JP2014015945A - 油圧回路の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各アクチュエータ毎のブリードオフ特性に応じて高い自由度で制御することができる可変容量ポンプの制御方法を提供する。
【解決手段】可変容量ポンプ２の現実の吐出量、現実の吐出圧及び各方向制御弁４の操作量を検出し、可変容量ポンプの吐出圧と吐出量との関係を定めた特性曲線に基づいて、可変容量ポンプの現実の吐出量から第１の仮想の吐出圧を決定し、可変容量ポンプの現実の吐出量をアクチュエータ１に必要なアクチュエータ流量とし、操作量に応じてクローズドセンター型方向制御弁４のブリードオフ面積を決定し、ブリードオフ面積に基づいてブリードオフ流量を決定し、可変容量ポンプの現実の吐出量から、アクチュエータ流量及びブリードオフ流量を減算することにより得られた値に基づいて、可変容量ポンプの第２の仮想の吐出圧を決定し、第１又は第２の仮想の吐出圧の何れかの小さい方の吐出圧に基づいて、可変容量ポンプを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブリードオフ油圧システムを利用している建設機械等の機械に適用される油圧回路の制御方法に関する。

本出願人は、油圧ショベルなどの建設機械の分野において使用される油圧回路について、エンジンで駆動され、且つ、外部からポンプ吐出量の調整可能な可変容量ポンプに、複数のクローズドセンター型方向制御弁に、それぞれアクチュエータを接続し、前記クローズドセンター型方向制御弁が、センターバイパス型の方向制御弁の代わりとなるように、電気的演算により前記可変容量ポンプを制御する方法を特許文献１及び２において提案している。

特許文献２に示される回路の動作について、図６及び図７を用いて簡単に説明すると、演算手段を備えたコントローラには、アクチュエータを操作するための操作量が入力される。コントローラでは、仮想ポンプの吐出量Q_idea、ポンプ吐出量推定値及び操作量をパラメータとして、クローズドセンター型方向制御弁のブリードオフ特性演算により、仮想ポンプ吐出圧指令P_ideaを算出し、閉ループ圧力制御演算によりポンプ吐出量指令Q_pcを、可変容量ポンプに伝える。可変容量ポンプでは、実際の吐出量Q_realが算出され、この吐出量Q_realと、アクチュエータ流量Q_aとの差が、実際のポンプ配管系の係数（1/Cp）に乗算され、更に積分されることにより、実際のポンプ吐出圧P_realが得られる。

上記コントローラにおける馬力演算は、仮想ポンプの吐出量Q_ideaを演算する際に、実際のポンプの吐出圧P_realに基づいて、仮想ポンプの吐出圧力と吐出流量の関係を定義した特性曲線に基づいて決定をしている。この特性曲線は、所定の圧力Ｐ１までは吐出流量を一定とし、圧力Ｐ１を超えると圧力と流量の積が一定となるような制御を通常行うようにしている。
しかしながら、圧力Ｐ１を超えた場合に、仮想ポンプの吐出量Q_ideaが減少するために、その後に続くブリードオフ演算の過程において、圧力ＰがＰ１以下とＰ１を超える場合とを分けて特性演算を行う必要がある。また、Ｐ１を超える領域においては、実際のポンプの吐出量Q_realが小さい場合に、アクチュエータの負荷が小さいにもかかわらず、実際のポンプの吐出圧P_realに基づいて馬力の演算が行われるために、定格の馬力に達したとして実際のポンプの吐出量Q_realを下げるような演算結果が得られることになり、有効にポンプの馬力を活用することができなかった。

