JP4842221B2

JP4842221B2 - 電磁比例弁駆動制御装置

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Publication number: JP4842221B2
Application number: JP2007182261A
Authority: JP
Inventors: 信幸戸部; 茂徳青木; 浩史島田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: JP2009019683A

Description

本発明は電磁比例弁駆動制御装置に関し、特に、建設機械等の油圧制御で利用される電磁比例弁で生じた線間短絡故障の検出・保護に適した構成を有する電磁比例弁駆動制御装置に関する。

建設機械等の油圧制御装置に設けられる電磁比例弁等のごとき誘導性負荷を駆動する装置の従来例として特許文献１に記載された装置が知られている。特許文献１において、その誘導性負荷駆動装置における制御回路では、誘導性負荷であるソレノイドへの通電量を制御するための過電流制限部（過電流リミッタ回路）が設けられている。

図８に、上記特許文献１に開示される誘導性負荷駆動装置における過電流制限部に関連する構成を示す。図８において、１０１は演算処理部を表すブロックであり、１０２は誘導性負荷である電磁比例弁（ソレノイドに相当）であり、１０３は電磁比例弁１０２に対して駆動電流を供給する電源であり、１０４は電磁比例弁の駆動電流の供給量を調整するためのオン・オフ動作を行うスイッチング素子であり、１０５は電源１０３とスイッチング素子１０４の間に介設される過電流制限部を表すブロックである。電磁比例弁１０２における過電流状態は、電磁比例弁１０２で線間短絡故障が生じたときに起きる。「線間短絡故障」とは、電磁比例弁１０２の入力側通電路と出力側通電路が直接につながる状態が生じることをいう。また電磁比例弁１０２に対しては並列的な位置関係で負荷電流環流素子１０６が配置されている。

演算処理部１０１は、指令値発生部１１１と、デューティ比演算部１１２と、ＰＷＭ信号発生部１１３と、故障判定部１１４と、故障保護部１１５と、Ａ／Ｄ変換部１１６とから構成されている。指令値発生部１１１は、電磁比例弁１０２の動作状態を決める指令値を出力する。デューティ比演算部１１２は、指令値を受けてデューティ比を算出し、出力する。ＰＷＭ信号発生部１１３は、デューティ比演算部１１２から出力されたデューティ比に基づいて、当該デューティ比を有するＰＷＭ信号を発生する。Ａ／Ｄ変換部１１６は、電磁比例弁１０２側から提供される通電量に係るアナログ信号をデジタル値に変換し、故障判定部１１４に与える。故障判定部１１４は、指令値発生部１１１から出力される指令値に係る信号とＡ／Ｄ変換部１１６から出力される信号とを対比し、故障か否かを判定する。故障判定部１１４から出力される判定に係る信号は、故障保護部１１５に与えられる。故障保護部１１５は、電磁比例弁１０２が故障と判定されるときには、電磁比例弁１０２を保護するためＰＷＭ信号をオフさせるための信号をＰＷＭ信号発生部１１３に入力する。

演算処理部１０１のＰＷＭ信号発生部１１３から出力されるＰＷＭ信号は電圧変換部１２１に入力され、所要レベルの電圧に変換され、さらに次段でフィードバック回路／ＰＷＭ信号発生部１２２に入力される。フィードバック回路／ＰＷＭ信号発生部１２２から出力されたＰＷＭ信号は上記スイッチング素子１０４に入力され、そのオン・オフ動作を制御する。スイッチング素子１０４のオン時に電磁比例弁１０２に電流が供給される。電磁比例弁１０２に供給された電流はアース側に流れ、その途中で電流・電圧変換器１２３で電圧信号に変換される。電流・電圧変換器１２３のアース側端子と上記電磁比例弁１０２の入力側端子との間に前述の負荷電流環流素子１０６が接続されている。電流・電圧変換器１２３から出力される電圧信号は増幅器１２４で増幅され、増幅器１２４から出力される電圧信号は、前述のＡ／Ｄ変換部１１６とフィードバック回路／ＰＷＭ信号発生部１２２とに入力される。スイッチング素子１０４がオフ時に電磁比例弁１０２に生じる逆起電力は、負荷電流環流素子１０６を介して電磁比例弁１０２の入力側に環流される。

過電流制限部１０５は、電流・電圧変換器１３１と過電流制限用スイッチング素子１３２とから構成される。電流・電圧変換器１３１は、スイッチング素子１０４がオン動作して電流が電源１０３から電磁比例弁１０２に流れると、その電流値を電圧値に変換する。当該電圧値は過電流制限用スイッチング素子１３２に入力される。過電流制限用スイッチング素子１３２は、電流・電圧変換器１３１から入力される電圧値に基づき、当該電圧値が過電流である所定値を超えるときには、上記のスイッチング素子１０４に供給されるＰＷＭ信号を阻止する働きを発揮する。
特開２００２−１７６３４６号公報

