JP2001154738A - 比例ソレノイドバルブの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 正確で、応答速度が速く、オーバーシュート
やアンダーシュートの無いガスの圧力制御を可能とする
比例ソレノイドバルブの制御方法を提供する。 【解決手段】 ガスの圧力又は流量を比例ソレノイドバ
ルブで制御するに際し、先ず目標値の近くに複数の中間
目標値を設け、中間目標値に到達する毎に、パルス幅及
びベース電圧増加幅が、前記中間目標値を超える直前の
中間目標値間にある場合に比例ソレノイドバルブに送っ
たパルス列より小さく、且つ前記パルス列と同一周波数
の定格電圧パルス列を比例ソレノイドバルブに送ること
により、流体の流量を目標値に収束させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスライン等の流
体の流路に装着された比例ソレノイドバルブの開閉の制
御方法に関し、具体的には比例ソレノイドバルブを制御
することにより、流体の流量、又は圧力を制御すること
を目的とする比例ソレノイドバルブの制御方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、気体や液体等の流体の流量、圧力
を制御するため、バルブが用いられている。比例ソレノ
イドバルブを用いて流量又は空圧を制御する装置も、以
前から存在している。

【０００３】しかしこれらの装置は、流量や空圧の変動
に対する応答速度、及び安定性に関しては問題がある。

【０００４】従来の流量制御や、空圧制御は、電子回路
を駆使し、ハード的、ソフト的に工夫されたものである
が、原理的には流量や圧力をアナログ的に制御するもの
である。このため比例ソレノイドバルブの持つヒステリ
シス特性や動作不感帯の存在に十分対応できず、流量等
の変動がある場合、応答速度、安定性に問題を生じてい
る。

【０００５】更に、従来のアナログ的制御方法は、オン
・オフ式制御方式と異なり、制御動作中は常に通電状態
にあるので、バルブのソレノイドコイル中を流れる電流
によって、時間の経過と共にコイル温度が上昇する。こ
のため、設定値を一定に保つことが出来ず、徐々に制御
流体の圧力や流量が変動する問題がある。

【０００６】また、制御方式に関しては、従来ＰＩＤ制
御等が知られている。この制御方式は、温度制御等の制
御対象の変動が緩やかな場合や、制御対象の慣性が大き
いため変動が緩やかな場合に適した制御方法である。

【０００７】しかし、空圧制御の場合は、目標値に到達
する時間が通常１秒以内と極めて短時間であることを要
求される場合が多いので、このような空圧制御には、Ｐ
ＩＤ制御方式は採用できない。また、微小変化を制御す
る場合もＰＩＤ制御方式では変化に追従し得ないので、
採用できない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、空圧や
流量制御をするために好ましい制御方法を検討した。そ
の結果、空圧制御においては、外乱に対する応答が最も
早く、かつオーバーシュートやアンダーシュートを限り
なく小さくする制御方法が望ましいと考えた。そして応
答速度を高めるためには比例制御方式が好ましく、これ
を採用する場合は制御目標値近傍で、如何にして安定性
を保つことが出来るかが問題解決に重要であると考え
た。

【０００９】その結果、本発明者等は比例制御方式を改
良した、改良型比例制御方式に想到し、本発明を完成す
るに至ったものである。

【００１０】従って、本発明の目的とするところは、応
答時間が短く、制御安定度の高い空圧制御に適した流体
の流量制御に適した比例ソレノイドバルブの制御方法を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、以下に記載するものである。

【００１２】〔１〕 流体流路と、前記流体流路に設け
た比例ソレノイドバルブと、前記比例ソレノイドバルブ
の下流側に設けた圧力センサ又は流量センサと、前記圧
力センサ又は流量センサの検出値を演算処理し制御信号
を比例ソレノイドバルブに伝送する制御回路とを有する
流体制御装置の比例ソレノイドバルブの制御方法におい
て、予め圧力センサ又は流量センサの測定値と制御目標
値との間に複数の中間目標値を設定しておき、圧力セン
サ又は流量センサ測定値が中間目標値間にある場合は、
周波数、パルス幅及び／又はベース電圧増加幅が同一の
定格電圧のパルス列を比例ソレノイドバルブに送り、圧
力センサ又は流量センサの測定値が制御目標値に近い側
の中間目標値を超える毎にパルス幅及びベース電圧増加
幅が、前記中間目標値を超える直前の中間目標値間にあ
る場合のパルス列より小さく、且つ前記パルス列と同一
周波数の定格電圧パルス列を比例ソレノイドバルブに送
ることにより比例ソレノイドバルブの開度を制御する比
例ソレノイドバルブの制御方法。

