JP2007218319A - 建設機械の電磁比例弁の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 建設機械の油圧システムの複数の電磁比例弁について出力範囲を変更する場合に、コントローラまたは内部定数を変更することなく、ソフトウェアを調整するだけで容易に変更できる建設機械の電磁比例弁の制御装置を提供する。
【解決手段】 建設機械の電磁比例弁の制御装置は、電磁比例弁に流す電流を指令する指令信号を出力するＣＰＵ１４と、指令信号を電圧信号に変換するＤ／Ａ変換器１６と、電圧信号を分圧して複数の電圧信号を出力する抵抗回路部２０と、複数の電圧信号のいずれか１つを選択する第１マルチプレクサ３１と、電圧信号を対応チャンネルに供給する第２マルチプレクサ３２と、電圧を保持するコンデンサ34-1〜34-nと、コンデンサに保持された電圧をパルス信号に変換するＰＷＭ変換回路35-1〜35-nと、パルス信号に基づき電磁比例弁に流す電流を生成するスイッチングトランジスタ12-1〜12-nとから構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は建設機械の電磁比例弁の制御装置に関し、特に、油圧ショベル等の建設機械において油圧システムで利用される電磁比例弁の出力範囲を簡単に切り換えるのに適した電磁比例弁の制御装置に関する。

油圧ショベル等の建設機械における電磁装置の従来の制御回路について特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された電磁装置の制御回路は、比例ソレノイド部を有する電磁装置を制御する制御回路において演算処理部が暴走したときに電磁装置に供給される電流を適切に抑制し電子回路的にフェイルセーフ機能を実現している。

上記の特許文献１に記載された電磁装置の制御回路の基本的回路構成を説明する。この制御回路では、まず１つのＣＰＵが複数の電磁比例弁の各々に対して指令信号を生成する。またＣＰＵは、生成した指令信号を供給すべき電磁比例弁の信号供給チャンネルをマルチプレクサで選択する。上記指令信号は、ＣＰＵが上記マルチプレクサを介して選択したチャンネルにおけるコンデンサに指令電圧として保持される。その後にＰＷＭ変換回路を介してスイッチングトランジスタ（ＦＥＴ等）をオン・オフするためのパルス信号に変換される。複数のスイッチングトランジスタの各々は、１つの電源から複数の電磁比例弁の各々に設けられた各給電路に配置されている。スイッチングトランジスタは、対応する上記パルス信号がゲートに入力されると、その給電路（ソース・ドレイン間経路）にてゲートに入力されたパルス信号に対応する駆動電流を流す。こうして、上記変換で作られたパルス信号に基づいてスイッチングトランジスタにより作られる上記駆動電流は電磁比例弁に供給される。複数の電磁比例弁の各々に供給される電磁比例弁を駆動するための上記駆動電流は、ＣＰＵで作られる上記指令信号との間で一対一の関係になっている。
特開２０００−２５２１１８号公報

油圧ショベル等の建設機械において、複数の機械的駆動部の各々を動作させるための油圧システムで、油圧回路における複数の電磁比例弁の各々の弁動作は、１つのＣＰＵで制御される。ＣＰＵは、前述の通り、複数の電磁比例弁の各々の弁動作を制御するための電流に対応させて個々の指令信号を生成する。各電磁比例弁は、比例ソレノイド部と弁部とから構成される。電磁比例弁における弁部の弁動作に係る出力範囲は、比例ソレノイド部に供給される駆動電流、すなわち電磁比例弁に流れる電流に応じて決まる。建設機械に装備された油圧システムにおける複数の電磁比例弁の各々の出力範囲は、電磁比例弁に流す電流に基づき、建設機械の機種に応じて設計の段階で予め決められている。より具体的には、建設機械の対象が決まり、初期設定のソフトウェア（プログラム）を組み込む段階で決定される。

