JP2004270923A - 電磁油圧比例制御バルブを制御するための速度に基づく方法 - Google Patents

電磁油圧比例制御バルブを制御するための速度に基づく方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は油圧システムに関する。
【解決手段】 アクチュエータ(16)はこのアクチュエータを加圧流体を含む供給ラインに接続する第1電磁油圧比例バルブ(21)と、前記アクチュエータをタンク戻りライン(24)に接続する第2電磁油圧比例バルブを有する油圧回路分岐の一部である。バルブ類を動作させる方法は前記油圧アクチュエータ(16)の所望の速度を要求する工程と、前記アクチュエータ上の力の変化を変更するパラメータを検出する工程を含む。所望のパラメータと速度は油圧システムの流量を特徴付ける等価流量係数を導出するために使用される。この等価流量係数から、第1および第2バルブ流量係数が導出され、第1および第2電磁油圧比例バルブ(21、24)の各々を達成するために採用される。これらの係数は油圧システム(10)の各部のコンダクタンスまたは制限を特徴付ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は機械類を動作させるための油圧システムに関し、特にこのようなシステムにおいて電磁油圧バルブを制御するためのアルゴリズムに関する。
種々の機械は油圧バルブにより制御される、シリンダおよびピストン構成のような、油圧アクチュエータにより操作される複数の可動部材を備えている。従来、油圧バルブは機械オペレータにより手動で動作されていた。手動動作型油圧バルブから電気制御装置やソレノイド動作型バルブの使用に移行しつつあるのが現在の傾向である。この型の制御は、複数の制御バルブを運転席の近くに配置する必要がなく、制御されているアクチュエータの近傍に配置することができるので、油圧配管系統を単純化できる。この技術の変遷により、機械機能部の複雑なコンピュータ制御を容易にしている。
ポンプからアクチュエータへ加圧作動液を流すことは作動液流量を制御するために既知である比例ソレノイド動作型スプールバルブにより制御可能である。このようなバルブはバルブに流れる流量を制御するスプールに接続された電機子を移動させる電磁コイルを採用している。バルブの開口量は電磁コイルに流れる電流の大きさに直接関係し、作動液流量の比例制御を可能にする。電機子またはスプールは電流がソレノイドコイルから除去されるとバルブを閉じるためにばね負荷を与えられる。代案として、第2電磁コイルおよび電機子がスプールを反対方向に移動させるために設けられる。
オペレータが機械上の部材を動かそうとすると、ジョイスティックは対応する油圧アクチュエータが移動する方向と所望の流量を示す電気信号を発生するために操作される。アクチュエータをより速く動かしたければ、ジョイスティックをその中立位置からより遠くに移動させる。制御回路はジョイスティック信号を受信し、関連するバルブを開口するために信号を発生することにより応答する。ソレノイドはスプールバルブを移動させ、流入オリフィスを介してピストンの片側のシリンダ室に加圧流体を供給し且つ反対のシリンダ室から排出された流体が流出オリフィスを介してリザーバまたはタンクに流すのを可能にする。油圧機械圧力補償器はスプールバルブの流入オリフィス領域間の最小圧力(マージン)を維持する。流入オリフィスが開く程度を変化させる(例えば、バルブ係数を変化させる)ことにより、シリンダ室内の流量は可変になり、比例的に異なる速度でピストンを移動させる。このように、従来の制御方法は主として外部油圧機械圧力補償器を使用する流入オリフィス計量に基づいている。
最近、1組の比例ソレノイド動作型パイロットバルブが米国特許第6,149,124号に記載されているように油圧アクチュエータに出入りする流体を制御するために開発された。これらのバルブにおいて、ソレノイドアクチュエータは主バルブポペット弁内のパイロット通路を流れる作動液流量を制御するパイロットポペット弁に作用する。電機子は電流がソレノイドコイルから除去されるとバルブを閉じるようにばね負荷をかけられている。
米国特許第6,149,124号
農業トラクタや建設機械のような機械全体の制御は複数の機能部を同時に制御するための要求により複雑になる。例えば、バックホーを動かすために、ブーム、アーム、バケット、およびスイングのための油圧アクチュエータ類は同時に制御されなければならない。これらの機械部材の各々に作用する負荷類は非常に異なるので、各アクチュエータは異なる圧力の作動液を要求する。ポンプはアンローダにより制御された流出圧力を持つ定容量型である。従って、アンローダはアクチュエータのための最大圧力を要求する機能部に応答して制御されることを必要とする。ある場合において、ポンプは同時に動作するすべての機能部のために十分な作動液を供給することができない。当時、制御システムが公平な方法でこれらの機能部間で利用可能な作動液を割り当てることが望まれる。
油圧システムの回路分岐は加圧流体を含む供給ラインとタンクに接続された戻りライン間に油圧アクチュエータと直列に接続された電磁油圧比例バルブを有する。電磁油圧比例バルブを動作する本発明の方法は油圧アクチュエータの所望の速度を要求する工程を含む。このような要求は油圧回路が構成部品である機械のオペレータ入力装置から出される。油圧アクチュエータに作用する力の変化で変わるパラメータはこの力の指示を与えるために検出される。例えば、このパラメータは油圧アクチュエータの圧力である。
所望の速度を達成するために要求される電磁油圧比例バルブを流れる流量を特徴付けるバルブ流量係数は所望速度および検出されたパラメータに基づいて導出される。本発明の好ましい実施例において、この導出は全油圧回路分岐内の流量を特徴付ける等価流量係数を発生するために所望の速度および検出パラメータを使用する工程を含む。電磁油圧比例バルブのバルブ流量係数は等価流量係数から決定される。この電磁油圧比例バルブの活性はバルブ流量係数に基づいて実施される。
本発明の方法が使用される1つの型の油圧回路はアクチュエータを加圧流体を含む供給ラインに接続する第1バルブと、アクチュエータをタンク戻りラインに接続する第2バルブを有する。本発明の方法の他の態様は第1バルブの流量係数と第2バルブの流量係数間の好ましい関係を特定している。ここでは、等価流量係数から第1および第2バルブの各々に導出されたバルブ流量係数は好ましい関係を満足させる。
基本的な方法の他の改良は1つまたは両アクチュエータポート圧力を制御するため(例えば、キャビテーションが流入ポートで生じるのを阻止するため)に実施される。
図1を参照すると、機械の油圧システム10はシリンダ16または他は回転モータのような油圧駆動アクチュエータにより動作される機械素子類を有する。油圧アクチュエータ10はタンク15から作動液を排出し圧力を受けた作動液を供給ライン14に供給するためにモータまたはエンジン(図示せず)により駆動される容積式ポンプ12を含む。ここで説明される速度制御を実行する新規な技術は可変容量型ポンプおよび他の型の油圧アクチュエータを採用する油圧システムに実施されることを理解すべきである。供給ライン14は(比例圧力リリーフ弁のような)アンローダ17によりタンク戻りライン18に接続され、タンク戻りライン18はタンク制御バルブ19によりシステムタンク15に接続される。
供給ライン14およびタンク戻りライン18は油圧アクチュエータ10が配置された機械の複数の油圧機能部に接続される。これらの機能部の一つは詳細に例示され、他の機能は同様な部品を有する。油圧アクチュエータ10は各機能部のバルブ類およびこれらのバルブ類を動作させるための回路が機能部のアクチュエータ近傍に配置される分散型である。例えば、バックホーのブームに対するアームの動きを制御する部品等はアームシリンダまたはブームとアーム間の接合部にまたは近傍に配置される。
任意の機能部20において、供給ライン14はタンク戻りライン18に接続されたノード「t」を有するバルブアセンブリ25のノード「s」に接続される。バルブアセンブリ25は第1油圧導管30によりシリンダ16のヘッド室26に接続された作用ポートノード「a」および第2導管32によりシリンダ16のロッド室27に接続された作用ポートノード「b」を有する。4個の電磁油圧比例バルブ21、22、23および24はバルブアセンブリ25のノード間の作動液流量を制御し、シリンダ16に出入りする流量を制御する。第1電磁油圧比例バルブ21はノードsおよびa間に接続され、文字「sa」により示される。第1電磁油圧(EH)比例バルブ21は供給ライン14とシリンダ16のヘッド室26間の流量を制御できる。文字「sb」により示される第2電磁油圧比例バルブ22はノード「s」および「b」間に接続され、供給ライン14とシリンダロッド室27間の流量を制御できる。文字「at」により示される第3電磁油圧比例バルブ23はノード「a」および「t」間に接続され、ヘッド室26と戻りライン18間の流量を制御できる。ノード「b」および「t」間にあり文字「bt」で示される第4電磁油圧比例バルブ24はロッド室27と戻りライン18間の流量を制御できる。
