JP2569305B2 - 圧力補償付流量制御システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧力補償付流量制御システムに関する。

［従来の技術］ 圧力補償を自動的に行うため、電磁比例弁が用いられ
た油圧制御装置が提案されるに至っている。以下、その
従来例について説明する。

一定の差圧を生ずる減圧弁を使用した従来の圧力補償
システムの概要を第７図に示す。図は２個のアクチュエ
ータ21および21Aがある形式を示しており、これらのア
クチュエータ21、21Aにおける他の機器への接続は両者
同一なので一方のアクチュエータ21についてのみ述べ
る。

アクチュエータの一側（ロッド側）室と他側（ヘッド
側）室は制御弁22の出力ポートにそれぞれ接続され、制
御弁の入力ポートは一定の差圧を生ずる減圧弁11を介し
てポンプ23に接続され、排出ポートはタンク24に接続さ
れ、またポンプ23は一定の差圧を生ずるリリーフ弁（以
下、単にリリーフ弁という）25によりタンク24に接続さ
れている。制御弁22の出力ポートはそれぞれ逆止弁26お
よび27を介して減圧弁11の外部パイロット回路ａに接続
され、この外部パイロット回路ａは逆止弁28を介してリ
リーフ弁25の外部パイロット回路ｂに接続されている。

このような回路を構成する第７図のシステムについて
説明する。図示の状態でアクチュエータ21および21Aの
夫々の制御弁22、22Aはいずれも中立であるため、ポン
プ23の吐出油はリリーフ弁25を通ってタンク24に戻され
ている。ここで、前記アクチュエータ21の制御弁22を右
室に切り替えると、ポンプ23の圧油は減圧弁11から制御
弁22を通ってアクチュエータ21の右室に流入し、ピスト
ンは左進すると共にアクチュエータ21の左室の油は制御
弁22からタンク24に戻される。このとき、減圧弁11の外
部パイロット回路ａは制御弁22の出力ポートと逆止弁27
を介して接続されている。

ここで、２個のアクチュエータ21および21Aに作用し
ている圧油の中、該アクチュエータ21、21Aのいずれか
一方の高圧側の圧油を逆止弁28、28Aの一方を介してリ
リーフ弁25の外部パイロット回路ｂにフィードバックさ
せることにより、ポンプ23の吐出圧力はリリーフ弁25内
のスプリング力によって決まるアクチュエータ21、21A
のいずれか一方の高い方の負荷圧力よりやや高い圧力に
保持されることになる。従って、アクチュエータ21およ
び21Aに対してはアクチュエータの入口側で作動速度が
制御される、所謂、メータイン方式の流量制御が達成さ
れる。すなわち、減圧弁11の作用により、制御弁22の供
給側通路で形成される上流側と下流側との間の差圧を一
定に保つことにより該アクチュエータ21、21Aに対する
圧力補償を行っている。

第８図は負荷が常に一方向（図では下方）に加わるア
クチュエータにおける圧力補償システムの例を示す。な
お、第７図と同一の構成要素には同一の参照符号を付し
ている。ここで、アクチュエータ31および31Aは夫々図
で下向きの負荷32および32Aを受けている。第７図と同
様に、一方のアクチュエータ31についてのみ述べる。ア
クチュエータ31の下側油室は一対の逆止弁33および34の
一側に接続され、この逆止弁33および34の他側は直列に
接続された一定の差圧を生ずる減圧弁（以下、単に減圧
弁という）11と電磁比例流量調整弁（以下、単に調整弁
という）35に接続されると共に、逆止弁36および37を介
して電磁切換弁38の一方の出力ポートに接続されてい
る。なお、減圧弁11の外部パイロット回路ｃは調整弁35
の排出側（OUT）に接続されている。アクチュエータ31
の上側油室は電磁切換弁38の他方の出力ポートに接続さ
れている。