特許文献１に記載された誘導性負荷駆動装置では、過電流制限部１０５内に電流・電圧変換器１３１を備えることにより、電源１０３から電磁比例弁１０２へ供給される電流の過電流状態を検出する。過電流を保護するための専用の電流・電圧変換器１３１を用意するため、装置の製作コストが高くなる。

また従来の上記誘導性負荷駆動装置では、故障判定部１１４による故障判定の仕方は、電磁比例弁１０２の下流側に設けられた電流・電圧変換器１２３によって検出された電圧を増幅器１２４で増幅し、演算処理部１０１に取り込み、指令値発生部１１１が発生する指令値に対して一定値以上検出電圧が大きい場合には故障と判定するという仕方である。この故障判定手法では、正常または異常を判別するため、電磁比例弁１０２の短絡故障時の過電流による検出電圧もＡ／Ｄ変換部１１６で取り込むことが必要である。このため、増幅器１２４の増幅率を低く設定することが必要であり、検出電圧が正常時であるときに使用できるＡ／Ｄ変換部１１６の測定範囲が狭くなり、分解能が低下するという問題が起きる。

仮に、測定範囲が０〜５ＶのＡ／Ｄ変換部１１６を使用し、検出電圧が指令値に対して０．５Ｖ以上大きいときを過電流と判定する場合、正常時の検出電圧を０〜４．５Ｖ未満の範囲内になるように増幅する必要があり、測定範囲が狭くなる。

さらに従来の上記誘導性負荷駆動装置によれば、故障保護部１１５が装置保護のためにＰＷＭ信号を完全にオフすると、その後、装置の動作を復帰する手段を備えていない。そのため、故障判定部１１４が誤った判定を行った場合には駆動を再開することができないという問題、あるいは故障状態から回復しても誘電性負荷の駆動を再開することができないという問題が存する。

本発明の目的は、上記の課題を解決することにあり、安価に製作することができ、Ａ／Ｄ変換部の測定範囲を狭くすることなく高い分解能を維持することができ、誤判定が行われたときや故障状態が回復したときには駆動を再開することができる電磁比例弁駆動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駆動制御装置は、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の電磁比例弁駆動制御装置（請求項１に対応）は、前提構成として、
内部の各機能要素がソフトウェアにより実現され、機能要素として、指令値発生部と、指令値発生部から出力される指令値に基づいてデューティ比を演算するデューティ比演算部と、デューティ比を有するＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部とを有し、ＰＷＭ信号を出力する演算処理手段と、
演算処理手段から出力されるＰＷＭ信号に応じて電磁比例弁のコイルに通電を行うスイッチング素子と、
スイッチング素子のオフ時に電磁比例弁に生じる逆起電力を電磁比例弁の入力側に環流させる負荷電流環流素子と、
電磁比例弁に流れた励磁電流を電圧に変換しこの電圧を検出電圧として演算処理手段に戻す電流・電圧変換器とを備え、
特徴的要素として、演算処理手段の外部にてスイッチング素子とは別なものとして設けられ、電流・電圧変換器から出力される検出電圧を入力し、検出電圧の値が線間短絡故障検出用設定値以上になったとき、演算処理手段からスイッチング素子へのＰＷＭ信号の供給を止める過電流制限スイッチング素子を備えている。

上記の構成では、電磁比例弁で線間短絡故障を、電磁比例弁に対して元々設けられていた電流・電圧変換器で検出し、高電圧として出力する。従来より備えられていたフィードバック用の電流・電圧変換器の出力電圧の変化を利用して線間短絡故障を検出し、過電流の発生を制限する。またマイコンによりソフトウェア処理で構成された演算処理手段の外部にてスイッチング素子とは別な過電流制限用スイッチング素子を付加するようにしたためマイコン外部の他のスイッチング素子によるハードウェア処理の構成に基づいて過電流制限を行うことができる。