特許第３４７１６３６号公報 特許第３７４５０３８号公報

そこで、本発明は、各アクチュエータ毎のブリードオフ特性をポンプの馬力特性の演算に影響されることなく、方向制御弁のブリードオフ特性を決定することができ、しかも、ポンプの馬力を有効に活用することができる油圧回路の制御方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決すべく、下記の通り解決手段を見いだした。
即ち、本発明の油圧回路の制御方法は、請求項１に記載の通り、エンジンで駆動され、且つ、外部からポンプ吐出量の調整可能な可変容量ポンプに、複数のクローズドセンター型方向制御弁を介してアクチュエータを接続した油圧回路において、前記クローズドセンター型方向制御弁が、センターバイパス型の方向制御弁の代わりとなるように、前記可変容量ポンプを制御する油圧回路の制御方法であって、前記可変容量ポンプの現実の吐出量、現実の吐出圧及び前記各方向制御弁の操作量を検出し、前記可変容量ポンプの吐出圧と吐出量との関係を定めた特性曲線に基づいて、前記可変容量ポンプの現実の吐出量から第１の仮想の吐出圧を決定し、前記可変容量ポンプの現実の吐出量を前記アクチュエータに必要なアクチュエータ流量とし、前記操作量に応じてクローズドセンター型方向制御弁のブリードオフ面積を決定し、前記ブリードオフ面積に基づいてブリードオフ流量を決定し、前記可変容量ポンプの現実の吐出量から、前記アクチュエータ流量及び前記ブリードオフ流量を減算することにより得られた値に基づいて、前記可変容量ポンプの第２の仮想の吐出圧を決定し、前記第１又は第２の仮想の吐出圧の何れかの小さい方の吐出圧に基づいて、前記可変容量ポンプを制御することを特徴とする。
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の油圧回路の制御方法において、前記エンジンに、前記可変容量ポンプを複数台接続し、前記可変容量ポンプのそれぞれに、複数の前記クローズドセンター型方向制御弁を介して前記アクチュエータを接続し、前記アクチュエータ毎の前記操作量に応じて、前記エンジンの前記各可変容量ポンプへ分配される馬力の比率を決定し、前記分配された各馬力と前記可変容量ポンプの現実の吐出量から第１の仮想の吐出圧を決定することを特徴とする請求項１に記載の油圧回路の制御方法。
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の油圧回路の制御方法において、前記特性曲線は、所定の吐出圧の領域までは一定の吐出量とし、前記所定圧を超える領域は、吐出圧と吐出流量との積が一定となるものであることを特徴とする。
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１に記載の油圧回路の制御方法において、前記第１の仮想の吐出圧は、前記各アクチュエータ毎に必要な前記可変容量ポンプの吐出圧の合計として算出され、前記各アクチュエータに分配される前記可変容量ポンプの馬力を予め定め、前記各アクチュエータ毎に、前記分配された馬力から、前記各アクチュエータへの現実の吐出量と、前記第１又は第２の仮想の吐出圧の何れか小さい方の吐出圧とを積算して得られた値を減算して、前記各アクチュエータ毎の余剰の馬力を算出し、
１つの前記アクチュエータの馬力を、該アクチュエータに分配された馬力に、残りのアクチュエータの前記余剰の馬力の合計を加算した値とすることを特徴とする。
また、請求項５に記載の本発明は、請求項１に記載の油圧回路の制御方法において、前記第１の仮想の吐出圧を、前記各方向制御弁の操作量に応じて可変とすることを特徴とする。

以上のように本発明によるときは、ブリードオフ流量を演算する際に、仮想のポンプ吐出量を使用するため、ブリードオフ流量の制御が、実際のポンプの馬力演算に影響されることがない。また、馬力演算領域にある場合でも、実際のポンプの吐出量が小さく、アクチュエータの実際の負荷が小さい時でも、有効にポンプの馬力を活用することができる。

本発明の一実施の形態の可変容量ポンプの制御方法を説明するための油圧回路図 図１の制御を説明するためのブロック図 図２の点線Ａで囲まれた部分の説明図 本発明の他の実施の形態を説明するためのブロック図 本発明の他の実施の形態を説明するためのブロック図 従来のブリードオフ特性演算を説明するためのブロック図 従来のブリードオフ特性演算を説明するためのブロック図

