas. (I figuren motsvaras NO-porten av pt och NC-porten av ps.) [5]

Figur 4.4. Det mellersta skiktet i PDA6 sett ovanifrån. Till höger i bild syns

kisel-lamellerna som är förbundna till två ankare som agerar ventilslider. I ankarna kan man skymta det undre skiktet med dess NO-, NC- och signalportar. Bortsett från det övre

(33)

4.3 PDA6 19

Figur 4.5. En uppspräckt CPS4. Till vänster syns PDA3 med sitt ankare upptill och

de två blanka håligheterna för elanslutning vid sidan om. I mitten syns ventilhuset för huvudsliden och kiselfjädern och till höger i bild är huvudsliden tillfälligt placerad. Ol-jekanalerna mellan PDA3 och huvudsliden ligger inuti kapslingen. På undersidan av

kapslingen sitter de tre portarna med o-ringsspår, pump, tank och signal. [3]

psignal

ps

pt

(34)

(a) Kiselslid ovanifrån. (b) Kiselslid högkant.

Figur 4.7.Huvudslid från CPS4 med dess D-formade strypställen, tryckutjämningshål

(35)

Kapitel 5

Laborationsuppsättning

Figur 5.1.Laborationsuppsättning med en CPS4 inringad i mitten. Den sitter

uppkop-plad med tre tryckgivare via T-kopplingar, ps, pt och psignal. Till vänster i bild syns

mätskåpet, med dator och tillhörande mät- och styrelektronik.

5.1 Mätprogram

För att samla in data användes mätprogrammet DASYLab, figur 5.2. Det

up-plevdes som lättanvänt med möjlighet att snabbt ändra uppsättningen av mjuk-vara. Samplingsfrekvensen vid mätningarna var 1000 Hz.

(36)

22 Laborationsuppsättning

Figur 5.2.Layout i DASYLab efter stegsvarsmätning. [3]

5.2 PWM-generering

5.2.1 XP2

XP2 är en digital PWM-generator med intern strömåterkppling för att kompensera för varierande spolresistans och induktans och därmed hålla konstant magnetfält i en solenoid. XP2 är en expansionsvolym till MDM som agerar master i kretsen och kan programmeras via IQAN- Development. Ditherfrekvens och olika

ström-begränsningar kan ställas via gränssnitt för IQAN, se stycke5.3. [9]

I figur5.3visas en signal från XP2 i form av en högfrekvent PWM-signal med

överlagrat dither. Det är enbart ditherfrekvensen som syns i figuren eftersom att PWM-signalen har så pass hög frekvens att den upplevs som en DC-ström.

5.2.2 MC2

MC2 är digital och programmeras med IQAN- Design. Det som skiljer från XP2 är att man kan välja att plocka ut en PWM-signal som ej är strömåterkopplad eller har någon ditherfrekvens. Toppvärdet på PWM-vågen sätts direkt av

mat-ningsspänningen som är varierbar inom vissa gränser. [9]

(37)

5.3 IQAN 23 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 0 200 400 600 800 1000 1200 tid [ms] ström [mA]

Figur 5.3.Signal från XP2 med ditherfrekvens. [3]

5.3 IQAN

IQAN är Parkers mjukvara för styrning och reglering och utvecklas av MCDE. Det används exempelvis i de båda digitala PWM-generatorerna, XP2 och MC2

och har grafiskt gränssnitt. [9]

I provbänken för XP2 användes IQAN- Development endast för att ändra ditherfrekvensen på PWM-signalen. Till MC2 gjordes ett eget program för att plocka ut en PWM-signal utan ditherfrekvens eller strömåterkopling. Det räckte med ett enkelt program för att göra en utsignal på PWM-form. Ett insignalblock kopplades med ett utsignalblock och skalades så att max potentiometerpådrag motsvarade 100 procent PWM med rätt frekvens.

5.3.1 Effektreglering

Eftersom att aktuering av MEMS-ventilen sker med elektrisk effekt är den inte helt ultimat att varken ström- eller spänningsstyra. Det skulle vara önskvärt att

hålla konstant effekt vid en given insignal. [9] Enligt uppgift från Microstaq varierar

resistansen i aktuatorn beroende av omgivningstemperaturn, figur5.5. [5] Formeln

för elektrisk effekt och resistans ser ut enligt följande [4]:

P = U · I (5.1)

R = U

I (5.2)

MC2 varierar spänningen över lasten (MEMS-ventilen) genom att variera pulsbred-den, en given insignal motsvarar alltså en given pulsbredd i spänning på utsignalen.