第２の電磁比例弁駆動制御装置（請求項２に対応）は、上記の第１の電磁比例弁駆動制御装置の構成において、さらに、
演算処理手段の外部に設けられ、電流・電圧変換手段から出力される検出電圧を増幅する増幅器と、
演算処理手段内の機能要素であって、増幅器で増幅された検出電圧を入力しデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
演算処理手段内の機能要素であって、Ａ／Ｄ変換手段から出力される検出電圧値を入力し、この検出電圧値の時間変化（検出電圧波形の傾き）に基づいて線間短絡故障であるか否かを判定する故障判定手段と、
演算処理手段内の機能要素であって、故障判定手段が線間短絡故障であると判定したとき、ＰＷＭ信号の発生を阻止する故障保護手段と、
を備えることを特徴とする。

線間短絡故障時、電磁比例弁を経由せずに電流が流れ、そのため当該電流の立ち上がりと立ち下がりの変化に時間遅れがなくなる。その結果、電流・電圧変換器から出力される検出電圧では急激な上昇等が生じる。検出電圧における電圧の急上昇（または急下降）の波形の傾き（または時間変化）を確認することで線間短絡故障を検出することができる。またこのような検出方法を利用することにより、正常時のＡ／Ｄ変換部の測定範囲を制限することなしに、線間短絡故障を検出することが可能となる。

第３の電磁比例弁駆動制御装置（請求項３に対応）は、上記の第２の電磁比例弁駆動制御装置の構成において、さらに、演算処理手段内の機能要素であって、故障判定手段が線間短絡故障であると判定したとき、部品を破損させない程度にオン時間が短いデューティ比のＰＷＭ信号を発生して電磁比例弁を駆動し、故障判定手段の判定出力に基づき線間短絡故障の状態からの回復を判定する故障回復判定手段とを備えることを特徴とする。

また線間短絡故障の際に、電磁比例弁へのオン・オフ通電を行うスイッチング素子のオン時間が極めて短くても、ほぼ瞬時に電流・電圧変換器に最大の電流が流れるため、線間短絡故障を検出することが可能である。またオン時間が極めて短い場合には、過電流によって加えられるエネルギが弱いので、スイッチング素子や電流・電圧変換器の破損は生じない。このことから、オン時間が極めて短いデューティ比のＰＷＭ信号でスイッチング素子を駆動させ、部品の破損を生じることなく線間短絡故障の状態を確認し、故障回復判定を行うことができる。

第４の電磁比例弁駆動制御装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、電磁比例弁は建設機械の油圧回路に設けられた電磁比例弁であることを特徴とする。

本発明によれば次の効果を奏する。
請求項１に係る本発明によれば、電磁比例弁で生じる過電流を制限するための過電流検出を、電流フィードバック処理に用いる電流・電圧変換器で行うことで、過電流検出専用に部品を追加することなく、装置の簡素化と低価格化を実現することができる。
請求項２に係る本発明によれば、電磁比例弁で生じる線間短絡故障を検出電圧の波形の傾きによって検出するようにしたため、Ａ／Ｄ変換部の測定範囲を通常動作時の増幅済み検出電圧の範囲として最大限用いることができ、Ａ／Ｄ変換の分解能を高い状態で使用することができ、電流フィードバック処理の結果である電磁比例弁の駆動電流も高精度に制御することができる。
請求項３に係る本発明によれば、線間短絡故障が生じたときに装置が破損しないように、安全性を確保した上で、当該故障の状態を継続的に確認することができ、線間短絡故障から回復した場合や故障が誤判定で生じた場合などに、速やかに装置を通常動作に復帰させることができ、装置の信頼性を向上することができる。

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。

図１〜図７を参照して本発明に係る電磁比例弁駆動制御装置の実施形態を説明する。図１は電磁比例弁駆動制御装置の全体構成を示し、図２は電磁比例弁の周辺回路部を示し、図３は電磁比例弁の構造を示している。

図１において一点鎖線で示したブロック１０は制御装置である。さらに図１で、１１は演算処理部であり、１２は駆動制御対象である電磁比例弁であり、１３は電磁比例弁１２に対して駆動電流を供給する電源であり、１４は電磁比例弁１２の駆動電流の供給量を調整するためのオン・オフ動作を行うスイッチング素子である。電磁比例弁１２の作動状態は、演算処理部１１の制御の下で、スイッチング素子１４のオン・オフ動作に基づく所定の駆動周期に従って精度よく駆動される。演算処理部１１は、電磁比例弁１２に対して電流フィードバック処理を行う。

