JP4743791B2 - 電磁比例弁の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は電磁比例弁の制御装置に関し、特に、建設機械等の油圧制御システムに用いられる電磁比例弁の制御装置に関する。

従来の電磁装置の制御装置として、本出願人が先に出願した特許出願に係る特許文献１に記載された制御装置が存在する。特許文献１に記載された電磁装置の制御装置の基本的な構成を図示すると、図５に示すごとくなる。

図５において、１０１は制御指令信号を出力するコントローラ（演算処理部）、１０２は制御対象である電磁比例弁、１０３はコントローラ１０１からの制御指令信号を受けてオン・オフ動作を行い電磁比例弁１０２へ通電する励磁電流を調整し決定するスイッチング素子、１０４は電磁比例弁１０２へ通電する励磁電流を与えるための電源、１０５は電磁比例弁１０２に流れた励磁電流を電圧に変換する電流・電圧変換器、１０６は電流・電圧変換器１０５の出力信号を蓄積する積分器である。スイッチング素子１０３は、電源１０４から供給される電流に基づき電磁比例弁１０２へ通電される励磁電流を決定する動作を行う。

またコントローラ１０１は、指令値発生部１１１とデューティ演算部１１２とＰＷＭ信号発生部１１３とデジタル出力部１１４とＡ／Ｄ変換部１１５を備えている。指令値発生部１１１から出力される指令値は、電磁比例弁１０２における出力を決める制御目標指令値である。指令値発生部１１１から出力される指令値に基づいてデューティ演算部１１２はデューティ（またはデューティ比）を演算する。デューティ演算部１１２で演算されかつ出力されるデューティに係る信号値に基づいて、ＰＷＭ信号発生部１１３は所要のＰＷＭ信号（パルス幅変調されたパルス信号）を出力される。このＰＷＭ信号は、コントローラ１０１の制御指令信号としてスイッチング素子１０３のゲート等に与えられる。またデジタル信号出力部１１４は、デューティ演算部１１２から与えられるデューティに係る信号に基づいてデジタル信号を生成する。このデジタル信号は積分器１０６に与えられる。Ａ／Ｄ変換部１１５は、積分器１０６からの積分出力信号を入力し、これをデジタル信号に変換しデューティ演算部１１２に与える。

上記の従来の電磁装置の制御装置の構成によれば、電磁比例弁１０２に流れる励磁電流を電流・電圧変換器１０５によって電圧信号に変換し、さらにこの電圧信号は積分器１０６によって励磁電流の与えるタイミングである励磁周期と同期して積分される。上記のデューティ演算部１１２は、この積分器１０６から与えられる積分値と、指令値発生部１１１から与えられる指令値とに基づいて、制御指令信号（ＰＷＭ信号）に係る「デューティ」を演算して出力する。
特開平２−２７７１０８号公報（例えば第２図および第５図等）

上記の特許文献１に記載した電磁装置の制御装置によれば、電磁比例弁１０２の駆動を制御するスイッチング素子１０３へ供給される制御指令信号を決定するためのデューティは、積分器１０６から与えられる積分値と、指令値発生部１１１から与えられる制御目標指令値とから算出されるように構成されている。このような構成では、制御装置を構成する部品の個体差、使用する環境の影響、経年変化等に起因する誤差が含まれた状態が生じ、この誤差によって同一の励磁電流であっても異なった積分値が積分器１０６から出力されるおそれがある。このような事態が発生すると、積分値を利用して算出されるデューティにも誤差が含まれ、結果的に、制御目標指令値と実際に必要とされる励磁電流値との間に誤差が生じてしまうという問題が提起される。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、制御目標指令値と、フィードバックされる電磁比例弁の励磁電流に対応する電流検出値とから制御指令信号のデューティが算出される制御構成で、制御装置を構成する部品の個体差、使用する環境の影響、経年変化等に起因する誤差が生じたとしても、通常の動作時に当該誤差が除去された正確なデューティを求めることができる電磁比例弁の制御装置を提供することにある。