Slår man samman formlerna för effekt och resistans får man sambandet:

P = U 2

(38)

24 Laborationsuppsättning 3000 3010 3020 3030 3040 3050 3060 3070 3080 3090 3100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 tid [ms] ström [mA] x30

Figur 5.4.PWM-signal från MC2, utan strömåterkoppling eller ditherfrekvens. [3]

Vill man hålla effekten konstant när resistansen varierar måste man kompensera med att ändra spänningen över lasten.

5.3.2 Implementering

För att åstadkomma en effektreglering byggdes en regulatorstruktur upp i IQAN-Design med MC2 som hårdvara. Principen bygger på att en insignal skalas till en utsignal, där effektutvecklingen i lasten beror av insignalen vid en fast känd resistans. En PID-regulator (regulator med proportionell- integreran och

de-riverande förstärkning. [21]) med tillhörande logik har kommit till för att ta hand

om varierande resistans i lasten, och illustreras av det grafiska gränssnittet i figur

5.6.

Avgiven effekt från lasten fås genom att mäta den aktuella strömmen och

multi-plicera med den skattade spänningen som funktion av pulsbredden, se ekvation5.1.

Önskad effekt är en direkt funktion av insignalen, där maximal insignal motsvarar max tillåten uteffekt.

För att PID-regulatorn skall ha en referens att jobba mot bildas ett reglerfel genom att substrahera önskad effekt med avgiven effekt. Så länge det finns ett reglerfel kommer regulatorn lägga ut en positiv signal om effekten behöver ökas, eller en negetiv om den behöver minskas. Denna reglersignal adderas sedan till ordinarie styrsignal och ökar eller minskar denna för att kompensera bort resis-tansvariationer.

5.4 Scilabsimulering av tryckstegring i sluten

ol-jevolym

På grund av kopplingar och slangar bildades olika stora oljevolymer mellan ven-til och tryckgivare. Volym i förbindelse med strypning bildar ett lågpassfilter av

(39)

5.4 Scilabsimulering av tryckstegring i sluten oljevolym 25

Figur 5.5.Resistansskillnad mellan solenoid och kiselventil. [5]

trycksignalen som går att räkna ut med hjälp av kontinuitetsekvationen 5.4 och

strypekvationen5.5[1]: X qin= dV dt +  V βe · dp_dt (5.4) q = Cq· A r₂ ρ· (p1− p2) (5.5)

Med antagandet att volymen är konstant över tiden dV

dt = 0 och att P qin= q

kan tryckderivatan approximeras genom en sammanslagning av formlerna:

dp dt = βe V · Cq· A · r₂ ρ· (p1− p2) (5.6)

Med hjälp av den approximerade tryckderivatan kan man iterera fram en lösning av tidsfördröjningen av trycksignalen, tidsteg för tidsteg, med hjälp av exempelvis Scilab. (Scilab är en fri klon av beräkningsprogrammet MATLAB.) Itereringskod

visas i bilaga A.1.

Figur5.7visar en itereration i Scilab. Volymen är satt till 30 ml och

strypare-an är 0,44 mm2_{. Volymen som bildas i nipplar och T-kopplingar i provbänken}

ligger i storleksordningen 30ml. Stegsvar har dock utförts med en så liten volym som möjligt, genom att montera tryckgivaren direkt på signalutgången. Volymen krympte då till 5-10ml och fick därmed en lägre inverkan på snabbheten. Hur stor eller liten en volym skall vara får avgöras från fall till fall eftersom att det alltid finns med en volym mellan olika komponenter i ett system. När man som i detta fall utvärderar en enstaka komponent är det önskvärt att hålla volymerna så små som möjligt för att enbart fokusera på dess dynamik.

(40)

26 Laborationsuppsättning

Figur 5.6.Grafiskt gränssnitt i IQAN som visar ett förslag på effektreglering i MC2. [3]

0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 20 25 30 tid [ms] tryck [bar]

(41)

Kapitel 6

Nya ventilkombinationer och

konstruktion av

adapterplattor

Eftersom att CPS4 ganska snart visade sig vara väldigt olinjär och dessutom tryck-beroende, beställdes dess pilotdel PDA3 och den närbesläktade PDA6 från Mi-crostaq för att utröna om det var där olinjäriteterna uppstod. Förhoppningen låg i att dessa båda ventiler skulle vara mer linjära och tryckoberoende och därför fungera som proportionalstyrande element.

