JP5628832B2 - 流体力を補償する油圧制御システム - Google Patents

Description

本開示は、概して、油圧制御システムに関し、特に、流体力を補償する油圧制御システムに関する。

一般に、機械アクチュエータに、たとえば可動機械ツールまたはリンク機構に関連するシリンダまたはモータに調整可能な流体流を提供するために、可変容量ポンプが使用される。アクチュエータの要求に基づいて、アクチュエータがツールおよび／またはリンク機構を予測された速度でかつ／または予測された力で移動させるように、ポンプの押しのけ容積を増大させるかまたは低減させる。従来、ポンプの押しのけ容積は、ポンプの押しのけ容積アクチュエータに連結されているロードセンシング、パイロット形の弁によって制御されてきた。

状況によっては適切な場合もあるが、パイロット形弁は、応答が遅く不正確である可能性がある。すなわち、弁は、所望の圧力と弁に直接作用している実際の圧力との差により油圧によって移動するため、アクチュエータにおける実際の圧力は、まず、所望の圧力から著しい量低下し、ポンプの押しのけ容積制御弁のいかなる移動も開始する前のある期間、所望の圧力を下回ったままでなければならない。さらに、弁の移動は、おもに弁自体の前後の圧力差によって開始されるため、その弁の移動によって可変条件の下で（たとえば、可変温度および流体粘度の下で）一定の動作を提供することができない。さらに、パイロット形弁は、応答時間が低速であるために状況によっては不安定性を示す可能性があり、その不安定性によりポンプの押しのけ容積制御の精度が低下する。

ポンプ押しのけ容積制御を改善しようという試みが、２００２年４月２３日にＤｕらに発行された（特許文献１）（‘７２２特許）に記載されている。特に、‘７２２特許は、可変容量油圧ポンプを制御する装置について記載している。その装置は、ポンプの斜板の角度を制御するように動作可能な制御サーボと、制御サーボに連結された電気油圧サーボ弁と、吐出圧力センサによって監視されるように、ポンプの吐出圧力に応じてサーボ弁を制御する手段とを有する。負のフィードバックループの原理に作用して、制御サーボは、その実際の位置を検知し、実際の位置を所望の吐出圧力に関連する意図された位置と比較することができる。制御サーボが、意図された位置と実際の位置との差を検出すると、サーボ弁は、意図された位置に達するまで制御サーボの位置を調整するように励磁される。このように、制御サーボの組み込まれた負のフィードバックループにより、斜板角の非常に精密な操作が可能になる。

米国特許第６，３７４，７２２号明細書

‘７２２特許の装置は、ポンプ押しのけ容積の精密な調節を増大させるのに役立つことができるが、いくつかの不都合が依然として残っている可能性がある。たとえば、装置は、ポンプの動作中に弁に作用する流体力を考慮しない可能性がある。したがって、押しのけ容積精度および装置の応答時間が依然として所望のものに満たない可能性がある。

開示する油圧制御システムは、上述した不都合および／または従来のシステムの他の問題のうちの１つまたは複数を克服することを目的とする。

一態様では、本開示は、油圧制御システムに関する。本油圧制御システムは、流体を加圧するように構成されるポンプと、ポンプの押しのけ容積に影響を与えるように構成される押しのけ容積制御弁と、ポンプから加圧流体を受け取り、加圧流体を油圧アクチュエータに選択的に向けるように構成されるツール制御弁とを有することができる。本油圧制御システムはまた、押しのけ容積制御弁と通信するコントローラも有することができる。コントローラを、所望の圧力勾配とは実質的に異なる、ツール制御弁の前後の圧力勾配を確定し、圧力勾配に基づいて押しのけ容積制御弁の所望の条件を確定し、所望の条件に基づいて押しのけ容積制御弁に加えられる流体力を確定するように構成することができる。コントローラを、さらに、所望の条件および流体力に基づいて押しのけ容積制御弁に向けられるロードセンシング応答信号を生成するように構成することができる。

