JP3644925B2 - ジョイスティック入力器の信号処理装置 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、ジョイスティックの操作量に応じた信号を出力するジョイスティック入力器の信号処理装置に関し、主にフォークリフトやパワーショベル等の作業機械において、比例電磁弁を介して油圧アクチュエータの作動を制御する装置に関する。
技術背景
従来から、例えば特公平５−１７４０１号公報にもあるように、比例電磁弁等の制御対象を制御するにあたり、ジョイスティック入力器からの入力電圧に応じた電流を比例電磁弁に出力する信号処理装置がある。これは、ジョイスティックが中立位置から傾倒される操作量に応じて比例電磁弁の弁開度を変化させ、油圧アクチュエータの動きを制御したりしている。
Ｆｉｇ．６はジョイスティックを操作してからの時間ｔと比例電磁弁を介して油圧駆動される油圧アクチュエータの変位量Ｓの関係を示す特性図である。従来装置では、１点鎖線で示すように、油圧アクチュエータが動き始めるのにかかる時間ａが長くなり、応答性が悪いという問題点があった。この原因として、コイルに生じる誘導抵抗によって比例電磁弁に出力される電流の立ち上がりが遅れること、比例電磁弁にその弁体が各ポジションの間でわずかに摺動しても作動油の流れが切換わらないオーバラップ部があること等が考えられる。
また、ジョイスティックが急激に操作された場合、操作開始から時間ａが経過した後に比例電磁弁に出力される電流の立ち上がりが急激になるため、比例電磁弁によって制御される作動油流量が急変して、油圧アクチュエータによって駆動される作業機械の動作変化にショックが生じるという問題点があった。
したがって、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、ジョイスティックの操作開始時の応答性を確保するとともに、ジョイスティックの急な操作に対応して油圧アクチュエータ等の動きにショックが生じないようにできるジョイスティック入力器の信号処理装置を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明は、ジョイスティックが中立位置から傾倒される操作量に応じてジョイスティック電圧入力値Ｖｉを変化させるジョイスティック入力器と、ジョイスティック電圧入力値Ｖｉをサンプリングタイム毎に読み込み、過去所定回数に渡ってサンプリングタイム毎に読み込まれたジョイスティック電圧入力値Ｖｉの平均値をジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃとして出力する入力手段と、ジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃに応じて設定された出力演算値Ｖｏｃを演算する演算手段と、ジョイスティックが中立位置から傾倒される操作開始時を検出する操作開始時検出手段を備え、演算手段は操作開始時に出力演算値Ｖｏｃをジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃに応じた設定値より高め、演算された出力演算値Ｖｏｃに応じて比例ソレノイドを駆動し、比例ソレノイドにしきい値に相当する電流Ｉが流れたことを判定して出力演算値Ｖｏｃをジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃに応じた値にする構成としている。これによって、ジョイスティックの操作開始時に、出力演算値Ｖｏｃを瞬間的に高めて、制御応答性を高められる。そして、ジョイスティック電圧入力値Ｖｉの変化に対して出力演算値Ｖｏｃの変化が遅れるため、ジョイスティックの急な操作に対して、制御応答性が過敏になることを抑えられる。なお、入力手段において平均値を算出するデータの個数を変更することで、制御応答性を容易に変えることができる。
また、演算手段は操作開始時に出力演算値Ｖｏｃを略最大値まで高める構成としている。これによって、ジョイスティックの操作開始時に、出力演算値Ｖｏｃが瞬間的に高まるため、制御応答性を高められる。そして、ジョイスティック電圧入力値Ｖｉの変化に対して出力演算値Ｖｏｃの変化が遅れるため、ジョイスティックの急な操作に対して制御応答性を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
