JP3888700B2 - 液圧動力制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には液圧装置の制御装置に関し、特定的には感知したパラメタに応答して装置動作を変更する液圧制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液圧で制御される装置を有する大きい建設機械は、内燃機関によって駆動される１もしくはそれ以上の可変吐出量液圧ポンプを含むことが多い。オペレータが１もしくはそれ以上のレバー、または他の入力装置を通して液圧で制御される装置を操作すると、液圧装置はそれに応答して液圧流体の流れを適切な液圧回路へ導く。従って、オペレータは適切な入力装置を操作することによって、装置を所望の方向へ規定された速度で運動させ、所望量の力を加えることを要求する。
要求された液圧出力が増加するにつれて液圧制御装置は、作動流体の流量を増加させるように可変吐出量液圧ポンプの吐出量を増加させる。液圧ポンプを駆動するのに必要な回転力（もしくはトルク）の量は、圧力及び流量の関数であるから、流量及び圧力が増加するにつれて内燃機関にはより大きい荷重が加わる。従って、機関荷重は流体の流量及び圧力の関数である。
多くの動作状態の下では、液圧動力（もしくはパワー）の量は、その機関速度において発生可能な機関の動力の量を超える。このような事態が発生すると、機関の回転速度はそのラグ曲線すなわち負荷対回転数曲線に沿って低下する。この状態は当分野においては機関ラグ（lug）として公知である。もし要求された動力が高過ぎれば、極端な場合には機関は実際に失速しかねない。
【０００３】
熟練したオペレータは、機関速度の低下を感知すると機関の失速を回避するために典型的には液圧装置が要求する動力の量を減少させる。この動作は機関の失速を回避するが、熟練したオペレータでさえ補償し過ぎてしまうために、装置が真に遂行できる液圧作業の量を不必要に低下させることになる。その結果、機械の生産性が低下する。
機関ラグ中に燃料混合体の燃焼効率が低下し始め、その結果排出物質が過渡的に増加し、燃料の経済性が低下する。従って、排出物質及び燃料消費を低下させるには機関ラグを排除することが望ましい。
しかしながら機関ラグは、機関が最高の能力で動作中であることを指示するので、オペレータにとってはある程度の機関ラグが望まれる。機関ラグがないと、オペレータは最大の作業量を遂行しつつあることを認識することが極めて困難になる。従って排出物質及び燃料消費を制限しながら最大の作業努力がなされていることを指示するためには、ラグの程度を管理しなければならない。
従来の制御装置は、全ての関連パラメタを含んでいないことから、この問題に完全に取り組んではいなかった。典型的な液圧装置は複雑であり、動作状態を指示することができる感知可能な多くのパラメタを含んでいる。制御装置の分野においては公知のように、もし制御アルゴリズムに若干のキーパラメタを使用すれば、総合装置をより効率的に、且つより効果的に制御することができる。
【０００４】
従来の液圧装置制御装置は、多くの使用可能な感知されたパラメタを使用して機関速度を制御するように完全に統合されてはいなかった。例えば、若干の従来技術装置は機関速度のみに応答して、もしくは吐出圧のみに応答して各シリンダ内に噴射される燃料の量を制御するが、これらの両パラメタに同時に応答することはない。ターボチャージャブースト圧、及びポンプ斜板（もしくはスワッシャ）吐出量の両方もしくは何れか一方を使用する従来技術は存在していない。同様に、ポンプ吐出量を変更するのに機関速度のずれ、及びポンプ吐出圧には応答させているが、ブースト圧は無視していた。これらの装置は程々に効果的ではあるが、これらの装置が装置効率を最大にすることはなく、機関速度、及びポンプ吐出量のオーバーシュート及び振れの両方もしくは何れか一方の問題に起因して、機関速度の精密な制御を困難にしている。