ポンプ23の吸込管路はタンク24に浸漬され、その吐出
管路は一定の差圧を生ずるリリーフ弁（以下、単にリリ
ーフ弁という）25に接続されると共に、電磁切換弁38の
入力ポートに接続されている。該電磁切換弁38の排出ポ
ートはタンク24に接続され、そのパイロット回路は逆止
弁39を介してリリーフ弁25の外部パイロット回路ｄに接
続されている。

このような第８図のシステムの動作を述べる。図示の
状態のとき、電磁切換弁38はいずれも中立なので、ポン
プ23の吐出油は全量がリリーフ弁25によりタンク24にリ
リーフされている。ここで、第８図で電磁切換弁38を左
室に切換えると、ポンプ23の圧油は電磁切換弁38から逆
止弁37、減圧弁11、調整弁35、逆止弁33を通ってアクチ
ュエータ31の下側油室に流入して負荷32を、図におい
て、上昇させる。アクチュエータ31の上側油室から排出
した油は、電磁切換弁38を通ってタンク24に戻る。ま
た、電磁切換弁38を右室に切換えると、ポンプ23の圧油
は電磁切換弁38からアクチュエータ31の上側油室に流入
し、アクチュエータ31の下側油室から排出した油は、逆
止弁34、減圧弁11、調整弁35、逆止弁36、電磁切換弁38
を通ってタンク24に戻り、この結果、負荷32は下降す
る。

負荷32の上昇および下降のいずれのときも、圧油は減
圧弁11から絞り効果を有する調整弁35を通り、その関係
は前述した第７図と同様であるため、調整弁35の上流側
と下流側の絞りの差圧を一定に保つことにより、前記ア
クチュエータ31に対する圧力補償を行っている。

この構成では、リリーフ弁25の外部パイロット回路ｄ
に２個の減圧弁11、11Aのうち、圧力の高い方の圧油を
いずれか一方の電磁切換弁38、38Aと逆止弁39、39Aとを
介してフィードバックしているため、ポンプ23の吐出圧
力は各アクチュエータ31および31Aの供給側圧油のうち
高圧側よりやや高い圧力に保持されている。なお、この
第８図に示すシステムはアクチュエータ31、31Aを介し
て負荷32、32Aを上昇させようとする時は、該アクチュ
エータ31、31Aの入口側で調整弁35、35Aにより流量を調
整するめたに、メータイン方式となり、負荷32、32Aを
下降させようとする時には、該アクチュエータ31、31A
の出口側で調整弁35、35Aにより流量が絞られるために
メータアウト方式の流量制御となる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、第７図に示す方式によれば、常時、メ
ータイン方式の流量制御であるために、負荷がアクチュ
エータ21に作用している時に、該アクチュエータ21のロ
ッド側の圧力P_Bよりもヘッド側の圧力P_Aが高く、また、
この圧力P_Aよりもポンプ23の吐出圧力P_Pがより高い値と
なる場合がある。該アクチュエータ21が垂直方向に向け
て配置されている場合が好例と謂えよう。例えば、本
来、負荷が下降方向にあるとき、その自重があることか
ら、ヘッド側圧力P_Aは極めて少なくても下降動作は達成
されるが、前記のように、メータイン方式では、それに
も拘らず、より大きなポンプ圧力P_Pが常時加わることに
なり、結局、ポンプ23側の動力損失が大となる。

また、第８図に示す方式によれば、負荷32の下降時は
メータアウト方式であるため、ポンプ吐出圧力は低圧を
維持され、動力損失を低減する効果があるが、負荷32の
上昇中に負荷方向が上向負荷に反転すると、調整弁35は
適正な圧力差を保てなくなり圧力補償機能がなくなる。