本発明に係る電磁比例弁の制御装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。

第１の電磁比例弁の制御装置（請求項１に対応）は、電源と電磁比例弁の間に設けられ
たスイッチング手段にＰＷＭ信号を与えてスイッチング素子をオン・オフ動作させること
により電源から電磁比例弁に供給される励磁電流を決定する制御装置であり、制御指令値
を出力する指令値発生手段と、制御指令値に基づいてデューティを演算して出力するデュ
ーティ演算手段と、デューティに基づいてＰＷＭ信号を生成し出力するＰＷＭ信号発生手
段と、電磁比例弁に通電された励磁電流を検知し、この検知信号（電流検出値）を、デュ
ーティ演算手段でのデューティの演算で用いるためデューティ演算手段の側に戻すフィー
ドバック回路部と、所定時点に実施される補正値取得動作であり、デューティ演算手段か
ら出力されるデューティを０に設定した状態で、フィードバック回路部から得られる出力
値を補正処理手段に基づいて所定の回数繰り返して取得して出力値を加算し最後に平均化
する補正値取得動作により取得した電流補正値を保存する補正値保存手段と、フィードバ
ック回路部を経由して戻ってきた検知信号（電流検出値）を補正値保存手段で保存された
電流補正値で補正し、得られた補正信号をデューティ演算手段に供給する補正処理手段と
を備えるように構成される。

上記の構成を有する電磁比例弁の制御装置によれば、フィードバック回路部で検出され
る励磁電流に関する電流検出値では、通常、制御装置を構成する部品の個体差、使用する
環境の影響、または経年変化等の誤差が含まれるので、これらの誤差を除去するため、所
定の補正値取得処理による動作で得られる電流補正値を補正値保存手段で保存し、この電
流補正値を利用して通常動作時における電流検出値に対して補正処理手段で補正を行う。
上記の「所定の補正値取得処理による動作」は、通常の実際の制御動作とは異なり、実際
の制御動作の前の「所定時点」に実施されるものである。「所定の補正値取得処理による
動作」は、より具体的には、「デューティ演算手段から出力されるデューティを０に設定
した状態で、フィードバック回路部から得られる出力値を補正処理手段に基づいて所定の
回数繰り返して取得して出力値を加算し最後に平均化するという動作」であり、電流補正
値を取得するための動作である。こうして得られた電流補正値が補正値保存手段に保存さ
れる。これにより、電磁比例弁の制御装置における通常の制御動作時での電流検出値に含
まれる前述の誤差を除去し、より正確なデューティの算出を行うことができ、結果として
正確な励磁電流の通電を可能にする。

第２の電磁比例弁の制御装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、フィードバック回路部は電流・電圧変換手段と増幅手段を含むことを特徴とする。電流・電圧変換手段により、励磁電流に対応する電流検出値が求められる。

第３の電磁比例弁の制御装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、補正値保存手段で保存される上記の電流補正値は、装置を構成する部品の個体差、環境変動、または経年変化による誤差を除去するための補正値であることを特徴とする。

第４の電磁比例弁の制御装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは
、上記の所定時点は装置の初期化時であって、電磁比例弁の制御装置を搭載した建設機械
を作動させるための電源投入時であることを特徴とする。「装置の初期化時」とは、より
具体的に、電磁比例弁の制御装置を動作させる目的で、建設機械等の電気系を作動させる
ため電源を投入した時の意味である。これにより、当該装置を構成する部品の個体差に起
因する誤差、使用環境の影響に起因する誤差、または経年変化に起因する誤差を除去でき
る。

本発明によれば次の効果を奏する。
第１に、実際に通電される励磁電流に関する電流検出値に含まれる、部品個体差、環境影響、または経年変化等の誤差を、予め補正値取得処理で得られた電流補正値で補正して除去できる構成としたため、電磁比例弁の制御装置における通常動作時での電流検出値に含まれる上記誤差を確実に除去し、より正確なデューティの算出を行うことができ、正確な励磁電流を電磁比例弁に通電させることができる。
第２に、高精度な部品を用いて装置を構成すること、および厳密な調整を行うことなく電磁比例弁の出力制御を高精度で行えるため、電磁比例弁およびその制御装置等の低価格化や性能向上を達成することができる。
第３に、環境影響や経年変化の誤差を除去できるため、過酷な環境下で長期に渡り使用される建設機械の油圧システムの電磁比例弁を常に高精度で制御することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