図１を参照する。理想的な機関アンダースピード制御装置は、機関ラグを完全に排除して機関速度が実質的に決してＳ１以下に降下しないようにするか、もしくは、オーバーシュート及び振れを最小にしながら機関速度がＳ１からＳ０（Ｓ０は機関の最高馬力）まで直接降下することを可能にする。機関速度のような１つの感知したパラメタだけを使用する比較的単純な装置ではオーバーシュート及び振れは典型的に極めて大きく、最初の段階でＳ１からＳ３まで降下するプロットによって表される。キー装置パラメタの測定が多い程、また制御をこれらのパラメタにより多く応答せしめる程、オーバーシュート及び振れをより減少させることができる。中間の装置は、初めにＳ１からＳ２まで降下し、最後にＳ０に落ちつくプロットによって示されている。上述したようにＳ０は、燃料消費を低下させず、また排出物質を大きく増加させることなく最高の動力出力の指示を与えるレベルに選択することができる。
【０００５】
本発明は上述した諸問題の１もしくはそれ以上を解消することを目的としている。
【０００６】
【発明の開示】
本発明は、液圧装置の動作中の機関ラグを制御するために液圧装置を制御する順応性のある応答装置を提供する。有利なことには、この液圧装置の改良された制御を通して排出物質は減少し、オペレータ生産性が増大する。
本発明の一面においては、機関と、可変吐出量ポンプとを有する液圧装置を制御する装置が提供される。本装置は、機関の荷重を指示するパラメタ信号を発生するセンサと、機関荷重が所定のレベルより大きく増加したことに応答して可変吐出量ポンプの吐出量を変化させるポンプ制御装置とを含む。ポンプ制御装置の応答は、機関が所定の動作状態に到達できるように制限される。
本発明は、以下の説明及び添付図面の詳細な検討から明白になる他の特色及び長所をも含む。
【０００７】
【実施例】
図２に、液圧動力制御装置全体を１０で示す。例えば液圧掘削機のような大きい建設機械は、典型的には、１もしくはそれ以上の可変吐出量液圧ポンプ１４を公知の手法で駆動する内燃機関１２を含む。内燃機関１２がターボチャージャ（図示してない）を含み、また可変吐出量液圧ポンプ１４がポンプ吐出量を変化させるために回転可能な斜板を含むと有利である。
本発明によれば、液圧動力制御装置１０は包括的に１６で示すポンプパラメタセンサと、包括的に１８で示す機関パラメタセンサとを含む。好ましい実施例ではポンプパラメタセンサ１６は、液圧ポンプ１４を去る液圧流体の圧力を指示するポンプ吐出しセンサと、液圧ポンプ１４の吐出量（斜板角度）の程度を指示するポンプ吐出量センサとを含む。機関パラメタセンサ１８は、ターボチャージャの下流の機関１２の吸込マニホルドに配置されているブースト圧センサと、周囲大気圧センサと、機関速度センサとを含むことが好ましい。しかしながら、液圧パワー装置を効果的に制御するために他の組合せも使用可能である。
好ましい実施例では機関速度センサは、クランク軸速度に比例する機関内の歯車歯の運動に感応する磁気ピックアップ装置である。ブースト圧、周囲大気圧、及び吐出圧センサは、感知した圧力レベルに比例するデューティサイクルを有する公知の型のパルス幅変調圧力センサであることが好ましい。斜板吐出量センサは、ポンプ吐出量を表す電圧信号を発生する線形差動可変変成器（ＳＶＤＴ）であることが好ましいが、リゾルバもしくは回転エンコーダのような他の回転装置も使用可能である。
【０００８】
１もしくはそれ以上のポンプセンサ１６及び機関センサ１８はパラメタ信号を発生し、これらの信号は機関フィードフォワード制御装置２０及びポンプフィードフォワード制御装置２２へ入力される。機関フィードフォワード制御装置２０は機関調速機２４への入力を供給し、機関調速機２４はそれへの入力に応答して内燃機関１２内に噴射される燃料の量を変更する。ポンプフィードフォワード制御装置２２はポンプ吐出量制御装置２６への入力を供給し、ポンプ吐出量制御装置２６はそれへの入力に応答して、可変吐出量液圧ポンプ１４の吐出量を制御する。