本発明の一実施の形態を図１及び図２に基づき説明する。
図１は、複数の油圧アクチュエータ１、１の作動を制御する油圧ショベル等に適用される油圧回路を示し、これらのアクチュエータ１は駆動モータＰＭにより駆動される可変容量ポンプ２の吐出回路３にクローズドセンターのクローズドセンター型方向制御弁４、４を介して接続されている。
尚、可変容量ポンプ２は斜板等のポンプ容量制御機構を備えたアキシャルピストンポンプ等の公知のものである。

ポンプ圧力制御装置６の入力側には、指令入力としてのソレノイド駆動アンプ５の出力とフィードバック入力としてのポンプ２の吐出側圧力が接続され、ポンプ圧力制御装置６の出力側には、コントロールピストン７が接続される。
ポンプ圧力制御装置６は、コントロールバルブ６ｂと、ネガティブ型電磁比例弁６ｃとを備え、コントロールバルブ６ｂのスプールの両端にはポンプ２の実ポンプ吐出圧P_realと、バネ６ｄの弾性力と、ネガティブ型電磁比例弁６ｃにより制御される圧力信号P^’cがかかるが、スプールの両端には適当なる面積差が与えられており、コントロールバルブ６ｂは然るべく、それらのバランスにより制御されている。
ネガティブ型電磁比例弁６ｃは、バネとこれに対向する入力側の圧力信号P^’c、及びコントローラ１２において、信号P'_idea基いて入力される制御電流に比例して可変される比例ソレノイド６ａが発生する力とのバランスで制御される。
尚、本実施の形態では、図２にブロック図を示すようにブリードオフ特性演算から得られた仮想ポンプ吐出圧指令P_ideaは、ネガティブ型の制御をするために、ポンプの最大吐出圧から減算して反転させた信号P'_ideaとしてネガティブ型電磁比例弁の比例ソレノイド６ｃに伝達するようにしている。
上記構成により、仮想ポンプ吐出圧指令P_ideaは、ネガティブ型に反転された後、ソレノイド駆動アンプ５介してポンプ圧力制御装置６の比例ソレノイド６ａを励磁し、ネガティブ型電磁比例弁を介してその励磁の大きさに反比例して（従って、仮想ポンプ吐出圧指令P_ideaに比例的に）コントロールバルブ６ｂを操作し、その結果、コントロールピストン７がポンプ容量制御機構を動かし、ポンプ容量、即ち、ポンプ吐出量を大小に制御する。
尚、本明細書において、「ネガティブ型」とは、入力値に対して出力値が漸次減少するものをいう。

説明した例では、ネガティブ型の電磁比例弁６ｃとして、比例リリーフ弁を使用したが、ポンプの吐出圧からの減算を省略することにより、電磁比例減圧弁を使用することもできる。尚、本発明において、ネガティブ型傾転駆動系とは、信号が得られない時に最大圧等の所定でポンプを可動することができ、信号が入力されると出力値が漸次減少するものをいう。

前記クローズドセンター型方向制御弁４は、スプールを移動させる比例ソレノイド８を備えたもので、電気ジョイスティック９により、コントローラ１２を介してソレノイド駆動アンプ１３を作動させると、電気ジョイスティック９の傾角に応じて比例ソレノイド８が励磁され、所望の位置にクローズドセンター型方向制御弁４のスプールが移動し、アクチュエータポート１０、１０をその移動距離に応じた開口面積Ac1、Ac2に制御する。

各クローズドセンター型方向制御弁４を操作するための操作レバーの傾角などの指令量又は各クローズドセンター型方向制御弁４のスプールの移動量は、センサーで電気的に検出され、その指令量又は移動量を各クローズドセンター型方向制御弁４の操作量に基づく操作量信号Sとし、図１の例では、電気ジョイスティック９から、コントローラ１２を介して、ソレノイド駆動アンプ１３への指令電気信号を操作量信号として使用するようにした。

