JP2014222006A - 建設機械用油圧システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気的ネガコン制御の安定性を高めることができる建設機械用油圧システムを提供すること。【解決手段】ネガコン絞り２０Ｌで発生するネガコン圧に応じて油圧ポンプ１０Ｌの吐出量を制御する建設機械用油圧システム１００は、ネガコン圧を検出してネガコン圧信号を出力するネガコン圧センサＳ１と、油圧ポンプ１０Ｌの吐出量を制御するポンプレギュレータ４０Ｌと、ポンプレギュレータ４０Ｌを駆動する制御圧を生成する電磁弁５５Ｌと、ネガコン圧信号を受けて電磁弁５５Ｌに対する電流指令を出力するコントローラ５４とを備える。コントローラ５４は、吐出量、制御圧、及び電流指令に関する３つのフィードバックループを形成する。【選択図】図８

Description

本発明は、建設機械に搭載されるネガティブコントロール（以下、「ネガコン」とする。）方式の油圧システムに関する。

従来、ネガコン圧センサが検出したネガコン圧に応じて電磁比例減圧弁及びポンプレギュレータを駆動して油圧ポンプの吐出量を制御するコントローラが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−３１１２０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるような、ネガコン圧センサを用いて検出した電気的なネガコン圧信号に応じた油圧ポンプの吐出量制御（以下、「電気的ネガコン制御」とする。）は、ハンチングを発生させるおそれがある。ネガコン圧を圧力のまま利用することによる油圧ポンプの吐出量制御（以下、「油圧的ネガコン制御」とする。）と異なり、コントローラ、電磁比例減圧弁等が制御に介入するので、油圧的ネガコン制御の場合に比べ応答性が低下するためである。

上述の点に鑑み、本発明は、電気的ネガコン制御の安定性を高めることができる建設機械用油圧システムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係る建設機械用油圧システムは、ネガコン絞りで発生するネガコン圧に応じて油圧ポンプの吐出量を制御する建設機械用油圧システムであって、ネガコン圧を検出してネガコン圧信号を出力するネガコン圧センサと、前記油圧ポンプの吐出量を制御するポンプレギュレータと、前記ポンプレギュレータを駆動する制御圧を生成する電磁弁と、前記ネガコン圧信号を受けて前記電磁弁に対する電気信号を出力するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記吐出量、前記制御圧、及び前記電気信号のうちの少なくとも１つに関するフィードバックループを形成する。

上述の手段により、本発明は、電気的ネガコン制御の安定性を高めることができる建設機械用油圧システムを提供することができる。

本発明の実施例に係る建設機械用油圧システムを搭載するショベルの構成例を示す図である。 本発明の実施例に係る建設機械用油圧システムの回路図である。 油圧アクチュエータ速度制御の流れを示すブロック線図である。 ブリードラインと油圧アクチュエータラインの違いを示す図である。 ネガコン制御の流れを示すブロック線図である。 図５のネガコン制御における伝達関数の周波数特性を示すボード線図である。 電気的ネガコン制御を構成する各要素の入力と出力の関係を示す図である。 コントローラの動作の流れを示すブロック線図である。 ネガコン制御における伝達関数の周波数特性のシミュレーション結果を示すボード線図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例に係る建設機械用油圧システムが搭載されるショベルの構成例を示す図である。図１において、建設機械としてのショベル１は、クローラ式の下部走行体２の上に、旋回機構を介して、上部旋回体３をＸ軸周りに旋回自在に搭載している。

また、上部旋回体３は、前方中央部に掘削アタッチメントを備える。掘削アタッチメントは、ブーム４、アーム５、及びバケット６を含み、且つ、油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９を含む。

図２は、本発明の実施例に係る建設機械用油圧システムの回路図である。建設機械用油圧システム１００は、エンジン、電動モータ等の駆動源によって駆動される油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒ（以下では、集合的に「油圧ポンプ１０」と称する場合もある。左右一対で構成される他の構成要素についても同様である。）を有する。油圧ポンプ１０Ｌは、一回転当たりの吐出量（ｃｃ／ｒｅｖ）を可変とする可変容量型ポンプである。また、油圧ポンプ１０Ｌは、流量制御弁１１Ｌ、１２Ｌ、１３Ｌ、及び１５Ｌを連通するセンターバイパス管路３０Ｌを経て作動油タンク２２まで作動油を循環させる。同様に、油圧ポンプ１０Ｒは、流量制御弁１２Ｒ、１３Ｒ、１４Ｒ、及び１５Ｒを連通するセンターバイパス管路３０Ｒを経て作動油タンク２２まで作動油を循環させる。

流量制御弁１１Ｌは、油圧ポンプ１０Ｌが吐出する作動油を走行用油圧モータ４２Ｌに供給するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。

流量制御弁１２Ｌは、油圧ポンプ１０Ｌが吐出する作動油を旋回用油圧モータ４４に供給するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。流量制御弁１２Ｒは、油圧ポンプ１０Ｒが吐出する作動油を走行用油圧モータ４２Ｒに供給するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。

流量制御弁１３Ｌ、１３Ｒはそれぞれ、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油をブームシリンダ７へ供給し、また、ブームシリンダ７内の作動油を作動油タンク２２へ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。流量制御弁１３Ｒは、操作装置としてのブーム操作レバーが操作された場合に、油圧ポンプ１０Ｒが吐出する作動油をブームシリンダ７に供給するスプール弁である。また、流量制御弁１３Ｌは、ブーム操作レバーが所定のレバー操作量以上で操作された場合に、油圧ポンプ１０Ｌが吐出する作動油を追加的にブームシリンダ７に供給するスプール弁である。