別の態様では、本開示は、ポンプからの流体流を制御する方法に関する。本方法は、油圧ツール作動からもたらされる望ましくない圧力勾配を検知するステップと、望ましくない圧力勾配に基づいてポンプの押しのけ容積の所望の変化の割合を確定するステップと、ポンプの押しのけ容積の所望の変化の割合の実現に影響を与える流体力を確定するステップとを含むことができる。本方法は、さらに、流体力に対応するポンプの押しのけ容積の所望の変化の割合を実現するようにロードセンシング応答信号を生成するステップを含むことができる。

例示的な開示する機械の絵図である。 図１の機械で使用することができる例示的な開示する油圧制御システムの概略図である。 図２の油圧制御システムで使用することができる例示的な開示する制御弁の断面図である。

図１に、機械１０の例示的な実施形態を示す。機械１０は、特定の産業に関連する動作を実行することができる可動機械または定置形機械であり得る。たとえば、機械１０を、図１では、建設業で用いられるフロントローダとして構成されるように示す。しかしながら、機械１０を、輸送、採鉱、農業、または当業者に既知である他の任意の産業等の他のさまざまな産業での多くの種々の応用に適応させることができることが考えられる。機械１０は、作業ツール１４を移動させるように構成される器具システム１２と、器具システム１２に動力を提供する動力源１６と、器具システム１２の手動および／または自動制御のためのオペレータステーション１８とを有することができる。

器具システム１２は、１つまたは複数の流体アクチュエータが作業ツール１４を移動させるために作用するリンク機構構造を有することができる。開示する例では、器具システム１２は、１つまたは複数の油圧アクチュエータ２６（図１には１つしか示さず）、たとえば１つまたは複数のシリンダおよび／またはモータによって、作業面２３に対して水平軸２２を中心に垂直に枢動するブーム部材２０を有している。ブーム部材２０を、油圧アクチュエータ２６の起動（たとえば伸長および／または後退）が作業ツール１４を所望の方法で移動させるように機能するように、作業ツール１４に連結することができる。器具システム１２は、望ましい場合、図１に示すものとは異なるかつ／または追加のリンク機構部材および／または油圧アクチュエータを有することができることが考えられる。

作業ツール１４は、たとえばバケット、フォーク、ドリル、牽引装置（たとえばホイール）、または当業者には明らかである他の任意の器具等、多種多様の種々の器具を有することができる。作業ツール１４の移動に対し、オペレータステーション１８から手動でかつ／または自動的に制御することができる油圧アクチュエータ２６によって影響を及ぼすことができる。

オペレータステーション１８を、所望の作業ツールの移動を示す入力を機械オペレータから受け取るように構成することができる。特に、オペレータステーション１８は、オペレータシートに近接して位置する単軸または多軸ジョイスティックとして具現化される、１つまたは複数のオペレータインタフェース装置２４を有することができる。オペレータインタフェース装置２４は、所望の作業ツール速度および／または力を示す作業ツール位置信号を生成することにより、作業ツール１４を位置決めし、方向付けかつ／または起動するように構成される比例形コントローラであり得る。いくつかの例では、オペレータインタフェース装置２４からの信号を用いて、油圧アクチュエータ２６内の流体の流量、流れ方向および／または圧力を調節することができ、それにより、作業ツール１４の速度、移動方向および／または力が制御される。たとえば、ホイール、ノブ、プッシュ・プル装置、スイッチ、ペダル、および当該技術分野において既知である他のオペレータインタフェース装置等、種々のオペレータインタフェース装置を、別法としてまたはさらにオペレータステーション１８に含めることができることが考えられる。

図２を参照すると、動力源１６を、油圧アクチュエータ２６の起動を調節する油圧制御システム２８に関連付けることができる。動力源１６を、シャフト３０によって油圧制御システム２８に実質的に一定の動力（トルクおよび／または回転速度）を提供するように構成することができる。別法として、動力源１６を、ギア、ベルト、チェーン、電気回路等のさまざまな他の方法を用いて、または当該技術分野において既知である他の任意の方法により、油圧制御システム２８に動力を供給するように連結することができる。

