JP4339577B2 - 電気液圧コントロールシステムの圧力補償を行う装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、電気液圧コントロールシステムおよび方法に、より詳しくは、電気液圧コントロールシステムの圧力補償のシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液圧システムは、有効なパワー伝達を必要とする用途で特に有用であり、例えば、建設や工業の作業現場における過酷な環境で極めて信頼性がある。エクスカベータ、バックホーローダ、およびフロントショベルローダのような、大量の土を動かす土工機械、すなわち「作業機械」は、液圧システムの大きなパワー出力および信頼性が望まれる数例である。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第４，５８６，３３２号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
典型的に、ディーゼルまたは内燃機関は、液圧システムを作動させる。液圧システムは、次いで、パワーを送って機械の作業器具を作動させる。液圧システムは典型的に、加圧された作動液を供給するポンプと、次いでパワーを作業器具、すなわちバケットに送るアクチュエータ、シリンダ、またはモータのような液圧被作動装置への作動液の流れを制御する方向弁を含む。例えば、典型的なフロントショベルローダは、ブーム、スティック、およびバケット付属品を含む３つの基本器具回路を有する。個々の方向弁および液圧シリンダがそれぞれの付属品を制御する。オペレータは、機械的、電気的、または電気液圧的装置である１つまたはそれ以上の制御ハンドルを介して、作動液の流れ、ゆえに、各付属品の速度を制御する。制御ハンドルは、制御ハンドルの変位が、関連器具の所望の動きを表す、ゆえに、作動液の流れも表す、手動操作用の装置を提供する。
【０００５】
アクチュエータに供給される作動液の圧力および流れの変動は、液圧システムの固有特性である。これらの変動は、コントロールシステムが扱わなければならない幾つかの問題を提示する。供給圧力変動には幾つかの原因がある。例えば、液圧回路はたいてい並列に接続され、同じポンプで駆動される。各液圧回路は、その個々の動作および負荷条件を通じて、液圧供給圧力に影響を及ぼす。作業器具への変動負荷もアクチュエータ圧力に影響し、さらに所望アクチュエータ速度を生成させるのに要する流量にも影響する。例えば、作業器具は、空の状態であるか、または一杯に満たされている状態である場合もあり、その負荷は、作業器具が移動している間に変化する場合もある。
【０００６】
一致したシステム応答を得るために、固定速度要求に対してアクチュエータを移動させる固定流量の作動液を有することが望ましい。供給圧力変動や変動負荷は、流量に影響する、ゆえに、コントロールシステムに望ましくない挙動をさせる原因となる。特に、それは作業器具を正確に制御するオペレータの能力をかなり低減する。コントロールのこの欠落はまた、作業器具それ自体の不要な摩耗やはげきずを招き、それによって、その有効性を低減し、さらにその寿命を短縮させ、作業機械を維持するための全体コストを増加させる。
【０００７】
１９８６年５月６日に発行されたＳｃｈｅｘｎａｙｄｅｒの米国特許（特許文献１参照）は、圧力補償を提供するツースプール弁設計を開示している。特許文献1の図２に示されるように、方向制御スプール２４は、液圧モータ１１への作動液の流れを制御するための延長、収縮、および中立位置を有する。流量制御スプール２６は、方向制御スプール２４において所定圧力差を維持する。ポンプからの過剰な流体は、流量制御スプールによってタンクにバイパスされる。このツースプール弁設計は、負荷に関係なく方向制御スプール２４の延長および収縮位置に対し固定流量を与えようとしている。但し、その弁設計は、複雑で、システムへのコスト負担が増加する。さらに、このツースプール弁設計は、オーバーランするシリンダ負荷には適応しない。
【０００８】