最初に、図１を参照して本発明の実施形態に係る電磁比例弁の制御装置の構成を説明する。

図１において、１１は制御指令信号（ＰＷＭによるパルス信号）を演算し出力するコントローラ（演算処理部）、１２は制御対象である１つの電磁比例弁、１３はコントローラ１１からの制御指令信号（ＰＷＭ信号）を受けてオン・オフ動作を行い電磁比例弁１２へ通電する励磁電流を調整・決定するスイッチング素子、１４は電磁比例弁１２へ通電する励磁電流を与えるための電源、１５は電磁比例弁１２に流れた励磁電流を電圧に変換する電流・電圧変換器、１６は電流・電圧変換器１５の出力信号を増幅する増幅器である。

スイッチンング素子１３は例えばトランジスタである。コントローラ１１から出力される制御指令信号はトランジスタのゲートまたはベースに与えられる。コントローラ１１から出力される制御指令信号は、制御対象である電磁比例弁１２の動作に基づく出力状態を決定するＰＷＭ信号である。ゲート等に与えられる制御指令信号すなわちＰＷＭ信号に基づいてオン・オフ動作するスイッチング素子１３は、電源１４から供給される電流に基づき電磁比例弁１２へ通電される励磁電流の値を決定する。

また上記のコントローラ１１は、機能要素として、指令値発生部２１と、デューティ演算部２２と、ＰＷＭ信号発生部２３と、電流検出補正値保存部２４と、補正処理部２５と、平均化処理部２６と、Ａ／Ｄ変換部２７と、理想値保存部３１とを内蔵している。

指令値発生部２１から出力される指令値は制御目標値である。指令値発生部２１から出力される指令値に基づいて、デューティ演算部２２において制御指令信号（ＰＷＭ信号）を作るためのデューティ（またはデューティ比）が演算される。デューティ演算部２２がデューティを演算する際に、デューティ演算部２２では補正処理部２５から与えられる補正処理済みのフィードバック信号も用いる。フィードバック信号は、後述されるように、電磁比例弁１２に実際に通電された励磁電流を検出して得た電流検出値に係る信号であり、電圧信号として生成される。

デューティ演算部２２で演算されかつ出力されたデューティに係る信号値に基づいて、ＰＷＭ信号発生部２３は所要のＰＷＭ信号（パルス幅変調されたパルス信号）を出力する。このＰＷＭ信号は、コントローラ１１の制御指令信号として出力され、スイッチング素子１３のゲート等に与えられる。スイッチング素子１３が、与えられたＰＷＭ信号に基づいてオン・オフ動作を行い、これにより電磁比例弁１２に通電される励磁電流の値が決定される。この励磁電流の値は、指令値発生部２１から出力される制御目標値に対応している。

電磁比例弁１２に実際に流れる励磁電流の値は、電流・電圧変換器１５によって電圧信号に変換されることにより、検出される。電流・電圧変換器１５から出力された当該電圧信号は増幅器１６によって増幅される。増幅器１６から出力された電圧信号はコントローラ１１内のＡ／Ｄ変換部２７に入力される。電流・電圧変換器１５および増幅器１６によって、電磁比例弁１２からコントローラ１１に対して、実際の励磁電流に関する電流検出値を電圧信号の形式で戻すフィードバック回路部が構成される。

コントローラ１１において、Ａ／Ｄ変換部２７は、増幅器１６から出力されたアナログの電圧信号（電流検出値）をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部２７の出力信号は平均化処理部２６に入力される。平均化処理部２６は、Ａ／Ｄ変換部２７から出力される適宜数の信号値の平均をとって急峻な変動分を除去し、電流・電圧変換器１５で取り出した電流検出値を安定化させる。平均化処理部２６から出力された電流検出値は、補正処理部２５に入力される。