演算処理部１１は、マイコンで作られ、機能的要素として、指令値発生部２１と、デューティ比演算部２２と、ＰＷＭ信号発生部２３と、故障判定部２４と、故障保護部２５と、故障回復判定部２６と、検出電圧保存部２７と、Ａ／Ｄ変換部２８とを備えている。これらの機能的要素はソフトウェアで実現される。指令値発生部２１とデューティ比演算部２２とＰＷＭ信号発生部２３は信号発生手段を形成する。故障保護部２５と故障回復判定部２６は共通ブロックの故障処理部２９内に含まれる。デューティ比演算部２２および故障処理部２９とＰＷＭ信号発生部２３との間には切替え器３０が設けられる。切替え器３０の切替動作は、故障検出に対応する指令信号ＳＩＧ１に基づいて適時に実行される。切替え器３０の接続動作で、デューティ比演算部２２の出力信号または故障処理部２９の出力信号（故障保護部２５の出力信号または故障回復判定部２６の出力信号）がＰＷＭ信号発生部２３に入力される。

なお上記切替え器３０は必ずしも必要ではなく、省略することもできる。この場合、故障処理部２９からの出力線はデューティ比演算部２２の出力線に結線され、故障処理部２９からの出力信号が発生するときには当該出力信号が優先して上書きされ、ＰＷＭ信号発生部２３に入力されることになる。

指令値発生部２１は電磁比例弁１２の動作状態を決める指令値を出力する。デューティ比演算部２２は、指令値を受けてデューティ比を算出し、出力する。ＰＷＭ信号発生部２３は、切替え器３０を介してデューティ比演算部２２につながっているとき、デューティ比演算部２２から出力されたデューティ比に基づいて、当該デューティ比を有するＰＷＭ信号を発生する。

Ａ／Ｄ変換部２８は、電磁比例弁１２側から提供される通電量に係るアナログ電圧信号すなわち「検出電圧」をデジタル値に変換する。この検出電圧に係るデジタル値は、検出電圧として検出電圧保存部２７に入力され、保存（記憶）される。検出電圧保存部２７に保存されるデータ数は任意に設定される。Ａ／Ｄ変換部２８の検出電圧を取り込む周期は、電磁比例弁１２の駆動周期よりも数倍高い周期になっている。例えばＡ／Ｄ変換部２８では、電磁比例弁１２の駆動の１周期分に対して８回検出電圧値が取り込まれる。検出電圧保存部２７に蓄積された検出電圧に係るデータの情報は故障判定部２４とデューティ比演算部２２に与えられている。

故障判定部２４は、検出電圧保存部２７に保存されている複数の検出電圧における時間的変化、すなわち検出電圧波形（アナログ電圧信号として見る場合）の傾きを確認する。その結果、故障判定部２４は、電磁比例弁１２での線間短絡故障時しか発生しない急激な検出電圧の傾き（検出電圧波形の立ち上がり波形部分）から線間短絡故障の検出を行う。この際、故障判定部２４は、上記の確認、すなわち検出電圧の時間的変化（検出電圧波形の傾き）の確認を繰り返し行って、誤判定が可能な限り生じないように確実に電磁比例弁１２での線間短絡故障の検出を行う。故障判定部２４の故障判定の動作手順（ソフトウェアで実現される動作プロセス）は、後で図５のフローチャート等を参照して説明する。

故障判定部２４により得られた故障判定の結果は、故障処理部２９の故障保護部２５および故障回復判定部２６に与えられる。故障判定結果に基づく故障保護部２５による故障保護の動作、故障回復判定部２６による故障回復の動作は、後で、図５および図６のフローチャートおよび図４および図７等の波形タイミング図を参照して説明する。

演算処理部１１のＰＷＭ信号発生部２３から出力されるＰＷＭ信号はスイッチング素子１４のゲート端子に与えられる。スイッチング素子１４は、線間短絡故障が生じていない通常の場合、演算処理部１１から与えられる正常なＰＷＭ信号（指令値発生部２１で与えられる指令値に対応するデューティ比を有するＰＷＭ信号）に基づいてオン・オフ動作し、電磁比例弁１２に対して電源１３から駆動電流を周期的に通電する。