流量制御弁１４Ｒは、油圧ポンプ１０Ｒが吐出する作動油をバケットシリンダ９へ供給し、また、バケットシリンダ９内の作動油を作動油タンク２２へ排出するためのスプール弁である。

また、流量制御弁１５Ｌ、１５Ｒはそれぞれ、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油をアームシリンダ８へ供給し、また、アームシリンダ８内の作動油を作動油タンク２２へ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。流量制御弁１５Ｌは、操作装置としてのアーム操作レバーが操作された場合に、油圧ポンプ１０Ｌが吐出する作動油をアームシリンダ８に供給するスプール弁である。また、流量制御弁１５Ｒは、アーム操作レバーが所定のレバー操作量以上で操作された場合に、油圧ポンプ１０Ｒが吐出する作動油を追加的にアームシリンダ８に供給するスプール弁である。

センターバイパス管路３０Ｌ、３０Ｒは、それぞれ、最も下流にある流量制御弁１５Ｌ、１５Ｒと作動油タンク２２との間にネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒを備える。ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒは、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油の流れを制限することにより、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流でネガコン圧を発生させる。

圧力センサＳ１、Ｓ２は、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生したネガコン圧を検出し、検出した値を電気的なネガコン圧信号としてコントローラ５４に対して出力する。圧力センサＳ３、Ｓ４は、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出圧を検出し、検出した値を電気的な吐出圧信号としてコントローラ５４に対して出力する。

コントローラ５４は、油圧システム１００を制御する機能要素であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＮＶＲＡＭ（Non Volatile ＲＡＭ）等を備えたコンピュータである。

本実施例では、コントローラ５４は、アーム操作レバー、ブーム操作レバー等の各種操作装置を操作した場合に発生するパイロット圧を測定するレバー操作量検出部としてのパイロット圧センサの出力に基づいて各種操作装置のレバー操作量を電気的に検出する。但し、レバー操作量検出部は、各種操作レバーの傾きを検出する傾きセンサ等、パイロット圧センサ以外のセンサを用いて構成されてもよい。

そして、コントローラ５４は、各種操作装置のレバー操作量に応じて電磁弁５５等を動作させる各種機能要素に対応するプログラムをＲＯＭに記憶しながら、各種機能要素に対応する処理をＣＰＵに実行させる。

電磁弁５５Ｌ、５５Ｒは、コントローラ５４が出力する指令に応じて動作する弁である。本実施例では、電磁弁５５Ｌ、５５Ｒは、コントローラ５４が出力する電流指令に応じてコントロールポンプ５２からネガコン制御部６１Ｌ、６１Ｒの受圧室６１２Ｌ、６１２Ｒに導入される制御圧を調整する電磁減圧弁である。

ポンプレギュレータ４０Ｌは、油圧ポンプ１０Ｌの吐出量を制御する駆動機構であり、主に、傾転アクチュエータ４１Ｌ、スプール弁機構６０Ｌ、ネガコン制御部６１Ｌ、及び、フィードバックレバー６２Ｌを含む。

傾転アクチュエータ４１Ｌは、油圧ポンプ１０Ｌのポンプ容量を変化させるための斜板（ヨーク）を傾転駆動する機能要素である。具体的には、傾転アクチュエータ４１Ｌは、一端に大径受圧部ＰＲ１を有すると共に他端に小径受圧部ＰＲ２を有する作動ピストン４１０Ｌと、大径受圧部ＰＲ１に対応する受圧室４１１Ｌと、小径受圧部ＰＲ２に対応する受圧室４１２Ｌとを含む。受圧室４１１Ｌにはスプール弁６００Ｌを介して油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧が導入され、或いは、受圧室４１１Ｌからスプール弁６００Ｌを介して作動油が排出される。また、受圧室４１２Ｌには油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧が導入される。作動ピストン４１０Ｌは、受圧室４１１Ｌに作動油が導入されて受圧室４１２Ｌ側に変位すると油圧ポンプ１０Ｌの斜板（ヨーク）を小流量側に傾転駆動する。また、作動ピストン４１０Ｌは、受圧室４１１Ｌから作動油が排出されて受圧室４１１Ｌ側に変位すると油圧ポンプ１０Ｌの斜板（ヨーク）を大流量側に傾転駆動する。

スプール弁機構６０Ｌは、傾転アクチュエータ４１Ｌに作動油の給排を行うための機能要素であり、スプール弁６００Ｌ及びばね６０１Ｌを含む。スプール弁６００Ｌは、油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧が導入される第一ポート、作動油タンク２２に連通する第二ポート、及び受圧室４１１Ｌに連通する出力ポートを有する。また、スプール弁６００Ｌは、第一ポートと出力ポートとを連通する第一位置、第二ポートと出力ポートとを連通する第二位置、又は第一ポート及び第二ポートの何れをも出力ポートに連通しない中立位置に選択的に切り換えられる。ばね６０１Ｌは、スプール弁６００Ｌを第二位置に変位させる方向に作用する力を付与する。

ネガコン制御部６１Ｌは、ネガコン制御時にスプール弁６００Ｌを変位させるための機能要素である。具体的には、ネガコン制御部６１Ｌは、サーボピストン６１０Ｌ、ばね６１１Ｌ、及び受圧室６１２Ｌを含む。サーボピストン６１０Ｌは、電磁弁５５Ｌが生成する制御圧に応じて、スプール弁６００Ｌを第一位置に変位させる方向に移動する。ばね６１１Ｌは、電磁弁５５Ｌが生成する制御圧に抗して、サーボピストン６１０Ｌを復帰させる方向に作用する力を付与する。受圧室６１２Ｌは、サーボピストン６１０Ｌに設けられた受圧部ＰＲ３に対応し、コントロールポンプ５２から電磁弁５５Ｌを通じて作動油が導入される。