ところで現在の油圧ショベル等の建設機械における実際の使用の態様では、或る特定の機種の建設機械において電磁比例弁の出力範囲につきＣＰＵに上記駆動電流の範囲を設定する場合に、当該油圧システムを他の機種の建設機械に用いる必要が生じることがあった。従来の建設機械における油圧システムの電磁装置の制御回路では、他の機種に建設機械のために用意される電磁比例弁の出力範囲を変更する場合には、ＣＰＵすなわちコントローラそのものを変更するか、または、当該コントローラの内部における電流を決定する抵抗の定数を変更するという方法しかなかった。しかし、このような電磁比例弁の出力範囲の変更方法では、融通性がなく、使用勝手が非常に悪いものであった。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、建設機械の油圧システムに装備された複数の電磁比例弁の各々についての出力範囲を変更する場合に、コントローラを変更することなく、かつコントローラ内部の定数を変更することなく、ソフトウェアを調整するだけで容易に変更することができる建設機械の電磁比例弁の制御装置を提供することにある。

本発明に係る建設機械の電磁比例弁の制御装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。

第１の建設機械の電磁比例弁の制御装置（請求項１に対応）は、建設機械に装備された油圧システムの複数の電磁比例弁の各々の動作を制御して建設機械の動作を制御する制御装置である。この制御装置は、電磁比例弁に流す電流を指令する指令信号を出力する演算処理手段（ＣＰＵ）と、指令信号を電圧信号に変換する変換手段（Ｄ／Ａ変換器）と、電圧信号を分圧して複数の電圧信号を出力する抵抗回路部と、演算処理手段から与えられる選択指示信号に基づき、抵抗回路部から出力される複数の電圧信号のうちのいずれか１つの電圧信号を選択する選択手段（第１マルチプレクサ）と、選択手段で選択された電圧信号を、指令信号に対応する電磁比例弁のチャンネルに供給する切換手段（第２マルチプレクサ）と、切換手段から与えられる電圧信号を保持するコンデンサと、コンデンサに保持された電圧信号をパルス信号に変換する変換手段（ＰＷＭ変換回路）と、パルス信号に基づき電磁比例弁に流す電流を生成するスイッチング手段（ＦＥＴ等）とから構成される。

上記の制御装置の構成では、予め抵抗回路部により１つの指令信号に対して分圧作用で複数の電圧を生じさせるようにし、演算処理手段で実行される予め定められたプログラムに基づき選択手段で使用する電磁比例弁の電流の出力範囲に対応する電圧信号を選択し、制御対象である建設機械の油圧システムの動作制御を行う。演算処理手段から出力される指令信号に対応する電圧信号は、演算処理手段で実行されるプログラムによって決定される。当該プログラムは、適用される建設機械の機種が決定される段階で初期的に設定される。

第２の建設機械の電磁比例弁の制御装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、選択手段で選択される上記電圧信号は、演算処理手段で実行されるプログラムを変更することにより変更可能であることを特徴とする。この構成によって、適用される建設機械の機種に応じて初期設定の段階でプログラムを変更することにより、電磁比例弁の電流の出力範囲を変更することができ、各種の建設機械の油圧システムの電磁比例弁に適応させることができる。

第３の建設機械の電磁比例弁の制御装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、電磁比例弁に流れる電流を電圧に変換する抵抗素子を備え、この抵抗素子で得た電圧を変換手段にフィードバックすることを特徴とする。この構成によって、電磁比例弁に流れる電流を安定させる。

第４の建設機械の電磁比例弁の制御装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、コンデンサに保持される電圧信号と抵抗素子で得られた電圧との偏差を積分する積分手段を備えることを特徴とする。これによって、電磁比例弁に流れる電流を安定させる。

本発明によれば、油圧システムの制御装置において、ＣＰＵから出力される電磁比例弁の指令信号を抵抗回路部によってそれぞれ値の異なる電圧に分圧するようにし、さらに初期設定で予め用意されたプログラムによる選択指令信号に基づきマルチプレクサで切り換えて電圧値を適宜に用いることができるようにしたため、コントローラを換えず、または内部の定数を変更せずに、ソフトウェアを切り換えるだけで電磁比例弁の電流範囲を変更することができ、これにより各種の機種の建設機械に適応させることができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１と図２を参照して本発明の実施形態に係る建設機械の電磁比例弁の制御装置を説明する。図１は制御装置の電気回路構成を示し、図２は電気回路各部の信号波形を示している。