För att kunna koppla upp MEMS-ventilerna i provbänken var det nödvändigt att tillverka adapterplattor. De tre ventiltyperna från Microstaq hade vardera olika storlek och delning på sina anslutningsportar. Adapterplattorna ritades och måttsattes i ProEngineer för att senare tillverkas i Parkers labbverkstad.

Den första ventilserien CPS4 levererades med adapterplatta, men eftersom gän-gorna till anslutningarna inte var av känd europeisk standard skapade den adapter-plattan mer oreda än nytta. På grund av detta ritades resterande adaptrar som behövdes upp på MCDE.

6.1 Adaptrar PDA3 och PDA6

Efter att ha erhållit ritningar från Microstaq på ventilhöljerna till PDA3 och PDA6, vilka skiljde sig något åt, ritades adapterplattor i ProEngineer. Båda ven-tilerna hade tre portar på en yta med O-ringsspår. Vardera ventil fick varsitt

rätblock med kanaler matchande portmönstret uppritat, se figurerna 6.1och6.2.

Kanalerna i blocken fick mynna ut i gängade G1/4 hål för att enkelt kunna skruva fast nipplar till att ansluta med i provbänken.

(42)

28 Nya ventilkombinationer och konstruktion av adapterplattor

(a) Solid. (b) Genomskärning.

Figur 6.1.Adapterplatta till PDA3 för anslutning i provbänk. [3]

(43)

6.2 Kombinationsventil 29

6.2 Kombinationsventil

Att CPS4 uppvisade ett nyckfullt beteende, exempelvis att lite signaltryck låg kvar även fast styrströmmen gick ner till noll, gav upphov till funderingar kring CPS4:ns konstruktion. Det misstänktes tidigt att huvudsliden var upphovsmak-eren till detta beteende. Dess rektangulära tvärsnitt, samt ovetskapen om hur väl

tryckutjämningsspåren fungerade bidrog till dessa misstankar, figur4.7. Den

rek-tangulära sliden kräver ett rektangulärt ventilhus. Under trycksättning är det inte omöjligt att detta blir för vekt och bågnar något, med följd att sliden kärvar.

I väntan på tillverkning och leverans av PDA3 och PDA6, vilket skulle ta några veckor, väcktes tankarna på en kombinationsventil. Om man förutsatte att proble-men med CPS4 härstammade från dess huvudslid var det nära till hands att börja skissa på en ny ventilkombination. Använder man PDA3 som pilotsteg och en liten rotationssymetrisk slid som huvudsteg, kan man förhoppningsvis få en väldigt liten och snabb pilotventil. Sliden från PVC25 piloten fick snart uppmärksamhet och visade sig i teorin vara alldeles ypperlig att använda som tryckstyrande element. Denna konstruktion skiljer sig inte principiellt från CPS4, men det viktiga är att få en huvudslid med tillfredsställande och kända egenskaper.

6.2.1 Konstruktion och laborationstest

Friläggning av ventilhus och slid

En PVC25 pilotventil fick agera utgångsmaterial till kombinationsventilen. Först avlägsnades solenoiden med dess ankare och stång genom att gå in i underkant av solenoiden med ett stickstål i svarven. Efter att ha separerat solenoiden (överdel) med ventilhus och slid (underdel) syntes det snart att här fanns potential att modifiera.

Sliden hade styrning och tillräcklig tätspallt kring dess övre del för att kunna hålla ett tryck där, istället för som innan då en kraft överfördes via stången från ankaret. Ovanför sliden fanns ett precis så stort utrymme i ventilhuset som krävdes för att kunna sätta in en ändlägestapp med en o-ringstätning. Tanken var att tappen också skulle förses med en oljekanal för tryckstyrningen.

Efter denna positiva upptäckt spändes ventilhuset på nytt upp i svarven och planades i höjd med husets fästöron, med en slät yta att bygga vidare på som resultat.