電磁比例弁１２に流れる電流は、その下流側に設けられた電流・電圧変換器１５に供給され、その後アース側端子へ流れる。電流・電圧変換器１５は、電磁比例弁１２に流れる電流量を電圧値に変換する。電流・電圧変換器１５によって電磁比例弁１２での通電量が電圧として検出される。電流・電圧変換器１５から出力される検出電圧に係る信号は、増幅器１６と過電流制限用スイッチング素子１７のそれぞれに供給される。また電磁比例弁１２に対しては負荷電流環流素子１８が並列的に配置され、負荷電流環流素子１８は電流・電圧変換器１５のアース側端子と電磁比例弁１２の入力端子との間に接続されている。上記の増幅器１６は入力された検出電圧信号を所要レベルまで増幅して前述のＡ／Ｄ変換部２８に供給する。また過電流制限用スイッチング素子１７は、図１の配置関係を考慮すれば、ＰＷＭ信号発生部２３からスイッチング素子１４への配線ルートと電流・電圧変換器１５から増幅器１６への配線ルートとの間に配置されている。過電流制限用スイッチング素子１７は、電流・電圧変換器１５から出力される検出電圧の値が「線間短絡故障」に対応する異常な高い電圧の値を有するときには、スイッチング素子１４に入力されるＰＷＭ信号を強制的に遮断する作用を生じる。具体的に、過電流制限用スイッチング素子１７は、電磁比例弁１２で線間短絡故障が生じたとき、ＰＷＭ信号発生部２３から出力されるＰＷＭ信号をアース側に流し、スイッチング素子１４のゲート端子に入力されるのを阻止する。なお負荷電流環流素子１８は、スイッチング素子１４がオフする時に電磁比例弁１２に生じる逆起電力を電磁比例弁１２の入力側に環流させる働きを有する。

図２と図３を参照して線間短絡故障について説明する。図２に示すように、電磁比例弁１２への駆動電流の正常な通電ルートは、電源１３、スイッチング素子１４、電磁比例弁１２、電流・電圧変換器１５、アース端子の順序で形成される通電路である。スイッチング素子１４にはＰＷＭ信号が供給される。また電流・電圧変換器１５は検出電圧を出力する。以上の通電ルートにおいて、波線に示すごとき通電ルート１９が生じる場合がある。この通電ルート１９が形成されることが線間短絡故障である。図３に示すように、電磁比例弁１２の実際の構造によれば、ハウジング４１に設けられたスリーブ４２の内部に軸方向に移動自在なスプール４３が配置される。スリーブ４２には油路４４が形成され、スプール４３の移動位置に応じて当該油路４４は閉じたりまたは開いたりする。スプール４３の軸方向の移動は、ハウジング４１内に設けられたコイル４５への通電・非通電により行われる。コイル４５はハーネス４６を介して外部回路とつながっている。上記線間短絡故障は、ハーネス４６での入力側と出力側の間の短絡、またはコイル４５での短絡に基づいて生じる。

上記において、電磁比例弁１２において線間短絡故障が生じたとき、過電流制限用スイッチング素子１７により強制遮断が実行されると、電流・電圧変換器１５での過電流状態が制限される。そのため、電流・電圧変換器１５から出力される検出電圧が低くなり、過電流制限用スイッチング素子１７が作用せず、強制遮断が解除される。そのため、演算処理部１１からのＰＷＭ信号がオン状態である間は、過電流制限用スイッチング素子１７により強制遮断と強制遮断解除を繰り返し、電流波形の周期的変化に基づき過電流を制限する。この波形状態は図４の（ｂ２）によって示されている。

以上によって、電磁比例弁１２に設けられた電流・電圧変換器１５から出力される検出電圧を利用して電磁比例弁１２の線間短絡故障時に発生する過電流を制限し、電磁比例弁１２、スイッチング素子１４、電流・電圧変換器１５等を保護することができる。さらに電磁比例弁１２の電流フィードバック処理を行うために元来用意されている電流・電圧変換器１５を用いるため、装置価格を高くすることなく過電流制限機能を実現することができる。

次に、前述した図１等、および図４（動作波形図）と図５（フローチャート）に基づいて故障判定部２４に基づく線間短絡故障の判定処理動作を説明する。

図４において、（Ａ）は正常動作時の波形群を示し、（Ｂ）は線間短絡故障時の波形群を示す。また波形（ａ）はＰＷＭ信号発生部２３から出力されるＰＷＭ信号、波形（ｂ）は電流・電圧変換器１５での印加電流、波形（ｃ）はＡ／Ｄ変換部２８への入力電圧である。電流・電圧変換器１５での印加電流に係る波形（ｂ）については、線間短絡故障時（Ｂ）の場合には、「過電流制限無し」の場合（ｂ１）と「過電流制限有り」の場合（ｂ２）とが示されている。Ａ／Ｄ変換部２８への入力電圧に係る波形（ｃ）において、ＰＷＭ信号の周期に基づいて決まる波形周期は例えば１０ミリ秒であり、この波形の１周期において例えば８回のＡ／Ｄ変換処理が実行される。

図４において、正常動作時（Ａ）の波形（ｃ）と線間短絡故障時（Ｂ）の波形（ｃ）との間では、波形の立ち上がり部分の傾き、すなわち検出電圧の立ち上がり部分の時間変化が顕著に異なることが分かる。そこで、本実施形態による故障判定部２４の線間短絡故障の判定では、波形の立ち上がりの傾き、すなわち検出電圧の立ち上がりの時間変化を利用して線間短絡故障の判定を行う。