Ｆｉｇ．１は、この発明にかかるシステム図である。Ｆｉｇ．２は、入力回路の処理ルーチンを示すフローチャートである。Ｆｉｇ．３は、演算回路の処理ルーチンを示すフローチャートである。Ｆｉｇ．４は、ジョイスティック電圧入力値Ｖｉと出力演算値Ｖｏｃおよび油圧シリンダの変位量Ｓの関係を示す特性図である。Ｆｉｇ．５は、比較例におけるジョイスティック電圧入力値Ｖｉと出力演算値Ｖｏｃおよび油圧シリンダの変位量Ｓの関係を示す特性図である。Ｆｉｇ．６は、ジョイスティックを操作してからの時間ｔと油圧アクチュエータの変位量Ｓの関係を示す特性図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
Ｆｉｇ．１はジョイスティック入力器の信号処理装置を含むシステム図である。油圧シリンダ２２はフォークリフト等の作業機械に設けられるアクチュエータである。比例電磁弁２０は一対の比例ソレノイド２１を介して油圧シリンダ２２に給排される作動油の流れを切換て油圧シリンダ２２の伸縮作動方向を制御する。さらに比例電磁弁２０は各比例ソレノイド２１に流れる励磁電流に応じて作動油の流量を調節して油圧シリンダ２２が伸縮作動する速度を制御する。
Ｆｉｇ．１において、１０はオペレータによって操作されるジョイスティックである。１１は中立位置から傾倒されるジョイスティック１０の操作量に応じたジョイスティック電圧入力値Ｖｉを出力するジョイスティック入力器である。１２はジョイスティック入力器１１からのジョイスティック電圧入力値Ｖｉに応じて比例ソレノイド２１を励磁する電流Ｉを制御するコントローラである。
コントローラ１２は、ジョイスティック入力器１１からのジョイスティック電圧入力値Ｖｉをデジタル信号に変換する入力回路（ＡＤコンバータ）１３と、ジョイスティック電圧入力値Ｖｉに応じて設定された出力演算値Ｖｏｃを演算する演算回路１４と、演算された出力演算値Ｖｏｃをアナログ信号Ｖｏに変換する出力回路（ＤＡコンバータ）１５と、出力値Ｖｏに応じた出力電流Ｉを比例ソレノイド２１に送る駆動回路１６とを備える。
入力回路１３は所定のサンプリングタイム（例えば５ｍｓ）毎にジョイスティック電圧入力値Ｖｉを読み込み、ジョイスティック電圧入力値Ｖｉをデジタル信号のデータに変換する。
しかし、演算回路１４がこのデータをそのまま用いてジョイスティック電圧入力値Ｖｉに応じた出力演算値Ｖｏｃを演算すると、ジョイスティック入力器１１が急激に操作された場合、比例電磁弁２０によって制御される作動油流量が急変して、作業機械の動きにショックが生じるという問題点が生じた。
これに対処して、本発明の入力手段として、入力回路１３は所定のサンプリングタイム毎にジョイスティック電圧入力値Ｖｉを読み込み、例えば過去１５回に渡って読み込まれたデータと今回読み込まれたデータとの平均値を算出し、算出結果をジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃとして演算回路１４に出力する。これにより、ジョイスティック電圧入力値Ｖｉの変化に対して出力演算値Ｖｏｃの変化が遅れるため、比例電磁弁２０の作動を遅らせる。
なお、本発明の入力手段として、演算回路１４において、ジョイスティック電圧出力値Ｖｉｃを演算する構成としてもよい。
Ｆｉｇ．２のフローチャートは入力回路１３の処理ルーチンを示しており、所定のサンプリングタイム毎に実行される。
ステップＳ１でジョイスティック電圧入力値Ｖｉを読み込む。ステップＳ２で例えば過去の１５回に渡って読み込まれたデータの和に今回読み込まれたデータを加えた合計値を１６で割った平均値をジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃとして算出する。ステップＳ３で入力回路１３の割り込みを許可する。