幾つかのコントロールシステムは、流量制御弁を使用してシリンダへの作動液の流れ、ゆえにその速度を制御する。液圧機械作業器具装備の場合、流量弁は、調整弁と圧力補償器とから構成される。圧力補償器は、調整弁における圧力降下をほぼ一定にするように使用されるが、調整弁の開口部は様々な流量に基づいて変化し得る。電気液圧作業器具装備の場合、圧力すなわち圧力差センサが弁オリフィスにおける圧力降下を検出するために使用され、オリフィス開口部が、圧力降下と所望流量との両者に基づいて、マイクロプロセッサのような、制御装置によって決定される。但し、圧力センサおよび圧力差センサは高価である。さらに、それらは、時間の経過に伴いそれらの信頼性をかなり減少させる摩耗やはげきずを受け、その結果、それらは、このような液圧システムにおいて特有の圧力変動に対して信頼できる長期的な解決法を提供できない。
【０００９】
ゆえに、本発明は、上述の問題の１つまたはそれ以上を克服することに向けられている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態において、使用時にオペレータ入力信号を発生させるオペレータ入力制御機構の使用を通じて操作される電気液圧器具を装備した作業要素の圧力変動を制御する方法が開示されている。作業要素は、連結され、動作を制御するためのアクチュエータ装置を含む。この方法は、アクチュエータ装置の所望速度と実速度とを決定するステップと、所望速度と実速度を比較するステップと、比較された所望速度と実速度との間の差を表すコンパレータ出力信号を発生させるステップと、実速度と所望速度との間の比率を表す圧力補償係数を計算するステップと、入力流速度制御信号を生成するために圧力補償係数によってコンパレータ出力信号を修正するステップと、弁に入力流速度制御信号を入力するステップとを含む。
【００１１】
本発明をより理解するために、添付図面を参照することができる。
【００１２】
本発明の他の形態、目的、および利点は、図面、明細書、および特許請求の範囲を検討によって得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、フロントショベルローダのような、典型的な作業機械１０が示される。作業機械１０はメインフレームすなわち主本体部分１２を含み、それはオペレータ室２６を含み、そこからオペレータが作業機械１０の動作を制御するだけでなく、これらの全てが通常の方法で図１に示されるように共に接続される器具すなわちフロントショベル１４、ブーム１６およびスティック１８のような幾つかの作業要素の操作および動作も制御する。器具１４、ブームリンク機構１６、およびスティックリンク機構１８の全ては、器具アクチュエータ装置２０、ブームアクチュエータ装置２２、およびスティックアクチュエータ装置２４の操作を制御する１つまたはそれ以上の液圧回路（図示せず）を介して、それらに各々接続された電気液圧制御弁を介して制御される。これに関して、１つまたはそれ以上の液圧ポンプは、様々な電気液圧制御弁に圧力下で作動液を供給し、それらの弁の操作は典型的に、特定の作業要素すなわち器具に連結された作動シリンダ、モータ、または他の作動装置への流体の流れを制御するために制御弁の弁作動装置に適切な信号を出力する電子制御装置または他の処理装置の使用を通じて電気的に制御される。作動シリンダ、モータ、または他の作動装置への流体の圧力は本発明の趣旨から逸脱することなく流体の流れから独立して制御可能であることが分かる。図１および２に示されるように、制御装置５８は、特定の器具すなわち作業要素の操作を制御するために使用される１つまたはそれ以上のオペレータ入力機構４０からのオペレータ入力信号を受ける。オペレータ入力機構の例は、電子ジョイスティック、制御レバー、足踏み式ペダル、または他のオペレータ入力装置を含む。制御装置５８は、関連器具の所望操作を表す弁コマンド信号を、受けたオペレータ入力信号に応じて適切な弁に送る。このようにして、弁は、器具アクチュエータ装置２０に最適量の流体流を提供してオペレータが望むように器具１４の操作を制御するように制御されても良い。本発明は、図１に示された作業機械のタイプに関して、特に、作業要素としての器具１４に関して説明されるが、本発明は、１つまたはそれ以上の電気液圧弁の使用を通じて制御された任意タイプの作業要素を有する任意タイプの作業機械とでも使用され得ることは当業者には理解されよう。