任意の機能部20の油圧部品類はシリンダ16のヘッド室26とロッド室27内の圧力PaおよびPbを検出する2個の圧力センサー36および38を含む。他の圧力センサー40はノード「s」のポンプ供給圧力Psを計測し、圧力センサー42は機能部20のノード「t」の戻りライン圧力Prを検出する。センサー類はライン損失効果による速度誤差を最小にするためできるだけバルブに接近して配置されなければならない。これらのセンサー類により計測される種々の圧力はセンサーとこれらの測定点間のライン損失により油圧システム内のこれらの測定点の実際の圧力とわずかに相違することを理解すべきである。しかしながら、これらの検出圧力は実際の圧力に関係し且つ表す、このような差異は制御方法論で調整される。さらに、圧力センサー40および42はすべての機能部に備える必要はない。
機能部20のための圧力センサー36、38、40および42は、後述されるように、4個の電磁油圧比例バルブ21−24を動作させる信号を発生させる機能制御装置44に入力信号を与える。機能制御装置44は記載されるように、コンピュータ化されたシステム制御装置46から他の入力信号を受信するマイクロコンピュータに基づく回路である。機能制御装置44により実行されるソフトウエアプログラムはシリンダ16を正しく動作させるための特定の流量により4個の電磁油圧比例バルブ21−24を選択的に開く出力信号を発生させることにより入力信号に応答する。
システム制御装置46は機能制御装置44と圧力制御装置48で信号を交換する油圧システムの全体の動作を管理する。信号類は従来のメッセージプロトコルを使用して通信ネットワーク55上の3個の制御装置44、46および48間で交換される。ポンプ12近傍の機械上に搭載された圧力制御装置48はポンプの流出部、戻りライン圧力センサー51およびタンク圧力センサー53で供給ライン圧力センサー53からの信号を受信する。システム制御装置46からの圧力信号と命令に応答して、圧力制御装置48がタンク制御バルブ19とアンローダバルブ17を動作させる。しかしながら、もし可変容量型ポンプが使用されていると、圧力制御装置48がポンプを制御する。
図2を参照すると、油圧システム10のための制御機能部は異なる制御装置44、46および48間に配分される。単一の機能部20を考慮して、上記機能部のためのジョイスティック47からの出力信号等はシステム制御装置46に対する入力信号として入力される。具体的に、ジョイスティック47からの出力信号はジョイスティック位置を示す信号を制御されている油圧アクチュエータのための所望の速度を示す信号に変換するマッピングルーチン50に入力される。マッピング機能はリニアであるか所望されるような他の形状を有する。例えば、中立中央位置からジョイスティックの移動範囲の第1の半分が速度の低四分位数(lower quartile)にマップされ、低速でアクチュエータの比較的微細な制御を実施する。この場合、ジョイスティック行程の後半分が速度の上位75パーセントの範囲にマップされる。マッピングルーチンはシステム制御装置46内のコンピュータにより解法される演算式により実施され、またはマッピングは制御装置のメモリに蓄積された照合表により得られる。マッピングルーチン50の出力はシステム使用者により望まれる未加工の速度(raw velocity)を示す信号である。
理想的な状態において、未加工または所望の速度はこの機能部と関連する油圧バルブを制御するために使用される。しかしながら、多くの例において、所望の速度は機械の他の機能部11により油圧システムに出された同時の要望を考慮して達成できない。例えば、すべての機能部により要求された作動液流量の全量はポンプ12の最大出力を超える場合がある。どちらの場合も、制御システムは作動液を要求するすべての機能部の間で獲得可能な量を分配しなければならず、任意の機能部は十分な所望の速度で動作させることができない。したがって、未加工の速度は機械を駆動するために得られる流量を現在のアクティブ油圧機能部により要求されている流体の総量と比較する流量分配ソフトウエアルーチン52に適用される。
流量分配ルーチンが得られる流量を分配するため、各機能部の計量モードは各機能部の速度にしたがってそれらのモードとして既知でなければならず、要求された流量を決定し、機能部を駆動するために得られる総計流量に寄与する。図1のようなシリンダ16とピストン28のような油圧シリンダおよびピストン構成を動作させる機能部の場合、シリンダからのピストンロッド45を伸張させるため、作動液がヘッド室26に供給され、ピストンロッド45を後退させるためロッド室27に供給されなければならないことが容易に理解される。しかしながら、ピストンロッド45はロッド室27のある容積を占有するので、このロッド室はヘッド室により要求されるピストンの等しい移動量を発生するためほとんど作動液を要求しない。従って、アクチュエータが伸張モードまたは後退モードであるかが任意の速度で要求される異なる作動液量を決定する。
ポンプからの流体がシリンダ室26または27に供給され、他の室から戻りラインに排出される基本計量モードは駆動動作モード、特に、駆動伸張または駆動後退モードとして称される。油圧システムは1つのシリンダ室から排出される流体が他のシリンダ室に供給するためバルブアセンブリを介して帰還される再生計量モードを採用している。
再生モードにおいて、流体は「高側再生」と称される供給ラインノード「s」または「低側再生」の戻りラインノード「t」を通してシリンダ室間に流れる。再生モードにおいて、流体がシリンダのヘッド室26からロッド室27に流入されると、より小さいロッド室に要求されるよりも大きな流体量がヘッド室から排出される。低側再生モードの後退中に、過剰の流体が戻りライン18に流入し、タンク15または低側再生モードで動作しより多くの流量を要求する他の機能部11に継続して流れる。
ロッド45がシリンダ16から伸張しているとき再生が生じる。この場合、不充分な流体量は、ヘッド室26を満たすために要求されるより、より小さいロッド室27から排出している。低側再生モードの伸張中、機能部はタンク戻りライン18から追加の流体を受けなければならない。追加の流体は他の機能部から、またはアンローダバルブ17を介してポンプ12から流れる。この場合、タンク制御バルブ19は戻りライン18内の流体がタンク15に流れるのを防止するために少なくとも部分的に閉鎖し、流体は他の機能部11からまたはポンプ12から間接的に供給されることが理解されるべきである。高側再生モードがロッドを伸張するために使用されると、追加の流体がポンプ12から流れてくる。
所望の機能速度を発生するために十分な供給流量がすべての供給源から存在するかどうかを決定するために、流量分配ルーチン52はすべての活性機能部の計量モードに関する支持を受け取る。流量分配ルーチンは総供給流体量をもし各機能部が所望の速度で動作すると要求される総流量と比較する。この処理の結果は現在の活性である機能部のための一組の速度命令である。これにより、関連する機能部が(速度命令を)実行し且つ不充分な供給流量であれば命令された速度が機械オペレータにより要望された速度以下である速度が決定される。
各速度命令は関連の機能部11または20の機能制御装置44に送られる。想起されるように、機能制御装置44は機能部のための油圧アクチュエータを制御するバルブ21−24のような電磁油圧比例バルブを動作させる。特有の機能部の計量手段は関連する油圧機能部の機能制御装置44により実行される計量モード選択ルーチン54により決定される。計量モード選択ルーチン54は任意の機能モードを決定するために機械により動作可能である手動入力装置である。代案として、アルゴリズムが特有の時間で機能部のための最適な計量モードを決定するため機能制御装置44により実施される。例えば、計量モード選択部品は特有の機能部でシリンダ室圧力PaおよびPbを受ける。いったん選択されると、計量モードはシステム制御装置46および各機能制御装置44の他のルーチンに伝達される。
バルブ制御
機能制御装置44により実行される残りのルーチン56と58は命令された速度、所望の作用ポート圧力を達成し且つ理想的ではないバルブに起因する速度誤差を最小にするためどのように電磁油圧比例バルブ21−24を動作させるかを決定する。各計量モードにおいて、アセンブリ25の電磁油圧バルブ類の2個のみが活性すなわち開口になる。機能部のための油圧回路分岐内のこの2個のバルブは選択された計量モードの油圧回路分岐の等価流体コンダクタンスを表す単一等価係数Keqにより設計される。機能部20の例示的油圧回路分岐はバルブアセンブリ25およびシリンダ16を含む。この等価コンダクタンス係数Keqは、4個のバルブ21−24の各々に流れる流量および、もしあれば、各バルブが開く量を特徴付ける各バルブコンダクタンス係数を計算するために使用される。この技術分野の当業者は、流量を特徴付けるため、等価コンダクタンス係数とバルブコンダクタンス係数の代りに、反比例流量制限係数を使用できることが認識されるであろう。コンダクタンスと制限係数は油圧システムの区画または部品を特徴付け、反比例パラメータである。従って、ここでは、一般的な用語「等価流量係数」および「バルブ流量パラメータ」はコンダクタンスおよび制限係数をカバーするために使用される。
等価コンダクタンス係数Keqおよび個別の値係数を決定するアルゴリズムを説明するために使用される専門用語が表1に示される。
表1 専門用語
a: シリンダのヘッド側に関係する項目
b: シリンダのロッド側に関係する項目
Aa: ヘッドシリンダ室内のピストンの面積
Ab: ロッドシリンダ室内のピストンの面積
c: 限界値
Fx: 速度xの方向のシリンダ上の等価外部力
Ka: ノードaに接続された活性バルブのコンダクタンス係数
Kb: ノードbに接続された活性バルブのコンダクタンス係数