油圧制御システム２８は、油圧回路３２と、油圧回路３２を通る流体流を制御するように位置しているコントローラ３４とを有することができる。油圧回路３２を、それ自体、油圧制御システム２８内において加圧流体流を方向付けるように用いられるさまざまな流体構成要素から構成することができる。たとえば、油圧回路３２は、油圧流体の供給源３６と、油圧流体を加圧するように動力源１６によって駆動されるポンプ３８と、加圧流体を利用して作業ツール１４（図１を参照）を移動させる油圧アクチュエータ２６とを有することができる。コントローラ３４は、ポンプ３８、油圧アクチュエータ２６および／または動力源１６と通信して、オペレータインタフェース装置２４からの信号に従って作業ツール１４を選択的に移動させることができる。

ポンプ３８は、概して、押しのけ容積制御装置４０を有する可変容量ポンプを具現化することができる。一例では、ポンプ３８は、通路４２を介して供給源３６から流体を引き出し、流体を供給通路４４に上昇した圧力で吐出するようにすることができる複数のピストン（図示せず）を備えたアキシャルピストン型ポンプであり得る。この例では、押しのけ容積制御装置４０を斜板とすることができ、その上をピストンが摺動する。ピストンが斜板に対して回転すると、斜板の傾斜角αによって、ピストンがそれらの内腔の中で往復運動し、上述した圧送作用をもたらすことができる。このように、押しのけ容積制御装置４０の傾斜角αを、各ピストンの押しのけ容積量に、後にポンプ３８の総押しのけ容積に直接関連付けることができる。

傾斜角αに影響を与えるように、押しのけ容積制御装置４０にチルトアクチュエータ４６を関連付けることができる。一例では、チルトアクチュエータ４６は、ピストンアセンブリ５２によって第２チャンバ５０から分離される第１チャンバ４８を有する、油圧シリンダであり得る。第１チャンバ４８を、第１チャンバ通路５４を介して供給通路４４の吐出圧力に連続的に連通させることができ、第２チャンバ５０を、吐出圧力にかつ第２チャンバ通路５６を介して供給源３６のより低い圧力に選択的に連通させることができる。

ピストンアセンブリ５２を、押しのけ容積制御装置４０に機械的に連結することにより、第１チャンバ４８および第２チャンバ５０内の流体圧力によってもたらされる、ピストンアセンブリ５２の前後の力差に応じて、押しのけ容積制御装置４０を移動させることができる。たとえば、第２チャンバ５０から流体が排出される（すなわち、第２チャンバ５０が供給源３６のより低い圧力に流体連通する）際、ピストンアセンブリ５２を後退させ、それにより傾斜角αを増大させることができる。対照的に、第２チャンバ５０に加圧流体が充填される（すなわち、第２チャンバ５０が供給通路４４の吐出圧力に流体連通する）際、ピストンアセンブリ５２を伸長させ、それにより傾斜角αを低減させることができる。この構造では、第２チャンバ５０内の流体の量を、押しのけ容積制御装置４０の位置に関連付けることができ、第２チャンバ５０に入りかつそこから出る流体流の流量を、押しのけ容積制御装置４０の速度に、したがってポンプ３８の押しのけ容積変化の割合に関連付けることができる。ピストンアセンブリ５２の後退および伸長に対する第１チャンバ４８および第２チャンバ５０の充填および排出の上記説明を、望ましい場合は逆にすることができることが考えられる。さらに、望ましい場合は、ピストンアセンブリ５２および／または押しのけ容積制御装置４０を、特定の押しのけ容積位置に向かって、たとえば最小または最大押しのけ容積位置に向かってばね付勢することができることが考えられる。

第２チャンバ５０へのかつそこからの流体流を制御するために、押しのけ容積制御弁５８を、供給通路４４に、第２チャンバ通路５６に、かつ排出通路６０を介して供給源３６に連通するように位置付けることができる。押しのけ容積制御弁５８は、たとえば比例形ソレノイド弁を含む種々のタイプの制御弁のうちの１つであり得る。図２および図３に示すように、押しのけ容積制御弁５８は、弁要素６２を有することができ、それは、本体６３内に摺動可能に配置され、ソレノイド６６により３つの別個の動作位置の間の任意の位置までばね６４の付勢に抗して移動可能である。ソレノイド６６を、コントローラ３４により、弁要素６２を任意の所望の位置まで移動させるように選択的に励磁することができる。