そこで、本発明の目的は、自動化に対応できるように
電気制御回路を有した流量制御システムにおいて、比例
式バイパス弁を用いることによって各アクチュエータの
動作中の負荷変動に対し適正な圧力補償が行われ、その
結果、動力損失を低減することを可能とする圧力補償付
流量制御システムを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記の目的を達成するために、本発明の圧力補償付流
量制御システムでは、各アクチュエータの動作方向およ
び流量を設定するため操作量に応じた弁開度を有する各
比例弁と、前記比例弁の入口圧力を調整する比例式バイ
パス弁と、前記各比例弁の入口ポート圧力・排出ポート
圧力ならびに前記各アクチュエータへの各出力ポート圧
力を検出する各圧力センサと、ポンプ吐出圧力および戻
り油路圧力を検出する各圧力センサと、前記各比例弁お
よび比例式バイパス弁の開度を演算して求め、該求めら
れた結果により該各比例弁と比例式バイパス弁を操作す
るための制御回路とからなり、前記制御回路は、前記ア
クチュエータの負荷変動のないときは比例弁の操作量Ｎ
を、各アクチュエータへの指定流量Q_RをＱとして用いて Ｎ＝ａ・Ｑ＋ｂ（ただし、ａ、ｂは共に定数） ・・・
（１） として算出し、該アクチュエータの負荷変動があるとき
は、前記各比例弁における上流側と下流側の圧力差ΔＰ
と設定圧力差ΔPSとの比を求め、次いで、 によりＱを算出した後、前記（２）式で得られたＱの値
を（１）式に代入して前比例弁Ｎの操作量Ｎを算出し、
一方、比例式バイパス弁の操作量は前記ΔＰとΔPSとの
差（ΔＰ−ΔPS）に基づいて決定することを特徴とす
る。

また、油量を測定する温度センサをタンクに設け、前
記温度センサの出力で比例弁の操作量を温度補償すると
好適である。

［作用］ 各アクチュエータの動作方向および流量が指令され、
各アクチュエータの供給側と排出側の負荷圧を各圧力セ
ンサにより検出し、その検出信号を比較し、前記比較結
果から比例弁の操作量に応じた開度を計算し、比例弁に
より圧力補償がされてアクチュエータへ適量の圧油が供
給されると共に、各アクチュエータの供給側でより高い
方の圧力を選択し、ポンプ吐出圧力側の圧力値と前記高
い方の圧力値を比較して計算し、比例式バイパス弁の開
度を調整して該高い方の圧力のアクチュエータに対する
圧力補償を行う。この結果、前記アクチュエータの圧力
より予め設定した圧力だけ高く制御でき、これによって
動力損失が低減される。さらに、タンクに設けた温度セ
ンサで油温を測定し、比例弁の操作量に対する温度補償
を行う。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を示した第１図について説明
する。第１図（ａ）は、既に示した従来例と同様に、２
個のアクチュエータを制御する場合を示す。アクチュエ
ータ51および52のそれぞれの油室は比例弁53および54の
出力ポートに接続され、かつその接続部の圧力P_Aないし
P_Dを検出するための圧力センサ55ないし58がその接続部
に取付けてある。これらの圧力センサ55、56はアクチュ
エータ51における負荷圧力並びに負荷の方向の変化を検
出するためのものであり、一方、圧力センサ57、58はア
クチュエータ52における負荷圧力並びに負荷の方向の変
化を検出するためのものである。なお、比例弁53および
54は電気信号により操作されるセンタクローズド３位置
４ポート方向流量調整弁であるが、一般のサーボ弁やデ
ィジタル弁、あるいはロジック複合弁等も利用可能であ
る。

ポンプ23の吸込管路はタンク24に浸漬され、その吐出
管路は比例弁53および54の入口圧力調整機構である比例
式バイパス弁59に接続されると共に、該吐出管路には回
路圧力を制限する安全弁60が取付けてある。比例式バイ
パス弁59は電気信号で操作される弁であり、操作量ゼロ
のとき開度は最大になり、ポンプ23の吐出油は全量がほ
とんど無負荷でタンク24に戻され、操作量の増加にとも
ない開度は減少し、最大操作時は閉止状態になる。また
ポンプ23の吐出管路とタンク24への戻り管路には、この
吐出管路の圧力P_Pおよび戻り管路の圧力P_Rを検出する圧
力センサ61および62が接続されている。すなわち、圧力
センサ61、62は比例式バイパス弁59の操作量を決定する
ための圧力P_P、P_Rを検出する。