制御装置と、感知されたパラメタとのこの統合によって、感知された荷重が使用可能な動力を超えたことに応答して装置をより効果的に動作させ、また機関速度のアンダーシュート及び振れを減少させることができる。例えば、ブースト圧をポンプフィードフォワード制御装置への入力として使用することによって、液圧装置に加わる荷重が急激に増加した時に、ポンプ吐出量が増加する前にブースト圧を強めることが可能になる。もし最初にブースト圧を強めることができずに荷重が鋭く増加すれば、荷重のサージが原因で、噴射される燃料の量に対する空気の量が不十分になるので排出物質が増加する。一般に、この状態に対してはタイミングが前進するので、燃焼温度が高められる。
【０００９】
同様に、ポンプの吐出圧及び吐出量が機関フィードフォワード制御装置２０に使用され、液圧荷重が機関の最高動力出力を超えて増加することを先行予測する信号が機関調速機２４へ供給される。両フィードフォワード制御装置２０、２２は機関速度によって補足され、制御は更に改善される。例えば、ポンプ応答を緩速にして急速な荷重の変化に機関を追随させ、それによって機関速度の振動的な応答を減少させることができる。
好ましい実施例における機関速度及びポンプ吐出量フィードフォワード制御装置２０、２２は、制御装置の分野においては公知である比例、積分、及び微分（ＰＩＤ）型の制御装置である。一般的なＰＩＤ制御装置を図３に示す。フィードフォワード制御装置に多くのセンサ入力が接続される場合には、それらの入力パラメタのためのそれぞれのＰＩＤ制御機能が適切なデジタル低域通過雑音フィルタと共に並列に接続され、それぞれの出力が合計される。
制御装置の各比例、積分、及び微分成分毎のそれぞれの係数は、公知のジーグラ・ニコルス調整技術を使用して経験的に、もしくは根軌跡( root locus )及びボーデ設計方法を使用して解析的に、の何れかで決定する。後者の場合、液圧動力装置の多くの異なる動作点において周波数応答測定を行い、情報のデータベースを生成して、このデータベースから信号解析器を使用して動的モデルを合成する。
【００１０】
伝達関数の群は装置の最良・最悪例開ループダイナミックスを記述している。好ましい実施例では、動的モデルは、被試験装置の最良及び最悪応答特性（伝達関数測定）の両方を使用する標準曲線近似技術によって求めている。各制御係数は、特定の液圧動力装置のために高度に最適化されている。
ＰＩＤアルゴリズムの各比例、積分、及び微分成分は、必ずしも含む必要がないことを理解されたい。換言すれば、１もしくはそれ以上の成分が制御動作にそれ程寄与しないこと、従って計算の複雑さを最小にするためには制御から排除すべきであることを、上述した設計方法から決定することができる。
制御法則及び係数の導出例として、入力が指令された設定であり、出力が機関速度であるような動的装置によって機関速度制御をモデル化することができる。入力信号は市販されている試験装置が発生する掃引符号関数であることが好ましい。機関速度応答特性を信号解析器に印加して開ループ伝達関数を発生させることができる。解析器によってこの伝達関数に曲線を近似させ、プロセスダイナミックスを記述する常微分方程式の係数を求める。根軌跡及びボーデ設計方法を使用してＰＩＤ利得を決定することができる。
【００１１】
同様に、ポンプ吐出圧の関数として機関速度をモデル化し、これらのパラメタ間の動的な関係を記述する伝達関数を求めることができる。機関速度及び指令された燃料噴射に関する情報を使用して、噴射される燃料の量をポンプ吐出圧の変化に応答して先行予測的に変更し、機関速度のアンダーシュートを最小にするようにＰＩＤ制御を設計することができる。このようなＰＩＤ制御は、液圧動力要求が実際に最高機関出力動力を超える点に到達する前に、噴射される燃料の量を増加せしめる。
同様に、機関調速機は、荷重を段階的に変化せしめてその応答を求めることができる。この機関調速機応答特性は、機関速度を所与のレベルまで低下させるのに要した時間の長さのルックアップテーブルを作成するために写像することができる。ラグを完全に排除するのではなく、所定量のラグを許容するようにこのテーブルを制御アルゴリズムの設計に使用することができる。これはＰＩＤ制御法則係数に変化を与えることによって達成することが好ましい。遅延の量は、吐出圧に伴う機関応答に相関する経験的な表データに応答して選択することが有利である。荷重の段階的な変化に追随するようにブースト圧を強めることを可能にするのに要する遅延も同様にして求め、荷重の急速な増加によってもたらされる過渡的な排出物質及び燃料の消費を減少させることができる。