Konstruktion av adapter för utvärdering av koncept

Det som nu krävdes för att tryckstyra sliden var att tillverka en ändlägestapp med oljekanal och o-ringstätning. Slidens funktionella ändlägen mättes upp och med utgångspunkt från dessa mått samt ventilhusets innerdiameter i överdelen tillverkades tappen.

Eftersom att även fäste och hydraulanslutning till oljekanalen krävdes tillverkades på enklaste sätt en rotationssymetrisk adapterplatta, för att utvärdera om det går

(44)

Figur 6.3. Adapterplatta med ändlägestapp, oringsspår och hydraulanslutning, för

utvärdering av kombinationsventilskoncept. [3]

Trycksättning och mätdata

Adapterplattan monterades på ventilhuset och hela paketet skruvades fast i ett hy-draulblock i provbänken. Ventilhuset trycksattes enligt normalförfarande, som om det fortfarande hade varit en omodifierad PVC25. Oljekanalen i adapterplattan anslöts via en slang till en PVC25 pilot i originalutförande, för att kunna vari-era styrtrycket på elektrisk väg. När styrtryck kopplades på via adapterplattan, undersöktes om det förekom något externt läckage, villket det inte gjorde. Detta tydde på att o-ringstätningen fungerat som det var tänkt.

När det konstaterats att det inte förekom något externt läckage gjordes ett svep med svepgenerator för att se om signaltrycket följde styrtrycket, som verkar på motsvarande ände av sliden.

Detta visade sig fungera alldeles utmärkt, figur6.4. Signaltrycket följer

styrtryck-et mjukt och fint genom reglerområdstyrtryck-et. Anledningen till att signaltryckstyrtryck-et ligger något under styrtrycket är att det sitter en liten fjäder på undersidan av sliden. Denna fjäder är till för att garantera att ventilen håller öppet mot tank när den ej

är aktiv och ligger och reglerar. Fjäderkraften syns i figur6.4som den tryckskillnad

som uppstår mellan kurvorna, F = p · A. [11]

I den nedersta delen av figuren syns att kurvorna avviker från varandra. Detta fenomen beror av att styrtrycket understiger fjäderkraften. I övrigt följer signal-trycket styrsignal-trycket linjärt. Hade detta samband avvikt vid en högre trycknivå skulle det tyda på ett större inre läckage från den tryckstyrande sidan av sliden till tankanslutningen.

En andra mätning gjordes efter att fjädern plockats bort, eftersom det inte längre fanns något ankare som med sin massa kunde påverka sliden. Den lilla massa som sliden själv består av är försumbar och kan lätt balanseras ut av ett mycket lågt signaltryck.

Figur6.5 visar den andra körningen när fjädern har plockats bort. Kurvorna

(45)

6.2 Kombinationsventil 31

sliden. Hacken som syns i trycken är en funktion av styrströmmen, vad dessa beror

på är inte fastställt. [22] Den drivning som används är svepgenerator och XP2 för

PWM generering.

Med dessa resultat verkar grunderna för kombinationsventilen vara i sin ord-ning. Det förekommer inget externt läckage och inget onormalt stort internt läck-age. Konceptet verkade lovande.

0 10 20 30 40 50 60 70 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 blå = styrtryck, grön −− = signaltryck tid [s] tryck [bar]

Figur 6.4. Styr- och signaltrycksvep för utvärdering av tryckstyrd PVC25-slid, med

fjäder. [3]

6.2.2 Design komplett kombinationsventil

Efter det lyckade experimentet ovan med att tryckstyra sliden påbörjades nästa steg, nämligen att konstruera en ny adapterplatta. Denna skulle monteras direkt på det modifierade ventilhuset och bestå av den ovan utvärderade ändlägestappen med o-ringstätning, samt en yta att fästa en PDA3 på. Det krävdes kanaldragning inne i blocket för att kunna försörja PDA3:ans tre portar, samt ytterligare modi-fiering av det ursprungliga ventilhuset för att få upp pumptryck till adapterplattan. Under utvärdering är det önskvärt att kunna mäta styrtrycket mellan PDA3 och PVC25-sliden, därför drogs en extra oljekanal i adapterplattan som fick mynna i en anslutning för tryckgivare.

