JP2005273911A - 差動圧力補償流量係数を使用する油圧システム制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 油圧システムを提供する。
【解決手段】 油圧システムはシリンダ又はモータのような油圧アクチュエータ（１６）を動作させるため流体の流量を制御する電磁油圧バルブ（２１−２４）を有する。バルブ間の差動圧力変化の関数として、電磁油圧バルブ（２１−２４）の性能を記述する１組の特性データが提供される。油圧システムは油圧アクチュエータ（１６）の所望の動きを指定することにより、且つ電磁油圧バルブ（２１−２４）に流れる作動液流量のレベルを指定する所望のバルブ流量係数の導出に応じて動作する。補償制御信号は差動圧力の変化が流体流量に作用する効果に対応するため所望のバルブ流量係数と特性データから生成される。電磁油圧バルブ（２１−２４）は補償制御信号に応じて活性化される。
【選択図】 図１

Description

本発明は機械類を動作させる油圧システムに関し、特に、このようなシステムにおいてバルブを電気的に動作させるための制御アルゴリズムに関する。

各種の機械は油圧バルブにより制御されるシリンダとピストン構成のような油圧アクチュエータにより駆動される可動部材を持っている。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た。手動で駆動される油圧バルブから電気制御装置とソレノイド動作型バルブの使用に移行するのが現在の傾向である。この種の制御は、制御バルブを運転台の近傍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できるので、油圧配管を簡素化することができる。この技術の変遷は機械機能部の高度なコンピュータ制御を容易にする。

加圧作動液をポンプからアクチュエータに加えることは比例ソレノイドバルブにより制御可能である。この種のバルブはバルブに流れる流量を制御する、例えば、スプール又はポペットのようなバルブ素子に接続された電機子を移動させる電磁コイルを使用している。バルブを開く量は電磁コイルに加えられる電流の大きさに直接関連し、流量の比例制御を可能にする。電機子又はバルブ素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により負荷を掛けられている。代案として、他の電磁コイルと電機子がバルブ素子を反対方向に動かすために設けられる。

オペレータが機械の部材を動かしたい場合、ジョイスティック操作され、対応する油圧アクチュエータが移動する方向と所望の速度を示す電気信号を発生する。アクチュエータをより速く移動させたい場合、ジョイスティックを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、応答し、油圧アクチュエータの所望の動きを発生させる流量速度になる量だけバルブを開く電流を電磁コイルに流す。

ソレノイド動作型バルブの動作に対する鍵はバルブを適切な角度に開くため正確な大きさの電流を発生するための制御回路の能力である。

油圧システムは、例えば、シリンダ又はモータである油圧アクチュエータを動作させるため流量を制御する電磁油圧バルブを有する。流量を制御する方法はバルブ間の作動圧力変化の関数として電磁油圧バルブの性能を第１に特徴付ける工程を含んでいる。これにより、バルブに流れる流量を特定するバルブ流量係数を規定するために採用されるバルブ特性データを発生する。流量係数はバルブの伝導率又は抵抗率を特定する。

油圧システムの動作中、油圧アクチュエータの所望の動きは、典型的には、人力オペレータによる入力装置の操作に応答して指示される。所望のバルブ流量係数は所望の動作に応答して導出され、補償制御信号は所望のバルブ流量係数と差動圧力から生成される。補償制御信号は差動圧力の変化が油圧バルブに流れる流量に作用する効果のために補正される。補償制御信号は電磁油圧バルブを動作させるための電流レベルを設定するために使用される。

本発明の制御技術の１実施例において、補償関数は特性データから規定され、バルブ流量係数が差動圧力の変化で変化する量を指定する補償値を発生する。所望のバルブ流量係数と実際の差動圧力は補償値を発生することにより応答する補償機能部に対する入力として適用される。この補償値は所望のバルブ流量係数に加えられ、補償バルブ流量係数を生成する。伝達機能部は補償バルブ流量係数を電流レベルに変換し、電磁油圧バルブは電流レベルに応答して駆動される。

制御技術の他の実施例において、伝達機能部は所望のバルブ流量係数を電流レベルに変換する。補償機能部は特性データで規定され、異なる電流レベルのバルブ流量が差動圧力の変化で変化する量を指定する補償値を発生する。電流レベルと実際の差動圧力は補償値を発生することにより応答する補償機能部に対する入力として適用される。この補償値は電流レベルに加えられ、補償電流レベルを生成する。補償電流レベルは電磁油圧バルブを動作するために採用される。

まず図１を参照すると、シリンダ１６又は回転モータのような油圧駆動アクチュエータにより駆動される機械素子を使用している。油圧システム１０はタンク１５から作動液を引き出すため且つ圧力を掛けて作動液を供給ライン１４に供給するためエンジンや電気モータ（図示せず）により駆動される容積式ポンプ１２を有する。供給ライン１４はアンローダバルブ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。アンローダおよびタンク制御バルブは付随するラインの圧力を制御するため動的に駆動される。

供給ライン１４とタンク戻りライン１８は油圧システム１０が配置される機械上の複数の油圧機能部に接続される。これらの機能部２０の１つは詳細に図示され、他の機能部１１は同様な部品を有する。油圧システム１０は各機能のためのバルブとこれらのバルブを動作させる制御回路がその機能のためのアクチュエータの近傍に配置される分配型である。