【００１４】
図２を参照するに、弁４２における流体圧力降下の変動を補償する、ゆえに、アクチュエータ装置２０にポンプ２８によって供給される作動液の流れを制御するための圧力補償器３２を使用する電気液圧コントロールシステム３０の一実施形態が例示される。一般に、コントロールシステム３０は、アクチュエータ装置２０の所望速度Ｖｉが達成されるようにポンプ２８と連通し、アクチュエータ装置２０に連結された弁４２への入力流量制御信号を決定し供給するソフトウエアを意味する。コントロールシステム３０は制御装置５８に配備されるのが好ましい。特に、弁４２は、任意タイプの調整弁であり、コントロールシステム３０から受けた入力流量制御信号に基づいて弁に流通される作動液の量を制御する可変開口部（図示せず）を定める。アクチュエータ装置２０の所望速度Ｖｉは、オペレータ入力信号に基づいて決定される。オペレータ入力信号は、オペレータ入力制御機構４０の作動時に作業機械１０のオペレータによって発生されても良い。コントロールシステム３０は、アクチュエータ装置２０の所望速度Ｖｉを、その実速度Ｖｏｆと比較する、加算接合のような、コンパレータ３６を含む。感知装置３８は、アクチュエータ装置の速度を示す特性を感知し、応答的に速度指示信号を発生させるために使用されても良い。感知装置３８は、位置センサまたは、アクチュエータ装置の速度を示すパラメータを感知できる他のタイプの装置であっても良い。コンパレータ３６は、速度指示信号によって指示されるように所望速度Ｖｉと実速度Ｖｏｆとの間の差を表すコンパレータ出力信号を発生させる。次いで、コンパレータ出力信号はコマンドジェネレータ３４に入力される。コマンドジェネレータ３４は、修正装置５０に入力されるべく離散的コンパレータ出力信号を提供する信号増幅器またはバッファとして使用されても良い。
【００１５】
図３を参照するに、一実施形態において、圧力補償器３２は、アクチュエータ装置２０の所望速度Ｖｉを表すオペレータ入力信号とアクチュエータ装置２０の実速度Ｖｏｆを表す感知装置３８の出力とを受け、それらの間の比率を計算してそのような比率を表す除算器出力信号を発生させる除算器４４を含めて良い。圧力補償器３２は、誤った決定に導くようなゼロの所望速度が除算器４４に入力されないことを確実にすべくオペレータ入力信号によって表される所望速度Ｖｉを調節するための所望速度アジャスタ５２を含んでも良い。一実施形態において、最大アクチュエータ装置速度の０．０１倍、または他の所定割合または他の因子の速度、および所望速度Ｖｉのうちのより大きな値がアジャスタ５２の出力として使用されるので、圧力補償器３２の全体性能にごく僅かな影響しか与えず、しかも所望速度信号が確実に非ゼロ値となるようになる。
【００１６】
圧力補償器３２はまた、除算器４４によって計算された比率で表された所望速度Ｖｉ、および実速度Ｖｏｆの目標ゲインを定めるテーブルまたはグラフを格納するメモリの形のゲイン決定装置４６を包含しても良い。実速度Ｖｏｆが所望速度Ｖｉに等しい場合、ゲイン決定装置４６によって決定されたゲインは１となり、弁４２における指定値からの圧力降下の変化がないことを表す。このような条件下においては、圧力補償は不要である。実速度Ｖｏｆが所望速度Ｖｉよりも大きいかまたは小さい場合、ゲイン決定装置４６によって決定されたゲインは各々１よりも小さいかまたは大きく、弁４２における圧力降下の変化を表す。そのゲインは固定値、または動的決定値であっても良い。これらの条件下では、圧力補償は、アクチュエータ装置２０の所望速度Ｖｉと実速度Ｖｏｆとの間の差を補償するために必要である。
【００１７】