Målet som ställdes med kombinationsventilen (ventilhus, adapterplatta och PDA3) var att den skulle rymmas på valfri pilotplats på en Parker L90LS ventil. Detta i sin tur ställde krav på adapterplattans utformning, eftersom ventilhuset och PDA3 redan hade sina fasta utformningar. Efter flera omarbetningar och in-passning av pappersmallar i en befintlig L90LS ventil blev resultatet enligt figur

6.6. Ändlägestappen med sitt o-ringsspår syns tydligast i figur6.6(a). Strax under

(46)

32 Nya ventilkombinationer och konstruktion av adapterplattor 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 blå = styrtryck, grön −− = signaltryck tid [s] tryck [bar]

Figur 6.5. Styr- och signaltrycksvep för utvärdering av tryckstyrd PVC25-slid, utan

fjäder. [3]

för o-ringar som skall täta anslutningarna för pump och tank mot ventilhuset. På motsvarande yta av ventilhuset mynnar uppborrade kanaler som har förbindelse med pump respektive tank.

På ovansidan av adapterplattan, figur 6.7, ser man överst en gängad

anslut-ning till tryckgivare för att mäta styrtrycket till sliden. Hålmönstret på mit-ten motsvarar de tre portarna på PDA3, samt två skruvanslutningar. De tre genomgående försänkta hålen är till för att skruva fast adapterplattan direkt på ventilhuset.

6.3 Simulering

För att i ett tidigt skede kunna få en känsla för beteendet hos kombinationsven-tilen byggdes en modell över ventilhuset från PVC25. Denna submodell tryck- och flödesförsörjdes från en proportionalstyrd slid med samma areaförhållande som PDA3. Syftet med denna simulering var att se om flödeskapaciteten från PDA3 skulle vara tillräcklig för att manövrera PVC25-sliden, samt att undersöka dy-namiska egenskaper, exempelvis svängningar.

6.3.1 AMESim simulering av PDA3 i kombination med

PVC25-slid

Modellen byggdes i simuleringsverktyget AMESim som Parker nyttjar. Den ter-miska aktueringen i PDA3 ersattes i denna modell med en proportionell styrning.

(47)

6.3 Simulering 33

Figur 6.6.Adapterplatta för att kombinera PDA3 med ventilhus från PVC25. [3]

modellen över PVC25-sliden och till höger hydraulikdelen av PDA3. Fjäderkraften för den fjäder som i modellen verkar på PVC25-sliden är satt till noll, eftersom att den plockades bort vid testkörning i bänken.

6.3.2 Dämpstrypning PVC25

Den strypning som är kopplad mellan volymen (Ch) och tank på PVC25 modellen är en dämpstrypning som tillkommit på PVC25 piloter efter svängningsproblem.

[22] Denna strypning är i verkligheten ett borrat hål i ventilsliden som förbinder

signalutgången med tank, villket efterliknas i modellen. Fördelen med att ha ett borrat hål jämfört med ett traditionellt underlapp (Slid som är kortare än lägena i huset och som i neutralläge ger ett läckage mellan pump, signal och tank, för

ökad dämpning. [15]) är att man slipper läckage från pump när ventilen ej jobbar,

samt att det är lättare att få jämnare karaktäristik mellan individer på grund av

toleranser vid bearbetningen. [22]

I figurerna6.9och6.10visas plottar från AMESim, med och utan

dämpstryp-ning. Det framgår tydligt vilken inverkan läckaget genom strypningen har på de dynamiska egenskaperna.

Anledningen till att denna simulering utförts var att Miqrostaq själva håller på att bygga en liknande ventil som kombinationsventilen, med svåra

självsvängn-ingsproblem som resultat. [9] På grund av svängningsproblem kändes det relevant

(48)

Figur 6.7.Ovansida av adapterplatta med hålbild passande PDA3. Överst syns

mätut-tag för tryckgivare. [3]

(49)

6.3 Simulering 35 2500 3000 3500 4000 4500 0 5 10 15 20 25 30 blå = styrtryck, grön −− = signaltryck tid [ms] tryck [bar]

(50)

36 Nya ventilkombinationer och konstruktion av adapterplattor 2500 3000 3500 4000 4500 0 5 10 15 20 25 30 blå = styrtryck, grön −− = signaltryck tid [ms] tryck [bar]

(51)

Kapitel 7

Mätresultat Hysterestest

Hysteres betyder att komma efter. Det är ett fysikaliskt fenomen där effekten av en applicerad kraft inte enbart beror av dess momentana värde, utan även dess historia. Hysteres i ett cykliskt förlopp innebär att fram- och återgång inte kommer

att följas åt i samma spår. [19]

I hydrauliska sammanhang innebär detta att en och samma styrström (insignal) ger två olika tryck eller flöden ut ur systemet. Detta är inte önskvärt eftersom det ger en osäkerhet i utsignalen i förhållande till insignalen. Detta naturfenomen är svårt att helt komma ifrån, men man vill i så stor utsträckning som möjligt minimera dess effekt för att minska osäkerheten på utsignalen.