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のヘッドシリンダ２６に接続された作用ポートノード“ａ”を有し、且つ第２導管３２によりシリンダ１６のロッドチャンバ２７に接続された他の作用ポートノード“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のノード間の差動液流量を制御し、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、記号“ｓａ”で指定される。第１電磁油圧比例バルブ２１は供給ライン１４とシリンダ１６のヘッドチャンバ２６間の流量を制御する。記号“ｓｂ”により指定された第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、かつ供給ライン１４とシリンダロッドチャンバ２７間の流量を制御する。記号“ａｔ”により指定された第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、ヘッドチャンバ２６と戻りライン１８間の流量を制御する。記号“ｂｔ”により指定され且つノード“ｂ”および“ｔ”間にある第４電磁油圧比例バルブ２４はロッドチャンバ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の油圧部品はシリンダ１６のヘッドおよびロッドチャンバ２６および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を含んでいる。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はバルブアセンブリ２５のノード“ｔ”の戻りライン圧力Ｐｒを検出する。

圧力センサー３６，３８，４０および４２は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する機能制御器４４に入力信号を提供する。機能制御器４４は、後述するように、他の入力信号をシステム制御器４６から受信するマイクロコンピュータを用いた回路である。機能制御器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を適切に動作させるため４個の電磁油圧比例バルブ２１−２４を特定の量だけ選択的に開く出力信号を発生することによりこれらの入力信号に応答する。

システム制御器４６は従来のメッセージプロトコルを使用して通信リンク５５上で信号を機能制御器４４と交換する油圧システム１０の全体の動作を管理する。システム制御器４６はポンプ１２の流出部の供給ライン圧力センサー４９、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から信号も受信する。タンク制御バルブ１９とアンローダバルブ１７はこれらの圧力信号に応答してシステム制御器により稼動される。

図２において、油圧システム１０のための制御機能部は異なる制御器４４および４６間で分配される。１つの機能部２０を考慮すると、この機能部のためのジョイスティック４７からの出力信号はシステム制御器４６に入力される。具体的には、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の位置を示す信号を移動信号に、例えば、油圧アクチュエータ１６のための所望速度を指示する速度命令信号の形態で変換する入力回路５０に入力される。

得られた速度命令は付随する機能部２０のための油圧アクチュエータを制御する電磁油圧比例バルブ２１−２４を動作させる機能制御器４４に伝達される。油圧アクチュエータ１６の所望の速度は計量モードと称されるいくつかの異なる方法でバルブ２１−２４に流れる流量を計量することにより達成可能である。機能部が図１に示されるように油圧シリンダ１６とピストン２８を有する場合、差動液はピストンロッド４５をシリンダから伸張させるためヘッドチャンバ２６に供給されるか、ピストンロッド４５を後退させるためにロッドチャンバ２７に供給される。

ポンプ１２からの流体がシリンダチャンバ２６又は２７の１つに供給され他方のチャンバから戻りラインに排出される基礎計量モードは“駆動計量モード”、具体的に、駆動伸張モード又は駆動後退モードと称される。油圧システムは一方のシリンダチャンバから排出される流体を他方のシリンダチャンバに供給するためバルブアセンブリ２５を介して帰還される再生計量モードを採用できる。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”を介して、又は“低側再生”の戻りラインノード“ｔ”を介してチャンバ間に流れる。流体がシリンダのヘッドチャンバ２６からロッドチャンバ２７に強制的に流れる場合、より大量の流体がより小さいロッドチャンバを満たすために要求されるよりヘッドチャンバから排出されている事を留意すべきである。この場合、過剰な流体がタンク１５又は他の機能部１１に継続的に流れる戻りライン１８に流れる。逆に、流体がロッドチャンバ２７からヘッドチャンバ２６に再生的に強制される場合、ヘッドチャンバを満たすために要求される追加の流体が供給ライン１４または戻りライン１８から排出される。

計量モードは付随の油圧機能部のための計量モードセレクタ５４により決定される。計量モードセレクタ５４は好ましくは特有の時間での最適計量モードを決定するため機能制御器４４により実行されるソフトウエアアルゴリズムにより実行される。後者の場合、ソフトウエアは特定機能部のシリンダチャンバ圧力ＰａおよびＰｂおよび供給および戻りライン圧力ＰｓおよびＰｒに応答して計量モードを選択する。一旦選択されると、計量モードはシステム制御器４６および各機能制御器４４の他のルーティンに伝達される。

バルブ制御
本発明はどの計量モードでもバルブ２１−２４を適切に制御するために使用できるが、本発明の説明を簡単にするために、駆動計量モードの動作のみが説明される。

機能制御器４４はソフトウエアルーチン５６および５８を実行し、命令速度と所望の作用ポート圧力を達成するための電磁油圧比例バルブ２１−２４の動作の仕方を決定する。各計量モードにおいて、アセンブリ２５内の電磁油圧比例バルブの２つのみがアクティブ即ちいずれの時点でも開口している。機能部のための油圧回路ブランチの２個のバルブは選択された計量モードの油圧回路ブランチの等価流体コンダクタンスを示す単一係数によりモデル化できる。機能部２０の模範油圧回路ブランチはシリンダ１６に接続されたバルブアセンブリ２５を有する。等価コンダクタンス（Ｋｅｑ）は４個の電磁油圧比例バルブ２１−２４を流れる流量および、もしあれば、各バルブが開く量を特徴付ける１組の各バルブコンダクタンス係数（Ｋｓａ、Ｋｓｂ、Ｋａｔ、およびＫｂｔ）を計算するために使用される。当業者は、これらのコンダクタンス係数の代わりに、反比例流量制限係数が流量を特徴付けるために使用できることを理解するであろう。コンダクタンスおよび制限係数の両者は油圧システムの区画内又は部品内の流量を特徴付け、反比例パラメータである。したがって、ここで、通称“等価流量係数”および“バルブ流量係数”はコンダクタンスと制限係数をカバーするように使用される。