フィードバックレバー６２Ｌは、傾転アクチュエータ４１Ｌの変位をスプール弁６００Ｌにフィードバックするためのリンク機構である。具体的には、フィードバックレバー６２Ｌは、作動ピストン４１０Ｌが移動したときにその移動量を物理的にスプール弁６００Ｌにフィードバックしてスプール弁６００Ｌを中立位置に復帰させるようにする。

なお、上述の説明は、ポンプレギュレータ４０Ｌに関するものであるが、ポンプレギュレータ４０Ｒに対しても同様に適用される。

以上の構成により、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、ネガコン制御部６１Ｌ、６１Ｒに導入される制御圧が大きいほど油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を減少させる。また、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、ネガコン制御部６１Ｌ、６１Ｒに導入される制御圧が小さいほど油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を増大させる。

なお、図２は、ショベル１における油圧アクチュエータが何れも利用されていない状態を示す。以下、この状態を「待機モード」と称する。待機モードでは、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油は、センターバイパス管路３０Ｌ、３０Ｒを通ってネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒに至り、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生するネガコン圧を増大させる。

その結果、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、ネガコン圧信号に基づいてコントローラ５４が生成する指令に応じて、スプール弁６００Ｌ、６００Ｒを第一位置に変位させる。スプール弁６００Ｌ、６００Ｒは、傾転アクチュエータ４１Ｌ、４１Ｒを駆動して、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を減少させる。その結果、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油がセンターバイパス管路３０Ｌ、３０Ｒを通過する際の圧力損失（ポンピングロス）が抑制される。

一方、ショベル１における何れかの油圧アクチュエータが操作された場合、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油は、その油圧アクチュエータに対応する流量制御弁を介してその油圧アクチュエータに流れ込む。そのため、ネガティブコントロール絞り２０Ｌ、２０Ｒに至る量は減少或いは消滅し、ネガティブコントロール絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生するネガコン圧は低下する。

その結果、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を増大させ、各油圧アクチュエータに十分な作動油を循環させ、各アクチュエータの駆動を確かなものとする。

上述のような構成により、油圧システム１００は、待機モードにおいては、無駄なエネルギー消費を抑制できる。油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出する作動油がセンターバイパス管路３０Ｌ、３０Ｒで発生させるポンピングロスを抑制できるためである。また、油圧システム１００は、各種油圧アクチュエータを作動させる場合には、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒから必要十分な作動油を各種油圧アクチュエータに供給できる。

なお、図２は、図の明瞭化のため、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吸収馬力が駆動源の出力馬力を超えることがないよう油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を吐出圧に応じて制御する全馬力制御に関する構成を省略している。

次に、図３を参照しながら、ネガコン圧（Ｐｎ）に応じて油圧アクチュエータの動作速度（ｖ）が決まるまでの制御（以下、「油圧アクチュエータ速度制御」とする。）の流れについて説明する。なお、図３は、油圧アクチュエータ速度制御の流れを示すブロック線図であり、図中の破線で囲まれた部分がネガコン制御に関する部分を表す。また、図３の油圧アクチュエータ速度制御は、センターバイパス管路３０Ｌ上のネガコン絞り２０Ｌで発生するネガコン圧に関するものであるが、センターバイパス管路３０Ｒ上のネガコン絞り２０Ｒで発生するネガコン圧についても同様に適用される。

最初に、ネガコン圧センサＳ１で検出されたネガコン圧（Ｐｎ）を表す電気信号としてのネガコン圧信号は、コントローラ５４に入力される。コントローラ５４は、電磁弁５５Ｌに対する電流指令（Ｉｓ）をネガコン圧（Ｐｎ）に基づいて決定する。電磁弁５５Ｌは、電流指令（Ｉｓ）に応じた制御圧（Ｐｓ）をネガコン制御部６１Ｌの受圧室６１２Ｌで発生させる。なお、図３では、電流指令（Ｉｓ）の決定に関するブロックが省略されている。

その後、ネガコン制御部６１Ｌは、スプール弁機構６０Ｌ及び傾転アクチュエータ４１Ｌを介して油圧ポンプ１０Ｌの吐出量（Ｑｄ）を制御圧（Ｐｓ）に応じた量に調整する。図３は、制御圧（Ｐｓ）が１次遅れを表す演算要素Ｅ１を介して油圧ポンプ１０Ｌの吐出量（Ｑｄ）に変換される様子を表す。

その後、油圧ポンプ１０Ｌの吐出量（Ｑｄ）の変化は、センターバイパス管路３０Ｌ内の作動油の体積変化に起因する圧力を生じさせる。図３は、油圧ポンプ１０Ｌの吐出量（Ｑｄ）が圧縮ボリュームを表す演算要素Ｅ２を介して吐出圧（Ｐｄ）に変換される様子を表す。なお、演算要素Ｅ２において、Ｋ、Ｖ、ｓはそれぞれ、体積弾性率、体積、ラプラス演算子を表す。

その後、ポンプ１０Ｌが吐出する吐出圧（Ｐｄ）を有する作動油は、操作対象の油圧アクチュエータに対応する流量制御弁のＰ−Ｔ絞りを通る。図３は、油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧（Ｐｄ）からネガコン圧（Ｐｎ'）を差し引いた圧力が流量制御弁のＰ−Ｔ絞りを表す演算要素Ｅ３を介してブリード流量（Ｑｂ）に変換される様子を表す。なお、演算要素Ｅ３において、ｃ、Ａ、ρ、Δｐはそれぞれ、流量係数、開口面積、密度、圧力変化を表す。この場合、油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧（Ｐｄ）はＰ−Ｔ絞りの上流側の圧力を表し、ネガコン圧（Ｐｎ'）はＰ−Ｔ絞りの下流側の圧力を表す。また、ブリード流量（Ｑｂ）は、流量制御弁のＰ−Ｔ絞りを通過する作動油の流量を表す。