ゲイン決定装置４６によって決定された目標ゲインは、ゲイン決定装置４６によって決定された目標ゲインを調節するためのゲイン調節装置４８に入力されてコントロールシステム３０の非線形性を補償し、および／または安定化限界を増加させる。一実施形態において、ゲイン調節装置４８は、一次伝達関数である。ゲイン調節装置４８は、ゲイン決定装置４６によって決定され、ゲイン調節装置４８によって調節された目標ゲインを表す圧力補償係数Ｋを発生させる。
【００１８】
再び、図２を参照するに、圧力補償器３２は、弁４２における圧力降下の変化を補償するコントロールシステム３０のフォワードループゲインの一部として働く。特に、コントロールシステム３０は、コマンドジェネレータ３４によって発生された制御装置出力信号、および圧力補償器３２によって計算された圧力補償係数Ｋを受けるための修正機構５０を含む。一実施形態において、修正機構５０は乗算器である。コマンドジェネレータ３４出力信号に、圧力補償係数Ｋを乗じて、弁４２に入力されるべく、入力流量制御信号、または弁コマンド信号を生成するので、所望速度Ｖｉがアクチュエータ装置２０によって達成される。特に、圧力補償係数Ｋはコマンドジェネレータ３４出力信号を調節して、圧力補償器３２によって決定される弁４２における圧力降下のいかなる変化も補償する。弁４２の開口部は、それが受ける入力流量制御信号の値に基づいて変化する。圧力補償器３２は閉ループコントロールシステム３０との関連で示されているが、それが開および閉ループコントロールシステムの両方との関連でも使用され得ることは当業者には理解されよう。
【００１９】
図４は、図３の圧力補償器を使用する電気液圧コントロールシステムの他の実施形態を示す。アクチュエータ装置２０’の所望速度Ｖｉは、オペレータ入力制御機構４０’の作動時に作業機械１０のオペレータによって発生されるオペレータ入力信号に基づいて決定される。コントロールシステム３０’は、オペレータ入力信号によって表される速度を調節してより平滑な入力速度信号にするオペレータ入力信号アジャスタ５４を包含しても良い。例えば、図４の実施形態において、オペレータ入力信号アジャスタの平滑化機能は、オペレータ入力制御機構４０’の非線形性を補償するために使用されても良い。図４の実施形態において、オペレータ入力信号アジャスタ５４は、一次伝達関数であり、オペレータ入力信号アジャスタ５４の出力は、所望速度Ｖｉを示す。加算接合のような、コンパレータ３６’は、アクチュエータ装置２０’の所望速度Ｖｉを実速度Ｖｏｆと比較する。
【００２０】
アクチュエータ装置２０’の実速度Ｖｏｆは、作業機械と関連付けられたリンク機構１８’と連結され、次いでアクチュエータ装置２０’および器具１４’に連結されるレゾルバセンサ６０のような、感知装置を使用して決定されても良い。アクチュエータ装置２０’の実速度Ｖｏｆを直接決定するための図２で詳述されたような直接アクチュエータ装置センサ３８を使用する代わりに、レゾルバセンサ６０は、リンク機構１８’の位置および速度を決定し、リンク部材１８’と関連付けられたアクチュエータ装置２０’の実速度Ｖｏｆは、リンク部材１８’のリンク速度および位置の関数である。その結果、アクチュエータ装置２０’の実速度は、リンク部材１８’の全体の位置および速度に基づいて決定される。
【００２１】
再び、図４を参照するに、リンク部材１８’は器具１４’に加えられた負荷を表す負荷信号を受ける。レゾルバセンサ６０は、リンク部材１８’の出力と連通して配置され、リンク部材１８’の速度および位置を感知する。レゾルバセンサ６０によって測定されたリンク部材１８’の位置を表す信号は、次にゲイン決定装置６２に入力され、そのゲイン決定装置６２から、アクチュエータ装置２０’の速度とレゾルバセンサ６０によって感知されたリンク部材速度との間の比率を表すゲインが決定される。図４の実施形態において、ゲイン決定装置６２は、テーブルまたはグラフを格納するメモリに相当し、リンク部材速度に対するアクチュエータ装置速度の比率を包含する。
【００２２】