【００１２】
オペレータがＳ０を選択できるようにするオペレータインタフェース２７を含むことも有利である。オペレータインタフェース２７は、所望の機関動作速度Ｓ０を表す信号を機関及びポンプ吐出量フィードフォワード制御装置２０、２２へ供給するポテンショメータに接続されているダイヤルもしくはレバーを含むことができる。ＰＩＤ制御の係数をオペレータインタフェース２７からの信号に応答して変更し、所望の機関速度アンダーシュート及び整定時間特性を与えることができる。好ましい実施例では、これらの係数はルックアップテーブル内に含まれており、オペレータインタフェース２７から受信することができる考え得る各信号もしくは信号の範囲に相関させている。
図４及び５を参照してポンプ制御装置を説明する。制御機能はＣ言語を使用してプログラムされたモトローラ社製の１６もしくは３２ビットマイクロプロセッサ（図示してない）を使用してデジタル的に実現することが好ましい。機関速度センサ２８が発生する信号は公知のようにして処理され、マイクロプロセッサによって処理できる機関速度を表す信号にされる。機関速度センサからの実際の機関速度は所望の機関速度と比較される。
【００１３】
好ましい実施例では単一の所望機関速度信号が使用され、機関ピーク馬力動作点に対応させている。しかしながら、複数の所望機関速度を使用し、考え得る各絞り（もしくはスロットル）設定もしくは絞り設定範囲に対応させることもできる。もし実際の機関速度が所望の機関速度よりも小さければ、機関・ポンプアンダースピード制御装置は実際機関速度と所望機関速度との間の差を計算し、機関速度誤差を発生する。機関速度誤差はＰＩＤアンダースピード制御装置３０へ供給される。上述したようにＰＩＤアンダースピード制御装置３０の係数は、装置ダイナミックスの経験的測定から導出されており、比例、積分及び微分成分を含むことが好ましい。
もし実際の機関速度が所望の機関速度より大きければ、実際の機関速度は所望の機関速度に等しくセットされ、結果的にアンダースピード命令は０に等しくなる。従って、ポンプ吐出量が実際の機関速度によって影響されることはない。
ＰＩＤアンダースピード制御装置３０からのアンダースピード命令は、液圧制御装置３２からの命令と組合わされて所望の斜板吐出量量が求められる。好ましい実施例では液圧制御装置３２は、制御レバーもしくは他の入力装置を通してオペレータが要求したポンプ吐出量を表す信号を発生する。実際には、液圧制御装置３２からの信号は、要求された液圧流体の流量の合計を表している。
【００１４】
所望の斜板吐出量量には、高圧締切写像( cut-off map ) ３４から受信した信号が乗じられる。高圧締切写像３４は、公知の型の低域通過雑音フィルタ３８を通してポンプ吐出圧センサ３６から信号を受信する。高圧締切写像３４は、ポンプ吐出圧に応答して０と１との間の出力を発生する。殆どの圧力の場合には出力は１であるが、もしポンプ吐出圧が所定の高圧レベルを超えれば出力は減少し始め、最終的には第２の所定の高圧レベルである０に到達する。これは装置回路内の安全弁を通して流体をポンプすることによるエネルギの浪費を回避する。
所望のポンプ吐出量と高圧締切写像出力とを乗じた積から、実際の斜板吐出量量を減算することによって斜板誤差が決定される。実際のポンプ吐出量は、ポンプ吐出量センサ４０からの信号に応答して決定され、低域通過雑音フィルタ４１を含むことが好ましい。
斜板誤差は、比例、積分及び微分成分を有するＰＩＤ制御装置４２へ供給される。もし所望のポンプ吐出量が所定の定数より小さければ、被積分関数初期状態を０に等しくセットすると有利である。ＰＩＤ制御装置４２は、機関アンダースピード状態を修正するのに必要な吐出量の適切な変化に対応する出力を供給する係数を含むことが好ましい。
【００１５】