本発明の制御技術を実行するアルゴリズムを記述するために使用される用語が表１に与えられる。
表１ 用語
ａ シリンダのヘッド側に関連する項目を示す
ｂ シリンダのロッド側に関連する項目を示す
Ａａ ヘッドシリンダチャンバ内のピストン面積
Ａｂ ロッドシリンダチャンバ内のピストン面積
Ｆｘ 速度ｘの方向のシリンダ上の等価外力
Ｋａ ノードａに接続されたアクティブバルブのためのコンダクタンス係数
Ｋｂ ノードｂに接続されたアクティブバルブのため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のため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のため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のため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のため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入するバルブの係数
Ｋｏｕｔ 流体がシリンダから排出するバルブの係数
Ｋｖ バルブコンダクタンス係数の通称
Ｐａ シリンダヘッドチャンバ圧力
Ｐｂ シリンダロッドチャンバ圧力
Ｐｓ 供給ライン圧力
Ｐｒ 戻りライン圧力
Ｐｅｑ 等価、即ち、“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）

コンダクタンス係数の数学的導出は機能部２０の計量モードに依存する。このように、バルブ制御プロセスは以下に２つの駆動計量モードのために個別に記載される。

１．駆動伸張モード
油圧システム１０がシリンダ１６からピストンロッド４５を伸張させると、加圧作動液は供給ライン１４からヘッドチャンバ２６に流入され、流体がロッドチャンバ２７からタンク戻りライン１８に排出される。この計量モードは“駆動伸張モード”と称される。全般的に、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、仕事はピストンロッド４５をシリンダ１６から伸張するため力に抗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、第１と第４電磁油圧バルブ２１および２４が開口され、その間、他の対のバルブ２２および２３が閉鎖状態を維持する。

ロッド伸張の速度は各バルブコンダクタンス係数ＫｓａおよびＫｂｔのために設定されたバルブにより制御される第１および第４バルブ２１および２４を流れる流量を計測することにより達成される。理論的に、等価コンダクタンス係数（Ｋｅｑ）と称されるこれらの２つの係数の数学的組合せのみが重要であるので、各バルブコンダクタンスＫｓａおよびＫｂｔのための特定値は無関係である。したがって、シリンダ面積比Ｒ、ロッドシリンダチャンバの面積Ａｂ、シリンダチャンバ圧力ＰａおよびＰｂ、供給および戻りライン圧力ＰｓおよびＰｒ、および命令ピストン速度ｘを知ることにより、機能制御器４４はソフトウエアルーチン５６を実行し、要求された等価コンダクタンス係数Ｋｅｑを下記方程式から計算できる。

ここで、この方程式およびこの明細書の他の方程式の種々の項は表１に特定されている。もし所望の速度がゼロであると、すべての４つのバルブ２１−２４は閉じられる。もし負の速度が要求されると、即ち、ロッドの伸張、では、異なるモードを使用しなければならない。特定の油圧バルブの制約とシリンダ面積Ｒを与えられると、等価コンダクタンス係数Ｋｅｑの計算が物理的に達成できる最大値より大きい値を与えるかもしれないということを理解すべきである。この場合、等価コンダクタンス係数のための最大値は次の演算処理で使用され、命令速度は式ｘ＝（Ｋｅｑｍａｘ／Ｋｅｑ）ｘ にしたがって調整される。

ヘッドチャンバ２６のピストンの表面積Ａａとロッドチャンバ２７のピストンの表面積Ａｂは機能部２０に使用される特定のシリンダ１６のために固定され且つ知られる。シリンダチャンバのこれらの表面積と現在圧力ＰａおよびＰｂを知ることにより、シリンダ１６に作用する等価外力Ｆｘは以下の式の何れかにしたがって機能制御器４４により決定できる。

方程式（２）または（３）から計算されるように等価外力（Ｆｘ）はシリンダ上の外部負荷、各圧力センサーＰａおよびＰｂと付随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の効果を含んでいる。等価外力は実際に力として示されるバルブにより見られる全油圧負荷を表している。

この総油圧負荷を推定するためアクチュエータポート圧力センサー３６および３８を使用することは好ましいが、負荷セル４３が等価外力（Ｆｘ）を推定するために使用できる。しかしながら、後者の場合、シリンダ摩擦や作用ポートライン損失が考慮されないので、速度誤差が生じる可能性がある。この負荷セルにより計測された力Ｆｘは方程式（１）の展開された分母の項“−ＲＰａ＋Ｐｂ”に置換される項“Ｆｘ／Ａｂ”で使用される。同様な置換が等価コンダクタンス係数Ｋｅｑのための他の式で以後実施される。

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、は以下の式により与えられる。
Ｐｅｑ＝Ｒ（Ｐｓ−Ｐａ）＋（Ｐｂ―Ｐｒ） （４）
もし駆動圧力が正であれば、ピストンロッド４５は第１および第４電磁油圧比例バルブ２１および２４が開口すると、意図した方向に動く（即ち、シリンダから伸張する）。もし駆動圧力が正でなければ、供給圧力Ｐｓが増加して正の駆動圧力Ｐｅｑを発生させるまで、第１および第４バルブ２１および２４は誤った方向への移動を回避するため閉鎖を継続しなければならない。もし現在のパラメータがピストンロッド４５の動きが所望の方向に生じることを示していれば、バルブ係数ルーチン５７は、４個の電磁油圧バルブ２１−２４のためのバルブコンダクタンス係数Ｋｓａ，Ｋｓｂ，Ｋａｔ，およびＫｂｔを導出するために等価コンダクタンス係数Ｋｅｑを使用することにより、継続する。