Ksa: 供給ラインとノードa間のバルブsaのコンダクタンス係数
Ksb: 供給ラインとノードb間のバルブsbのコンダクタンス係数
Kat: ノードaと戻りライン間のバルブatのコンダクタンス係数
Kbt: ノードbと戻りライン間のバルブbtのコンダクタンス係数
Keq: 等価コンダクタンス係数
Kin: 流体がシリンダに流れ込むバルブの係数
Kmax:バルブの最大係数
Kout:流体がシリンダから流れ出るバルブの係数
opt: 速度誤差を最小にするために要求される最適値
Pa: ヘッド室圧力
Pb: ロッド室圧力
Pc: 限界圧力
pc: 限界圧力を得るための項
Ps: 供給ライン圧力
Pr: 戻りライン圧力
Peq: 等価または「駆動」圧力
R: シリンダ面積比、Aa/Ab(R=1.0)
x: ピストンの命令速度(伸張方向で正)
バルブ係数の導出は機能部20のための計量モードに依存する異なる数学的アルゴリズムを採用する。バルブ制御プロセスは4つの計量モードの各々のために個別的に説明される。
1.駆動伸張モード
油圧システム10は供給ライン14からヘッド室26に加圧作動液を加えロッド室27からタンク戻りライン18に流体を排出することによりピストンロッド45をシリンダ16から伸張するために利用される。この計量モードは「駆動伸張モード」と称する。一般に、このモードはピストン28に作用する力Fxが負である場合に利用され、作用はシリンダ16からピストンロッド45を伸張するためにこの力に対して実施されなければならない。この動きを発生するために、第1および第4電磁油圧バルブ21および24が開口され、他の対のバルブ22および23は閉状態を維持される。本発明の制御方法は外部リニア力が作用するシリンダおよびピストン構成を制御する観点から記載されているが、ここに記載される方法はアクチュエータに作用する外力がトルクとして表現されるモータを制御するために使用できる。
ロッドの伸張速度は第1および第4バルブ21および24を介して流体を計量することにより決定される。これらのバルブのためのバルブコンダクタンス係数KsaおよびKbtの設定は供給ライン14と戻りライン18の等価外力(Fx)と圧力PsおよびPrを加えられるピストンロッド45の速度に影響を与える。理論的に、等価コンダクタンス係数(Keq)と称される2個の係数の得られた数学的組み合わせのみが重要なので、個別のバルブコンダクタンス係数KsaおよびKbtのためのバルブの特定の組は関連性が無い。従って、シリンダ面積比R、ロッドシリンダの面積Ab、シリンダ室圧力PaおよびPb、供給および戻りライン圧力PsおよびPr、および命令されたピストンロッド速度xを知ることにより、機能制御装置44は下記式から要求された等価コンダクタンス係数Keqを計算するためにソフトウエアルーチン56を実行する。
Figure 2004270923
ここで、上記式およびこの明細書の他の式の種々の用語は表1に特定される。もし任意のモードを使用するとき所望の速度がゼロであれば、すべての4つのバルブ21−24が閉鎖される。もし負の速度を求める場合、異なるモードを使用しなければならない。本発明の方法のいずれかにおいて等価コンダクタンス係数Keqの計算は特有の油圧バルブの制約とシリンダ面積比Rを物理的に達成可能に与えられた最大値より大きい値を得ることを理解すべきである。この場合において、等価コンダクタンス係数の最大値は以後の算術演算に使用される。さらに、命令された速度は式:x=(Keq_max/Keq)x に従って調整される。この新しい速度は以後の計算に使用される。
ヘッド室26のピストン表面積Aaとロッド室27のピストン表面積Abはこの機能部20に利用された特定のシリンダ16のために固定され且つ知られる。各シリンダの表面積と圧力PaおよびPbを既知とすることにより、シリンダに作用する等価外力Fxは下記式に従って機能制御装置44により決定される。
Fx=−PaAa+PbAb (2)
Fx=Ab(−RPa+Pb) (3)
式(2)および(3)から計算されるような等価外力(Fx)はシリンダ上の外部負荷の効果、圧力センサーPaおよびPbと付随のアクチュエータポート間のライン損失、およびシリンダ摩擦を含んでいる。等価外力は実際にバルブにより知られる総油圧負荷を表し、力として表現される。
この油圧負荷を予測するためアクチュエータ圧力センサー類を使用することが好ましい実施例である。ここでおよびその他でKeqの式は言外にこの種の油圧負荷推定を使用していることを注目すべきである。代案として、負荷セル43が等価外力(Fx)を概算するために使用できる。しかしながら、この場合、シリンダの摩擦と作用ポートライン損失は考慮されていないので、速度誤差が生じる。負荷セルにより計測された力Fxは式(1)の拡張分母の項「−RPa+Pb」と置換される項「Fx/Ab」に使用される。以下に与えられる等価コンダクタンス係数Keqおよび圧力設定値の他の式にも同様な置換がなされる。
もし回転アクチュエータが使用されると、外部トルクとして表される総油圧負荷は好ましくはアクチュエータポート圧力線センサー等により与えられる計測値を使用して求められる。ここでも、代案として、外部計測トルクは等価コンダクタンス係数を計算するために使用される。
ピストンロッド45の動きを発生するために要求される駆動圧力Peqは式(4)により与えられる。
Peq=R(Ps−Pa)+(Pb−Pr) (4)
もし駆動圧力が正であると、第1および第4電磁油圧比例バルブ21および24が開くと、ピストンロッド45は意図した方向に動く(例えば、シリンダから伸張する)。もし駆動圧力が正でないと、第1および第4バルブ21および24は供給圧力Psが正の駆動圧力Peqを発生するために増加するまで、誤った方向の動きを回避するために継続して閉鎖されなければならない。もし現在のパラメータはピストンロッド45が所望の方向で生じることを示すと、機能制御装置44は4個の電磁油圧比例バルブ21−24のための個別のバルブコンダクタンス係数Ksa、Ksb、KatおよびKbtを導出するため等価コンダクタンス係数Keqを採用することによりバルブ開口ルーチン58で継続する。
どの特有の計量モードにおいても、4個の電磁油圧比例バルブの2個のバルブは閉じられ、ゼロの個別のバルブコンダクタンス係数を有する。例えば、第2および第3電磁油圧比例バルブ22および23は駆動伸張モードで閉鎖される。従って、2個の開口または活性電磁油圧比例バルブ(例えば、バルブ21および24)は等価コンダクタンス係数(Keq)に寄与する。1つの活性バルブはノード「a」に接続され、他の活性バルブはバルブアセンブリ25のノード「b」に接続される。バルブ開口ルーチン58の以下の記載において、術語Kaはノード「a」(例えば、駆動伸張モードのKsa)に接続された活性バルブの個別コンダクタンス係数と称し、Kbはノード「b」(例えば、駆動伸張モードのKbt)に接続された活性バルブのバルブ係数である。等価コンダクタンス係数Keqは下記式に従って個別コンダクタンス係数KaおよびKbに関連する。
Figure 2004270923
各個別バルブコンダクタンス係数の式を再配置することにより、以下の式を生じる。
Figure 2004270923
明らかであるように、等価コンダクタンス係数Keqの任意の値に等しいバルブコンダクタンス係数KaおよびKbの無数の組合せ数がある。図3はKaとKb間の関係を線図で示し、各実線のカーブはKeqの定数を表す。事実上、無数の定数Keq曲線があり、グラフに示されるのはその一部であることに注意すべきである。
しかしながら、油圧システムに使用される実際の電磁油圧比例バルブが完全でないことを認識して、KaおよびKbの値の設定での誤りは必然的に生じ、ピストンロッド45の制御された速度の誤差になる。従って、Keqが速度xに比例するので等価コンダクタンス係数Keqの誤差が最小化するKaおよびKbの値を選択することが望まれる。KaおよびKbに対するKeqの感度はベクトル微分計算で与えらるようにKeqの勾配の大きさをとることにより計算される。Keqの勾配の大きさは以下の式により求められる。
Figure 2004270923
バルブ係数KaおよびKbに対する結果として得られたKeqの2次元感度の等高点は谷部を有し、感度は谷部の低部でKaおよびKbの値で最小になる。感度の谷部の低部のラインが以下の式により示される。
Ka=μKb (9)
ここで、μはラインの勾配である。このラインは命令速度を達成するためにKaとKb間の最適または好適値コンダクタンス係数の関係に相当する。この勾配はシリンダ面積比Rの関数であり、式μ=R3/4に従って任意のシリンダ設計のために求められる。例えば、この関係は1.5625のシリンダ面積比のKa=1.40Kbになる。図3のKeq曲線上の式(9)により与えられる好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70のプロットを重ねることにより最小の係数感度ラインがすべての定数Keq曲線と交差することを明らかにしている。
上記式(6)および(7)の他に、任意の油圧システム機能の勾配定数μの値を知ることにより、個別バルブ係数は下記式に従って等価コンダクタンス係数に関係する。
Figure 2004270923
したがって、式(6)、(7)、(10)および(11)の2つは現在の計量モードの活性バルブのバルブ係数を決定するために解かれる