図１では、油圧ショベル等の建設機械の複数の機械的駆動部の各々に対して、その動作を行わせるための油圧システムの制御装置を示す。機械的駆動部の動作は、対応する電磁比例弁の動作状態によって決まる。図１では２個の電磁比例弁１０−１〜１０−ｎが示されている。実際の装置では電磁比例弁は複数（一般的にはｎ個）であるが、この実施形態の説明では、説明を簡易化するため、便宜的に２個を図示する。複数の電磁比例弁の各々には、電源（バッテリ）１１から、対応するスイッチングトランジスタ（ＦＥＴ等）１２−１〜１２−ｎを経由して駆動のための電流が供給される。電磁比例弁を駆動するための電流すなわち電磁比例弁に流れる電流は、上記のスイッチングトランジスタのオン・オフ動作で決まるパルス状の電流である。複数のスイッチングトランジスタ１２−１〜１２−ｎの各々のオン・オフ動作を制御する指令信号は、対応する電磁比例弁の出力動作に応じて、コントローラ１３のＣＰＵ１４から与えられる。

図１に示した油圧システムの制御装置では、油圧回路における複数の電磁比例弁１０−１〜１０−ｎの各々の弁動作は１つのＣＰＵ１４で制御される。ＣＰＵ１４は、前述の通り、複数の電磁比例弁１０−１〜１０−ｎの各々の弁動作を制御するための電流に対応させて個々の指令信号ＳＩＧ１を生成する。各電磁比例弁の動作範囲すなわち出力範囲は、予め適用される建設機械の特性に応じて初期段階で設定されている。換言すれば、複数の電磁比例弁１０−１〜１０−ｎのそれぞれに対してＣＰＵ１４から与えられる指令信号ＳＩＧ１の範囲は初期設定により予め決められている。

本実施形態に係る上記制御装置は、上記のコントローラ１３を含み、かつ当該コントローラ１３は１つのＣＰＵ１４から構成される。ＣＰＵ１４は制御プログラム等を内蔵するメモリ１５を備えている。ＣＰＵ１４はメモリ１５に内蔵される制御プログラムおよびデータを用いて電磁比例弁制御用の指令信号ＳＩＧ１等を出力する。指令信号ＳＩＧ１はデジタル形式で表現されている。ＣＰＵ１４から出力された指令信号ＳＩＧ１はＤ／Ａ変換器１６によってアナログ信号ＳＩＧ２に変換される。指令信号ＳＩＧ１に対応するアナログ信号ＳＩＧ２は、指令信号に対応して生成される例えば０〜５Ｖの電圧信号である。Ｄ／Ａ変換器１６の出力側の次段にはオペアンプ１７が設けられる。当該オペアンプ１７はバッファ用演算増幅器である。オペアンプ１７の増幅率は１であり、オペアンプ１７は、Ｄ／Ａ変換器１６から出力された電圧信号をそのまま出力する。

オペアンプ１７の後段には、例えば６つの抵抗２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを用いてブリッジ回路状の接続構造を有する抵抗回路部２０が設けられる。抵抗回路部２０では、オペアンプ１７の出力端と接地部の間で直列に接続された２つの抵抗２１ａ，２１ｂにより分圧された電圧Ｖ１、同じく直列に接続された２つの抵抗２２ａ，２２ｂにより分圧された電圧Ｖ２、同じく直列に接続された２つの抵抗２３ａ，２３ｂにより分圧された電圧Ｖ３がそれぞれ出力される。３つの電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の大小関係は、例えばＶ１＜Ｖ２＜Ｖ３に設定される。また抵抗回路部２０の６つの抵抗２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂの各抵抗値は、このような電圧の大小関係が生じるように設定される。抵抗２１ａ，２１ｂで形成される枝路、抵抗２２ａ，２２ｂで形成された枝路、抵抗２３ａ，２３ｂで形成された枝路は並列な接続関係に形成されている。この実施形態では、枝路の数（ｎ）は一例として３であるが、これに限定されない。任意の枝路にして、任意の数の分圧電圧を作ることができる。

上記抵抗回路部２０で作られた分圧電圧は次段の第１マルチプレクサ３１に入力される。

第１マルチプレクサ３１は、ＣＰＵ１４が、使用すべきいずれかの電磁比例弁に対して指令信号ＳＩＧ１を出力したとき、ＣＰＵ１４から提供される切換え信号ＳＩＧ３１を受ける。ＣＰＵ１４から出力された指令信号ＳＩＧ１は、上記のＤ／Ａ変換器１６とオペアンプ１７と抵抗回路部２０を経由して所定の電圧信号に変換された後に、電圧信号として第１マルチプレクサ３１に入力される。第１マルチプレクサ３１は、抵抗回路部２０から入力される複数の電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を、使用する電磁比例弁に合わせて上記切換え信号ＳＩＧ３に基づいて選択し、出力する。第１マルチプレクサ３１から出力された電圧信号ＳＩＧ４は第２マルチプレクサ３２に入力される。