何れかの特定の計量モードにおいて、４個の電磁油圧比例バルブの２つは閉鎖され、ゼロ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じる。このように、２つの開口、即ちアクティブ、電磁油圧比例バルブ（例えば、このモードでのバルブ２１および２４）は等価コンダクタンス係数（Ｋｅｑ）に寄与する。一方のアクティブバルブはノード“ａ”に接続され、他方のアクティブバルブがバルブアセンブリ２５のノード“ｂ”に接続される。バルブ係数ルーチン５７の次の説明において、項Ｋａはノード“ａ”に接続されたアクティブ入力バルブのための個別コンダクタンス係数（例えば、駆動伸張モードでの駆動伸張でのＫｓａ）を意味し、Ｋｂはノード“ｂ”に接続されたアクティブ出力バルブのためのバルブコンダクタンス係数（例えば、駆動伸張モードでのＫｂｔ）を意味する。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。

各バルブコンダクタンス係数のためのこの式を再配置すると以下の式になる。

等価コンダクタンス係数Ｋｅｑの任意の値に同一であるバルブコンダクタンス係数ＫａおよびＫｂのための無数の組合せがあることが明らかである。図３はＫａとＫｂ間の関係をグラフで示し、各実線はＫｅｑの定数値を示している。いくつかのカーブのみがグラフに示されたが、実際には無数の定数Ｋｅｑカーブがあることを留意すべきである。

しかしながら、油圧システムに示される実際の電磁油圧比例バルブは完全でない事を認識すると、ＫａおよびＫｂのためのバルブの設定における誤差が必然的に生じ、ピストンロッド４５の制御された速度の誤差になる。したがって、Ｋｅｑが速度ｘに比例するので、等価コンダクタンス係数Ｋｅｑの誤差が最小化されるＫａおよびＫｂの値を選択することが望ましい。ＫａおよびＫｂに対するＫｅｑの感度はベクトル微分法で与えられるようにＫｅｑの勾配の大きさをとることにより計算できる。Ｋｅｑの勾配の大きさは下記式で与えられる。

バルブコンダクタンス係数ＫａおよびＫｂに対して得られたＫｅｑの２次元感度の等高線プロットは感度が谷部の底部でＫａおよびＫｂの値を最小化する谷部を有する。感度の谷部の底部でのラインは下記式で示される。
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ＫａとＫｂ間の最適又は好ましいバルブコンダクタンス係数関係に対応する。この勾配はシリンダ面積比Ｒの関数であり、式
μ ＝Ｒ^３／４に従って与えられた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のシリンダ面積比で

になる。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６０のプロットを図３のＫｅｑカーブに重ねることにより、最小係数感度ラインがすべての定数Ｋｅｑカーブと交差することが明らかになる。

上記式（６）および（７）の他に、任意の油圧システム機能のための勾配定数μの値を知ることにより、個別値係数は下記式に従って等価コンダクタンス係数に関連する。

従って、式（６）、（７）、（１０）、および（１１）の２つは駆動伸張計量モードでアクティブバルブのためのバルブコンダクタンス係数を決定するために解ける。

図２を再度参照すると、バルブ係数ルーチン５７が付随のバルブを流れる所望の流量を規定するバルブ伝達係数のために所望の値を設定する。駆動伸張モードで動作する油圧機能部２０の例において、これらのバルブは閉鎖状態を維持されるので、第２および第３電磁油圧比例バルブ２２および２３のための所望のバルブコンダクタンス係数ＫｓｂおよびＫａｔはバルブ係数ルーチン５７によりゼロに設定される。アクティブ第１および第４油圧バルブ２１および２４のための所望の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）の以下の特定の応用により規定される。

最小感度範囲でバルブを動作させるため、バルブ係数ルーチン５７は式（１５）および（１６）又は式（１６）および式（１４）に使用して得られたバルブコンダクタンス係数を解き、他のバルブコンダクタンス係数を導出する。他の状況において、バルブコンダクタンス係数のための所望の値は式（１２）または（１３）を使用して導出される。例えば、１つの所望のバルブコンダクタンス値のための値は選択可能であり、対応する式（１２）又は（１３）は他の所望のバルブコンダクタンス値を導出するために使用できる。図３にしたがって、もしカーブ６１が算出された等価コンダクタンス係数Ｋｅｑを示すと、所望のバルブコンダクタンス係数ＫｓａおよびＫｂｔはポイント６０でＫｅｑカーブ６１と好ましいバルブコンダクタンス係数ライン６０の交差により規定される。

バルブ係数ルーチン５７により算出されたバルブコンダクタンス係数Ｋｓａ，Ｋｓｂ，Ｋａｔ，およびＫｂｔのために得られた所望の値は４個の電磁油圧比例バルブ２１−２４を動作するため電流のレベルを特定する電流設定値Ｉｓｐを発生する１組の信号変換器５８に供給される。電流設定値は各バルブ２１−２４に送られる電流量を制御する１組のバルブドライバ５９に適用される。バルブが任意の大きさの電流に応答して開く角度が観測され、対応するバルブコンダクタンス係数がバルブ間の差動圧力の変化で変化する。この現象に鑑みて、各所望のバルブコンダクタンス係数Ｋｓａ，Ｋｓｂ，Ｋａｔ，およびＫｂｔの電流レベルへの変換は各バルブ２１−２４間の差動圧力の関数である。