駆動伸張モードで動作する機能20の特定の例に戻ると、第2および第3電磁油圧比例バルブ22および23のバルブ係数KsbおよびKatはこれらのバルブが閉じられるにつれてゼロに設定される。活性第1および第3油圧油圧バルブ21および24の個別コンダクタンス係数KsaおよびKbtは一般式(6)、(7)、(9)、(10)および(11)の以下の特定の適用により規定される。
Figure 2004270923
最小の感度の範囲でバルブ類を動作させるため、両式(15)および(16)が解かれるか、または式(16)が解かれ、得られたバルブコンダクタンス係数は他のバルブ係数を導出するために式(14)に使用される。他の状態において、バルブコンダクタンス係数は式(12)または(13)を使用して導出される。例えば、1つのバルブコンダクタンス係数の値が選択され且つ、対応する式(12)または(13)が他のバルブコンダクタンス係数を導出するために使用される。図3を参照すると、もし曲線72が計算された等価コンダクタンス係数Keqを示すと、バルブコンダクタンス係数KaおよびKbはポイントLでKeq曲線72と好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70の交点により規定される。
バルブ開口ルーティン58により計算されたバルブ係数Ksa、Ksb、KatおよびKbtの得られた組が機能制御装置44によりバルブドライバ60に供給される。バルブドライバ60は、ピストンロッド45の所望の速度を達成するために適切な量により第1および第4電磁油圧比例バルブ21と24を開口するため、これらの係数を対応する電流に変換する。
ここではあるいはその他の場合で、バルブ係数の対応する電流への変換は使用される作動油の種類の特性に暗に依存していることに注目することが重要である。特有の作動液が任意のシステムに指定され、一般に他の種類の流体を使用しないことを勧告されるので、特定の種類の作動液のみのバルブ係数の妥当性は典型的には重要ではない。異なるタイプの作動油を使用するために必要になる変換に使用されるアルゴリズムは変更される。
2.駆動後退モード
ピストンロッド45は供給ライン14からロッド室27に加圧作動液を加え、且つヘッド室26からタンク戻りライン18に流体を排出することによりシリンダ16内に後退する。この計量モードは「駆動後退モード」と称される。一般に、このモードはピストン28に作用する力が正であるとき利用され、作用はピストンロッド45を後退させるため力に抗して実行される。この動きを発生するために、第2および第3電磁油圧バルブ22と23が開口され、他の対の電磁油圧比例バルブ21および24は閉じられたままとなる。
ロッドの後退速度は対応するバルブコンダクタンス係数KsbおよびKatにより決定されるように第2および第3電磁油圧比例バルブ22および23を流れる流体を計量することにより制御される。この制御プロセスは駆動伸張モードに関して記載されたものと同様である。まず、機能制御装置44は下記式に従って等価コンダクタンス係数(Keq)を計算するためにルーチン56を使用する。
Figure 2004270923
ピストンロッド45の動きを発生するために要求される駆動圧力Peqは下記式により求められる。
Peq=R(Pa−Pr)+(Ps−Pb) (18)
もし駆動圧力が正であれば、ピストンロッド45は第2および第3電磁油圧比例バルブ22および23が開口される場合シリンダ内に後退する。もし駆動圧力が正でないと、供給圧力Psが正の駆動圧力Peqを発生するために増加するまで、第2および第3バルブ22および23は誤った方向の動きを回避するため閉鎖された状態を維持しなければならない。
式(2)および(3)がピストンロッド45に作用する外力の大きさおよび方向を決定するために使用される。
一般式(6)、(7)、(9)、(10)および(11)の具体的な変形例は以下の式により与えられる。
Figure 2004270923
したがって、活性第2および第3電磁油圧比例バルブ22および23のバルブコンダクタンス係数KsbおよびKatは式(19)および(23)から導出される。最小感度の範囲においてバルブを動作させるため、両式(22)および(23)が解かれ、または式(23)が解かれ、得られたバルブコンダクタンス係数は他のバルブコンダクタンス係数を導出するために式(21)に使用される。他の状況において、バルブコンダクタンス係数は式(19)および(20)を使用して導出される。例えば、1つのバルブコンダクタンス係数の値が選択され、対応する式(19)または(20)が他のバルブコンダクタンス係数を導出するために使用される。閉じられた第1および第4電磁油圧比例バルブ21および24のバルブコンダクタンス係数KsaとKbtはゼロに設定される。得られた4個のバルブコンダクタンス係数の組は機能制御装置44によりバルブドライバ60に供給される。
3.高側再生モード
駆動伸張および後退モードの変形例として、機能部20は1つのシリンダ室から排出される流体が他のシリンダ室を満たすためにバルブアセンブリ25を介して帰還される再生モード(regen)で動作可能である。「高側再生モード」において、流体が供給ラインノード「s」を介してロッド室27からヘッド室26に流れる。
高側再生モードがピストンロッド45を伸張するために使用される場合、より少ない流体量がより大きなヘッド室26を駆動するために要求されるよりロッド室27から排出される。追加の流体は流体をロッド室27から補完するため供給ライン14から機能部に供給される。このように、ポンプ12は前述の駆動伸張モードに比べある場合に高側再生モードをより有効にする機能部20に比較的少ない追加流体量を供給しなければならない。
ロッドの伸張速度は第1および第2電磁油圧比例バルブ21および22を流れる流量を計測することにより制御される。これらのバルブのバルブコンダクタンス係数KsaおよびKsbの組み合わされた設定は供給ライン14の圧力Psと等価外力(Fx)を与えられるピストンロッド45の速度に影響を与える。これらのバルブコンダクタンス係数は下記の式に従って等価コンダクタンス係数(Keq)を最初に計算することにより機能制御装置44により導出される。
Figure 2004270923
Keqが命令された速度に比例し、リニアであることに注目すべきである。
ピストンロッド45の動きを発生させるために要求される駆動圧力Peqは以下の式により与えられる。
Peq=R(Ps−Pa)+(Pb−Ps) (25)
もし駆動圧力が正であれば、第1および第2電磁油圧比例バルブ21および22は供給圧力Psが正の駆動圧力Peqを発生するために増加するまで、誤った方向の動きを回避するために閉鎖を維持されなければならない。すべての計量ノードにおいて、従来の油圧システムで一般に実施されているように移動のためのシリンダ流入圧力が正しい方向に生じる供給圧力を常により大きくする必要がない。アセンブリ25の全てのバルブ21−24は負の駆動圧力が存在する場合閉鎖を維持される。
高側再生モードの一般式(6)、(7)、(9)、(10)および(11)の具体的な変形例は下記式により求められる。
Figure 2004270923
活性第1および第2電磁油圧比例バルブ21および22のバルブコンダクタンス係数KsaおよびKsbは式(26)−(30)から導出される。最小感度の範囲内でバルブを動作させるため、式(29)および(30)が解かれるか、式(30)が解かれる。得られたバルブコンダクタンス係数は他のバルブコンダクタンス係数を導出するため式(28)に使用される。他の状況において、バルブコンダクタンス係数は式(26)または(27)を使用して導出される。例えば、1つのバルブコンダクタンス係数の値が選択され、対応する式(26)および(27)が他のバルブコンダクタンス係数を導出するために使用される。閉鎖された第3および第4電磁油圧比例バルブ23および24のバルブコンダクタンス係数KatおよびKbtはゼロに設定される。得られるバルブコンダクタンス係数は機能制御装置44によりバルブドライバ60に供給される。
4.低側再生モード
典型的な機械油圧機能部20は1つのシリンダ室から排出される流体が他のシリンダ室を満たすためバルブアセンブリ25のノード「t」を介して帰還される低側再生モードで動作可能である。この低側再生モードはピストンロッド45を伸張または後退させるために使用され、外力が所望の動きと同一の方向である場合一般的に使用される。低側再生モードは供給ライン14から直接供給される流体を要求しないが、ロッド室27から得られるヘッド室26を上に満たすために要求されるどのような追加流体もタンク戻りライン18を介して他の機能部11から排出されるか、またはアンローダバルブ17を介して流れる流体から供給される。
ロッドの速度は第3および第4電磁油圧比例バルブ23および24を介して流体を計量することにより制御される。これらのバルブの組み合わされたバルブコンダクタンス係数KatおよびKbtはビストンロッド45の速度、戻りライン18の任意の圧力Prおよび等価外力(Fx)に影響を与える。これらのバルブコンダクタンス係数は下記式の一つに従って、所望のピストンロッドの動きの方向xに依存して、等価コンダクタンス係数(Keq)を最初に計算することにより機能制御装置44により導出される。
Figure 2004270923
ピストンロッド45の動きを発生するために要求される駆動圧力Peqは以下により求められる。
Figure 2004270923
どの場合も、もし駆動圧力が正でなければ、第3および第4電磁油圧比例バルブ23および24は、戻りライン圧力Prが正の駆動圧力Peqを発生するために調整されるまで、誤った方向の動きを回避するため閉鎖状態を維持しなければならない。