上記の電流検出補正値保存部２４は、以下に説明するような所定時点に実施される補正値取得処理に基づく補正値取得動作によって取得された電流検出補正値を保存する機能を有する。電流検出補正値は、補正値取得処理の際の所定条件下で得られ、補正処理部２５から与えられる。理想値保存部３１に保存される電流理想値は、後述するごとく、その際の比較処理で用いられる。

補正処理部２５は、通常の動作時、上記のフィードバック回路部を経由して戻ってきた検知信号（電流検出値）を電流検出補正値保存部２４で保存された電流補正値で補正し、得られた補正信号をデューティ演算部２２に供給する。デューティ演算部２２では、指令値発生部２１から出力される指令値と、補正処理部２５から出力される補正信号（補正処理済みのフィードバック信号）とを用いて制御指令信号（ＰＷＭ信号）のデューティを演算する。

図１に示した構成を有する電磁比例弁の制御装置において、最初に、図２のフローチャートを参照して、電流検出補正値を取得するための補正値取得処理を説明する。補正値取得処理を実施し当該制御装置に補正値取得動作を行わせる時点は、好ましくは、装置の初期化時である。ここで「装置の初期化時」とは、電磁比例弁の制御装置を装備した建設機械等を作動させるための電源投入時である。

なお他の処理実施時点として装置の出荷検査時にも補正値取得処理を行うことができる。ここで「装置の出荷検査時」とは、電磁比例弁の制御装置が製品として完成された時、工場等から当該装置が出荷される時の最終検査工程時という意味である。装置の出荷検査時で実施される補正値取得処理では、特に、制御装置を構成する部品の個体差に関する誤差の情報を得ることができる。

電磁比例弁の制御装置では、装置初期化時に、図２に示す手順を有する補正値取得処理が実行される。補正値取得処理は、制御装置を構成する部品の個体差、使用する環境の影響、または経年変化等による誤差をなくすために使用される電流検出補正値を取得するための処理である。補正値取得処理で得られた補正値は、前述のごとく、最終的に電流検出補正値保存部２４に保存される。

図２に示したフローチャートの実行に際して、指令値発生部２１では仮的に出力指令値として０アンペアが設定される。指令値発生部２１で出力指令値として０アンペアが設定されるということは、制御対象である電磁比例弁１２に励磁電流が供給されないことを意味する。

指令値発生部２１で制御目標値として０アンペアが設定されると、デューティ演算部２２は、０％のデューティ（デューティ比：記号「Ｄ」で表す。）を算出する（ステップＳ１１）。その結果、ＰＷＭ信号発生部２３は、デューティ（Ｄ）が０のＰＷＭ信号を出力する（ステップＳ１２）。このことはパルス信号はまったく出力されず、０信号が出力されることを意味する。

上記の結果、スイッチング素子１３はオフ状態のままであり、電磁比例弁１２に励磁電流は流れない。従って増幅器１６は、電流・電圧変換器１５から、０アンペアの励磁電流に対応した電圧値が入力される。

ステップＳ１３では、繰り返し数Ｒが「Ｒ_０］として設定される。繰り返し数Ｒは、図２に示されたステップＳ１４〜Ｓ１５を繰り返す回数であり、平均処理を行うために求めるデータの数である。

上記の増幅器１６で増幅して出力された電圧値は、Ａ／Ｄ変換部２７を経由してコントローラ１１に入力され、取得される（ステップＳ１４）。上記の繰り返し数Ｒ_０で決まる複数回数の電圧値を取得し、加算し（ステップＳ１５，Ｓ１６）、これを繰り返す（ステップＳ１７）。ステップＳ１４で「Ｎ」はＡ／Ｄ変換値であり、ステップＳ１６で「Ｓ」は平均化演算で用いる変数である。