例えば、ジョイスティック入力器１１が急激に操作されてジョイスティック電圧入力値Ｖｉが０からＸに変化した場合、１回目のサンプリングが行われるとジョイスティック電圧演算値ＶｉｃはＸ／１６となり、２回目のサンプリングが行われるとジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃは２Ｘ／１６となり、やがて１６回目のサンプリングが行われるとジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃは１６Ｘ／１６（＝Ｘ）となる。サンプリングタイムを５ｍｓとすると、１６回のサンプリングが行われるのに要する時間は５×１６＝８０ｍｓとなり、８０ｍｓが経過した後にジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃが収束する。このため、比例電磁弁２０は８０ｍｓかけて作動し、比例電磁弁２０によって作動油流量が調節される。
このように、ジョイスティック入力器１１からのジョイスティック電圧入力値Ｖｉの変化に対して演算回路１４で算出される出力演算値Ｖｏｃの変化が遅れるため、ジョイスティック１０の急な操作に対して、比例電磁弁２０によって制御される作動油流量が急変せず、作業機械の動きにショックが生じない。
入力回路１３において平均値を算出するデータの個数を変更することで、比例電磁弁２０の作動応答性を容易に変えられる。つまり、平均値を算出するデータの個数を少なくすることにより、比例電磁弁２０の作動応答性が高まる。平均値を算出するデータの個数を多くすることにより、比例電磁弁２０の作動応答性が低くなる。
入力回路１３は過去の所定回数に渡って読み込まれたデータと今回読み込まれたデータとの平均値をサンプリングタイム毎に算出し、この算出結果を演算回路１４に随時出力する。
演算回路１４は入力回路１３から送られるジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃに応じて出力演算値Ｖｏｃを演算する。
ところで、ジョイスティック１０が中立位置から傾倒されて、ジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃが中立範囲から中立範囲外に入る操作開始時に、Ｆｉｇ．５に示すように、ジョイスティック入力器１１からのジョイスティック電圧入力値Ｖｉがステップ状に立ち上がる。しかし、比例ソレノイド２１のコイルに生じる誘導抵抗によって比例ソレノイド２１に流れる出力電流Ｉの立ち上がりが遅れる。さらに、比例電磁弁２０にその弁体をわずかに動かしても作動油の流れが切換わらないオーバラップ部があるため、ジョイスティック１０が中立位置から傾倒される操作開始時に比例電磁弁２０の切換応答性が十分に得られず、油圧シリンダ２２の動作開始が遅れる。
これに対処して、ジョイスティック１０が中立位置から傾倒される操作開始時を検出する操作開始時検出手段を備え、演算回路１４は操作開始時に出力演算値Ｖｏｃを略最大値に高めて、比例ソレノイド２１に最大定格電流を瞬間的に流すようにし、制御応答性を高める。
ジョイスティック１０の操作開始時検出手段として、比例ソレノイド２１と直列に接続される検出抵抗１７と、検出抵抗１７の両端電圧を増幅する増幅器１８と、増幅された電圧と出力回路１５から出力されるしきい値電圧を比較する比較器１９とを備える。増幅器１８からは出力電流Ｉに相当する電圧が比較器１９に出力されるとともに、ジョイスティック１０が中立範囲外にある操作時に出力回路１５からしきい値電圧が比較器１９に出力される。比較器１９は増幅器１８からの電圧がしきい値電圧を超えて上昇するかどうかを判定し、この判定結果をデジタル信号として演算回路１４にフィードバックする。
本発明の演算手段として演算回路１４は、比較器１９から信号を基にジョイスティック１０が中立範囲外にあり、比例ソレノイド２１にしきい値相当の電流Ｉが流れるまでの操作開始時に、出力演算値Ｖｏｃを比例ソレノイド２１に最大定格電流が流れる略最大値にする。演算回路１４は比例ソレノイド２１にしきい値相当の電流Ｉが流れると、出力演算値Ｖｏｃをジョイスティック電圧入力値Ｖｉに応じた設定値に戻す。
なお、操作開始時の出力演算値Ｖｏｃは必ずしも略最大値まで高めなくても、要求される比例電磁弁２０の切換応答性に応じてジョイスティック電圧入力値Ｖｉに応じた設定値より高い範囲内で任意に設定してもよい。
Ｆｉｇ．３のフローチャートは演算回路１４の処理ルーチンを示しており、一定周期毎に実行される。