図４を参照すると、上記変換はセット５８内の信号変換器６４内の伝達機能部６６により実行される。伝達機能部６６は所望のバルブコンダクタンス係数と実際の差動圧力に応答して電流設定値（Ｉｓｐ）を発生する。もし任意の設計の電磁比例バルブが非常に類似した性能特性を有すると、単一の伝達機能部６６がすべてのバルブに使用できる。そうでなければ、同一の設計のバルブ間で著しい性能ばらつきがある場合、各バルブの性能は特定の電磁油圧比例バルブのために固有の伝達機能部６６をもたらすため特徴付けされなければならない。

どの場合でも、伝達機能部６６は図５に示されるようなテスト装置７０を使用して経験的に決定される。可変容量型ポンプ７２はテスト下で加圧流体をバルブ７４に供給する。圧力センサー７５および７６はバルブの両側の圧力を示す電気信号を発生し、流量メータ７７はバルブに流れる流量を計測する。これらの信号は流出部圧力を制御するためポンプ７２の動作を管理するテスト制御器７８に入力として加えられる。テスト制御器７８はバルブ７４を開くため電流を入力するバルブドライバ７９を制御する。

バルブ係数と対応する電流レベル間の関係は使用される作動液の型の特性に依存する。テスト装置７０は好ましくはバルブを採用する装置に使用されるような類似の型の作動液を使用する。もし装置に使用される作動液の型が変わると、異なる伝達機能部６６が要求される。

伝達機能部６６の特徴付け中、一連の電流レベルが生成し、バルブ７４を異なる量だけ開口する。個々の電流レベルにおいて、バルブ７４間の差動圧力はバルブの範囲を介して徐々に変化する。複数のテスト点で、電流の大きさ、差動圧力ΔＰ（Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）、および流量Ｑを特定するデータが収集される。各データ点において、実際のバルブコンダクタンス係数Ｋｖは下記式で算出される。

この経験データから、バルブコンダクタンス係数値および差動圧力値によりアクセスされる蓄積ロケーションを有するルックアップ表が作成される。各蓄積ロケーションは付随のバルブコンダクタンス係数Ｋｖにより指定された流量を発生するため差動圧力で要求される電流設定値（Ｉｓｐ）を含んでいる。変形例において、電流設定値（Ｉｓｐ）の導出はバルブコンダクタンス係数値および差動圧力値の関数として式により示すことができ、この式は電流設定値を求めるために解かれる。

図４を参照すると、油圧システム１０の動作中、セット５８の４個の信号変換器６４の各々はバルブコンダクタンス係数（例えば、Ｋｓａ）および付随バルブ（例えば、２１）の差動圧力ΔＰに基いて電流設定値（Ｉｓｐ）を発生する。差動圧力ΔＰは電磁油圧比例バルブの反対側の圧力センサーからの信号（例えば、第１バルブ２１の圧力ＰｓおよびＰａ）を使用して第２加算ノード６９により決定される。得られた電流設定値Ｉｓｐは付随する第１又は第４電磁油圧比例バルブ２１又は２４のソレノイドコイルに流れる電流を制御するバルブドライバ５９内の個別ドライバ回路６８に適用される。得られた電流レベルはバルブを適切な量に開き、ピストンロッド４５の所望の速度を実現する。

２．駆動後退モード
供給ライン１４からロッドチャンバ２７に加圧作動液を加え、ヘッドチャンバ２６からタンク戻りライン１８に作動液を排出することにより、ピストンロッド４５がシリンダ１５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。一般的に、このモードは、ピストン２８に作用する力が正であり、仕事がピストンロッド４５を後退させるための力に抗して実施される場合に、利用される。この動きを発生するため、第２および第３電磁油圧バルブ２２および２３が開口され、同時に、他の対の電磁油圧比例バルブ２１および２４が閉鎖される。

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を流れる流体を制御することにより制御される。この制御プロセスは駆動伸長モードに対して説明されたものと同様である。理想的には、機能制御器４４は下記式により等価コンダクタンス係数（Ｋｅｑ）を算出するためルーチン５６を使用する。

ピストンロッド４５の動きを発生するために要求されるこの駆動圧力、Ｐｅｑ、は下記により与えられる。
Ｐｅｑ＝Ｒ（Ｐａ−Ｐｒ）＋（Ｐｓ−Ｐｂ） （１９）
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が開く時にシリンダ内に後退する。もし駆動圧力が正でないと、第２および第３バルブは、供給圧力Ｐｓが増加し正の駆動圧力Ｐｅｑを発生するまで、誤った方向に動くのを回避するため閉鎖状態を継続しなければならない。

式（２）および（３）はピストンロッド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できる。

駆動後退モードのための一般式（６）、（７）、（９）、（１０）、および（１１）の特定の形式は以下の式より与えられる。

従って、アクティブ第２および第３電磁油圧比例バルブ２２および２３のための所望のバルブコンダクタンス係数ＫｓｂおよびＫａｔは式（２０）−（２４）からバルブ係数ルーチンにより導出される。最小感度の範囲でバルブを動作させるため、式（２３）および（２４）が解かれ、又は式（２４）が解かれ、他の所望のバルブコンダクタンス係数を導出するため得られた所望のバルブコンダクタンス係数が式（２４）で使用される。他の場合において、所望のバルブコンダクタンス係数は式（２０）又は（２１）を使用して導出できる。例えば、１つの所望のバルブコンダクタンス係数のための値が選択可能であり、対応する式（２０）又は（２１）が他の所望のバルブコンダクタンス係数を導出するために使用できる。閉鎖された第１および第４電磁油圧比例バルブ２１および２４のための所望のバルブコンダクタンス係数ＫｓａおよびＫｂｔはゼロに設定される。得られた組の４個の所望バルブコンダクタンス係数は機能制御器４４により信号変換器５８に入力され、駆動伸張モードのために前述した方法と同一の方法で、対応する電流設定値Ｉｓｐを発生する。