また、流量制御弁の下流側にあるネガコン圧（Ｐｎ'）を有する作動油は、ネガコン絞り２０Ｌを通って作動油タンク２２に排出される。図３は、ネガコン圧（Ｐｎ'）がネガコン絞り２０Ｌを表す演算要素Ｅ４を介して排出流量（Ｑｅ）に変換される様子を表す。この場合、排出流量（Ｑｅ）は、ネガコン絞り２０Ｌを通過する作動油の流量を表す。

なお、ネガコン絞り２０Ｌにおける流量（Ｑｂ−Ｑｅ）の変化は、作動油の体積変化に起因する圧力を生じさせる。図３は、流量（Ｑｂ−Ｑｅ）が圧縮ボリュームを表す演算要素Ｅ５を介してネガコン圧（Ｐｎ'）に変換される様子を表す。なお、ここで得られたネガコン圧（Ｐｎ'）は、コントローラ５４にフィードバックされる。ネガコン圧センサＳ１で検出されたネガコン圧（Ｐｎ）と、コントローラ５４が電磁弁５５Ｌに対して出力する電流指令（Ｉｓ）に応じて演算されるネガコン圧（Ｐｎ'）が等しくなるようにして制御を安定化させるためである。

その後、センターバイパス管路３０Ｌを流れる作動油の流量は、一部が油圧アクチュエータに流れることによって変化する。そのため、センターバイパス管路３０Ｌを流れる作動油の流量（Ｑｄ−Ｑｂ）の変化は、作動油の体積変化に起因する圧力を生じさせる。図３は、流量（Ｑｄ−Ｑｂ）が圧縮ボリュームを表す演算要素Ｅ２を介して吐出圧（Ｐｄ）に変換される様子を表す。

また、ポンプ１０Ｌが吐出する吐出圧（Ｐｄ）を有する作動油は、操作対象の油圧アクチュエータに対応する流量制御弁のＰ−Ｃ絞りを通る。図３は、油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧（Ｐｄ）から油圧アクチュエータ圧（Ｐａｃｔ）を差し引いた圧力が流量制御弁のＰ−Ｃ絞りを表す演算要素Ｅ６を介して油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）に変換される様子を表す。この場合、油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧（Ｐｄ）はＰ−Ｃ絞りの上流側の圧力を表し、油圧アクチュエータ圧（Ｐａｃｔ）はＰ−Ｃ絞りの下流側の圧力を表す。また、油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）は、流量制御弁のＰ−Ｃ絞りを通過する作動油の流量を表す。なお、油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）は、演算要素Ｅ２にフィードバックされる。油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧（Ｐｄ）は、油圧ポンプ１０Ｌの吐出量（Ｑｄ）からブリード流量（Ｑｂ）と油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）とを差し引いた流量の作動油の圧縮によって生成されるためである。

その後、油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）の変化は、油圧アクチュエータ内の作動油の体積変化に起因する圧力を生じさせ、さらに、油圧アクチュエータを動かす力を発生させる。図３は、油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）が圧縮ボリュームを表す演算要素Ｅ７を介して油圧アクチュエータ圧（Ｐａｃｔ）に変換され、さらに、油圧アクチュエータの受圧面積を表す演算要素Ｅ８を介して力に変換される様子を表す。

その後、油圧アクチュエータで発生させた力と外力（Ｆｅ）との合力に応じて油圧アクチュエータの動きが決定される。図３は、その合力が演算要素Ｅ９を介して油圧アクチュエータの動作速度（ｖ）に変換される様子を表す。なお、演算要素Ｅ９において、Ｍ、ｓはそれぞれ、質量、ラプラス演算子を表す。

また、演算要素Ｅ７が出力する油圧アクチュエータ圧（Ｐａｃｔ）は、演算要素Ｅ６にフィードバックされる。油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）は、油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧（Ｐｄ）と油圧アクチュエータ圧（Ｐａｃｔ）との間の差圧によって生成されるためである。

同様に、演算要素Ｅ９が出力する油圧アクチュエータの動作速度（ｖ）は、油圧アクチュエータの受圧面積を表す演算要素Ｅ１０を介して油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ'）に変換された上で、演算要素Ｅ７にフィードバックされる。

以上、油圧アクチュエータ速度制御の流れを説明したが、ここで再び、ブリード流量（Ｑｂ）及び油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）の詳細について説明する。

図４は、図２と同じ回路図であり、図中の太丸ＲＡは、油圧ポンプ１０Ｌに関するブリードラインと油圧アクチュエータラインとの分流ポイントを表す。また、図中の太い実線は、油圧ポンプ１０Ｌに関するブリードラインを表し、図中の太い点線は、油圧ポンプ１０Ｌに関する油圧アクチュエータラインを表す。

上述の通り、ブリード流量（Ｑｂ）は、流量制御弁のＰ−Ｔ絞りを通過する作動油の流量を表し、本実施例では、ブリードラインを流れる作動油の流量を表す。

また、油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）は、流量制御弁のＰ−Ｃ絞りを通過する作動油の流量を表し、本実施例では、油圧アクチュエータラインを流れる作動油の流量を表す。