【００１３】以下、図面を参照しながら本発明を詳細に
説明する。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の比例ソレノイド
バルブの制御方法を採用する流体制御装置の一例を示す
ものである。図１中、１は流量（圧力）が制御される流
体ガスが流れる流路で、流体ガスは上流側２から下流側
４に向って流れている。

【００１５】６は比例ソレノイドバルブで、前記流路１
に取付けられ、その弁体８が変位することにより流路１
を流れる流体ガスの流量（圧力）が制御される。

【００１６】１０は、圧力センサ又は流量センサで、前
記比例ソレノイドバルブ６の下流側の流路１に取付けら
れている。この圧力センサ又は流量センサ１０で検出さ
れる流体ガスの圧力信号は制御回路１２に送られ、予め
設定されている流体ガス圧力値と比較演算処理された
後、制御信号は比例ソレノイドバルブ６に伝送されるこ
とにより、弁体８の変位を制御し、これにより流体ガス
の圧力を所定値になるようにフィードバック制御がなさ
れる。

【００１７】本発明において使用する比例ソレノイドバ
ルブ６は、それ自体公知のバルブである。この比例ソレ
ノイドバルブ６は、印加電圧に比例して弁体が変位する
もので、これにより制御される流体ガスの流量又は圧力
が制御される。

【００１８】図２は、上記比例ソレノイドバルブ６の動
作特性を示すものである。印加電圧を０Ｖから上昇させ
ていく場合、印加電圧が最低起動電圧を超えるまでは弁
体の摩擦抵抗等により、弁体８の変位はない。印加電圧
が最低起動電圧を超えると、印加電圧の増加に比例して
弁体８の変位が起り、この状態は弁体の変位可能範囲を
超える（飽和状態）まで続く。従って、比例ソレノイド
バルブ６の制御可能範囲は最低起動電圧と、飽和電圧と
の間である。

【００１９】本発明においては、比例ソレノイドバルブ
６の駆動のためにパルス信号を用いるが、図３に示すよ
うに、このパルス３２は、最低起動電圧から始り、以後
立上がりベース電圧３４から一旦定格電圧（最大電圧、
ＭＡＸ）を与えた後、比例ソレノイドバルブ６の所望の
開度に相当する印加電圧に近い立ち下がりベース電圧３
６を与える波形である。本発明においては、この波形の
パルスが比例ソレノイドバルブに伝送されることを繰返
し、これにより弁体８を所望の開度に近づける制御方法
である。

【００２０】従って、与えるパルス信号は、図３に示さ
れるように、立上がりベース電圧３４よりも、立ち下が
りベース電圧３６が高い。つまり、与えるパルス信号は
ベース電圧が徐々に上昇するパルス列であり、このパル
ス列の周波数は変化しない。

【００２１】上記波形のパルス信号を比例ソレノイドバ
ルブに与える理由は以下に記載するものである。即ち、
最初に定格電圧を与えることにより、インダクタンスの
大きいコイルに短時間電流を流し、これにより弁体８を
動き始める直前の状態（フローティング状態）に短時間
で到達させ、不感帯を迅速に脱出するものである。

【００２２】更に、比例ソレノイドバルブは、印加電圧
を低電圧側から上昇させる場合と、高電圧側から低下さ
せた場合において、最終印加電圧が同一の場合でも、比
例ソレノイドバルブの開度が相違する、ヒステリシス現
象が存在する。この現象を避けるためには、常に高電圧
側から目的電圧に到達するようにすればよい。このため
にも、本発明において採用するパルス波形は有効なもの
である。

【００２３】以下、図１に示す流体の制御装置を上記パ
ルス列でフィードバック制御することにより、流体ガス
の流量を制御する場合について、図４を参照しながら説
明する。