図５に示されたフローチャートに基づく線間短絡故障の判定処理は、Ａ／Ｄ変換部２８によってＡ／Ｄ変換処理が行われるごとに実施される。本実施形態の制御の構成では、演算処理部１１のＰＷＭ信号発生部２３から出力されるＰＷＭ信号（図４の（ａ））の１周期分で８回の線間短絡故障の判定処理が行われる。

図５のフローチャートで、前回の線間短絡故障の判定処理に基づく線間短絡故障の検出からの経過時間が繰返し検出有効時間（Ｔ）内かどうかを判定し（ステップＳ１１）、繰返し検出有効時間（Ｔ）を過ぎた場合（ＮＯ）には繰返し検出回数（Ｎ）を０にしてリセットし（ステップＳ１２）、繰返し検出有効時間（Ｔ）内を過ぎない場合（ＹＥＳ）には繰返し検出有効時間（Ｔ）から１を減算する（ステップＳ１３）。

次に、検出電圧保存部２７から過去に検出して保存された検出電圧（例えばＩ_０，Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，…）を読み込む（ステップＳ１４）。ここで、Ｉ_０は最新の検出電圧、Ｉ_１は１／８周期前の検出電圧、Ｉ_２は２／８周期前の検出電圧、Ｉ_３は３／８周期前の検出電圧である。読み込まれた検出電圧について、検出電圧の変化（検出電圧の差「Ｉ_１−Ｉ_２」）が基準となるしきい値（Ｉjudg）より大きいか否かを判定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５での処理は、電流・電圧変換器１５から出力される検出電圧に係る波形の傾きを見ていることになる。判定ステップＳ１５で、ＹＥＳの場合には次のステップＳ１６に移行し、ＮＯの場合には、線間短絡故障は生じていないものとして処理を終了する。次のステップＳ１６を含め、ステップＳ１６〜Ｓ１８は、判定ステップＳ１５で判定された検出電圧の変化が、外来ノイズ等による突発的な変化でないか否かを確認するための処理である。ステップＳ１６では２つの検出電圧Ｉ_１，Ｉ_２の平均値（Ｉ_ａｖｅ）が計算される。ステップＳ１７，Ｓ１８では上記の平均値Ｉ_ａｖｅが検出電圧Ｉ_０よりも大きくかつ検出電圧Ｉ_３よりも小さいか否かが判定される。この範囲に含まれないときには処理は終了し、この範囲に含まれるときには次のステップＳ１９に移行する。すなわち、検出電圧の変化が外来ノイズ等に起因しない場合には線間短絡故障として検出し、ステップＳ１９に移行する。ステップＳ１９では繰返し検出回数（Ｎ）が１だけ加算される。また次のステップＳ２０では、繰返し検出有効時間Ｔが初期値（Ｔ_ｉｎｉｔ）により初期化される。その後、判定ステップＳ２１に移行する。

判定ステップＳ２１では、繰返し検出回数Ｎがしきい値（Ｎjudg）より大きいか否かが判定される。判定ステップＳ２１で大きいと判定される場合には、最終的に、線間短絡故障であるという判定が行われる（ステップＳ２２）。ステップＳ２１，Ｓ２２によって、線間短絡故障の検出がＮ回繰り返し行われた場合のみ線間短絡故障であると判定し、故障判定の信頼性を向上することができる。

上記のように、本実施形態による故障判定部２４の線間短絡故障の判定では、検出電圧の時間変化、換言すれば、検出電圧の波形の傾きを用いて判定を行う。すなわち、図４において、正常動作時（Ａ）の波形（ｃ）と線間短絡故障時（Ｂ）の波形（ｃ）とを対比すると明らかなように、これらの２つの波形の立ち上がりの傾き、すなわち検出電圧の立ち上がりの時間変化を考慮することにより、線間短絡故障の判定が実行される。

なお前述した特許文献１に開示した故障判定では、検出電圧を平均化した値と目標電流との差分を判定基準にしているのに対して、本実施形態による故障判定では、検出電圧の波形の傾きを判定基準としている。このため、本実施形態による故障判定によれば、Ａ／Ｄ変換部２８の測定範囲のすべてを通常動作の範囲に設定することができ、電磁比例弁１２の駆動の精度を向上することができる。