この場合、図３の演算要素Ｅ３における開口面積Ａは、直列に接続された流量制御弁１１Ｌ、１２Ｌ、１３Ｌ、１５ＬのそれぞれにおけるＰ−Ｔ絞りの等価開口面積Ａ_ｅに相当する。等価開口面積Ａ_ｅは、以下の式（１）で表される。なお、Ａ_ｉは、各流量制御弁のＰ−Ｔ絞りの開口面積を表し、ｎは、流量制御弁の数（本実施例では４つ）を表す。

流量係数を考慮した場合、図３の演算要素Ｅ３におけるｃＡは、ｃＡ_ｅに相当し、以下の式（２）で表される。なお、Ｃ_ｉは、各流量制御弁の流量係数を表す。

なお、式（１）及び式（２）で表す関係は、図３の演算要素Ｅ３、すなわち、ブリードラインを構成する各流量制御弁のＰ−Ｔ絞りに関するものである。しかしながら、式（１）及び式（２）で表す関係は、図３の演算要素Ｅ６、すなわち、油圧アクチュエータラインを構成する各流量制御弁のＰ−Ｃ絞りに関しても同様に適用される。

次に、図５及び図６を参照しながら、電気的ネガコン制御と油圧的ネガコン制御との違いについて説明する。なお、図５は、ネガコン制御の流れを示すブロック線図であり、図６は、図５のネガコン制御における伝達関数の周波数特性を示すボード線図である。

図５（Ａ）は、図３の破線で囲まれたネガコン制御に関する部分に対応するブロック線図であり、電気的ネガコン制御の流れを示す。また、図５（Ｂ）は、比較対象として、油圧的ネガコン制御の流れを示す。なお、図５では、説明の明瞭化のため、ネガコン圧の動特性を無視し、演算要素Ｅ４を省略している。

電気的ネガコン制御では、図５（Ａ）に示すように、ネガコン圧センサＳ１で検出されたネガコン圧（Ｐｎ）がコントローラ５４に入力されると、コントローラ５４は、電磁弁５５Ｌに対する電流指令（Ｉｓ）を生成する。電流指令（Ｉｓ）は、電流アンプ５３により増幅されて電磁弁５５Ｌに入力される。電磁弁５５Ｌは、電流指令（Ｉｓ）に応じた制御圧（Ｐｓ）を用いてポンプレギュレータ４０Ｌを制御し、油圧ポンプ１０Ｌの吐出量（Ｑｄ）を制御する。

また、吐出量（Ｑｄ）は、油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）が差し引かれた後、演算要素Ｅ２を介して吐出圧（Ｐｄ）に変換される。そして、吐出圧（Ｐｄ）は、演算要素Ｅ３を介してブリード流量（Ｑｂ）に変換され、さらに、演算要素Ｅ５を介してネガコン圧（Ｐｎ'）に変換された後、コントローラ５４にフィードバックされる。

一方、油圧的ネガコン制御では、図５（Ｂ）に示すように、ネガコン圧（Ｐｎ）が圧力のまま制御圧としてポンプレギュレータ４０Ｌに供給される。すなわち、ポンプレギュレータ４０Ｌは、ネガコン圧に応じて油圧ポンプ１０Ｌの吐出量（Ｑｄ）を受動的に制御する。そのため、油圧的ネガコン制御では、電気的ネガコン制御におけるコントローラ５４、電流アンプ５３、及び電磁弁５５Ｌが省略されている。

ここで、図６のボード線図を参照する。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）のボード線図は何れも、上段にゲイン線図を配し、下段に位相線図を配する。

図６（Ａ）は、電気的ネガコン制御における周波数に対するゲイン（振幅比）及び位相の推移を実線Ｃ１で表し、油圧的ネガコン制御における周波数に対するゲイン（振幅比）及び位相の推移を破線Ｃ２で表す。

また、図６（Ｂ）は、実線Ｃ１の推移に加え、電気的ネガコン制御における周波数に対するゲイン（振幅比）を２倍にしたときの推移を一点鎖線Ｃ３で表し、５倍にしたときの推移を二点鎖線Ｃ４で表す。なお、本実施例では、ゲインの増加は、コントローラ５４が電磁弁５５Ｌに対して出力する電流指令（Ｉｓ）の値を増大させることによって実現される。

図６（Ａ）に示すように、電気的ネガコン制御におけるゲイン余裕は、油圧的ネガコン制御におけるゲイン余裕よりも小さく、制御安定性が低下していることがわかる。すなわち、油圧的ネガコン制御に比べ、電気的ネガコン制御ではハンチングが発生し易いことがわかる。これは、電気的ネガコン制御におけるコントローラ、電磁弁等の存在による応答性の低下に起因する。

また、図６（Ｂ）に示すように、電気的ネガコン制御におけるゲイン余裕は、ゲインを増加させるにつれて低下していくことがわかる。すなわち、ゲインを増加させるにつれてハンチングが発生し易くなることがわかる。

次に、図７を参照しながら、電気的ネガコン制御を構成する各要素のゲイン（入出力比）について説明する。なお、図７は、電気的ネガコン制御を構成する各要素の入力と出力の関係を示す図である。

具体的には、図７（Ａ）は、ネガコン絞り２０Ｌにおける、入力としての排出流量（Ｑｅ）と、出力としてのネガコン圧（Ｐｎ）との関係を示す。ネガコン絞り２０Ｌを通過する作動油の流量である排出流量（Ｑｅ）とネガコン圧（Ｐｎ）との関係は、以下の式（３）又は式（４）で表される。なお、ｃは、流量係数を表し、Ａは、ネガコン絞り２０Ｌの開口面積を表し、ρは、作動油の密度を表す。