図３に示す一実施形態では、弁要素６２は、第１環状凹部６７を第２環状凹部６９から分離する少なくとも１つのランド部６５を有するスプールであり得る。第１環状凹部６７を、排出通路６０と連続的に流体連通させることができ、第２環状凹部６９は、供給通路４４と連続的に流体連通させることができる。（図２に示す）第１位置では、ランド部６５は、第２環状凹部６９を介して供給通路４４と第２チャンバ通路５６との間で、かつ第１環状凹部６７を介して第２チャンバ通路５６と排出通路６０との間で流体流を実質的に遮断することができる。第１位置では、傾斜角αのいかなる調整も行われる可能性がない（すなわち、ピストンアセンブリ５２を、押しのけ容積制御装置４０を移動させないように実質的に油圧式に係止することができる）。図２に示す第１位置から、ソレノイド６６を、弁要素６２を右に直線状に並進させて第２位置（図示せず）に到達させるように選択的に励磁することができる。第２位置では、弁要素６２の第１環状凹部６７は、第２チャンバ通路５６を排出通路６０に連結することができ、それにより、流体は、第２チャンバ５０から供給源３６まで流れることができ、第２チャンバ５０を有効に減圧する。この位置で、第１チャンバ４８内の高圧流体により、ピストンアセンブリ５２を後退させ、それにより、押しのけ容積制御装置４０の傾斜角αを増大させることができる。図２に示す第１位置から、ソレノイド６６を、弁要素６２を左に移動させて第３位置（図３に示す）に到達させるように選択的に励磁することができる。第３位置では、第２環状凹部６９は、第２チャンバ通路５６を供給通路４４に連結することができ、それにより吐出流体がポンプ３８から第２チャンバ５０に流れることができ、第２チャンバ５０を有効に加圧する。この位置で、第２チャンバ５０内の高圧流体は、ピストンアセンブリ５２上のより広い有効シリンダ面積と結合されて、ピストンアセンブリ５２を伸長させ、それにより押しのけ容積制御装置４０の傾斜角αを低減させることができる。弁要素６２が、第１位置と第２位置との間の位置まで、または第１位置と第３位置との間の位置まで移動した時、ピストンアセンブリ５２は、傾斜角αを増大または低減するように依然として移動することができるが、それを、弁要素６２の位置に比例する速度で行うことができる。すなわち、第１環状凹部６７および／または第２環状凹部６９を流れる流体は、対応する環状凹部６７、６９の有効な弁面積Ａ_valveに比例する速度で流れることができる。本明細書で使用するＡ_valveは、特に、流体が押しのけ容積制御弁５８内で通過する最小面積を指すものとする。

再び図２を参照すると、ポンプ３８から吐出される加圧流体を、ツール制御弁６８によって油圧アクチュエータ２６を移動させるように選択的に向けることができる。特に、ツール制御弁６８を、通路４４内の油圧アクチュエータ２６の上流に配置することができる。また、チルトアクチュエータ４６と同様に、油圧アクチュエータ２６は、各々、第１チャンバ７０および第２チャンバ７２を有することができる。一実施形態では、第１チャンバ７０および第２チャンバ７２を、ピストンアセンブリ７４によって分離することができる。代替実施形態では、第１チャンバ７０および第２チャンバ７２を、インペラまたは他の既知の動力変換装置によって分離することができる。ピストンアセンブリ７２（または異なる動力変換装置）の移動に影響を与えるように、ツール制御弁６８により、選択的に、第１チャンバ７０および第２チャンバ７２に流体を供給するかまたはそこから流体を排出することができる。たとえば、第１チャンバ７０に加圧流体が充填され、第２チャンバ７２から流体が排出される場合、ピストンアセンブリ７４を、ブーム部材２０（図１を参照）を下降させるように後退させることができる。対照的に、第１チャンバ７０から加圧流体が排出され、第２チャンバ７２に加圧流体が充填される場合、ピストンアセンブリ７４は、ブーム部材２０を上昇させるように伸長することができる。第１チャンバ７０および第２チャンバ７２に対し充填および排出を行うために、ツール制御弁６８は、第１チャンバ通路７６および第２チャンバ通路７８を、通路４４を介してポンプ３８の吐出口に、かつ排出通路８０を介して供給源３６に選択的に連結することができる。