低側再生モードの一般式(6)、(7)、(9)、(10)および(11)の特定の形態は下記式により与えられる。
Figure 2004270923
活性第3および第4電磁油圧比例バルブ23および24のバルブコンダクタンス係数KatおよびKbtは式(33)−(37)から導出される。最小の感度範囲においてバルブを動作させるため、式(36)および(37)が解かれ、または式(37)が解かれ、得られたバルブ係数は他のバルブ係数を導出するため式(35)に使用される。他の状況において、バルブ係数は式(33)または(34)を使用して導出される。例えば、1つの計数の値は選択され、対応する式(33)および(34)は他のバルブ係数を導出するために使用される。閉鎖された第1および第2電磁油圧比例バルブ21および22のバルブコンダクタンス係数KsaおよびKsbはゼロに設定される。得られるバルブ係数は機能制御装置44によりバルブドライバ60に供給される。
アクチュエータポート圧力制御
本発明の更なる特徴は機能部の速度を制御する能力であり、1個または2個のアクチュエータポート圧力のいくつかの制御を同時にすることである。例えば、速度と任意の単一のアクチュエータポート圧力を制御することが多くの場合可能である。この圧力は特定の値に制御され、または最大または最小値に制限される。代案として、機能部の速度を制御し、両アクチュエータポート圧力を同時に制限することも可能である。この制御方法は指定された方向の全ての計量モードに適用され、両油圧シリンダおよびモータを動作するために使用される。多くの状況において、アクチュエータの流入または流出圧力を制御できる。最初に、1つまたは複数の所望の圧力がアクチュエータのために規定される。この規定処理は予め規定された圧力「限界圧力」Pcを利用している。限界圧力はもし1つの所望のポート圧力のみがあれば所望の圧力に等しい。そうでなければ、限界圧力は望まれる限定アクチュエータポート圧力である。例えば、限界圧力はアクチュエータ内でのキャビテーションを防止するために要求される最小圧力である。さらに、1つの限界圧力以上は後述されるように規定される。ヘッド室に関係する限界圧力はPacで示される。同様に、ロッド室に関係する限界圧力はPbcで示される。指定された各限界圧力のため、関連するバルブコンダクタンス係数Kin_pcまたはKout_pcの限界値が計量モードおよび流入または流出ポート圧力制御が望まれるかどうかに依存する式(38)または(39)を使用して計算される。
Figure 2004270923
Figure 2004270923
限界バルブ係数値は任意のシリンダ速度で指定されたポートの限界圧力を得るために要求されるバルブコンダクタンス係数の値である。流入圧力制限ライン74または流出制限ライン76は図4のグラフの2点で示される。第1の点は原点であり、第2の点は導出された等価流量係数Keqの曲線と関連する限界値コンダクタンス係数のラインの交点である。例えば、流入圧力制御のため、第2の点は所望のKeq曲線とKin=Kin_pcラインの交点により規定される。同様に、もし流出圧力制御が使用されると、第2の点は所望のKeq曲線とKout=Kout_pcラインの交点により規定される。圧力制限ライン上のどの点での動作も相当するアクチュエータポートの限界圧力を得ることができる。しかしながら、所望のKeq曲線と圧力制限ラインの交点での動作点は所望の速度と限界圧力を得るために使用されなければならない。
第1の特別ケースにおいて、所望のKeq曲線と関連する限界値コンダクタンス係数は交差しない。この限界ポート圧力は得られない。この場合、圧力制限ラインは流入または流出圧力制御のための原点を通る垂直または水平ラインとして規定される。この第1の特別ケースは下記組の式(40)の妥当な式が満足させられる場合に生じる。
Figure 2004270923
式の組(38)または(39)の平方根の項が正でないの第2の特別ケースを考慮しよう。この場合、限界圧力はどの速度でも得られない。もし流入圧力制御が使用されていると、限界圧力以下の圧力が得られる。逆に、もし流出圧力制御が使用されている場合、限界圧力以上の圧力が得られる。電磁油圧比例バルブ21−24が開口可能かどうかは、得られた作用ポート圧力の受容性に依存する。しかしながら、この条件は式(38)または(39)の平方根の項が正になるような供給または戻りライン14または18の圧力を変化させることにより調整可能である。
都合のよいことに、通常特定の作用ポート圧力は要求されず、最小圧力、最大圧力、または圧力範囲が受け入れられる。もし動作点が図4の圧力制限ライン以上(またはの左側に)を選択されると、制御された圧力は関連する限界圧力以下になる。同様に、もし図4の圧力制限ライン以下(またはの右側に)の動作点が選択されると、得られた圧力は関連する限界圧力以上になる。圧力制限ライン74または76以上または以下の動作が受容されるかどうかは、限界圧力以下または以上の圧力が満足されるかどうかに依存する。もし作用ポート圧力の範囲が受容可能であれば、2つの圧力制限ラインが規定され、所望の圧力が好都合の重複領域と想定されるこれらのライン上または間のいずれかで得られる。任意の瞬間で、図4の動作点が規定された圧力制限を満足させる圧力のような所望の圧力を得るために使用できる。圧力制限Keq曲線は(例えば、所望の作用ポートになる)圧力制限を満足するKeq曲線の一部である。いくつかの場合において、命令された速度および好ましい作用ポート圧力を得ることができず、好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70上で動作させることができない。選択された最終動作点は速度制御、作用ポート圧力制御、および好ましいコンダクタンス係数ライン上の動作がどのように優先順位を決められるかどうかに依存する。
Keqの値は前述のように所望の速度から計算される。Keqと限界バルブコンダクタンス係数が圧力変化と所望の速度で変化し、各制御時で計算されることに注目することは重要である。しかしながら、圧力制限ライン74および76は圧力に依存するが、速度に無関係である。作用ポート圧力は好ましい実施例の電磁油圧比例バルブ近傍で計測されるので、PacおよびPbcを適切に選択することにより各作用ポート圧力センサーと関連するアクチュエータポート間のライン損失を補償するための制御方法において調整がなされる。
キャビテーション防止
本発明の好ましい実施例はキャビテーションを防止するためにアクチュエータ流入ポート圧力を制御する。もしキャビテーションが生じないと、図4の所望のKeq曲線72上の任意の点の選択で命令速度を達成する。しかしながら、ある条件で、キャビテーションはある型の油圧アクチュエータで生じる。キャビテーションはアクチュエータに作用する力がアクチュエータ室を満たすために供給される流体より速くアクチュエータ室を伸張させる場合に生じる。この現象はアクチュエータ室に起こる顕著な負のゲージ圧力により示される。キャビテーションは十分な流体がアクチュエータ拡張時に最小正圧力を維持するように供給されると回避できる。(対キャビテーションのための)流入ポート圧力制御がより大きな優先度、速度制御、最終的に好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70上の動作を有すると仮定しよう。(例えばKeqの)速度制御のための式はもしキャビテーションが生じると正確ではないので圧力制御を最大優先度にすることが重要である。キャビテーションは圧力制限を満足させることにより、すなわち、圧力制限Keq曲線上の点(例えば、圧力制限ライン上または右側のKeq曲線の一部)で単に動作させることにより防止される。さらに、選択されたバルブコンダクタンス係数対は、このライン上での動作がある状況でキャビテーションを生じさせるので、好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70上に存在しない。
シリンダ16の限界圧力は選択された計量モードのシリンダ室の流入ポートに存在することを許容される最小圧力である。従って、所望の流入圧力はキャビテーションがより高い圧力で防止されるのでこの限界圧力より大きいかまたは等しい。限界流入圧力は圧力センサーと圧力が制御される付随シリンダポート間のライン損失を説明するためにゼロゲージ圧力以上に指定される。任意の機能部の各計量モードのための所望圧力と制御優先度が各機能制御装置44に蓄積される。
類似の技術が流出圧力制御のため適用することを理解して、流入圧力制御を考慮しよう。曲線72が計算された等価コンダクタンス係数Keqを表し、この曲線はM点を規定するため流入圧力制御ライン74を交差し、L点を規定するため好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70と交差すると仮定しよう。流入制御式の組(38)は点M(Kin=Kin_pc)のKinを計算するために使用され、式(10)および(11)はL点での値を計算するために使用される。アセンブリ25の流入バルブおよび流出バルブは各バルブが開口できる最大量に相当する最大バルブコンダクタンス係数を持っている。この例において、最大流入および流出バルブコンダクタンス係数は選択された等価コンダクタンス係数曲線72上の2つの追加点NおよびPを規定する。(式(40)が満足される)以前に与えられた第1の特別ケースにおいて、流入圧力制限ライン74は垂直であり、交点M、QおよびSは規定されない。もし式(38)または(39)の平方根の項が正でなければ、全てのバルブはキャビテーションを防止するため閉じられなければならない。