このように、ネガコン絞り２０Ｌのゲイン（入出力比）は、２次曲線（非線形）となる。その結果、図７（Ａ）に示すように、ネガコン圧（Ｐｎ）が高い程、ゲイン（入出力比）も高くなる。

また、図７（Ｂ）は、コントローラ５４における、入力としてのネガコン圧（Ｐｎ）と、出力としての電流指令（Ｉｓ）との関係を示す。なお、コントローラ５４の入力としてのネガコン圧（Ｐｎ）は、ネガコン圧センサＳ１が出力する電気信号であり、コントローラ５４の出力としての電流指令（Ｉｓ）は、電磁弁５５Ｌに対して出力される電気信号である。

また、図７（Ｃ）は、電磁弁５５Ｌにおける、入力としての電流指令（Ｉｓ）と、出力としての制御圧（Ｐｓ）との関係を示す。なお、電磁弁５５Ｌの入力としての電流指令（Ｉｓ）は、コントローラ５４が出力する電気信号であり、電磁弁５５Ｌの出力としての制御圧（Ｐｓ）は、ネガコン制御部６１Ｌの受圧室６１２Ｌで発生する圧力である。

また、図７（Ｄ）は、ポンプレギュレータ４０Ｌを含む油圧ポンプ１０Ｌにおける、入力としての制御圧（Ｐｓ）と、出力としての吐出量（Ｑｄ）との関係を示す。なお、油圧ポンプ１０Ｌの入力としての制御圧（Ｐｓ）は、コントロールポンプ５２が吐出する作動油を利用して電磁弁５５Ｌが発生させる圧力である。

また、コントローラ５４、電磁弁５５Ｌ、及び油圧ポンプ１０Ｌにおけるゲイン（入出力比）は、図７（Ａ）に示すネガコン絞り２０Ｌのゲイン（入出力比）と異なり、図７（Ｂ）〜図７（Ｄ）に示すように一定である。

したがって、電気的ネガコン制御全体としてのゲイン（入出力比）は、ネガコン絞り２０Ｌのゲイン（入出力比）を反映して非線形となり、ネガコン圧（Ｐｎ）が高い程、ゲイン（入出力比）も高くなる。なお、電気的ネガコン制御全体としての入力は、ネガコン絞り２０Ｌを通過する作動油の流量である排出流量（Ｑｅ）であり、電気的ネガコン制御全体としての出力は、油圧ポンプ１０Ｌの吐出量（Ｑｄ）である。

電気的ネガコン制御は、ネガコン圧（Ｐｎ）が低ければ油圧ポンプ１０Ｌの吐出量（Ｑｄ）を増大させ、ネガコン圧（Ｐｎ）が高ければ油圧ポンプ１０Ｌの吐出量（Ｑｄ）を減少させる。また、ハンチングが生じ易いのは、油圧アクチュエータを低速で微操作する場合、すなわち、ネガコン圧（Ｐｎ）が高い場合であり、電気的ネガコン制御全体としてのゲイン（入出力比）が高い状態のときである。

以上の関係から、個々の制御対象の応答性を向上させることによって、電気的ネガコン制御の安定性の向上を図ることが考えられる。ハンチングの生じ易さは、油圧システム１００の電子制御化に伴う応答性の低下に起因するためである。なお、油圧システム１００における制御対象は、電流アンプ５３、電磁弁５５、及び油圧ポンプ１０を含む。

そこで、コントローラ５４は、電流アンプ５３、電磁弁５５、及び油圧ポンプ１０のうちの少なくとも１つの出力、望ましくは、少なくとも２つの出力に関するフィードバックループを形成することによって、電気的ネガコン制御の安定性を向上させる。電気的ネガコン制御における他の構成要素と異なり、コントローラ５４は、自由な設定が可能なためである。また、フィードバックループを多段構成とすることによって、電気的ネガコン制御の安定性をさらに向上させることができるためである。

次に、図８を参照して、コントローラ５４の動作について説明する。なお、図８は、コントローラ５４の動作の流れを示すブロック線図である。

図８に示すように、コントローラ５４は、主に、参照テーブルＴＢ１、ＴＢ２、ＴＢ３、減算器ＳＵ１、ＳＵ２、ＳＵ３、及び、フィードバック演算要素Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ１３を含む。また、参照テーブルＴＢ１、ＴＢ２、ＴＢ３は、ＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ等に予め登録されている。

参照テーブルＴＢ１は、ネガコン圧（Ｐｎ）とポンプ流量（Ｑｐ'）との対応関係を表す参照テーブルである。なお、ポンプ流量（Ｑｐ'）は、油圧ポンプ１０の１回転当たりの吐出量（押し退け容積）であり、油圧ポンプ１０が出力する制御量としてのポンプ流量（Ｑｐ）に関する操作量（指令値）である。また、本実施例では、ポンプ流量（Ｑｐ）は、油圧ポンプ１０の斜板の傾転角を検出する傾転角センサ（図示せず。）の出力に基づいて導き出される。なお、油圧ポンプ１０の斜板の傾転角はポンプ流量（Ｑｐ）と一対一に対応する。また、ポンプ流量（Ｑｐ）は、油圧ポンプ１０の吐出量（Ｑｄ）を検出する流量センサ等の他のセンサの出力に基づいて導き出されてもよい。なお、油圧ポンプ１０の吐出量（Ｑｄ）は、ポンプ流量（Ｑｐ）にポンプ回転数を乗じた値である。

減算器ＳＵ１は、ポンプ流量（Ｑｐ'）と油圧ポンプ１０の出力であるポンプ流量（Ｑｐ）との差分を導き出す演算器である。なお、油圧ポンプ１０は、制御圧（Ｐｓ）を入力とし且つポンプ流量（Ｑｐ）を出力とする１次遅れ要素としての演算要素Ｅ１で表される。