ステップＳ１８では、平均化処理部２６で平均値を求める演算を行い、これにより電流検出値（Ｉ）を算出する。この電流検出値には、理想値である０アンペア出力に対応した値に制御装置の有する誤差が含まれている。

補正値処理部２５は、補正値取得処理の動作の際には、得られた上記の電流検出値（Ｉ）と、予め用意された理想値（Ｇ：理想値保存部３１に保存される。）とを比較して、電流検出補正値（Ｈ）を算出し（ステップＳ１９）、電流検出補正値保存部２４に保存する。

上記の電流検出補正値（Ｈ）の算出・保存では、制御装置に不具合などがあると、異常な電流検出値を取得して不適当な電流検出補正値を生成するおそれがある。そのため、電流検出補正値Ｈに関して上限値Ｈmaxと下限値Ｈminで定義される所定の範囲を設定し、取得された電流検出補正値Ｈが所定の範囲に含まれているか否かを判定し、当該範囲に含まれる電流検出補正値を電流検出補正値保存部２４に保存するようにしている（ステップＳ２０〜Ｓ２４）。取得した電流検出補正値が上記の範囲を超える場合には、上限値または下限値が保存される。電流検出補正値保存部２４に保存された電流検出補正値は、通常の制御動作である電磁比例弁の制御に用いられる。

上記の補正値取得処理に基づく電流検出補正値（Ｈ）の取得は、前述したごとく、装置の初期化時すなわち装置起動時ごとに行われる。これにより、装置を構成する部品の個体差、環境（温度等）の変化、経年変化による誤差を除去することができる電流検出補正値を得ることができる。

次に図３のフローチャートを参照して本実施形態に係る電磁比例弁の制御装置によって実行される電磁比例弁１２の駆動制御処理を説明する。この段階では、電流検出補正値保存部２４には、前述の補正値取得処理に基づいて取得された電流検出補正値（Ｈ）が保存されている。

デューティ演算部２２は、指令値発生部２１から出力される指令値（Ａ）と補正処理部２５から出力された補正済みの電流検出値（Ｉ）を読込む（ステップＳ３１）。次のステップＳ３２では、指令値（Ａ）と電流検出値（Ｉ）によってデューティ（Ｄ）を計算するして求める。デューティＤの計算式は「Ｄ＝Ｋ（Ａ−Ｉ）」である。ここで「Ｋ」はデューティ演算係数である。デューティ（Ｄ）については、上限値Ｄmaxと下限値Ｄminで定義される所定の範囲が設定され、この範囲内にデューティ（Ｄ）の値が決められる（ステップＳ３３〜Ｓ３６）。これは、求められたデューティ（Ｄ）が、次段のＰＷＭ信号発生部２３の機能を超えたデューティとならないようにするためである。

ＰＷＭ信号発生部２３は、求められたデューティ（Ｄ）の値に基づいてＰＷＭ信号（パル幅変調されたパルス信号）を生成し出力する（ステップＳ３７）。このＰＷＭ信号は、スイッチング素子１３に供給され、スイッチング素子１３をオン・オフ動作させ、電磁比例弁１２に対して指令値（Ａ）に対応する励磁電流を通電する。

電磁比例弁１２に実際に流れる励磁電流は、電流検出値として、電流・電圧変換器１５と増幅器１６を経由してＡ／Ｄ変換部２７によりＡ／Ｄ変換値（Ｎ）としてコントローラ１１に取り込まれる（ステップＳ３９）。この場合において、その後の平均化処理部２６による平均化演算のため、ステップＳ３８で繰り返し回数Ｒが「Ｒ_０」として設定され、電流検出値の取込みは、設定された回数の分だけ繰り返される（ステップＳ３９〜Ｓ４２）。ステップＳ４１での「Ｓ」は平均化演算に用いる変数であり、「Ｎ」は上記のＡ／Ｄ変換値である。次のステップＳ４３では、平均化処理の演算が実行され、平均値としての電流検出値が求められる。