第１図（ｂ）は、第１図（ａ）の電気制御回路図であ
る。圧力センサ55ないし58ならびに61、62で検出された
各圧力P_A乃至P_D、P_P、P_Rのアナログ信号は制御回路65内
のA/D変換器66によりディジタル信号に変換された後、
マイコン67により処理される。マイコン67から導出され
る処理済のディジタル信号はアナログ信号に変換され、
次いで増巾器69により増巾された後、比例式バイパス弁
59と比例弁53、54に供給される。

ここでマイコン67により比例式53、54の操作量を計算
する方法を説明する。

まず、比例弁53、54における上流側と下流側の圧力差
は比例式バイパス弁59により設定値に維持されることが
前提となる。ここで、設定圧力差における比例弁53、54
の絞りの流量特性から該比例弁53、54の操作量を計算す
る。

設定された圧力差における比例弁の操作量Ｎと流量Ｑ
との関係は第２図に示す通りであって、ＮとＱとの間に
は次の（１）式が成立する。この（１）式の成立のため
にＱに指令流量Q_Rを代入すれば、操作量Ｎは算出可能で
ある。

Ｎ＝ａ・Ｑ＋ｂ（ただしa,bは共に定数）・・・（１）
ＮとＱとの関係は比例弁の制御絞りの形状で決まり、従
って、アクチュエータ51、52に負荷の変動がなければ、
前記（１）並びに第２図からも容易に諒解される通り、
直線に近似できるものであるから操作量Ｎは一義的に定
まる。

一方、アクチュエータ51、52の負荷圧力が変化した場
合には次なる操作を行う。先ず、比例弁53、54の上流側
と下流側の絞り前後の圧力差ΔＰと設定圧力差ΔPSとの
比を求め、指令流量Q_Rを設定圧力差ΔPSにおける流量Ｑ
に次の（２）式で換算する。この場合、指定流量Q_Rに対
してＮを計算したのでは、前記圧力差が変化した分、実
際に流れる圧油の量が変化してしまい、圧力補償をする
ことができない。そこで、Q_RをΔＰとΔPSの比に換算す
ることにより、前記の如き圧力変動ΔＰを考慮した
（２）式の指定流量Ｑを新しい指定流量として、前記
（１）式より、Ｎを算出する。

続いて、第３図に示すフローチャートに従って各要素
の機能を説明する。

ステップ１では各アクチュエータ51、52の流量および
通油方向の指令値をマイコン67に読み込む。指令を与え
る方法としては上位のコンピュータから指令する方法や
ディジタルスイッチあるいは操作レバーにより直接指令
する方法がある。

ステップ２では、各アクチュエータ51、52への指令の
有無を調べ、全てゼロのとき、比例弁53、54と比例式バ
イパス弁59の操作量もゼロで、ポンプ23の吐出油は全て
比例式バイパス弁59を通ってタンク24に戻される。この
とき、ポンプ23の吐出出力P_P（比例弁53、54の入口圧力
に等しい）は戻り管路圧力P_Rにほぼ等しく、ポンプ23は
殆ど無負荷で運転されている。この状態は圧力センサ6
1、62によって検出される。また、比例弁53、54は中立
位置にあるため、アクチュエータ51、52は停止してお
り、その圧力P_AないしP_Dはそれぞれアクチュエータ51、
52の保持している負荷圧である。このように、指令値が
ゼロで、この結果、操作量がゼロのとき、このフローは
一旦終了し、所定時間経過後に再びスタートする。

指令がゼロでない場合は、ステップ３に進む。圧力P_P
・P_Rならびに流量指令の与えられたアクチュエータ51、
52の負荷圧力を圧力センサ55ないし58により測定する。
次に、通油方向と測定した負荷圧力とからアクチュエー
タ51、52における供給側の高い方の負荷圧力を選択す
る。ここで、例えば、アクチュエータ51、52の流量指令
は共に50％であり、通油方向は比例弁53、54がいずれも
左室、すなわち、アクチュエータ51、52のピストンが右
進し、負荷圧力の大きさはP_A＞P_B＞P_C＞P_Dであるとする
と、供給側において最も高い負荷圧力はアクチュエータ
51のP_Aになる。