圧力制限は動作を圧力制限ライン74(の右側の)上のまたは下方の交点に制限する。従って、選択された圧力制限は「圧力制限Keq曲線セグメント」を形成する流入圧力制限を満足させる等価コンダクタンス係数曲線72上のあるバルブコンダクタンス係数対のみになる計算された等価コンダクタンス係数曲線72に適用される。もし流入圧力制限ライン74が垂直であれば、限界圧力が常に超過し、圧力制限Keq曲線が実際に全Keq曲線であるので、圧力制限が無い。
圧力制限Keq曲線セグメントが(例えば、最大バルブコンダクタンス係数の範囲内で)物理的に実現可能であると、所望速度を発生し所望圧力を満足させるバルブコンダクタンス係数が選択される。もし感度の最小化(例えば、ライン70上の動作)が必要とされないと、圧力制限Keq曲線セグメント上のどの物理的に実現可能な動作点が使用できる。
圧力制限Keq曲線セグメントの一部が物理的に実現できない場合、所望の速度および所望の流入圧力を達成できない。この場合、所望のKeq曲線上の物理的に実現できるどの交点での動作も(限界流入ポート圧力が正しく指定されると仮定すると)キャビテーションの原因となる。
バルブの設定の不正確さによる速度誤差を最小にするため好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70上にある動作点を選択することが望まれる。もし計算された等価コンダクタンス係数曲線72の圧力制限され物理的に実現される部分が好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70と交差すると、バルブ類を交差点に対応するバルブ係数で動作すべきである。そうでなければ、最適点にもっとも近い計算された等価コンダクタンス係数曲線72の圧力を制限され物理的に実現される部分上の点が選択されるべきである。
一旦所望の動作点のKin値が決定されると、計算された等価コンダクタンス係数Keqは式(6)または(7)を使用してKout値を導出するために使用される。
作用圧力制御をより理解するために、流入ポート圧力制御を使用しているキャビテーション防止のいくつかの具体例が、他の型の作用ポート圧力が同類であることを理解して、説明されるであろう。
各式(1)、(17)、(24)または(31)はまず所望の速度に基づいて選択された計量モードのための等価コンダクタンス係数Keqを計算するために採用される。以下に述べられるケースにおいて、流入アクチュエータポート圧力は限界値またはそれより高い値に制御されるので、キャビテーションが防止される。さらに、流入アクチュエータポート圧力制御は最優先度、速度制御、およびバルブ設定誤差による速度誤差の最小化を有する。以下のケースが全ての計量モードに当てはまる。
ケース1
限界流入バルブコンダクタンス係数Kin_pcがアセンブリ25内の対応する流入電磁油圧比例バルブのための最大バルブコンダクタンス係数値以上である場合を考慮しよう。すなわち、流入バルブは所望の速度と所望の流入ポート圧力を達成するに十分に開かない。流入ポート圧力はキャビテーションを防止するために制御され、所望の速度は得られない。所望の速度に最も近い速度を得るため、流入バルブコンダクタンス係数Kinは十分に開口されるべきであり、例えば、最大バルブコンダクタンス係数を持っている。最大バルブコンダクタンス係数と付随する修正された等価バルブコンダクタンス係数Keq_revが計算される。この修正された値はアセンブリ25内の流出電磁油圧比例バルブのバルブコンダクタンス係数を導出するために使用される。
例えば、Kinは流入電磁油圧比例バルブのコンダクタンス係数であり、図4のグラフに示される最大値Kin_maxを有する。曲線72は計算された等価コンダクタンス係数Keqに対応し、ライン74が圧力制限ラインを表すと仮定する。したがって、要求された動作点は文字Mで示される。しかしながら、点Mは特定の電磁油圧比例バルブで(例えば、Kin_max以上で)得られない最大値より大きい入力バルブコンダクタンス係数Kinを示し、点Mでの動作は不可能である。
N点はバルブコンダクタンス係数Kinの最大値(Kin_max)での指定されたKeq曲線72上の点に対応する。しかしながら、N点での動作は、要求されたピストンロッド速度を発生させるために現れている間に、動作N点が流入圧力制限ライン74の上方にあるので流入シリンダ圧力が限界圧力以下である限り、キャビテーションが生じないことを補償しない。流入シリンダ圧力制御がこれらの例での速度制御に優先度を有するので、N点での動作は受容されない。従って、過不足無く速度を減少させる必要があるので、所望の流入圧力が得られる。
キャビテーションを回避するため、動作点は流入圧力制限ライン74上または以下でなければならない。圧力制限ライン74以下のどの物理的に実現可能な動作点の動作も、要求速度が必要以上に減速されるので最適ではないが、ここでは可能である。本件の場合、Q点の動作はキャビテーションを不可能にするため所望(例えば、限界)流入シリンダ圧力を維持している間できるだけ命令速度に近づける意味で最適である。この場合、流入バルブの速度コンダクタンス係数はその最大値Kin_maxに設定される。
定量的に、式(41)は、流入バルブコンダクタンス係数Kin_maxの最大値を使用して、曲線75で示されるように、修正等価コンダクタンス係数Keq_revを計算するために使用される。
Figure 2004270923
最大流入バルブコンダクタンス係数値Kin_maxに対応するKeq_rev曲線上の動作点は(限界)流入圧力が得られる動作点Qを規定する。動作点Qは圧力制限ライン74上にある。これは線図において図4のM点からQ点に動作点を動かすことと等価である。最終的に、式(6)または(7)がアセンブリ25内の流出電磁油圧比例バルブのバルブ係数Koutを決定するために使用される。この場合、好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70に沿った動作は所望のシリンダ流入圧力がラインの動作点で維持できないのでどの速度でも選択対象ではないことに注目することは重要である。速度は等価コンダクタンス係数と同じ比率だけ減少される。
同様に、最大流出ポート圧力が指定されると、Kout_pcがKout_maxを超過し、流出ポート圧力制御が速度制御またはバルブ誤差最小化に優先度を持つ場合を考慮しよう。この場合、流出バルブコンダクタンス係数は最大バルブKout_maxに設定される。次に、式(42)は流出バルブのバルブコンダクタンス係数Koutの最大値を使用して修正等価コンダクタンス係数を計算するために使用される。
Figure 2004270923
式(6)または(7)は流入バルブコンダクタンス係数を導出するために使用される。所望の速度が得られ、Keqが式(42)で換算される同一比率だけ減少する。
ケース2
他の状況において、限界作用ポート圧力を得るために要求される限界流入バルブコンダクタンス係数(Kin_pc)は最適流入バルブコンダクタンス係数(Kin_opt)より大きく且つ電磁油圧比例バルブの最大係数値(例えば、Kin_max)より小さい。そこで、所望の流入シリンダ圧力と命令速度が得られる。しかしながら、最適な係数値Kin_optが係数Kin_pc以下である(例えば、好ましい係数ラインが圧力制限ラインの上方にある)ので、好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70で動作させ、所望の流入ポート圧力を達成することができない。
続いて図3を参照して、等価コンダクタンス係数Keqが曲線78により示されることを仮定する。好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70上の動作点Pでの動作は所望の速度を達成するために現れるが、動作点Rが圧力制限ライン74の上方にあるので所望の流入ポート圧力で現れない。実際には、キャビテーションはおそらく生じないので、所望の速度は得られない。Keq曲線78と圧力制限ライン74の交点で規定される動作点Pは命令された速度と所望の流入圧力を達成する動作点に対応する。従って、S点で示されるバルブコンダクタンス係数KinおよびKoutの値が選択される。具体的には、選択された計量モードの適切な式の組(38)は流入バルブコンダクタンス係数の係数を決定するために使用され、式(6)または(7)は流出バルブコンダクタンス係数を導出するために使用される。
ケース3
第3のケースは限界作用ポート圧力を得るために要求される流入バルブコンダクタンス係数Kin_pcが速度誤差を最小にするために要求される最適値Kin_opt以下である場合に生じる。これは式(40)を満足させる特別の場合を含んでいる。ここで、所望の流入シリンダ圧力、命令速度、および最適バルブコンダクタンス係数が得られる。動作は好ましいバルブコンダクタンス係数ライン70と与えられたKeq曲線72の交点(例えば、L点)により規定される動作点で生じる。バルブコンダクタンス係数は式(10)および(11)を使用して計算される。
ケース4
式(38)の平方根の項が正である場合、全てのバルブは所望の作用ポート圧力が得られないので閉じられなければならない。
他の型のアクチュエータポート圧力制限