【００２４】先ず、制御するべき流体ガスの流量の目標
値が決定される。前記目標値は、通常目標値を中心とす
る所定の幅を有する上限閾値、下限閾値を有する。

【００２５】次に、閾値の外側（図４においては下方）
に複数の中間目標値（図４においてはＡ、Ｂ）が定めら
れる。中間目標値Ａ、Ｂは、制御対象ガスの種類、制御
精度、外乱の大きさ、制御装置の規模等により異なり、
当業者により適宜必要に応じて設定されるものである。
通常、これらの中間目標値は制御幅の１０％以内の目標
値側に設定される。又、中間目標値数は通常１〜５が好
ましい。

【００２６】圧力センサ又は流量センサ１０の検出値が
制御回路１２に送られ、目標値と比較される。即ち、下
記式（１）に示す演算値dataが算出される。

【００２７】

【数１】 data＝｜目標値−圧力センサ又は流量センサの検出値｜ （１） （ａ）圧力センサ又は流量センサの検出値が領域ア（中
間目標値Ｂ以下）の範囲にある場合 制御回路１２から、比例ソレノイドバルブ６に下記式
（２）、（３）に示すパルス列が伝送される。

【００２８】

【数２】 Ｄ／Ａ電圧＝Ｄ／Ａ現在値＋Ｖ_Const （２）

【００２９】

【数３】 ｔ１＝Ｔ_Const （３） ここで、Ｄ／Ａ電圧は図５に示すように、パルスの立ち
下がりベース電圧、ｔ１はパルス幅を示す。Ｖ_Const
は、後述する図５中のＤ１（初期値）を示し、比例ソレ
ノイドバルブの印加電圧と流量（圧力）の関係から適宜
その値が設定される。なお、MAX電圧は定格電圧を示
す。

【００３０】上記パルス列が比例ソレノイドバルブに伝
送されることにより、弁体８の変位が始り、流路１を流
れる流体ガスの圧力は急速に目標値近傍に収束させられ
る。この領域アにおける制御方式は比例制御であるの
で、目標値に収束させられる速度は最も急速なものであ
る。

【００３１】（ｂ）圧力センサ又は流量センサの検出値
が領域イ（中間目標値Ａ、Ｂ間）の範囲にある場合 上記のようにして、領域アにある圧力センサ又は流量セ
ンサの検出値が中間目標値Ｂを超えて、領域イ（中間目
標値ＡとＢとの間の領域）に入ると、制御回路１２から
比例ソレノイドバルブ６に伝送されるパルス列は下記式
（４）、（５）で示されるものに変更される。

【００３２】

【数４】 Ｄ／Ａ電圧＝Ｄ／Ａ現在値＋data／Ｎ （４）

【００３３】

【数５】 ｔ１＝data／Ｎ （５） ここで、Ｎは任意に定める設定値である。通常２〜３０
が好ましい。

【００３４】この領域イにおける、立上がりベース電圧
に対する立ち下がりベース電圧の増加分は領域アにおけ
るその増加分と比較して小さくなるように設定される。
又、パルス幅ｔ１も同様に領域アにおけるそれよりも小
さく設定される。

【００３５】（ｃ）圧力センサ又は流量センサの検出値
が領域ウ（中間目標値Ｂと下限閾値間）の範囲にある場
合 上記のようにして、領域イにある圧力センサ又は流量セ
ンサの検出値が中間目標値Ａを超えて、領域ウ（中間目
標値Ｂと下限閾値の間の領域）に入ると、制御回路１２
から比例ソレノイドバルブ６に伝送されるパルス列は下
記式（６）、（７）で示されるものに変更される。

【００３６】

【数６】 Ｄ／Ａ電圧＝Ｄ／Ａ現在値＋α （６）

【００３７】

【数７】 ｔ１＝０ （マシンサイクル） （７） ここで、αは任意に設定することの出来る値で、通常１
〜１０である。

【００３８】圧力センサ又は流量センサの検出値が領域
ウの範囲にある場合は、立上がりベース電圧に対する立
ち下がりベース電圧の増加分は領域イにおけるその増加
分と比較して小さく設定される。又、パルス幅ｔ１も同
様に領域アにおけるそれよりも小さく設定される。つま
り、ほとんど同一波形の極めて短いパルス幅のパルスを
比例ソレノイドバルブ６に伝送することにより、オーバ
ーシュート、アンダーシュートの起きることを防止しな
がら、目標値に収束するように制御される。