ステップ４では、比例式バイパス弁59の操作量を計算
する。すなわち、ポンプ23の吐出圧力P_Pとアクチュエー
タの供給側の最も高い負荷圧力P_Aの差ΔＰと設定圧力差
ΔPSとの差（ΔＰ−ΔPS）をマイコン67により積分し、
比例式バイパス弁59の操作量にする。これによって、最
も高い負荷圧のアクチュエータにおける比例弁の上流側
と下流側の圧力差ΔＰは設定圧力差ΔPSに常にフィード
バック制御する。なお（ΔＰ−ΔPS）がゼロになると、
比例式バイパス弁59はそのときの開度を保持する。

ステップ５では供給側で最も高い負荷圧力になるアク
チュエータ51の操作量を計算する。前記比例式バイパス
弁59によって圧力差はΔPSであるので指定流量QRに対し
てＱ＝QRとして前記式（１）より操作量Ｎを計算する。
なお、このステップ５ではアクチュエータの一側にのみ
指令があるとする。

ステップ６では他のアクチュエータ52への指令の有無
を調べ、指令のないときは比例弁53と比例式バイパス弁
59への操作量を出力した後、ステップ１に戻る。

他のアクチュエータ52の指令のあるときはステップ７
に進む。ここではステップ５と同様にアクチュエータ52
の供給側と排出側との負荷圧力を比較し、負荷変動のな
い、すなわち、圧力差がΔPSに維持されている時は前述
した（１）式の計算法により、また負荷変動のある、す
なわち圧力差がΔPSを越える時は前述した（２）式で得
られたＱの値を（１）式に代入して比例弁54の操作量を
計算し、ステップ６に戻る。本実施例では、アクチュエ
ータは51および52の２個であるため、他の指令はなく、
それぞれの比例弁に操作量Ｎを出力した後、ステップ１
に戻る。

アクチュエータが３個以上の場合も同一フローチャー
トであって、アクチュエータの数だけステップ６と７と
を繰り返す。

第４図は他の実施例で、比例弁53、54の入口圧力調整
機構として可変ポンプ71を使用した例であって、可変ポ
ンプ71は第１図（ｂ）の増巾器69に接続され、また第１
図（ａ）の場合の比例式バイパス弁59は当然不要にな
る。また、機構および動作は上記以外は第１図（ａ）と
同等であり、フローチャートは第３図と同一なので詳細
な説明は省略する。

更に流量制御回路において油温の変化が激しいときは
温度補償が必要であって、前述した第１図（ａ）、
（ｂ）の実施例では制御回路にマイコンを使用している
ため、温度センサを追加すれば、温度補償は容易に実現
できる。すなわち、第５図（ａ）、（ｂ）に別の態様の
実施例として示すように、油温の代表値としてタンク24
の油温を温度センサ76によって検出している。

第６図は第５図（ａ）、（ｂ）に示した別の態様の実
施例のフローチャートである。ステップ３においてアク
チュエータ各部の負荷圧力と同時に油温を検出する。そ
してステップ５と７とにおける比例弁操作量の計算は温
度補正を考慮した次の（３）、（４）式を使用する。

Ｎ＝a_t・Ｑ＋ｂ ・・・（３） ここで a_t＝（ｃ・t/t₀＋ｄ）・a₀ ・・・（４） ただし t₀ ：基準温度 ｔ ：タンク油温 a₀ ：基準温度における係数 a_t ：温度補正後の係数 c,d :定数 従来、温度変化の大きい場合は、比例弁の制御絞りに
薄刃オリフィスを使用したり、あるいは熱膨張の異なる
金属を組合せる等の方法で対応していたが、前者では温
度補償精度が十分でなく、後者では構造が複雑でコスト
が高く、かつ高圧弁には不向きである等の欠点を有して
いた。しかし、本発明ではマイコンで制御しているため
十分な補償精度を得ることが可能である。さらに精度を
高めるには使用する流体比例弁の温度特性を十分に把握
すると共に温度センサを比例弁の制御絞りの近くに設置
する等の対応をすればよい。