次に、図６に示したフローチャートを参照して、故障保護部２５による故障保護処理、および故障回復判定部２６による故障回復判定処理を説明する。

故障判定部２４によって線間短絡故障と判定された結果は、判定結果信号として、故障保護部２５と故障回復判定部２６に入力される。図６のフローチャートの最初の判定ステップＳ３１では、故障判定部２４から供給される判定結果信号の有無に基づいて線間短絡故障であるか否かを確認する。線間短絡故障である場合（ＹＥＳ）には線間短絡故障フラグ（Flag）をＯＮにし（ステップＳ３２）、線間短絡故障でない場合（ＮＯ）には線間短絡故障フラグ（Flag）がＯＮであるか否かを判定する（ステップＳ３６）。

ステップＳ３２を実行した後、ＰＷＭ信号発生部２３から出力されるＰＷＭ信号をオフ状態にする出力オフ時間（Ｔ１）を初期値（Ｔ１_ｉｎｉｔ）にセットし（ステップＳ３３）、さらにその後故障回復判定回数（Ｎ１）を０にしてリセットする（ステップＳ３４）。次の処理ステップＳ３５では、上記のＰＷＭ信号がオフとなるように、そのデューティ比（Ｄ）を略０に設定する。デューティ比Ｄが略０に設定されると、この指令は、故障保護部２５から切替え器３０を経由してＰＷＭ信号発生部２３に供給され、その結果、ＰＷＭ信号発生部２３からオフ信号が出力される。デューティ比Ｄ（＝０）に基づいてＰＷＭ信号発生部２３の出力（オフ信号）が作られ、これにより電磁比例弁１２や電流・電圧変換器１５等の装置が保護される。

ステップＳ３５によってＰＷＭ信号がオフ状態にされると、電流・電圧変換器１５では高い電圧値の検出電圧を出力しなくなり、線間短絡故障の状態は解消されるので、次に上記判定ステップＳ３１を実行するときにはＮＯと判定され、ステップＳ３６に移行する。ステップＳ３６では線間短絡故障フラグ（Flag）がＯＮであるか否かを判定し、最初の段階ではＹＥＳと判定され、ステップＳ３７に移行する。ステップＳ３７では出力オフ時間Ｔ１が０より大きいか否かを判定する。出力オフ時間内であるときには、ステップＳ３８に移行し、出力オフ時間Ｔ１から１が減算される。以上のステップＳ３６〜Ｓ３８により、出力オフ時間Ｔ１が０より大きい期間、すなわち設定された出力オフ時間Ｔ１の間、ＰＷＭ信号のオフ状態が継続される。

ＰＷＭ信号の発生をオフする故障保護部２５による故障保護処理が終了し、出力オフ時間が０以下になった場合には（ステップＳ３７でＮＯの判定）、ステップＳ３９に移行し、故障回復判定処理を行う。

上記のステップＳ３９で設定された故障回復判定回数Ｎ１がしきい値（Ｎ１judg）よりも小さい場合（ステップＳ３９でＹＥＳの判定）には、デューティ比Ｄを故障回復判定用のデューティ比（Ｄ_{ｃｈｅｃｋ}）に設定する（ステップＳ４０）。その後、故障回復判定回数Ｎ１を１だけ加算し（ステップＳ４１）、故障回復判定用のデューティ比（Ｄ_{ｃｈｅｃｋ}）を利用してＰＷＭ信号発生部２３からＰＷＭ信号を出力させる。

上記において、設定される故障回復判定用のデューティ比（Ｄ_{ｃｈｅｃｋ}）は、電流・電圧変換器１５等の回路部品を破損させない程度のオン時間が極めて短いものである。このとき、線間短絡故障の状態から回復していれば、線間短絡故障が検出されない。この状態が繰り返して続き、判定ステップＳ３９で故障回復判定回数Ｎ１がしきい値（Ｎ１judg）よりも大きくなった場合には、線間短絡故障フラグ（Flag）をＯＦＦにして解除する（ステップＳ４２）。これによって、切替え器３０をデューティ比演算部２２側に接続し、通常の制御動作に復帰する。なお、故障回復判定において線間短絡故障と判定された場合、故障保護処理に戻り、装置が保護される。