ステップＳ１１で入力回路１３から送られるジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃを読み込む。ステップＳ１２でジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃに応じた出力演算値Ｖｏｃを計算する。
ステップＳ１３で比較器１９からのフィードバック信号を読み込む。ステップＳ１４で比例ソレノイド２１にしきい値に相当する電流Ｉが流れたかどうかを判定する。
ジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃが立ち上がり比例ソレノイド２１にしきい値に相当する電流Ｉが流れるまでは、ステップＳ１５に進んで出力演算値Ｖｏｃを略最大値にする。
そして、出力演算値Ｖｏｃが立ち上がって比例ソレノイド２１にしきい値に相当する電流Ｉが流れると、ステップＳ１６に進んで出力演算値Ｖｏｃをジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃに応じた値にする。
Ｆｉｇ．４に示すように、ジョイスティック１０の操作開始時にジョイスティック入力器１１からのジョイスティック電圧入力値Ｖｉｃが立ち上がるのに伴って、出力演算値Ｖｏｃが略最大値まで瞬間的に立ち上がり、比例ソレノイド２１に最大定格電流Ｉが瞬間的に流れる。これにより、ソレノイド２１のコイルに生じる誘導抵抗の影響を小さくし、比例電磁弁２０に流れる電流Ｉが速やかに立ち上がる。
比例電磁弁２０は各ポジションの間に弁体がわずかに摺動しても作動油の流れが切換わらないオーバラップ部がある。ジョイスティック１０の操作開始時に、比例電磁弁２０に流れる電流Ｉが速やかに立ち上がることにより、弁体がオーバラップ部を速やかに移動し、ポジションの切換応答性を高められ、油圧シリンダ２２の動作開始を速められる。この結果、Ｆｉｇ．６に実線で示すように、油圧シリンダ２２が動き始めるのにかかる時間が短くなる。一方、弁体がオーバラップ部を移動した後は、ジョイスティック１０の急な操作に対して、比例電磁弁２０に流れる電流Ｉが急変することが抑えられ、油圧シリンダ２２の動きが過敏になることを抑えられる。この結果、ジョイスティック１０の操作に対して、作業機械が動作を開始する応答性を高めることと、動作開始後の動きを円滑にすることを両立できる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかるジョイスティック入力器の信号処理装置は、フォークリフトやパワーショベル等の作業機械の制御装置として有用であり、特に比例電磁弁を介して油圧アクチュエータの作動を制御するコントローラに用いるのに適している。

Claims (2)

1. ジョイスティック（１０）が中立位置から傾倒される操作量に応じてジョイスティック電圧入力値Ｖｉを変化させるジョイスティック入力器（１１）と、ジョイスティック電圧入力値Ｖｉをサンプリングタイム毎に読み込み、過去所定回数に渡ってサンプリングタイム毎に読み込まれたジョイスティック電圧入力値Ｖｉの平均値をジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃとして出力する入力手段（１３）と、ジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃに応じて設定された出力演算値Ｖｏｃを演算する演算手段（１４）と、ジョイスティック（１０）が中立位置から傾倒される操作開始時を検出する操作開始時検出手段とを備え、演算手段（１４）は操作開始時に出力演算値Ｖｏｃをジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃに応じた設定値より高める構成とし、演算された出力演算値Ｖｏｃに応じて比例ソレノイド（２１）を駆動し、比例ソレノイド（２１）にしきい値に相当する電流Ｉが流れたことを判定して出力演算値Ｖｏｃをジョイスティック電圧演算値Ｖｉｃに応じた値にする構成としたことを特徴とするジョイスティック入力器の信号処理装置。
2. 演算手段（１４）は操作開始時に出力演算値Ｖｏｃを略最大値に高める構成とたことを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック入力器の信号処理装置。

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