［発明の効果］ 本発明の圧力補償付流量制御システムは、以上の説明
のように、アクチュエータの供給側と排出側の負荷圧力
を圧力センサにより検出しこれを比較計算することによ
り、絞り機能を有する比例弁の操作量を算出してこの比
例弁によりアクチュエータへ適量の圧油を供給すると共
に、ポンプ吐出圧力と供給側最高負荷圧力との差を計算
することにより、比例弁圧力調整機構である比例式バイ
パス弁を調整するようにした。これにより本発明は次の
効果を有する。

（１）大きさや方向の変化する複数の負荷の流量制御に
おける圧力補償を実現すると共に、ポンプ吐出圧力を制
限することにより動力損失の低減も可能になった。

（２）従来の比例弁を使用した流量制御システムに対し
圧力センサと比例弁入口圧力調整機構とを追加したのみ
で大幅な回路変更なしに圧力補償と省エネを同時に実現
した。

（３）従来の圧力補償システムおよび負荷圧検知ポンプ
吐出制御システムに比較して、本発明のシステムは簡素
になって製作を容易にしかつ回路の信頼性が向上した。

（４）制御回路にマイコンを使用しているため温度セン
サとその信号を演算する若干のソフトを追加することに
より、容易に温度補償機能を負荷することが可能になっ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例を示す機構回路図、第
１図（ｂ）はその電気回路図である。 第２図は本発明の比例弁における操作量Ｎと流量Ｑとの
関係を示す線図である。 第３図は第１図（ａ）、（ｂ）の実施例のフローチャー
トである。 第４図は本発明の他の実施例における機構回路図であ
る。 第５図（ａ）は第１図（ａ）に示す本発明の別の実施例
を示す機構回路図、第５図（ｂ）はその電気回路図であ
る。 第６図は第５図（ａ）、（ｂ）の実施例のフローチャー
トである。 第７図および第８図はそれぞれ従来例における減圧弁を
使用した圧力補償付流量制御システムの機構回路図であ
る。 51、52……アクチュエータ 53、54……比例弁 55、56、57、58……圧力センサ 59……比例式バイパス弁 61、62……圧力センサ 65……電気制御回路

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各アクチュエータの動作方向および流量を
   設定するため操作量に応じた弁開度を有する各比例弁
   と、前記比例弁の入口圧力を調整する比例式バイパス弁
   と、前記各比例弁の入口ポート圧力・排出ポート圧力な
   らびに前記各アクチュエータへの各出力ポート圧力を検
   出する各圧力センサと、ポンプ吐出圧力および戻り油路
   圧力を検出する各圧力センサと、前記各比例弁および比
   例式バイパス弁の開度を演算して求め、該求められた結
   果により該各比例弁と比例式バイパス弁を操作するため
   の制御回路と、 からなり、前記制御回路は、前記アクチュエータの負荷
   変動のないときは比例弁の操作量Ｎを、各アクチュエー
   タへの指定流量Q_RをＱとして用いて Ｎ＝ａ・Ｑ＋ｂ（ただし、ａ、ｂは共に定数） ・・・
   （１） として算出し、該アクチュエータの負荷変動があるとき
   は、前記各比例弁における上流側と下流側の圧力差ΔＰ
   と設定圧力差ΔPSとの比を求め、次いで、 によりＱを算出した後、前記（２）式で得られたＱの値
   を（１）式に代入して前記比例弁の操作量Ｎを算出し、
   一方、比例式バイパス弁の操作量は前記ΔＰとΔPSとの
   差（ΔＰ−ΔPS）に基づいて決定することを特徴とする
   圧力補償付流量制御システム。
2. 【請求項２】油温を測定する温度センサをタンクに設
   け、前記温度センサの出力で比例弁の操作量を温度補償
   するようにした請求項１に記載の圧力補償付流量制御シ
   ステム。