第２マルチプレクサ３２は、第１マルチプレクサ３１から出力される電圧信号ＳＩＧ４のいずれかを入力し、かつＣＰＵ１４から供給される切換え信号ＳＩＧ３２に基づいて、対応する電磁比例弁の各チャンネルにおけるコンデンサ３３−１，３３−ｎに対して充電を行う。第２マルチプレクサ３２によって選択された各チャンネルのコンデンサ３３−１，３３−ｎは、指令信号ＳＩＧ１に基づいて所定の電圧（ＳＩＧ４）を保持し、保持された電圧（ＳＩＧ４）はその後段のオペアンプ３４−１〜３４−ｎを通して出力される。

オペアンプ３４−１〜３４−ｎから出力される電圧信号ＳＩＧ５は、その後、積分回路３５−１〜３５−ｎに入力される。積分回路３５−１〜３５−ｎでは、オペアンプ３４−１〜３４−ｎから入力される電圧信号ＳＩＧ５と、電磁比例弁１０−１〜１０−ｎの抵抗３６−１〜３６−ｎを通して取り出されかつフィードバックされた電圧信号との差分（偏差）が積分され、この積分処理で生じた電圧信号ＳＩＧ６が出力される。積分回路３５−１〜３５−ｎでの積分演算で得られた電圧信号ＳＩＧ６はＰＷＭ変換回路３７−１〜３７−ｎに入力される。

ＰＷＭ変換回路３７−１〜３７−ｎにはさらにディザ波形発振回路３８からディザ波形信号ＳＩＧ７が入力されている。ＰＷＭ変換回路３７−１〜３７−ｎは、積分回路３５−１〜３５−ｎから供給される電圧信号ＳＩＧ６を、ディザ波形信号ＳＩＧ７に基づいてパルス信号ＳＩＧ８に変換し、このパルス信号ＳＩＧ８を出力信号として出力する。ＰＷＭ変換回路３７−１〜３７−ｎの出力信号ＳＩＧ８は、前述のスイッチングトランジスタ１２−１〜１２−ｎのゲートに入力され、当該スイッチングトランジスタ１２−１〜１２−ｎの動作をオン・オフさせる。これにより、スイッチングトランジスタ１２−１〜１２−ｎのソース・ドレイン間に流れる電流をほぼパルス状に変換する。スイッチングトランジスタ１２−１〜１２−ｎは、電磁比例弁１０−１〜１０−ｎに流す電流をオン・オフして、ＣＰＵ１４から出力される指令電圧ＳＩＧ１に見合った電流を電磁比例弁１０−１〜１０−ｎに供給する。スイッチングトランジスタ１２−１〜１２−ｎから供給されるほぼパルス状の電流Ｉ１〜Ｉｎは、電磁比例弁１０−１〜１０−ｎの入力端ａに流れ込み、その出力端ｂから流れ出す。電磁比例弁１０−１〜１０−ｎの出力端ｂから流れ出した電流は前述の抵抗３６−１〜３６−ｎを流れる。抵抗３６−１〜３６−ｎは、電磁比例弁１０−１〜１０−ｎを流れた電流を電圧に変換し、当該電圧信号を積分回路３５−１〜３５−ｎにフィードバックさせる。複数の電磁比例弁１０−１〜１０−ｎの各々にこのようなフィードバック回路を設けることにより、電磁比例弁１０−１〜１０−ｎにおいて指令信号ＳＩＧ１に対応する一定の駆動電流が流れるように制御が行われる。