Nedan följer mätresultat av hysteres vid olika tryckfall och med olika typer av drivsteg. PVC25 piloten används som referens till MEMS-ventilerna. Samtliga mätningar nedan är plottade med trycket ut från den testade ventilen som funktion av strömmen. För att generera en ström som insignal till PWM-generatorn används en svepgenerator, som sakta och linjärt ökar strömmen till max, för att sedan linjärt minska den till noll igen. Samtliga undre kurvor i plottarna, oavsett om det är en eller flera körningar i samma graf, visar utstyrning och samtliga övre kurvor visar instyrning. Avståndet mellan kurvan för in- och utstyrning visar storleken på hysteresen.

Mätningarna är gjorda med öppen styrning, det vill säga att någon återkoppling mellan styrsignal och tryck inte förekommer.

7.1 Samband i karaktäristik

Studerar man graferna ser man ett tydligt mönster, hysteresen och dödbandet (området kring nollan där insignalen ändras utan någon förändring i utsignal sker.

[15]) ökar med ökat tryckfall över ventilen.

(52)

38 Mätresultat Hysterestest

7.2 Repeterbarhet

I de figurer med flera hystersekurvor kan man bilda sig en uppfattning om repeter-barheten. Dessa kurvor är framtagna i följd efter varandra under identiska

förhål-landen. Exempel på detta är figurerna7.6och 7.8.

7.3 Intermittenta fenomen

Studerar man figur 7.5ser man tydligt att det uppstår hack i tillbakagången av

trycket. Detta fenomen har jag ej funnit någon förklaring till, utan bara konstat-erat att det kan uppträda någon gång ibland. Det som senare hände med detta exemplar av PDA3 var att en av de tre portarna slutade fungera. Det visade sig vid reklamation till Microstaq att det uppstått sprickbildning och att delar av pilotens ankare fallit sönder, vilket kan ha bidragit till ovan nämnda fenomen.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 30 blå = signaltryck ström [mA] tryck [bar]

Figur 7.1.Hysterestest PDA6, Drivning: XP2 65 Hz, ps = 20 bar, pt = atmosfärstryck

(53)

7.3 Intermittenta fenomen 39 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 30 blå = signaltryck ström [mA] tryck [bar]

Figur 7.2.Hysterestest PDA6, Drivning: XP2 65 Hz, ps= 15 bar, pt= atmosfärstryck

[3] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 30 blå = signaltryck ström [mA] tryck [bar]

Figur 7.3.Hysterestest PDA6, Drivning: MC2 65 Hz, ps= 20 bar, pt= atmosfärstryck

(54)

40 Mätresultat Hysterestest 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 30 blå = signaltryck ström [mA] tryck [bar]

Figur 7.4.Hysterestest PDA3, Drivning: XP2 65 Hz, ps= 20 bar, pt= atmosfärstryck[3]

Figur 7.5.Hysterestest PDA3, Drivning: XP2 65 Hz, ps = 15 bar, pt = atmosfärstryck

(55)

7.3 Intermittenta fenomen 41 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 30 blå = signaltryck ström [mA] tryck [bar]

Figur 7.6.Hysteres och repeterbarhet PDA3, Drivning: XP2 65 Hz, ps = 20 bar, pt =

atmosfärstryck (Flertal svep körda efter varandra.) [3]

Figur 7.7.Hysteres och repeterbarhet CPS4, Drivning: XP2 65 Hz, ps = 30 bar, pt =

(56)

42 Mätresultat Hysterestest 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 30 blå = signaltryck ström [mA] tryck [bar]

Figur 7.8.Hysteres och repeterbarhet CPS4, Drivning: XP2 65 Hz, ps= 20 bar, pt =

atmosfärstryck (Flertal svep körda efter varandra.) [3]