アクチュエータポート圧力を任意の最大値に制限することは本発明の他の特徴である。この場合、動作はこの圧力制限ライン上または上方(例えば、左)に制限されるので、最大ポート圧力を超過しない。他の実施例において、流入圧力はキャビテーションを防止するために制限され、流出圧力はある最大値に制限される。この実施例において、圧力制限ラインは各作用ポートのために規定される。動作は流入圧力制限ライン上または下方に、および流出圧力制限ライン上または上方の領域に制限される。これらの2つの圧力制限を満足させるKeq曲線の領域は圧力制限Keq曲線である。
要約すると、本発明の方法は1つまたは両アクチュエータポート圧力、およびアクチュエータの速度を制御し、理想的でない電磁油圧比例バルブによる速度誤差を減らすために使用される。これらの条件の全てが得られない場合、選択された条件が予め規定された優先度に基づいて達成される。
供給および戻り圧力制御
命令速度xを達成するため、圧力制御装置48はアンローダバルブ17を動作させ、機能部20と機械の他の油圧機能部のシリンダ16の流体供給条件と合致する供給ライン14内の圧力レベルを発生する。この目的のため、システム制御装置46は駆動伸張、駆動後退、または高側再生モードで動作する各活性機械機能部の要求に合致させるため個別ポンプ供給圧力設定値(Ps設定値)を決定する設定値ルーチン62を実行する。これらのモードは戻りライン18から流体を引き出さないので、戻り圧力設定値(Pr設定値)は最小圧力に相当する値に設定される。
設定値ルーチン62は同様に低側再生モードで動作する油圧システム10の各機能部の戻りライン圧力設定値を計算する。このモードに関係するポンプ供給圧力設定値はゼロに設定される。
個別の機能設定値から、システム制御装置46は最大値を有する供給ライン圧力設定値(Ps設定値)と最大値を有する戻りライン圧力設定値(Pr設定値)を選択する。これらの選択された最大値は命令された供給および戻りライン圧力設定値として圧力制御装置48に送られる。
圧力制御装置48は実際の圧力が供給ライン圧力設定値(Ps設定値)を概算するように供給ライン14の圧力を制御する。可変容量型ポンプが採用されている場合、圧力設定値はポンプを制御するために使用され、所望の供給圧力が出力される。
さらに、圧力制御ルーチン64は、戻りライン圧力設定値(Pr設定値)により示されるように、タンク戻りライン18に所望の圧力を達成するためタンク制御電磁油圧比例バルブ19を動作させる。具体的には、圧力制御ルーチン64はタンク戻りライン18の圧力を増加させるために必要であるので、タンク15に流れる流量を制限するためタンク制御バルブ19の閉鎖を制御する。タンク15に流れる流量の制限は油圧システム10の機能部の一つが低側再生モードで伸張している場合にタンク戻りライン内の圧力を増加させるために使用される。
以上の説明は主に本発明の好ましい実施例に向けられた。本発明の範囲内で種々の変形に注意が引かれたが、この分野の当業者が本発明の実施例の開示から明らかである追加の変形例を認識するであろうことが予期される。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲から決定されるべきで、上記実施例により限定されるものでない。
図1は本発明を実施している典型的な油圧システムの概略図である。 図2は油圧システムための制御図である。 図3は油圧システム内の各バルブの流量コンダクタンス係数KaとKb間の関係を示し、各実線は等価コンダクタンス係数Keqを示している。 図4は油圧システム内の各バルブの流量コンダクタンス係数KinとKout間の関係を示し、各実線は等価コンダクタンス係数Keqを示している。
符号の説明
10 油圧システム
12 容積式ポンプ
14 供給ライン
15 タンク
16 シリンダ
17 アンローダバルブ
18 タンク戻りライン
19 タンク制御バルブ
20 機能部
21、22、23、24 電磁油圧比例バルブ
25 バルブアセンブリ
26 シリンダヘッド室
27 シリンダロッド室
30 第1油圧導管
36、38、40、42、49、51、53 圧力センサー
44、46、48 制御装置
45 ピストンロッド
47 ジョイスティック
50 マッピングルーチン
52 流量割当てソフトウエア
54 計量モード選択ルーチン
55 通信ネットワーク
56、58 ルーチン
60 バルブドライバ
64 圧力制御ルーチン

Claims (31)

  1. 油圧アクチュエータ(16)を動作する流量を制御する電磁油圧バルブ(12)を制御する方法において、
    前記油圧アクチュエータの所望の動作を特定する工程と;
    前記油圧アクチュエータに作用する力を指示するパラメータを検出する工程と;
    前記電磁油圧バルブに流れる流量を特徴付けるバルブ流量係数を導出し、前記バルブ流量係数が前記所望の動作とパラメータから導出される工程と;
    前記バルブ流量係数に基づいて電磁油圧バルブを活性化する工程と;
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 所望の動作を特定する工程が前記油圧アクチュエータ(16)の所望の速度を特定することを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. パラメータを検出する工程が油圧アクチュエータ(16)に作用する力により発生する流体圧力を検出する工程を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  4. 前記電磁油圧バルブ(21)が加圧流体を含む供給ライン(14)とタンク(15)に接続された戻りライン(18)の1つに接続され、
    圧力測定値を発生するために、前記供給ラインの圧力と前記戻りラインの圧力の少なくとも1つを検出する工程をさらに含み、
    バルブ流量係数を導出する工程が前記圧力計測値の組から導出されることを特徴とする請求項1記載の方法。
  5. 前記電磁油圧バルブ(21)が加圧流体を含む供給ライン(14)とタンク(15)に接続された戻りライン(18)間に接続された油圧回路分岐内の供給ライン(16)と接続され、
    前記油圧回路分岐内の流量を特徴付ける等価流量係数を導出する工程をさらに含み、前記バルブ流体係数が前記等価流量係数から導出されることを特徴とする請求項1記載の方法。
  6. 供給圧力計測値を発生するため前記供給ライン(14)の圧力を検出する工程と;
    戻り圧力計測値を発生するため前記戻りライン(18)内の圧力を検出する工程と;
    を含み、前記等価流量係数を導出する工程が前記供給圧力計測値、前記戻り圧力計測値、および前記パラメータに基づいていることを特徴とする請求項5記載の方法。
  7. 前記所望の動作を特定する工程が前記油圧アクチュエータ(16)の所望の速度を特定し、
    供給圧力測定値を発生するため前記供給ライン(14)の圧力を検出する工程と;
    戻り圧力測定値を発生するため前記戻りライン(18)の圧力を検出する工程と;
    をさらに含み、等価流量係数を導出する工程が前記所望速度、前記パラメータ、および前記供給圧力計測値と前記戻り圧力計測値の少なくとも1つに基づいていることを特徴とする請求項5記載の方法。
  8. 前記電磁油圧バルブ(21)を活性化する工程は
    電流レベルを前記バルブ流量係数に基づいて決定する工程と;
    前記レベルの電流を前記電磁油圧バルブに加える工程と;
    を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  9. 前記油圧アクチュエータ(16)が第1ポートと第2ポートを有し、且つ前記第1ポートを加圧流体を含む供給ラインを結合する第1電磁油圧比例バルブ(21)と、前記第2ポートをタンクに接続された戻りラインに結合する第2電磁油圧比例バルブ(22)を有する回路分岐の一部であり;前記方法が
    前記油圧アクチュエータの所望の速度を要求することを含む所望動作を特定する工程と;
    前記第1電磁油圧比例バルブを流れる流量を特徴付ける第1バルブ流量係数の第1バルブを導出するため且つ第2電磁油圧比例バルブを流れる流体を特徴付ける第2バルブ流量係数の第2バルブを導出するため、前記所望速度と前記パラメータを採用することを含むバルブ流量係数を導出する工程と;
    前記第1バルブ流量係数の前記第1バルブに基づいて前記第1電磁油圧比例バルブ(21)を動作させ、前記第2バルブ流量係数の前記第2バルブに基づいて前記第2電磁油圧比例バルブ(24)を動作させることを含む前記電磁油圧バルブを活性化する工程と;
    を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  10. 前記第1バルブ流量係数と前記第2バルブ流量係数間の好ましい関係を規定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
  11. 前記好ましい関係が式Ka=μKb(ここで、Kaは前記第1および第2バルブ流量係数の一方であり、Kbは前記第1および第2バルブ流量係数の他方であり、μは比例定数である)により与えられることを特徴とする請求項10記載の方法。
  12. 前記第1バルブ流量係数のために導出される第1値と前記第2バルブ流量係数のために導出される第2値が前記好ましい関係を満足することを特徴とする請求項10記載の方法。