乗算器６４は、リンク部材１８’の速度を表す信号と、ゲイン決定装置６２によって決定されたゲインを表す信号とを受けるレゾルバセンサ６０と連通して配置される。乗算器６４は、アクチュエータ装置２０’の実速度Ｖｏｆを表す信号を生成できるようにリンク速度にそのゲインを乗じる。コントロールシステム３０’はまた、レゾルバセンサ６０によって発生された出力信号内のいかなるノイズも濾波するアクチュエータ装置速度アジャスタ６６を包含しても良い。図４の実施形態において、アクチュエータ装置速度アジャスタ６６は二次伝達関数である。
【００２３】
図４をさらに参照するに、コマンドジェネレータ３４’は、次いで加算器６８に入力されるコンパレータ出力信号を受ける。アクチュエータ装置２０’の所望速度を表すオペレータ入力信号アジャスタ５４の出力信号もまた、フィードフォワードループ方式で加算器６８に入力される。加算器６８の出力信号は、動的補償器７０に入力されて、弁４２’の動態を補償し、従って作業機械１０の性能および安定度を改良する。図４の実施形態において、動的補償装置７０は、二次伝達関数間の比率を表す。動的補償装置７０の出力信号は、次に修正機構５０’に入力され、圧力補償器３２’によって決定された圧力補償係数Ｋを乗じて弁４２’に入力されるべく入力流量制御信号を生成する。適切な液圧ポンプ２８は、弁４２’を経てアクチュエータ装置２０’に圧力下で作動液流を提供するために利用される。入力流量制御信号の値に依存して、弁４２’の開口部が、ポンプ２８からアクチュエータ装置２０’に流入させる作動液の量を制御するために調節されるので、アクチュエータ装置２０’の所望速度Ｖｉが達成される。図４の実施形態において、コントロールシステム３０’はまた、調節された所望速度をポンプ２８に入力する流量に変換するためのコンバータ７２を包含しても良い。
【００２４】
（産業上の利用可能性）
本明細書で説明されたように、本発明の圧力補償器によって、アクチュエータ装置の速度をより良好に制御でき、ゆえにより精密なコントロールシステム３０、３０’を実現できる。単一の液圧パワー供給が作業機械１０全体の多数のシリンダを動作させるために使用されるため、弁４２、４２’における圧力降下を一定に保つことができないので、このような圧力変化を補償するシステムおよび方法が望まれる。圧力補償器３２、３２’は、弁４２、４２’を通過する作動液の流れがアクチュエータ装置２０、２０’の所望速度を生成できるように弁に入力される信号を修正するために使用される圧力補償係数Ｋを計算することによってかかる圧力変化を補償する。
【００２５】
本圧力補償器は、任意タイプのアクチュエータ装置を通る作動液の流れを制御するための電気液圧制御弁を使用する任意タイプの液圧システムに特定の効用がある。本発明の使用者は、所望用途により、本明細書で論じられたコントロールシステム構成のものか、またはその等価物のうちいずれを選択しても良い。これに関して、主圧力補償器の様々な形を本発明の趣旨から逸脱することなく利用できることが分かる。先の説明からも明白なように、本発明の一定の形態は本明細書で示された例の詳細によって限定されるものではない、ゆえに、当業者が他の修正や用途を容易に思いつくことが予期される。従って、特許請求の範囲は、本発明の趣旨および範囲から逸脱しないこのような修正や用途の全てを含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】フロントショベル作業機械の斜視図である。
【図２】本発明による圧力補償付き電気液圧コントロールシステムのブロック線図である。
【図３】図２で示された圧力補償器のブロック線図である。
【図４】本発明による圧力補償付き電気液圧コントロールシステムの他の実施形態のブロック線図である。
【符号の説明】
１０ 作業機械
１２ 主本体部分
１４、１４’ 器具
１６ ブーム
１８、１８’ リンク機構
１９ エンジン
２０、２０’ アクチュエータ装置
２２ ブームアクチュエータ装置
２４ スティックアクチュエータ装置
２６ オペレータ室
２８ ポンプ
３０、３０’ 電気液圧コントロールシステム
３２ 圧力補償器
３４、３４’ コマンドジェネレータ
３６、３６’ コンパレータ
３８ 感知装置
４０、４０’ オペレータ入力機構
４２ 弁
４４ 除算器