フィードバック演算要素Ｅ１１は、ポンプ流量（Ｑｐ'）のフィードバック制御を行う演算要素である。本実施例では、フィードバック演算要素Ｅ１１は、ＰＩＤ制御器であり、ポンプ流量（Ｑｐ'）とポンプ流量（Ｑｐ）とを一致させるようにポンプ流量（Ｑｐ'）を調整する。

参照テーブルＴＢ２は、ポンプ流量（Ｑｐ'）と制御圧（Ｐｓ'）との対応関係を表す参照テーブルである。なお、制御圧（Ｐｓ'）は、電磁弁５５が出力する制御量としての制御圧（Ｐｓ）に関する操作量（指令値）である。

減算器ＳＵ２は、制御圧（Ｐｓ'）と電磁弁５５の出力である制御圧（Ｐｓ）との差分を導き出す演算器である。なお、電磁弁５５は、電流指令（Ｉｓ）を入力とし且つ制御圧（Ｐｓ）を出力とする２次遅れ要素で表される。また、本実施例では、制御圧（Ｐｓ）は、ネガコン制御部６１の受圧室６１２に導入される制御圧を検出する制御圧センサ（図示せず。）の出力に基づいて導き出される。

フィードバック演算要素Ｅ１２は、制御圧（Ｐｓ'）のフィードバック制御を行う演算要素である。本実施例では、フィードバック演算要素Ｅ１２は、ＰＩＤ制御器であり、制御圧（Ｐｓ'）と制御圧（Ｐｓ）とを一致させるように制御圧（Ｐｓ'）を調整する。

参照テーブルＴＢ３は、制御圧（Ｐｓ'）と電流指令（Ｉｓ'）との対応関係を表す参照テーブルである。なお、電流指令（Ｉｓ'）は、電流アンプ５３が出力する制御量としての電流指令（Ｉｓ）に関する操作量（指令値）である。

減算器ＳＵ３は、電流指令（Ｉｓ'）と電流アンプ５３の出力である電流指令（Ｉｓ）との差分を導き出す演算器である。なお、電流アンプ５３は、電流指令（Ｉｓ'）を入力とし且つ電流指令（Ｉｓ）を出力とする２次遅れ要素で表される。また、本実施例では、電流指令（Ｉｓ）は、電流アンプ５３の下流に設置される電流センサ（図示せず。）の出力に基づいて導き出される。

フィードバック演算要素Ｅ１３は、電流指令（Ｉｓ'）のフィードバック制御を行う演算要素である。本実施例では、フィードバック演算要素Ｅ１３は、ＰＩＤ制御器であり、電流指令（Ｉｓ'）と電流指令（Ｉｓ）とを一致させるように電流指令（Ｉｓ'）を調整する。

なお、上述の実施例では、コントローラ５４は、電流アンプ５３、電磁弁５５、及び油圧ポンプ１０の３つの出力に関するフィードバックループを形成する。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、コントローラ５４は、電流アンプ５３、電磁弁５５、及び油圧ポンプ１０のうちの何れか１つの出力に関するフィードバックループを形成してもよい。また、コントローラ５４は、電流アンプ５３及び電磁弁５５の２つの出力に関するフィードバックループを形成してもよく、電流アンプ５３及び油圧ポンプ１０の２つの出力に関するフィードバックループを形成してもよく、電磁弁５５及び油圧ポンプ１０の２つの出力に関するフィードバックループを形成してもよい。

また、ポンプ流量（Ｑｐ）の制御範囲は、通常、油圧ポンプ１０の仕様で決まる。これは、ポンプ流量（Ｑｐ）が、油圧ポンプ１０の流量制限機構、コントローラ５４の流量制限機能等の飽和要素による飽和特性を有することを意味する。そのため、ＰＩＤ制御器等のフィードバック演算要素を何らの制限もなくそのまま利用すると、流量制限がかかる制御範囲において電気的ネガコン制御が不安定となるおそれがある。そこで、コントローラ５４は、アンチワインドアップ機能を備えるようにしてもよい。

また、電磁弁５５及び油圧ポンプ１０（ポンプレギュレータ４０）の応答性は、作動油の粘度が高くなるにつれて低下する傾向にある。そのため、コントローラ５４は、作動油温に応じて、ＰＩＤ制御器等のフィードバック演算要素の設定パラメータを変更してもよい。作動油温が低下すると作動油の粘度が高くなると推定できるためである。なお、フィードバック演算要素の設定パラメータは、例えば、比例ゲイン、微分ゲイン、積分ゲイン、微分時間、積分時間等を含む。

次に、図９を参照して、３つの制御対象（電流アンプ５３、電磁弁５５、及び油圧ポンプ１０）に関するフィードバックループによる効果について説明する。なお、図９は、ネガコン圧センサＳ１で検出されるネガコン圧（Ｐｎ）から、Ｐ−Ｔ絞りの下流側の圧力として算出されるネガコン圧（Ｐｎ'）（図３参照。）までのオープンループを想定した場合の伝達関数の周波数特性のシミュレーション結果を示すボード線図である。また、図９（Ａ）は、３つのフィードバックループを形成しない場合のボード線図を表し、図９（Ｂ）は、３つのフィードバックループを形成する場合のボード線図を表す。なお、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）のボード線図は何れも、上段にゲイン線図を配し、下段に位相線図を配する。また、実線で示す推移は、ネガコン圧が高い（レバー操作量が小さい）場合の推移を表し、破線で示す推移は、ネガコン圧が低い（レバー操作量が大きい）場合の推移を表す。