アクチュエータ流量Q_aは、クローズドセンター型方向制御弁４が実際にはブリードオフ流路のないオールポートクローズドのバルブであるから、回路上のわずかな漏れを無視すれば、可変容量ポンプ２の実吐出量Q_realをアクチュエータ流量Q_aと代替することができる。
このアクチュエータ流量Q_aを、本実施の形態では、可変容量ポンプ２に、吐出量検出センサ１１を設け、吐出量検出センサ１１で検出した傾転量にポンプ２の回転数を乗ずることにより、前記アクチュエータ流量Q_aを算出するようにしている。
尚、前記吐出量検出センサとしては、例えば、可変容量ポンプ２が斜板式可変容量ポンプやラジアルポンプである場合には、ポテンショメータ等を使用することができる。

これら電気信号は、Ａ／Ｄ変換器１２ａ、演算器１２ｂ、Ｄ／Ａ変換器１２ｃで構成されたコントローラ１２に於いて演算され、演算器１２ｂは、図２のブロック線図に示す演算を自動制御的に実行する。

コントローラ１２に於いては、本実施の形態においては、可変容量ポンプ２の最大吐出圧と、可変容量ポンプ２の吐出圧と吐出流量との関係を規定した特性曲線から求められた第１の仮想吐出圧と、操作量に基づいて求められた第２の仮想吐出圧との何れかを比較して得られた最小値に基づいて、可変容量ポンプ２を制御している。尚、可変容量ポンプ２の最大吐出圧を比較対象としたのは、可変容量ポンプ２の最大吐出圧以上の吐出圧が、可変容量ポンプ２の吐出圧として指示されないようにするためのものであり、この最大吐出圧は、本発明を実施する限りにおいては必ずしも必要なものではない。
上記可変容量ポンプ２の現実の吐出量は、図示されるように特性曲線により、第１の仮想の吐出圧に変換される。尚、特性曲線は、所定の圧力Ｐ１までは、吐出圧に対して一定の吐出量となるようにし、Ｐ１を超えた領域において、吐出圧と吐出量の積が一定となるものとすることが好ましい。
一方、可変容量ポンプ２の吐出量を、前記特性曲線とは別のプロセスから、図２の点線Ａ内で示される処理により、第２の仮想吐出圧が得られる。

尚、上記した図２の点線Ａ内の処理を図３を参照して以下に説明する。
まず、図３に示すように、複数のクローズドセンター型方向制御弁４の操作量S_kの入力を受け付け、それらの総和S₁+S₂+・・・S_nをとり、その合計の操作量信号Sとする。この際、個々の入力に重み付けを行ったり、適当な計算処理も行っても良い。次いで操作量信号Sより予定のブリードオフ特性に相当するクローズドセンター型方向制御弁のブリードオフ流路の開口面積Abを求めると共にこれにKq（流量係数）を乗じてブリードオフ特性値Xbを求める。勿論、実際のクローズドセンター型方向制御弁４はブリードオフ流路のないクローズドセンターのものであり、この開口面積Abは演算上の値である。ブリードオフ特性は、開口面積Abと操作量Sとの関係を予め決定しておくことにより定められる。

また、可変容量ポンプ２の仮想吐出量Q_ideaは、所定値に定められる。
この際、可変容量ポンプ２の最大吐出量は既知数であるので、この値を使用することもできる。

アクチュエータ流量は、前記のように、例えば、実ポンプ吐出量Q_realから流量信号として入力されるから、仮想ポンプ吐出量Q_ideaから実ポンプ吐出量Q_realを減算して求めた流量値Xaはブリードオフ流量に相当する。このXaをXbで除し、その値をｎ乗（ｎは３以上の整数）する演算を行い、仮想ポンプ吐出圧指令P_ideaを算出する。そして、この仮想ポンプ吐出圧指令P_ideaに基づき、吐出圧をクローズドループ制御する。即ち、ソレノイド駆動アンプ５は仮想ポンプ吐出圧指令P_ideaに基づく制御信号を受けて電磁比例弁６ａの励磁を強弱し、仮想ポンプ吐出圧P_ideaと実ポンプ吐出圧P_realとのつき合わせ減算をネガティブ型電磁比例弁６ｃとコントロールバルブ６ｂとで行って、コントロールピストン７がポンプ吐出量をコントロールバルブ６ｂの指令に従って制御する。