Figur 7.9.Hysteres och repeterbarhet CPS4, Drivning: XP2 65 Hz, ps= 15 bar, pt =

(57)

7.3 Intermittenta fenomen 43 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 blå = signaltryck ström [mA] tryck [bar]

Figur 7.10.Hysterestest PVC25, Drivning: XP2 93 Hz, ps= 50 bar, pt= atmosfärstryck

(58)

(59)

Kapitel 8

Mätresultat Small Step

Response

Small Step Response kommer att benämnas som BG-test i rapporten, eftersom denna testmetod i MCDE:s fall utformades av Ulf Nyberg enligt Bengt-Göran Perssons önskemål, båda anställda på Parker. Testet döptes därefter internt till

BG-test efter Bengt-Göran. [22]

BG-testet liknar ett upp och nergående svep på insignalen, men istället för att låta svepet vara kontinuerligt har man delat upp det i ett stort antal små steg. Syftet med detta test är att enkelt kunna se om hysteres och slip-stick (fenomen där ett föremål börjar glida med ett ryck när statiska friktionen mot underlaget övervinns) varierar över ventilens arbetsområde.

8.1 Tydlig skillnad mellan MEMS och PVC25

Jämför man figur8.1och figur8.3med figur8.6som visar PVC25 ser man att det

är en mycket stor skillnad i uppförande. Till att börja med krävs en mycket större ström för att PDA3 och PDA6 skall börja släppa igenom tryck. I reglerområdet är både PDA3 och PDA6 mycket olinjära och får en brantare öppning och

stängn-ingskaraktäristik med ökat tryckfall över ventilen. Tittar man i figur8.2och figur

8.3ser man att PDA3 har ett något mer följsamt beteende än PDA6.

Figurerna 8.4 och 8.5 som visar CPS4 skall man inte lägga så stor vikt vid

ur ett BG-test perspektiv, eftersom det var efter dessa båda mätningar som det-ta exemplar helt sludet-tade fungera. Grundbeteendet är detsamma som för PDA3 eftersom det just är en sådan ventil som sitter som pilotdel i CPS4.

(60)

46 Mätresultat Small Step Response 0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30

övre = skalad ström, undre = signaltryck

tid [s]

tryck [bar], ström [mA] x30

Figur 8.1.BG-test PDA6, Drivning: XP2 65 Hz, ps= 20 bar, pt = atmosfärstryck [3]

0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30

tid [s]

(61)

8.1 Tydlig skillnad mellan MEMS och PVC25 47 0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30

tid [s]

Figur 8.3.BG-test PDA3, Drivning: XP2 65 Hz, ps = 20 bar, pt= atmosfärstryck [3]

0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30

tid [s]

Figur 8.4.BG-test CPS4, Drivning: XP2 40 Hz, ps= 30 bar, pt= atmosfärstryck (Något

(62)

48 Mätresultat Small Step Response 0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30

tid [s]

Figur 8.5. BG-test CPS4, Drivning: XP2 40 Hz, ps = 30 bar, pt = atmosfärstryck

(Efter denna körning var det omöjligt att nå atmosfärstryck med ventilen igen och den reklamerades.) [3] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 5 10 15 20 25 30

tid [s]

(63)

Kapitel 9

Stegsvar

Syftet med att göra stegsvar på ventilerna är att framhäva deras dynamiska egen-skaper. Genom att lägga styrsignalen på en viss nivå och i nästa ögonblick ändra den till en ny nivå får man ett steg. Jämför man det utlagda strömsteget och förändringen i utseendet av signaltrycket finns mycket information att hämta.

PDA3 och CPS4 höll inte så länge att de kunde genomföra ett stegsvarstest, varför resten av detta kapitel enbart kommer handla om PDA6 och PVC25.

9.1 Översläng

PDA6 har inte visat några tecken på översläng. En översläng definieras av att utsignalen, i detta fall signaltrycket, passerar förbi sitt nya jämviktsläge något för att sedan närma sig igen från motsatt håll. Eftersom några överslängar inte verkar förekomma, kan man på enklaste sätt approximera dynamiken med ett första ordningens lågpassfilter givet som överföringsfunktion:

G (s) = 1

τ s + 1 (9.1)

[21]

Detta stämmer överens med de uppgifter Microstaq lämnat ut, att PDA3 och PDA6 kan approximeras med ett första ordningens lågpassfilter.