代替バルブ係数補償
上述の信号変換器５８は任意の設計のすべてのバルブが実質的に同一の性能特性を有すること又は個別の伝達が制御されている各特定の電磁油圧比例バルブのために規定されることを要求する。各バルブの性能を完全に特徴付けることは時間を消費する処理である。代案として、公称（名目）差動圧力の各バルブの性能を特徴付けることによりおよび同一設計のすべてのバルブのための包括的な組の差動圧力補償バルブを提供することにより、充分な補償がほとんどの油圧システムで達成できる。

図６は本発明のこの代替形式のための信号変換器５８の詳細を示している。４個の所望のバルブコンダクタンス係数Ｋｓａ、Ｋｓｂ、Ｋａｔ、およびＫｂｔは、前述のように、バルブ係数ルーチン５７により生成される。信号変換器５８内の個別補償器８０は所望バルブコンダクタンス係数を処理し、変化している差動圧力がバルブ制御器に作用する効果を補償する。第１電磁油圧比例バルブ２１のための所望バルブコンダクタンス係数Ｋｓａを処理する補償器８０が詳細に示され、他のバルブ２２−２４のための補償器は同様な機能を有する。本発明の制御手順は第１電磁油圧比例バルブ２１を制御するために説明される。但し、他の電磁油圧比例バルブ２２−２４が同様な方法で制御されるが、各バルブ間の実際の差動圧力を使用することを理解すべきである。所望のバルブコンダクタンス係数Ｋｓａは第１加算ノード８２と補償値ΔＫｖを発生する補償機能部８４に適用される。この補償器８０は第１電磁油圧比例バルブ２１の反対側の圧力ＰｓおよびＰａを示す入力信号を受信する。第２加算ノード８５はこれらの圧力信号間の差を決定し、付随するバルブ２１間の実施の差動圧力ΔＰを示す値を発生する。差動圧力値は補償機能部８４に適用される。

補償機能部８４は異なる差動圧力ΔＰによるバルブ制御の変化を補正するためバルブコンダクタンス係数Ｋｓａを調整する係数補償値ΔＫｖを発生することにより所望のバルブ係数と実際の差動圧力ΔＰに応答する。前述したように、バルブコンダクタンス係数の任意の値に応答する電磁油圧比例バルブの開口は差動圧力の変化で変化する。補償機能部８４は制御されている各特定のバルブでなく特定の設計型のバルブのために確立された補償値ΔＫｖを発生する。

補償機能部８４は同一設計のいくつかの電磁油圧比例バルブの性能を特徴付け、かつそのデータを平均化することにより決定される。特徴付けは図５に示されるテスト装置７０で実施される。テスト下のバルブ７４に入力される電流が動作電流レベルの範囲を介して且つ各離散的な電流レベルで進み、バルブ間の差動圧力は複数のテスト点を規定するように変化する。各テスト点で、テスト制御器は電流の大きさ、差動圧力、および流量に関するデータを蓄積する。各データ点において、バルブコンダクタンス係数Ｋｖ値は式（１７）にしたがって算出され、２軸表は一方の軸上の電流値目盛りと他方の軸の差動圧力目盛りで作られる。

標準差動圧力（例えば、２Ｍｐａ）が選択され、標準差動圧力での表セルのバルブコンダクタンス係数が公称バルブコンダクタンス係数値として規定される。表の電流軸上の各目盛りでの対応する公称値コンダクタンス係数値は電流値に置換するので、表は公称値コンダクタンス係数および差動圧力により索引付けられる。

同一設計の数個のバルブのためのデータ表が収集され、対応するセルのデータは平均化され平均化されたテストデータの表を形成する。

その後、公称値コンダクタンス係数値はこの公称値に付随する各平均化された表のセルの内容から減算され、その結果が対応するセルに配置される。この演算により各表のセル内の実際のバルブ係数値を係数差ΔＫｖに変換される。得られた表において、任意のセル内の値は付随の差動圧力での公称バルブコンダクタンス係数と実際バルブコンダクタンス係数間の差である。これは図６の補償機能部８４のためのルックアップ表を形成する。代案として、補償機能部８４は所望のバルブコンダクタンス係数値と差動圧力値の関数として係数差ΔＫｖを表す式として実施可能であり、この式は係数差を求めるために解かれる。

バルブ係数ルーチン５７により生成された所望のバルブコンダクタンス係数Ｋｓａが補償機能部８４に適用されると、現在の差動圧力ΔＰのオフセットを補償するためどの程度所望のバルブコンダクタンス係数を変更しなければならないかに相当する係数補償値ΔＫｖが生成される。第１加算ノード８２は係数補償値を所望のバルブコンダクタンス係数Ｋｓａと合成し、電流設定値伝達機能部８６に係数に加えられる補償バルブコンダクタンス係数Ｋｓａ＊を発生する。