以上において、ステップＳ３１〜Ｓ３８が故障保護処理のプロセスを形成し、ステップＳ３９〜Ｓ４２は故障回復判定処理のプロセスを形成する。

図７に、本実施形態に係る電磁比例弁駆動制御装置で実施される「線間短絡故障判定」、「故障保護」、「線間短絡故障回復判定」、および「通常動作」を動作波形の観点で時間軸に沿って示す。図７で、（ａ）はＰＷＭ信号の波形を示し、（ｂ）は電流・電圧変換器１５に流れる電流の波形を示し、（ｃ）はＡ／Ｄ変換部２８への入力電圧の波形を示す。さらに図７において、区間５１は「通常動作」を示し、区間５２は「線間短絡故障判定」の動作状態を示し、区間５３は「故障保護（ＰＷＭ出力ＯＦＦ）」の動作状態を示し、区間５４は「線間短絡故障回復判定（未回復）」の動作状態を示し、区間５５は「線間短絡故障回復判定（回復）」の動作状態を示している。

上記のごとく本実施形態に係る電磁比例弁駆動制御装置によれば、電磁比例弁駆動制御装置を構成する回路部品を破損することなく、電磁比例弁での線間短絡故障状態を確認し、当該故障状態を即座に保護し、さらに当該故障状態から回復した場合や誤って故障判定が行われた場合などには、速やかに装置を通常動作に復帰させることができ、装置の信頼性を向上することができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさ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、説明された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、建設機械等に設けられた電磁比例弁で線間短絡故障が生じたときの駆動制御として利用される。

本発明の実施形態に係る電磁比例弁駆動制御装置の全体構成を示すブロック図である。図１における電磁比例弁の周辺回路部を示すブロック図である。電磁比例弁の機械的な構造を示す断面図である。電磁比例弁が正常動作時の場合と、線間短絡故障時の場合の動作波形図である。本実施形態に係る電磁比例弁駆動制御装置における線間短絡故障の判定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駆動制御装置における線間短絡故障の保護処理および故障回復判定処理の流れを示すフローチャートである。動作波形の全体的な変化を示す波形図である。従来の誘導性負荷駆動装置のブロック図である。

符号の説明

１０制御装置
１１演算処理部
１２電磁比例弁
１３電源
１４スイッチング素子
１５電流・電圧変換器
１７過電流制限用スイッチング素子
１８負荷電流環流素子
２１指令値発生部
２２デューティ比演算部
２３ＰＷＭ信号発生部
２４故障判定部
２５故障保護部
２６故障回復判定部
２７検出電圧保存部
２８Ａ／Ｄ変換部

Claims

内部の各機能要素がソフトウェアにより実現され、前記機能要素として、指令値発生部と、前記指令値発生部から出力される指令値に基づいてデューティ比を演算するデューティ比演算部と、前記デューティ比を有するＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部とを有し、前記ＰＷＭ信号を出力する演算処理手段と、
前記演算処理手段から出力される前記ＰＷＭ信号に応じて電磁比例弁のコイルに通電を行うスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のオフ時に前記電磁比例弁に生じる逆起電力を前記電磁比例弁の入力側に環流させる負荷電流環流素子と、
前記電磁比例弁に流れた励磁電流を電圧に変換しこの電圧を検出電圧として前記演算処理手段に戻す電流・電圧変換器とを備える電磁比例弁駆動制御装置において、
前記演算処理手段の外部にて前記スイッチング素子とは別なものとして設けられ、前記電流・電圧変換器から出力される前記検出電圧を入力し、前記検出電圧の値が線間短絡故障検出用設定値以上になったとき、前記演算処理手段から前記スイッチング素子への前記ＰＷＭ信号の供給を止める過電流制限スイッチング素子を備えることを特徴とする電磁比例弁駆動制御装置。
前記演算処理手段の外部に設けられ、前記電流・電圧変換手段から出力される前記検出電圧を増幅する増幅器と、
前記演算処理手段内の前記機能要素であって、前記増幅器で増幅された前記検出電圧を入力しデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記演算処理手段内の前記機能要素であって、前記Ａ／Ｄ変換手段から出力される検出電圧値を入力し、この検出電圧値の時間変化（検出電圧波形の傾き）に基づいて線間短絡故障であるか否かを判定する故障判定手段と、
前記演算処理手段内の前記機能要素であって、前記故障判定手段が線間短絡故障であると判定したとき、前記ＰＷＭ信号の発生を阻止する故障保護手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁比例弁駆動制御装置。
前記演算処理手段内の前記機能要素であって、前記故障判定手段が線間短絡故障であると判定したとき、部品を破損させない程度にオン時間が短いデューティ比のＰＷＭ信号を発生して前記電磁比例弁を駆動し、前記故障判定手段の判定出力に基づき前記線間短絡故障の状態からの回復を判定する故障回復判定手段とを備えることを特徴とする請求項２に記載の電磁比例弁駆動制御装置。
前記電磁比例弁は建設機械の油圧回路に設けられた電磁比例弁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駆動制御装置。