図９（Ａ）を参照すると、ネガコン圧が高い場合、位相が−１８０［度］の点でゲインが０［ｄＢ］付近にあり、ゲイン余裕が０［ｄＢ］（位相余裕が０［度］）であることが分かる。これは、レバー操作量が小さい場合、ネガコン制御が不安定であり、ハンチングを誘発し易い状態になっていることを示している。なお、位相が−１８０［度］の点でゲインが−１０［ｄＢ］〜−２０［ｄＢ］の場合、すなわち、ゲイン余裕が−１０［ｄＢ］〜−２０［ｄＢ］の場合（位相余裕が４０［度］〜６０［度］の場合）に、ネガコン制御は安定とされる。

一方、図９（Ｂ）を参照すると、ネガコン圧が高い場合であっても、位相が−１８０［度］の点でゲインが−１０［ｄＢ］付近にあることが分かる。これは、レバー操作量が小さい場合であっても、ネガコン制御が安定しており、ハンチングを誘発し難い状態になっていることを示している。

また、ネガコン制御の速応性は、ボード線図上で０［ｄＢ］を横切る周波数の値によって評価されるが、ネガコン圧が低い場合には、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）の双方においてＦ１［Ｈｚ］付近となっており、同等の速応性が確保できていることが分かる。

このように、コントローラ５４は、３つの制御対象に関するフィードバックループを形成することによって、ネガコン圧（Ｐｎ）が高い場合に電気的ネガコン制御の安定性を向上させ、ハンチングの発生を抑制或いは防止できる。また、コントローラ５４は、ネガコン圧（Ｐｎ）が低い場合には、電気的ネガコン制御の安定性が過度に高められてしまうのを抑制することで、電気的ネガコン制御の速応性の低下を抑制できる。

また、コントローラ５４は、作動油の粘度が高い場合と作動油の粘度が低い場合とでＰＩＤ制御器の設定パラメータを変えながら、電流指令（Ｉｓ）を出力する。具体的には、コントローラ５４は、作動油温が低い場合における各フィードバックループのゲインを、作動油温が高い場合における各フィードバックループのゲインより大きくする。その結果、コントローラ５４は、作動油の粘度が高い場合に電気的ネガコン制御の安定性を向上させ、ハンチングの発生を抑制或いは防止できる。また、コントローラ５４は、作動油の粘度が低い場合には、電気的ネガコン制御の安定性が過度に高められてしまうのを抑制することで、電気的ネガコン制御の速応性の低下を抑制できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の実施例において、コントローラ５４は、作動油温に応じてＰＩＤ制御器の設定パラメータを変更する。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、コントローラ５４は、外気温に応じてＰＩＤ制御器の設定パラメータを変更してもよく、作動油温及び外気温に応じてＰＩＤ制御器の設定パラメータを変更してもよい。作動油温センサの設置位置によっては、検出された作動油温が、電気的ネガコン制御に影響する作動油の粘度を適切に反映していない場合があるためである。

１・・・ショベル ２・・・下部走行体 ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・ブームシリンダ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １０Ｌ、１０Ｒ・・・油圧ポンプ １１Ｌ、１２Ｌ、１２Ｒ、１３Ｌ、１３Ｒ、１４、１５Ｌ、１５Ｒ・・・流量制御弁 ２０Ｌ、２０Ｒ・・・ネガコン絞り ２２・・・作動油タンク ３０Ｌ、３０Ｒ・・・センターバイパス管路 ４０Ｌ、４０Ｒ・・・ポンプレギュレータ ４１Ｌ、４１Ｒ・・・傾転アクチュエータ ４２Ｌ、４２Ｒ・・・走行用油圧モータ ４４・・・旋回用油圧モータ ５２・・・コントロールポンプ ５４・・・コントローラ ５５Ｌ、５５Ｒ・・・電磁弁 ６０Ｌ、６０Ｒ・・・スプール機構 ６１Ｌ、６１Ｒ・・・ネガコン制御部 １００・・・油圧システム Ｓ１〜Ｓ４・・・圧力センサ Ｅ１〜Ｅ１０・・・演算要素 Ｅ１１〜Ｅ１３・・・フィードバック演算要素 ＳＵ１〜ＳＵ３・・・減算器 ＴＢ１〜ＴＢ３・・・参照テーブル

Claims (4)

1. ネガコン絞りで発生するネガコン圧に応じて油圧ポンプの吐出量を制御する建設機械用油圧システムであって、
   ネガコン圧を検出してネガコン圧信号を出力するネガコン圧センサと、
   前記油圧ポンプの吐出量を制御するポンプレギュレータと、
   前記ポンプレギュレータを駆動する制御圧を生成する電磁弁と、
   前記ネガコン圧信号を受けて前記電磁弁に対する電気信号を出力するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記吐出量、前記制御圧、及び前記電気信号のうちの少なくとも１つに関するフィードバックループを形成する、
   建設機械用油圧システム。
2. 前記コントローラは、前記吐出量、前記制御圧、及び前記電気信号のうちの少なくとも２つに関するフィードバックループを形成する、
   請求項１に記載の建設機械用油圧システム。
3. 前記コントローラは、前記フィードバックループに対応するＰＩＤ制御器を有し、
   前記フィードバックループは、飽和要素を含み、
   前記ＰＩＤ制御器は、アンチワインドアップ機能を備える、
   請求項１又は２に記載の建設機械用油圧システム。
4. 前記コントローラは、作動油温又は外気温に応じて前記ＰＩＤ制御器の設定パラメータを変更する、
   請求項３に記載の建設機械用油圧システム。

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