ＰＩＤ制御装置４２の出力は、ポンプフィードフォワード制御装置２２からの出力と組合わされる。ポンプフィードフォワード制御装置２２からの出力は、ポンプ吐出圧に応答して将来過荷重状態（液圧パワーが機関パワーを超える）を予測すると共に、荷重の急激な増加に応答してブースト圧を増加させることを可能にする。ポンプフィードフォワード制御装置２２は、ポンプ吐出圧センサ３６、ブースト圧センサ４４、及び周囲大気圧センサ４５から入力を受ける、即ち多入力・単一出力制御アルゴリズムであることが好ましい。ポンプ吐出圧に応答するポンプフィードフォワード制御装置２２の部分が比例及び微分成分を含み、吐出圧が所定の率よりも大きい率で変化する場合には、微分成分だけを適用すると有利である。ブースト圧に応答するポンプフィードフォワード制御装置２２の部分が、同じような制御動作を含むと有利である。係数は、根軌跡及びボーデ設計方法を使用して経験的に生成したモデルから決定する。
ポンプフィードフォワード制御装置２２は、吐出圧の関数として制御弁５０を駆動する。吐出圧が上昇し、ブースト圧が下降すると、フィードフォワードは機関に加わる荷重の増加を予測して、ポンプを迅速にデストローク( destroke )する。吐出量に作用する閉ループ制御は、過渡的な荷重変動が終了するとポンプを所望の吐出量へ戻すように動作する。
【００１６】
ポンプフィードフォワード制御装置２２及びＰＩＤ制御装置４２の組合わされた出力を表す信号は弁変形装置４６へ印加される。弁変形装置４６は、ポンプ制御ハードウェアの安定状態動作の写像を含み、電気・液圧ポンプ制御装置の挙動を線形化するのに役立つ。即ち弁変形装置４６はハードウェアのその他の利得変化を補償し、制御の安定性を維持するのに役立っているのである。
弁変形装置４６からの出力は弁駆動装置４８へ印加される。弁駆動装置４８はそれに応答して制御弁５０の所望の運動に対応する電流レベルを有する信号を発生し、可変吐出量液圧ポンプ１４の吐出量を変化させる。制御弁５０は、公知の型のソレノイド作動圧力減少液圧弁である。好ましい実施例では、制御弁５０及び液圧ポンプ１４は、弁駆動装置４８への信号が０である時にはポンプが完全吐出量し、弁駆動装置４８への信号が最大電流である時には流量が０であるように設計されている。
図６に示す機関制御装置は、オペレータが所望の機関速度を入力できるようにする公知の型の絞り５２を含んでいる。
好ましい実施例では機関調速機５８は、ＰＩＤガバナ６０、回転力写像６２、煙( smoke ) 写像６４、機関フィードフォワード制御装置２０、及びラックリミタ( rack limiter )６６を含む。ＰＩＤガバナ６０は、絞り５２からの所望の機関速度と、機関速度センサ２８からの信号によって指示される実際の機関速度とに応答して発生された機関速度誤差信号を受ける。ＰＩＤガバナ６０は、この機関速度誤差信号に応答して噴射持続時間信号を発生し、この噴射持続時間信号は機関フィードフォワード制御装置２０からの補足燃料信号と組合わされる。ＰＩＤガバナ６０は、比例、積分及び微分成分を含むと有利である。係数は、機関速度の変化を補償するのに適切な噴射持続時間が得られるように経験的に決定される。
【００１７】
機関フィードフォワード制御装置２０は、機関速度誤差と、ポンプ吐出量センサ４０及びポンプ吐出圧センサ３６からの入力を受信することが好ましい。各入力パラメタ毎に機関フィードフォワード制御装置内に組入れられているＰＩＤ制御装置は並列に接続され、それらの出力が合計されるようになっている。ポンプ吐出圧及び吐出量は過荷重状態を予測して機関ラグ特性を制御するために使用され、機関速度誤差は機関ラグ特性を制御するのに使用される。
回転力写像６２は、噴射持続時間対機関速度のルックアップテーブルを含み、機関速度に対する最大許容ラック設定を指示して最大回転力を超えないようにする。
煙写像６４は、吸込マニホルド圧、大気圧及び機関速度信号を受信し、複数の機関速度における噴射持続時間対ブースト圧のルックアップテーブルを含む。所与のブースト圧及び機関速度に対応する噴射持続時間は、過大な特定排出物質を防ぐように選択される。
ラックリミタ６６は、受信した３つの噴射持続時間信号の中の小さいものを選択し、選択された信号を公知の型の燃料噴射制御装置６８へ印加して内燃機関１２内へ噴射される燃料の量を制御する。