４６ ゲイン決定装置
４８ ゲイン調節装置
５０、５０’ 修正機構
５２ 所望速度アジャスタ
５４ オペレータ入力信号アジャスタ
６０ レゾルバセンサ
６２ ゲイン決定装置
６４ 乗算器
６６ アクチュエータ装置速度アジャスタ
６８ 加算器
７０ 動的補償器
７２ コンバータ

Claims (11)

1. 電気液圧器具を装備した作業要素のコントロールシステムで使用する圧力補償器は、オペレータ入力信号をその使用時に発生させるオペレータ入力制御機構の使用を通じて操作され、その作業要素は、連結され、動作を制御するためのアクチュエータ装置を含み、コントロールシステムが、
   アクチュエータ装置と連通し、アクチュエータ装置の実速度を決定するように適合された感知装置であって、感知装置によって決定された実速度を示す実速度信号を出力する感知装置と、
   アクチュエータ装置と連通し、作動液を貫流させる開口部を内部に定める弁と、
   感知装置、およびアクチュエータ装置の所望速度を示すオペレータ入力信号を発生するように構成されたオペレータ入力制御機構と連通したコンパレータであって、実速度信号とオペレータ入力信号とを受けてアクチュエータ装置の所望速度と実速度との間の差を表すコンパレータ出力値を有するコンパレータ出力信号を生成するように適合されている、コンパレータと、
   オペレータ入力信号と実速度信号とを受け、弁における圧力の変化を示す、前記オペレータ入力信号の値に対する前記実速度信号の値の比率に基づいた圧力補償係数であって、前記比率が小さいほど大きい圧力補償係数を発生させるように適合された圧力補償器と、
   弁に入力するための入力流量制御信号を発生させるために圧力補償係数によってコンパレータ出力信号を修正するための、コンパレータ、圧力補償器、および弁と連通した修正装置であって、入力流量制御信号は、アクチュエータ装置の所望速度が達成されるように圧力補償器によって決定された弁における圧力変化を補償するために、弁の可変開口部を制御するように適合されている修正装置と、を備えるコントロールシステム。
2. 圧力補償器は、
   オペレター入力信号と実速度信号とに連通した除算器であって、除算器出力信号を有し、実速度を所望速度で除するように構成されている除算器と、
   除算器出力信号に基づいて弁における圧力降下の変化を補償するのに必要な圧力補償係数を決定するための除算器と連通した圧力補償器係数決定装置とを備える、請求項１に記載のコントロールシステム。
3. 圧力補償器係数決定装置は、アクチュエータ装置の所望速度と実速度との間の関係を表すグラフを格納するメモリを備える、請求項２に記載のコントロールシステム。
4. コンパレータは加算接合である、請求項１に記載のコントロールシステム。
5. アクチュエータ装置は、液圧シリンダおよびモータのうちの１つである、請求項１に記載のコントロールシステム。
6. 圧力補償器は、ソフトウエアを介して実施される、請求項１に記載のコントロールシステム。
7. 弁は調整弁である、請求項１に記載のコントロールシステム。
8. 感知装置はセンサである、請求項１に記載のコントロールシステム。
9. 修正装置は乗算器を含む、請求項１に記載のコントロールシステム。
10. 作業要素はアクチュエータ装置に連結されたリンク機構を含み、感知装置は、
    リンク機構に連結され、リンク機構の位置および速度を決定するように適合されたセンサと、
    センサと連通し、センサによって感知されたリンク位置に基づいてゲインを決定するように適合されたゲイン決定装置と、
    センサとゲイン決定装置とに連通して配備された乗算器であって、ゲイン決定装置によって決定されたゲインをセンサによって感知されたリンク速度に乗じて、アクチュエータ装置の実速度を示す実速度信号を生成するように適合されている、乗算器とを含む、請求項１に記載のコントロールシステム。
11. センサはレゾルバセンサである、請求項１０に記載のコントロールシステム。

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