上記の制御装置の電気回路の構成によれば、ＣＰＵ１４から出力される指令信号ＳＩＧ１を、上記抵抗回路部２０により分圧して得た複数の電圧信号Ｖ１〜Ｖ３（またはＶ１〜Ｖ_Ｎ）に変換し、第１マルチプレクサ３１によって電圧信号Ｖ１〜Ｖ３のいずれかを選択して取り出し、取り出した電圧信号に基づいて対応する所定の電磁比例弁１０−１〜１０−ｎに流れる電流Ｉ１〜Ｉｎを制御する。電圧Ｖ１を選択したときに流れる電流をＩ１、電圧Ｖ２を選択したときに流れる電流をＩ２、電圧Ｖ３を選択したときに流れる電流をＩ３とすると、電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の大小関係ではＩ１＜Ｉ２＜Ｉ３の関係が成り立つ。電磁比例弁１０−１〜１０−ｎの使用する種類に応じて電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を切り換えて、適用する建設機械にもっとも適した電磁比例弁の出力範囲、すなわち電磁比例弁に流れる電流の制御範囲を選択することができる。

上記のごとく、抵抗回路部２０での電圧分圧作用により作った複数の電圧Ｖ１〜Ｖ３を第１マルチプレクサ３１によって任意に選択できる構成とし、選択された電圧の値によって、動作制御しようとする電磁比例弁に流れる電流の範囲を容易に切り換えることができる。

上記の実施形態によれば、油圧システムの制御装置のＣＰＵ１４からの指令信号ＳＩＧ１を抵抗回路部２０によってそれぞれ値の異なる電圧に分圧しかつ第１マルチプレクサ３１によって切り換えて適宜に用いることができるようにしたため、コントローラ１３を換えず、または内部の定数要素を変更せずに、ソフトウェアを切り換えるだけで電磁比例弁の電流範囲を変更するだけで、各種の機種の建設機械に適応させることができる。

以上の実施形態で説明された構成等については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、油圧ショベル等の建設機械の油圧システムに適用され、複数の電磁比例弁の出力範囲の変更に利用される。

本発明の建設機械の電磁比例弁の制御装置の実施形態に係る電気回路の回路構成図である。電気回路各部の信号波形を示している。 図１に示した電気回路の回路各部の信号波形を示す波形チャートである。

符号の説明

１０−１〜１０−ｎ 電磁比例弁
１１ 電源
１２−１〜１２−ｎ スイッチングトランジスタ
１３ コントローラ
１４ ＣＰＵ
１５ メモリ
１６ Ｄ／Ａ変換器
２０ 抵抗回路部
３１ 第１マルチプレクサ
３２ 第２マルチプレクサ
３３−１〜３３−ｎ コンデンサ
３５−１〜３５−ｎ 積分回路
３７−１〜３７−ｎ ＰＷＭ変換回路
３８ ディザ波形回路

Claims (4)

1. 建設機械に装備された油圧システムの複数の電磁比例弁の各々の動作を制御して前記建設機械の動作を制御する制御装置において、
   前記電磁比例弁に流す電流を指令する指令信号を出力する演算処理手段と、
   前記指令信号を電圧信号に変換する変換手段と、
   前記電圧信号を分圧して複数の電圧信号を出力する抵抗回路部と、
   前記演算処理手段から与えられる選択指示信号に基づき、前記抵抗回路部から出力される前記複数の電圧信号のうちのいずれか１つの電圧信号を選択する選択手段と、
   前記選択手段で選択された前記電圧信号を、前記指令信号に対応する前記電磁比例弁のチャンネルに供給する切換手段と、
   前記切換手段から与えられる前記電圧信号を保持するコンデンサと、
   前記コンデンサに保持された前記電圧信号をパルス信号に変換する変換手段と、
   前記パルス信号に基づき前記電磁比例弁に流す前記電流を生成するスイッチング手段と、
   を備えることを特徴とする建設機械の電磁比例弁の制御装置。
2. 前記選択手段で選択される前記電圧信号は、前記演算処理手段で実行されるプログラムを変更することにより変更可能であることを特徴とする請求項１記載の建設機械の電磁比例弁の制御装置。
3. 前記電磁比例弁に流れる前記電流を電圧に変換する抵抗素子を備え、この抵抗素子で得た前記電圧を変換手段にフィードバックすることを特徴とする請求項１または２記載の建設機械の電磁比例弁の制御装置。
4. 前記コンデンサに保持される前記電圧信号と前記抵抗素子で得られた電圧との偏差を積分する積分手段を備えることを特徴とする請求項３記載の建設機械の電磁比例弁の制御装置。
   

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