電気ジョイスティック９が操作されていないときは、クローズドセンター型方向制御弁４は中立位置にあり、コントローラ１２には操作量信号Sとしてゼロが入力される。この場合、コントローラ１２で計算されるブリードオフ流路の開口面積は最大になるから、仮想ポンプ吐出圧P_ideaは小さな値になる。仮想ポンプ吐出圧P_ideaに基づきポンプ２は吐出を行なうが、ポンプ配管系の吐出回路の実ポンプ吐出圧P_realを仮想ポンプ吐出圧P_ideaにまで圧縮し、昇圧させたのちは、実際のポンプ吐出量は回路のわずかな漏れ分しか必要とせず、アクチュエータ速度、即ち、アクチュエータ流量は殆どゼロと入力され、このときXa＝Q_maxで仮想ポンプ吐出圧P_idea＝(Q_max/(Kq×Ab))ⁿとなっている。

電気ジョイスティック９が操作されてクローズドセンター型方向制御弁４が切換位置方向に操作されると、コントローラ１２で計算されるブリードオフ流路の開口面積は小さくなり、仮想ポンプ吐出圧P_ideaは、一旦、ポンプ吐出量の全量が面積の狭い絞られたブリードオフ流路からタンクへ戻るときの値に設定される。ポンプ吐出圧は、クローズドループ制御されているから実ポンプ吐出圧P_realは仮想ポンプ吐出圧P_ideaの値に略等しくなる。もし、実ポンプ吐出圧P_realが負荷圧よりも高ければ、アクチュエータ１を加速し、油が流れ始めるので、実ポンプ吐出圧P_realを仮想ポンプ吐出圧P_ideaに保持すべくポンプ吐出量が増大し、アクチュエータ速度が増すため、ブリードオフ流量は小さくなり、そのため、仮想ポンプ吐出圧P_ideaひいては実ポンプ吐出圧P_realが下がってアクチュエータの加速度が低下し、徐々に操作量に見合ったアクチュエータ速度を維持するポンプ吐出量、吐出圧に収束し、平衡する。この間、ブリードオフ動作は、コントローラ内で計算のみでなされ、実ポンプ吐出量Q_realは、回路上の漏れを無視すれば、アクチュエータ１に供給された分に限られる。従って、ブリードオフ流量が流れないからエネルギーの無駄がなく、クローズドセンター型方向制御弁にブリードオフ流路が不要であるからその構成も簡単で安価になり、操作性も良くなる。

次に、図４を使用して、本発明の他の実施の形態について説明する。
図４は、図２のブロック図中における馬力演算の変形例を示したものである。
図示したものでは、可変容量ポンプ２に接続されるアクチュエータ１の数を２個とし、各アクチュエータ１に、予め可変容量ポンプ２の馬力を０．５ずつの比率で配分するようにしている。そして、第１の仮想の吐出圧は、各アクチュエータ１毎に必要な可変容量ポンプ２の吐出圧の合計として算出されるようにしている。
各アクチュエータ１には、それぞれ、分配された馬力から、各アクチュエータ１への現実の吐出量と、第１又は第２の仮想の吐出圧の何れか小さい方の吐出圧とを積算して得られた値を減算して、各アクチュエータ１毎の余剰の馬力を算出する。
そして、１つのアクチュエータ１の馬力を、該アクチュエータ１に分配された馬力に、残りのアクチュエータの余剰の馬力の合計を加算した値としている。
この構成によれば、各アクチュエータに分配された馬力の余剰分を、有効に活用することができる。

次に、図５のブロック線図を使用して、本発明の他の実施の形態について説明する。
本実施の形態では、図１と同じ油圧回路の構成で、コントローラ１２における演算を、図５に示すブロック図にしたがって行うものである。
図示されるものでは、複数のクローズドセンター型方向制御弁４の操作量S1,S2,・・・,Sk,・・・,Snの入力を受け付ける。それらについて、予定のブリードオフ特性に相当するクローズドセンター型方向制御弁のブリードオフ流路の開口面積Abを下記式により求める。尚、式中Abkは、Skに対応する。