9.2 Tidsfördröjning

Studerar man plottarna figur 9.1(a)och Figur 9.2(a) ser man att den tid det tar

från att steget läggs ut till dess att signaltrycket börjar förändras varierar mycket mellan de två olika plottarna. Testerna är utförda under samma förutsättninger, det är bara pumptrycket som varierar.

Med denna variation i tidsfördröjning i åtanke kan man konstatera att ett första ordningens lågpassfilter är otillräckligt för att beskriva dynamiken.

(64)

50 Stegsvar 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 blå = signaltryck, grön −− = skalad ström tid [ms]

(a) Positivt steg.

3800 3850 3900 3950 4000 4050 4100 4150 4200 4250 4300 0 5 10 15 20 25 30 35 40 blå = signaltryck, grön −− = skalad ström tid [ms]

(b) Negativt steg.

Figur 9.1.Stegsvar PDA6, Drivning: MC2 65 Hz, ps = 15 bar, pt = atmosfärstryck [3]

9.2.1 Trycknivå

Studerar man återigen plottarna figur 9.1(a) och figur 9.2(a) ser man att

stigti-den ligger i storleksordningen 25 ms (stigtistigti-den definieras av stigti-den tid det tar för

utsignalen att ändra sig från 10 till 90 procent av det totala steget [21]) och att

den inte skiljer mellan de båda plottarna. Med utgångspunkt av detta verkar inte trycknivån spela någon roll för själva stigtiden, utan den inverkar enbart på tids-fördröjningen.

9.2.2 Typ av PWM-generering

Beroende på om MC2 eller XP2 används som PWM-generator fås stora skillnader

i steget, jämför figur9.2(a)där stigtiden är 23 ms och9.3(a)med stigtiden 48 ms.

Orsaker till detta fenomen beskrivs i stycke10.4.1under kapitel10.

9.2.3 Steg inom reglerområdet

Det är önskvärt att stegsvaren inte ser olika ut beroende på var i reglerområdet man befinner sig, en proportionalitet är att eftersträva.

Stegsvar för PDA6 inom reglerområdet blir extremt långsamma, i figur9.4(a)

ligger stigtiden på hela 900 ms. Pumptrycket har tagits med i denna figur för att påvisa att signaltrycket faktiskt stabiliserar sig på en nivå under det.

PVC25 visar istället en förbättrad prestanda då den ligger inom sitt

reglerom-råde, jämför figur 9.5 och 9.6. Den högsta prestandan som uppmätts på PVC25

är en stigtid på 4 ms och uppmätt i figur9.6(a).

9.3 Inverkan av viskositet

För att studera inverkan av oljans viskositet gjordes tre identiska stegsvar i följd med varierande oljetemperatur. Viskositeten sjunker vid ökad temperatur och därmed blir det möjligt att få samma viskositet i testbänken som Microstaq har

(65)

9.3 Inverkan av viskositet 51 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 0 5 10 15 20 25 30 35 40 blå = signaltryck, grön −− = skalad ström tid [ms]

(a) Positivt steg.

(b) Negativt steg.

Figur 9.2.Stegsvar PDA6, Drivning: MC2 65 Hz, ps= 20 bar, pt = atmosfärstryck [3]

(a) Positivt steg.

(b) Negativt steg.

Figur 9.3.Stegsvar PDA6, Drivning: XP2 65 Hz, ps = 20 bar, pt = atmosfärstryck [3]

1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 0 5 10 15 20 25

blå = signaltryck, grön −− = skalad ström, röd .. = pumptryck

tid [ms]

(a) Positivt steg.

4600 4800 5000 5200 5400 5600 5800 6000 6200 6400 6600 0 5 10 15 20 25

blå = signaltryck, grön −− = skalad ström, röd .. = pumptryck

tid [ms]

(b) Negativt steg.

(66)

52 Stegsvar 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 0 5 10 15 20 25 30 35 40 blå = signaltryck, grön −− = skalad ström tid [ms]

(a) Positivt steg.

(b) Negativt steg.

Figur 9.5.Stegsvar PVC25, Drivning: XP2 93 Hz, ps= 20 bar, pt= atmosfärstryck [3]

(a) Positivt steg.

(b) Negativt steg.