【００３９】なお、上記説明は目標値に向って流体の圧
力を高めていく場合につき概略説明をしたが、圧力を低
めていく場合は、パルス幅を０、即ち定格電圧を与える
ことなく階段状に電圧を目標値まで下げていくものであ
る。各設定値は、目標値に収束する際、上限閾値の方か
ら収束するか、下限閾値の方から収束するかにより別々
に設定できる様にすることが好ましい。

【００４０】上記構成においては、中間目標値をＡ、Ｂ
の２点としたが、これに限られず、任意の数の中間目標
値を設定することが出来る。この場合、目標値から離れ
ている領域程、式（４）、（５）のＮを小さく設定すれ
ばよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明においては、流体ガスの圧力又は
流量を比例ソレノイドバルブを用いて制御するに当り、
予め制御目標値に加えて複数の中間目標値を設定してお
き、圧力センサ又は流量センサの検出値が目標値に向っ
て中間目標値を超える毎にパルス幅及び、パルスのベー
ス電圧増加幅が小さいパルス列で比例ソレノイドバルブ
を制御するようにしたので、圧力センサ又は流量センサ
検出値が、目標値と大きく離れている場合は弁体が大き
く変位してガス流量を大きく変化させて急速に目標値に
近づく。また、検出値が目標値に近くなるに従って、弁
体が小さく変位するように制御するので、オーバーシュ
ートやアンダーシュートを起すことなく短時間で目標値
に収束出来る。更に、定格電圧のパルス列を用いるの
で、常に電圧が高い方から目的電圧に収束することにな
り、これにより比例ソレノイドバルブのヒステリシスの
影響を解消できる。このため本制御方法によれば、比例
ソレノイドバルブの有するヒステリシスの影響を受けず
に正確な流体の圧力、流量の制御が高速で出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御方法を実施する流体制御装置の構
成の一例を示す概略図である。

【図２】比例ソレノイドバルブの動作特性を示すグラフ
である。

【図３】本発明の比例ソレノイドバルブの制御方法に用
いるパルスの一例を示す波形図である。

【図４】本発明における制御領域の説明図である。

【図５】本発明の制御方法において用いるパルスの波形
を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 流路 ２ 上流側 ４ 下流側 ６ 比例ソレノイドバルブ ８ 弁体 １０ 圧力センサ又は流量センサ １２ 制御回路 ３２ パルス ３４ 立上がりベース電圧 ３６ 立ち下がりベース電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 克俊 神奈川県横浜市港北区樽町４ー14ー30 株 式会社ゼスト内 Ｆターム(参考） 3H106 DA02 EE04 FA03 FB11 FB12 KK12 5H307 BB01 DD04 DD06 EE02 EE07 FF01 FF12 HH02 HH08 5H316 BB01 DD04 DD06 EE02 EE08 FF01 FF22 HH02 HH08

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体流路と、前記流体流路に設けた比例
   ソレノイドバルブと、前記比例ソレノイドバルブの下流
   側に設けた圧力センサ又は流量センサと、前記圧力セン
   サ又は流量センサの検出値を演算処理し制御信号を比例
   ソレノイドバルブに伝送する制御回路とを有する流体制
   御装置の比例ソレノイドバルブの制御方法において、予
   め圧力センサ又は流量センサの測定値と制御目標値との
   間に複数の中間目標値を設定しておき、圧力センサ又は
   流量センサ測定値が中間目標値間にある場合は、周波
   数、パルス幅及びベース電圧増加幅が同一の定格電圧の
   パルス列を比例ソレノイドバルブに送り、圧力センサ又
   は流量センサの測定値が制御目標値に近い側の中間目標
   値を超える毎にパルス幅及び／又はベース電圧増加幅
   が、前記中間目標値を超える直前の中間目標値間にある
   場合のパルス列より小さく、且つ前記パルス列と同一周
   波数の定格電圧パルス列を比例ソレノイドバルブに送る
   ことにより比例ソレノイドバルブの開度を制御する比例
   ソレノイドバルブの制御方法。