上記構成により可変容量ポンプの制御を行えば、個別のアクチュエータの要求特性に合わせた操作性を得ることができる。

また、第１の仮想の吐出圧を、各方向制御弁の操作量に応じて可変とする（例えば、ポンプのフローレートを操作量に応じて二次関数的に増大させる）ようにすれば、単独操作の解くはメータイン絞り部での抵抗を減少させ、エネルギー損失を回避し、複合操作時はメータインでの分流制御効果を高め、負荷の異なるアクチュエータの複合操作が可能となる。

１ アクチュエータ
２ 可変容量ポンプ
３ 吐出回路
４ クローズドセンター型方向制御弁
７ コントロールピストン
１１ 吐出量検出センサ
１２ コントローラ

Claims (5)

1. エンジンで駆動され、且つ、外部からポンプ吐出量の調整可能な可変容量ポンプに、複数のクローズドセンター型方向制御弁を介してアクチュエータを接続した油圧回路において、前記クローズドセンター型方向制御弁が、センターバイパス型の方向制御弁の代わりとなるように、前記可変容量ポンプを制御する油圧回路の制御方法であって、
   前記可変容量ポンプの現実の吐出量、現実の吐出圧及び前記各方向制御弁の操作量を検出し、
   前記可変容量ポンプの吐出圧と吐出量との関係を定めた特性曲線に基づいて、前記可変容量ポンプの現実の吐出量から第１の仮想の吐出圧を決定し、
   前記可変容量ポンプの現実の吐出量を前記アクチュエータに必要なアクチュエータ流量とし、
   前記操作量に応じてクローズドセンター型方向制御弁のブリードオフ面積を決定し、
   前記ブリードオフ面積に基づいてブリードオフ流量を決定し、
   前記可変容量ポンプの現実の吐出量から、前記アクチュエータ流量及び前記ブリードオフ流量を減算することにより得られた値に基づいて、前記可変容量ポンプの第２の仮想の吐出圧を決定し、
   前記第１又は第２の仮想の吐出圧の何れかの小さい方の吐出圧に基づいて、前記可変容量ポンプを制御することを特徴とする油圧回路の制御方法。
2. 前記エンジンに、前記可変容量ポンプを複数台接続し、前記可変容量ポンプのそれぞれに、複数の前記クローズドセンター型方向制御弁を介して前記アクチュエータを接続し、
   前記アクチュエータ毎の前記操作量に応じて、前記エンジンの前記各可変容量ポンプへ分配される馬力の比率を決定し、
   前記分配された各馬力と前記可変容量ポンプの現実の吐出量から第１の仮想の吐出圧を決定することを特徴とする請求項１に記載の油圧回路の制御方法。
3. 前記特性曲線は、所定の吐出圧の領域までは一定の吐出量とし、前記所定圧を超える領域は、吐出圧と吐出流量との積が一定となるものであることを特徴とする請求項１に記載の油圧回路の制御方法。
4. 前記第１の仮想の吐出圧は、前記各アクチュエータ毎に必要な前記可変容量ポンプの吐出圧の合計として算出され、
   前記各アクチュエータに分配される前記可変容量ポンプの馬力を予め定め、
   前記各アクチュエータ毎に、前記分配された馬力から、前記各アクチュエータへの現実の吐出量と、前記第１又は第２の仮想の吐出圧の何れか小さい方の吐出圧とを積算して得られた値を減算して、前記各アクチュエータ毎の余剰の馬力を算出し、
   １つの前記アクチュエータの馬力を、該アクチュエータに分配された馬力に、残りのアクチュエータの前記余剰の馬力の合計を加算した値とすることを特徴とする請求項１に記載の油圧回路の制御方法。
5. 前記第１の仮想の吐出圧を、前記各方向制御弁の操作量に応じて可変とすることを特徴とする請求項１に記載の油圧回路の制御方法。

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