  13. 前記第1バルブ流量係数と前記第2バルブ流量係数間の好ましい関係を規定する工程と;
    前記第1ポートと前記第2ポートの一つの所望の圧力を規定する工程と;
    をさらに含み、
    前記第1バルブ流量係数のための前記第1値と前記第2バルブ流量係数のための前記第2値が優先度システムを使用して導出され、前記優先度システムにおいて、
    第1優先度が前記所望の圧力と前記所望の速度と好ましい関係を達成する第1値と第2値を選択することであり、もしこれらの値が存在しないと、
    第2優先度が前記所望の圧力と前記所望の速度を達成する第1値と第2値を選択することであり、もしこれらの値が存在しないと、
    第3優先度が前記所望の圧力を達成する第1値と第2値を選択することを特徴とする請求項9記載の方法。
  14. 前記第1ポートのための限界圧力を規定する工程と;
    前記限界圧力に基づいて第1バルブ流量係数のための限界値を決定する工程と;
    をさらに含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
  15. 前記第1バルブ流量係数の限界値が前記限界圧力、前記供給ラインの圧力、および前記所望の速度から導出されることを特徴とする請求項14記載の方法。
  16. 前記第1バルブ流量係数の前記第1値が前記所望の速度と前記限界圧力に基づいて導出され、且つ前記第2バルブ流量係数の前記第2値が前記第1バルブ流量係数の第1値に基づいて導出されることを特徴とする請求項14記載の方法。
  17. 前記限界値が前記第1電磁油圧比例バルブ(21)の前記第1バルブ流量係数の最大値より大きい場合、第1バルブ流量係数の第1値と第2バルブ流量係数の第2値は
    前記第1値を前記第1バルブ流量係数の最大値に設定する工程と;
    前記第1バルブ流量係数の最大値に設定された前記第1値で得られる修正等価流量係数を計算し、前記等価流量係数が前記油圧アクチュエータ(16)、前記第1電磁油圧比例バルブ(21)、および前記第2電磁油圧比例バルブからなる油圧回路分岐内の流量を特徴付ける工程と;
    前記修正等価流量係数に基づいて前記第2バルブ流量係数の前記第2値を導出する工程と;
    により導出されることを特徴とする請求項14記載の方法。
  18. 前記第1バルブ流量係数と前記第2バルブ流量係数間の好ましい関係を規定する工程をさらに含み、
    前記限界値が前記第1バルブ流量係数の最大値以下であり、前記好ましい関係を満足する値より大きい場合、前記第1バルブ流量係数と前記第2バルブ流量係数が
    前記所望の速度と前記限界圧力に基づいて前記第1バルブ流量係数の前記第1値を導出する工程と;
    前記第1バルブ流量係数の前記第1値に基づいて前記第2バルブ流量係数の前記第2値を導出する工程と;
    を含むことを特徴とする請求項14記載の方法。
  19. 前記第1値と前記第2値を導出するため前記所望の速度と前記パラメータを採用する工程が:
    前記回路分岐内の流量を特徴付ける等価流量係数を導出するため前記所望の速度と前記パラメータを採用する工程と;
    前記第1値バルブ流量係数の前記第1値を導出するため前記等価流量係数を使用する工程と;
    前記第1値が前記第1バルブ流量係数の最大可能値以上であるとき、前記第1値を前記最大可能値に設定する工程と;
    前記第1バルブ流量係数の前記最大可能値に設定された前記第1値で得られる修正等価流量係数を計算する工程と;
    前記修正等価流量係数に基づいて前記第2バルブ流量係数の前記第2値を導出する工程と;
    を含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
  20. 前記第2ポートのための限界圧力を指定する工程と;
    前記限界圧力に基づいて前記第2バルブ流量係数の限界値を決定する工程と;
    をさらに含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
  21. 前記第2バルブ流量係数の前記限界値は前記限界圧力、前記戻りライン(18)の圧力、および前記所望の速度から導出されることを特徴とする請求項20記載の方法。
  22. 前記第2バルブ流量係数のための前記第2値が前記所望の速度および前記速度に基づいて導出され、前記第1バルブ流量係数の前記第1値が前記第2値に基づいて導出されることを特徴とする請求項20記載の方法。
  23. 前記限界値が前記第2バルブ流量係数の最大値より大きい場合、前記第1バルブ流量係数の前記第1値と前記第2バルブ流量係数の前記第2値は
    前記第2値を前記第2バルブ流量係数の前記最大値に設定する工程と;
    前記第2バルブ流量係数の前記最大値に設定された前記第2値で得られる修正等価流量係数を計算し、前記修正等価流量係数が前記油圧アクチュエータ(16)、前記第1電磁油圧比例バルブ(21)、および前記第2電磁油圧比例バルブ(24)からなる油圧回路分岐内の流量を特徴付ける工程と;
    前記修正等価流量係数に基づいて前記第1バルブ流量係数の前記第1バルブを導出する工程と;
    により導出されることを特徴とする請求項20記載の方法。
  24. 前記油圧アクチュエータ(16)が第1ポートと第2ポートを有し、加圧流体を含む供給ライン(14)に油圧アクチュエータの第1ポートを結合する第1電磁油圧比例バルブ(21)と、前記供給ラインに油圧アクチュエータの第2ポートを結合する第2電磁油圧比例バルブ(22)と、タンクに結合された戻りライン(18)に前記第1ポートを結合する第3電磁油圧比例バルブ(23)と、前記戻りラインに前記第2ポートを結合する第4電磁油圧比例バルブ(24)を有する回路分岐の一部であり;
    所望の動作を指定する工程が前記油圧アクチュエータ(16)が移動する方向と命令速度を指定する工程を含み;さらに
    指定された方向に前記油圧アクチュエータの動きを発生するため動作される前記第1、第2、第3および第4電磁油圧比例バルブの対を選択する工程と;
    供給圧力計測値を発生するため供給ラインの圧力を検出する工程と;
    戻り圧力計測値を発生するため戻りラインの圧力を検出する工程と;
    第1ポート圧力計測値を発生するため前記第1ポートの圧力を検出する工程と;
    第2ポート圧力計測値を発生するため前記第2ポートの圧力を検出する工程と;
    前記油圧回路分岐の流量を特徴付ける等価流量係数Keqを導出し、前記等価流量係数は前記命令速度と、前記供給圧力計測値、前記戻り圧力計測値、前記第1ポート圧力計測値、および第2ポート圧力計測値の選択された計測値に基づいている工程と;
    前記等価流量係数に基づいて前記第1、第2、第3および第4電磁油圧比例バルブの対のバルブ流量係数を導出する工程と;
    指定された方向に前記油圧アクチュエータ(16)を移動させるため前記バルブ流量係数に応答して、前記第1、第2、第3および第4電磁油圧比例バルブの対を活性化する工程と;
    を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  25. 前記油圧アクチュエータ(16)が前記第1ポートで圧力を受ける表面積を有し、さらに前記第1ポートの限界位置が指定される工程を含むことを特徴とする請求項24記載の方法。
  26. 前記バルブ流量係数を導出する工程が前記命令速度と、前記表面積、前記供給圧力計測値、および前記限界圧力に基づいて前記第1電磁油圧比例バルブ(21)のバルブ流量係数を導出する工程を含むことを特徴とする請求項25記載の方法。
  27. 前記バルブ流量係数を導出する工程が前記命令速度と、前記表面積、前記供給圧力測定値、および前記限界値に基づいて前記第3電磁油圧比例バルブのバルブ流量係数を導出する工程を含むことを特徴とする請求項25記載の方法。
  28. 前記油圧アクチュエータ(16)が前記第2ポートで圧力を受ける表面積を持ち、さらに前記第2ポートの限界値を指定する工程を含むことを特徴とする請求項24記載の方法。
  29. 前記バルブ流量係数を導出する工程が前記命令速度と、前記表面積、前記供給圧力計測値、および前記限界圧力に基づいて前記第2電磁油圧比例バルブ(22)のバルブ流量係数を導出する工程を含むことを特徴とする請求項28記載の方法。
  30. 前記バルブ流量係数を導出する工程が前記命令速度と、前記表面積、前記供給圧力計測値、および前記限界圧力に基づいて前記第4電磁油圧比例バルブ(24)のバルブ流量係数を導出する工程を含むことを特徴とする請求項28記載の方法。
  31. 導出される前記バルブ流量係数の1つが、1つのバルブ流量係数の最大値より大きい場合、
    1つのバルブ流量係数を前記最大値に設定する工程と;
    前記最大値に設定された1つのバルブ流量係数で得られる修正等価流量係数を計算し、前記等価流量係数が前記油圧アクチュエータ(16)、前記第1電磁油圧比例バルブ(21)、前記第2電磁油圧比例バルブ(24)からなる油圧回路分岐内の流量を特徴付ける工程と;
    前記修正等価流量係数に基づいて前記第1、第2、第3および第4電磁油圧比例バルブ(21−24)の他の対のバルブ流量係数を導出する工程と;
    をさらに含むことを特徴とする請求項24記載の方法。
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