伝達機能部８６はこの例において到来補償値コンダクタンス係数Ｋｓａ＊に基いて対応する電流設定値（Ｉｓｐ）を発生する。伝達機能部８６は各特定の電磁油圧比例バルブ２１−２４に対して特有であり、所定の標準差動圧力（例えば、２ＭＰａ）でのバルブコンダクタンス係数（Ｋｓａ、Ｋｓｂ、Ｋａｔ、又はＫｂｔ）とソレノイド電流設定値（Ｉｓｐ）間の関係を規定する。この関係は、図５において、テスト装置７０を使用して各特定のバルブのために特徴付けられる。テスト中のバルブ間の圧力は所定の標準差動圧力で一定に保持され、その間、バルブに加えられた電流が変化し、流量が所定電流レベルで測定される。各所定の電流レベルのための対応するバルブコンダクタンス係数は式（１７）を使用して算出される。このデータから、ソレノイド電流設定値（Ｉｓｐ）に対するバルブコンダクタンス係数値に関するルックアップ表は伝達機能部８６のために生成される。

従って、信号変換器５８は変化する差動圧力の効果のためバルブ係数ルーチン５７により発生する所望のバルブコンダクタンス係数Ｋｓａを補償する。補償バルブコンダクタンス係数Ｋｓａ＊により、伝達機能部８６は補償無しで生じる電流と異なるが所望のバルブコンダクタンス係数の値により規定される流量を発生するためバルブ２１を開口する電流設定点Ｉｓｐを発生する。

代案として、補償データはバルブ伝達係数値の代わりに公称電流レベルにより索引付けされる。図７に示されるこの場合において、補償器９０は所定の標準差動圧力でのこれらのパラメータの関係を特定するルックアップ表を使用してバルブコンダクタンス係数（例えば、Ｋｓａ）を対応する電流レベルに変換する第１伝達機能部９１を有する。ルックアップ表は図６の伝達機能部８６のために前述したように生成される。第１伝達機能部９１から得られる対応する電流レベルは補償機能部９２内のルックアップ表をアドレスするため第２加算ノード９５により生成された差動圧力ΔＰと共に使用される。補償値ΔＫｖのこのルックアップ表は、バルブ係数値の代わりに公称電流レベルにより索引されることを除いて、補償機能部８４と本質的に同じプロセスにより発生する。

得られた補償値ΔＫｖは第１加算ノード９３の所望バルブコンダクタンス係数Ｋｓａと合成され、補償されたバルブコンダクタンス係数Ｋｓａ＊を形成する。この補償バルブコンダクタンス係数は同一のルックアップ表を第１伝達機能部９１として使用する第２伝達機能部９４に適用される。第２伝達機能部９４は第１電磁油圧バルブ２１を動作させるためバルブドライバ５９に入力される電流設定点Ｉｓｐを発生する。

図８に示される本発明の方法の他の形式において、差動圧力変動の補償は電流設定値Ｉｓｐを調整することにより実施される。ここで、バルブ係数ルーチン５７からの所望のバルブコンダクタンス係数Ｋｓａは電流設定値Ｉｓｐを発生するバルブ電流伝達機能部９６に直接適用される。電流設定値と差動圧力ΔＰは電流補償値ΔＩｓｐを得るために補償器１００内の補償機能部９７のルックアップ表をアドレスするために使用される。この電流補償値は差動圧力の変化によるバルブ制御変動を補償するため電流設定値Ｉｓｐを調整する。具体的には、電流補償値ΔＩｓｐは第１加算ノード９８の電流設定値Ｉｓｐと合成され、第１電磁油圧比例バルブ２１を動作させるためバルブドライバ５９に入力される補償電流設定値Ｉｓｐ＊を形成する。電流補償値のルックアップ表は図５のテスト装置と前述された補償値表を形成するために使用されたものと同様な手順を使用して任意のバルブ設計のために経験的に生成される。

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例が注目されたが、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実現する可能性があることが予測される。例えば、本発明の補償技術はシリンダピストンアクチュエータ以外の他の型の油圧アクチュエータおよび他のバルブアセンブリに使用できる。したがって、本発明の範囲は、上記開示により限定されることなく、請求項から決定されるべきである。

図１は本発明を具体化している模範的油圧システムの概略図である。 図２は油圧システムの１つの関数のための制御図である。 図３は油圧システム内のバルブの流量係数ＫａおよびＫｂ間の関係を示す図である。 図４はバルブをバルブ流量係数に設定する制御機能の図である。 図５は差動圧力変化がどのように油圧システムに使用されるバルブの特性に影響を与えるかを特徴付けるためのテスト装置である。 図６は差動圧力補償バルブでバルブ流量係数を調整する制御機能の図である。 図７は差動圧力補償バルブでバルブ流量係数を調整する他の制御機能の図である。 図８は差動圧力補償バルブでバルブ電流設定値を調整する制御機能の図である。

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 ヘッドチャンバ
２７ ロッドチャンバ
３０ 油圧導管
３６、３８、４０、４２ 圧力センサー
４４ 機能制御器
４６ システム制御器
４７ ジョイスティック
５４ 計量モードセレクタ
５６、５８ ソフトウエアルーチン

Claims (19)