ステップＳ４３の実行時点で得られた電流検出値は装置の誤差を含む電流検出値であるので、次の段の補正処理部２５の機能に対応するステップＳ４４では、誤差を含む電流検出値（Ｉ）と、取得した電流検出補正値（Ｈ：電流検出補正値保存部２４に保存される。）とにより補正処理を行う。補正処理された電流検出値（Ｉ）によって次のデューティ演算が実行される。

上記の電磁比例弁の駆動処理の流れに基づいて、誤差の影響を除去し、高精度な電磁比例弁１２の出力制御が実行される。

所定の誤差の影響を排除する補正を実施した上記の電磁比例弁の駆動処理と、従来方式の電磁比例弁の駆動処理とを比較すると、図４のごとき対比グラフを示すことができる。図４の座標系で横軸は出力指令値（ｍＡ）を意味し、縦軸は誤差率（％）を意味している。本実施形態に係る補正を実施した電磁比例弁駆動処理の場合には特性３１を得ることができ、当該補正を実施しない従来の電磁比例弁駆動処理の場合には特性３２となる。特性３１に比して、特性３２の場合には誤差量が増加し、大きくなる。

上記の実施形態で説明された構成および配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、建設機械等の油圧システムに組み込まれた電磁比例弁の動作制御に利用される。

本発明の実施形態に係る電磁比例弁の制御装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る電磁比例弁の制御装置による補正値取得処理の流れを示すフローチャートである。 本実施形態に係る電磁比例弁の制御装置による電磁比例弁駆動処理の流れを示すフローチャートである。 本実施形態に係る電磁比例弁の制御装置による効果を示すグラフである。 従来の電磁比例弁の制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１ コントローラ
１２ 電磁比例弁
１３ スイッチング素子
１４ 電源
１５ 電流・電圧変換器
１６ 増幅器
２１ 指令値発生部
２２ デューティ演算部
２３ ＰＷＭ信号発生部
２４ 電流検出補正値保存部
２５ 補正処理部
２６ 平均化処理部

Claims (4)

1. 電源と電磁比例弁の間に設けられたスイッチング手段にＰＷＭ信号を与えて前記スイッ
   チング素子をオン・オフ動作させることにより前記電源から前記電磁比例弁に供給される
   励磁電流を決定する電磁比例弁の制御装置において、
   制御指令値を出力する指令値発生手段と、
   前記制御指令値に基づいてデューティを演算して出力するデューティ演算手段と、
   前記デューティに基づいて前記ＰＷＭ信号を生成し出力するＰＷＭ信号発生手段と、
   前記電磁比例弁に通電された励磁電流を検知し、この検知信号を、前記デューティ演算
   手段での前記デューティの演算で用いるため前記デューティ演算手段の側に戻すフィード
   バック回路部と、
   所定時点に実施される補正値取得動作であり、前記デューティ演算手段から出力される
   前記デューティを０に設定した状態で、前記フィードバック回路部から得られる出力値を
   前記補正処理手段に基づいて所定の回数繰り返して取得して前記出力値を加算し最後に平
   均化する前記補正値取得動作により取得した電流補正値を保存する補正値保存手段と、
   前記フィードバック回路部を経由して戻ってきた前記検知信号を前記補正値保存手段で
   保存された前記電流補正値で補正し、得られた補正信号を前記デューティ演算手段に供給
   する補正処理手段と、
   を備えることを特徴とする電磁比例弁の制御装置。
2. 前記フィードバック回路部は電流・電圧変換手段と増幅手段を含むことを特徴とする請
   求項１記載の電磁比例弁の制御装置。
3. 前記補正値保存手段で保存される前記電流補正値は、装置を構成する部品の個体差、環
   境変動、または経年変化による誤差を除去するための補正値であることを特徴とする請求
   項１または２記載の電磁比例弁の制御装置。
4. 前記所定時点は装置の初期化時であって、電磁比例弁の制御装置を搭載した建設機械を
   作動させるための電源投入時であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載
   の電磁比例弁の制御装置。

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