【００１８】
動作を説明する。本発明は、建設機械の液圧動力ユニットを制御して、液圧動力要求が使用可能な機関の馬力を超えた時に機関の失速を阻止する。液圧動力ユニットは、内燃機関と、１もしくはそれ以上の可変吐出量液圧ポンプとを含む。制御は、機関速度アンダーシュート及び振れを減少させるために機関速度及びポンプ斜板吐出量量を制御するのに使用される複数の動作パラメタを増加させることによって改善される。同様に、制御は、液圧動力が使用可能な機関馬力を超えるレベルに実際に到達する前に、液圧装置、特に機関調速機制御装置及びポンプ吐出量制御装置を応答せしめることによって改善される。改善された液圧装置は生産性を向上させ、機関及びポンプ制御装置を調整することによって排出物質及び燃料消費を低下させる。
以上に本発明を主として液圧掘削機に関連して説明したが、本発明は殆どの機関及び液圧ポンプ配列において実現できることを理解されたい。同様に、本発明を１つの可変吐出量液圧ポンプだけに関連して説明したが、多くの建設機械、特に液圧掘削機は複数の可変吐出量液圧ポンプを含んでいることを理解されたい。本発明の他の面、目的、長所及び用途は添付図面、以上の説明、及び特許請求の範囲から明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】機関速度を時間に対して示すグラフである。
【図２】統合された機関及び液圧ポンプ制御装置の概要図である。
【図３】一般的な比例、積分、及び微分制御装置の概要図である。
【図４】ポンプ吐出量制御装置の一部の概要図である。
【図５】図４の続きである。
【図６】機関ラック制御装置の概要図である。
【符号の説明】
１０ 液圧パワー制御装置
１２ 内燃機関
１４ 可変吐出量ポンプ
１６ ポンプパラメタセンサ
１８ 機関パラメタセンサ
２０ 機関フィードフォワード制御装置
２２ ポンプフィードフォワード制御装置
２４ 機関調速機
２６ ポンプ吐出量制御装置
２７ オペレータインタフェース
２８ 機関速度センサ
３０ ＰＩＤアンダースピード制御装置
３２ 液圧制御装置
３４ 高圧締切写像
３６ ポンプ吐出圧センサ
３８ 雑音フィルタ
４０ ポンプ吐出量センサ
４１ 雑音フィルタ
４２ ＰＩＤ制御装置
４４ ブースト圧センサ
４５ 大気圧センサ
４６ 弁変形装置
４８ 弁駆動装置
５０ 制御弁
５２ 絞り
５８ 機関調速機
６０ ＰＩＤガバナ
６２ 回転力写像
６４ 煙写像
６６ ラックリミタ
６８ 燃料噴射制御装置

Claims (2)

1. 機関及び可変吐出量ポンプを有する液圧装置を制御する装置であって、
   液圧装置動作パラメタを感知し、それに応答して機関に加わる負荷を表すパラメタ信号を発生する手段と、
   上記機関に加わる負荷を表すパラメタ信号が所定量のラグを超えて増加したことに応答して可変吐出量ポンプの吐出量を変化させるポンプ制御装置と、
   機関が所定の動作状態に到達できるように上記ポンプ制御装置の応答を制限する遅延手段と、
   オペレータが上記所定量のラグを調整することを可能にするオペレータインタフェースと
   を備えていることを特徴とする液圧装置を制御する装置。
2. 可変吐出量ポンプとターボチャージャを有する機関とを有する液圧装置を制御する装置であって、
   液圧装置動作パラメタを感知し、それに応答して機関に加わる負荷を表すパラメタ信号を発生する手段と、
   上記ターボチャージャのブースト圧を感知し、それに応答してターボチャージャブースト圧信号を発生する手段と、
   上記機関に加わる負荷を表すパラメタ信号が所定量のラグを超えて増加したことに応答して可変吐出量ポンプの吐出量を変化させるポンプ制御装置と、
   前記ターボチャージャブースト圧信号に応答し、上記ターボチャージャブースト圧信号が所定のレベルに到達できるように上記ポンプ制御装置の応答を制限する遅延手段と、
   を備えていることを特徴とする液圧装置を制御する装置。

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