1. 油圧アクチュエータ（１６）を動作させるため作動液流量を制御する電磁油圧バルブ（２１−２４）を動作させる方法において、
   特性データを生成するため、電磁油圧バルブ間の差動圧力の変化の関数として、電磁油圧バルブ（２１−２４）の特性を特徴付ける工程と；
   前記アクチュエータ（１６）の所望の動きを特定する工程と；
   前記所望の動きに応答して、前記電磁油圧バルブ（２１−２４）に流れる作動液流量のレベルを特定する所望のバルブ流量係数を導出する工程と；
   前記所望バルブ流量係数と前記特性データから補償制御信号を生成し、前記補償制御信号は差動圧力変化が前記電磁油圧バルブ（２１−２４）に流れる差動液流量に作用する効果について補償される工程と；
   前記補償制御信号に応答して前記電磁油圧バルブ（２１−２４）を活性化する工程と；
   を具備することを特徴とする方法。
2. 前記特徴付ける工程はバルブ流量係数が電磁油圧バルブ（２１−２４）間の差動圧力の変化でどのように変化するかを特定する特性データを発生することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 補償制御信号を発生する工程が前記特性データに基いて前記所望のバルブ流量係数を調整し、前記電磁油圧バルブ（２１−２４）を活性化するために採用される補償バルブ流量係数を発生することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記特性データはバルブ流量係数が前記電磁油圧バルブ（２１−２４）間の差動圧力の変化で公称値からどのように変化するかを特定することを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記特徴付ける工程は前記バルブ流量係数が前記電磁油圧バルブ（２１−２４）を活性化するための差動圧力と電流レベルの関数としてどのように変化するかを特定する特性データを発生することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記特性データは前記所望のバルブ流量係数と前記差動圧力の関数として前記電磁油圧バルブ（２１−２４）に加えるため電流レベルを特定することを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記特性データは前記電磁油圧バルブ（２１−２４）に加えるための電流レベルがどのように前記電磁油圧バルブ（２１−２４）間の差動圧力変化で公称値から変化するかを特定することを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記電磁油圧バルブ（２１−２４）の一方の第１圧力を検出する工程と；前記電磁油圧バルブ（２１−２４）の他方の第２圧力を検出する工程と；前記第１および第２圧力から前記電磁油圧バルブ（２１−２４）間の前記差動圧力を導出する工程とを更に具備することを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 油圧アクチュエータ（１６）を動作させるため差動液流量を制御する電磁油圧バルブ（２１−２４）を動作させる装置において、
   前記電磁油圧バルブ（２１−２４）に流れる差動液流量の所望レベルを特定する所望バルブ流量係数を発生するコンポーネント（５７）と；
   前記電磁油圧バルブ（２１−２４）間の圧力差を示す差動圧力値（ΔＰ）が発生するセンサー構成（４０，３６，３８）と；
   前記コンポーネントと前記センサー構成に接続され、差動圧力の変化が作動液流量に作用する効果について補償されるバルブ制御信号を提供することにより、前記所望のバルブ流量係数と前記差動圧力値（ΔＰ）に応答する信号変換器（５８）と；
   前記バルブ制御信号に応答して前記電磁油圧バルブ（２１−２４）を活性化するバルブドライバ（６８）と；
   を具備することを特徴とする装置。
10. 前記油圧アクチュエータ（１６）の所望の動きを指定する移動信号を発生する装置（４７）を更に具備し、前記コンポーネント（５７）が前記移動信号に応答して前記所望バルブ流量係数を発生することを特徴とする請求項９記載の装置（１０）。
11. 前記信号変換機（５８）は、前記バルブ制御信号を発生するために採用される補償バルブ流量係数を発生するため、補償値を前記所望バルブ流量係数と合成することを特徴とする請求項９記載の装置（１０）。
12. 前記補償値は前記電磁油圧バルブ（２１−２４）間の差動圧力変化が前記流量に作用する効果について補償することを特徴とする請求項１１記載の装置（１０）。
13. 前記所望のバルブ流量係数と前記差動圧力値（ΔＰ）に応答して前記補償値を発生する補償機能部を更に具備することを特徴とする請求項１１記載の装置（１０）。
14. 前記補償値はバルブ流量係数が前記電磁油圧バルブ（２１−２４）間の圧力差の変化で公称値から変化する量を特定することを特徴とする請求項１１記載の装置（１０）。
15. 前記信号変換器（５８）が前記補償バルブ流量係数を電流レベルに変換する伝達機能部（６６）を更に具備することを特徴とする請求項１１記載の装置（１０）。
16. 前記信号変換器（５８）が前記所望のバルブ流量係数を電流レベルに変換する伝達機能部（６６）、前記電流レベルと前記差動圧力値（ΔＰ）に応答して補償値を決定する補償機能部、および補償電流レベルを発生するため前記補償値を前記電流レベルと合成する信号処理エレメントを具備することを特徴とする請求項９記載の装置（１０）。
17. 油圧アクチュエータ（１６）を動作するため作動液流量を制御する電磁油圧バルブ（２１−２４）を動作させるための装置（１０）において、
    前記油圧アクチュエータ（１６）の所望の動きを指定する移動信号を発生する装置（４７）と；
    前記電磁油圧バルブ（２１−２４）に流れる流量の所望レベルを特定する所望バルブ流量係数を発生することにより前記移動信号に応答するコンポーネント（５７）と；
    前記電磁油圧バルブ（２１−２４）間の流体圧力差を指示する差動圧力値（ΔＰ）が発生するセンサー構成（４０，３６，３８）と；
    前記所望バルブ流量係数と前記差動圧力値（ΔＰ）に応答して補償値を発生する補償機能部（８４）と；
    補償バルブ流量係数を発生するため前記差動圧力値を前記所望のバルブ流量係数と合成する信号処理エレメント（８２）と；
    前記補償バルブ流量係数を電流設定値に変換する伝達機能部（８６）と；
    前記電流設定値に応答して前記電磁油圧バルブ（２１−２２４）を活性化するバルブドライバ（６８）と；
    を具備することを特徴とする装置（１０）。
18. 前記補償バルブは前記電磁油圧バルブ（２１−２４）間の差動圧力変化が作動液流量に作用する効果について補償されることを特徴とする請求項１７記載の装置（１０）。
19. 前記補償バルブはバルブ流量係数が前記電磁油圧バルブ（２１−２４）間の圧力差変化で公称値から変化する量を特定することを特徴とする請求項１７記載の装置（１０）。

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