ツール制御弁６８は、たとえば比例形ソレノイド弁を含む種々のタイプの制御弁のうちの１つであり得る。すなわち、ツール制御弁６８は、ソレノイド８６によって３つの別個の動作位置の間の任意の位置までばね８４の付勢に抗して移動可能な弁要素８２、たとえばスプールを有することができる。一実施形態では、ソレノイド８６を、ばね８８によって弁要素８２に動作可能に連結することができ、コントローラ３４により弁要素８２を任意の所望の位置まで移動させるように選択的に励磁することができる。

第１位置（図示せず）では、ツール制御弁６８は、第１チャンバ７０および第２チャンバ７２に入るかまたはそこから出るすべての流体流を実質的に遮断することができる。第１位置では、ブーム部材２０のいかなる移動も発生する可能性がない（すなわち、ピストンアセンブリ７４を、ブーム部材２０が移動しないように油圧により係止することができる）。第１位置から、ソレノイド８６を、弁要素８２を右に移動させて第２位置（図２に示す）に到達するように選択的に励磁することができる。第２位置では、ツール制御弁６８は、第１チャンバ７０を第１チャンバ通路７６によって供給通路４４に、かつ第２チャンバ７２を第２チャンバ通路７８および排出通路８０によって供給源３６に連結することができる。第２位置では、第１チャンバ７０に、ポンプ３８から吐出される加圧流体を充填することができ、一方で、流体は第２チャンバ７２から供給源３６に排出される。この同時の第１チャンバ７０の充填および第２チャンバ７２の排出により、ピストンアセンブリ７４を後退させることができる。第１位置から、ソレノイド８６を、弁要素８２を左に移動させて第３位置（図示せず）に到達するように選択的に励磁することができる。第３位置では、ツール制御弁６８は、第１チャンバ７０を排出通路８０に、かつ第２チャンバ７２を供給通路４４に連結することができる。第３位置では、第２チャンバ７２にポンプ３８から加圧流体を充填することができ、一方で流体は第１チャンバ７０から排出される。この同時の第１チャンバ７０の排出および第２チャンバ７２の充填により、ピストンアセンブリ７４を伸長させることができる。弁要素８２が、第１位置と第２位置との間の位置まで、または第１位置と第３位置との間の位置まで移動する時、ピストンアセンブリ７４は、依然としてブーム部材２０を上昇させるかまたは下降させるように移動することができるが、それを、弁要素８２の位置に比例する速度で行うことができる。弁要素８２が第１位置、第２位置および第３位置の間で移動する際（かつ油圧アクチュエータ２６が異なる速度および圧力で流体を消費する際）、ツール制御弁６８の前後の圧力勾配ΔＰ₆₈が変化する可能性がある。

油圧アクチュエータ２６およびチルトアクチュエータ４６の移動に対する精密な制御を容易にするために、コントローラ３４に１つまたは複数のセンサを関連付けることができる。特に、ポンプ３８の吐出圧力、たとえば供給通路４４内のツール制御弁６８の上流における流体の圧力を監視するように、第１センサ９０を配置することができる。第１チャンバ７０内の流体の圧力、たとえば第１チャンバ通路７６内の流体の圧力を監視するように、第２センサ９２を配置することができる。第２チャンバ７２内の流体の圧力、たとえば第２チャンバ通路７８内の流体の圧力を監視するように第３センサ９４を同様に配置することができる。センサ９０〜９４を、監視された圧力を示す信号を生成し、これら信号をコントローラ３４に送出するように構成することができる。

後により詳細に説明するように、センサ９０〜９４からかつ／またはオペレータインタフェース装置２４からの入力に応じて、コントローラ３４は、チルトアクチュエータ４６および／または油圧アクチュエータ２６の移動に影響を与えるように制御弁５８および／または６８の動作を調整することができる。コントローラ３４は、油圧制御システム２８の構成要素を制御しかつ作動させる手段を含む、単一のマイクロプロセッサまたは複数のマイクロプロセッサを具現化することができる。多数の市販のマイクロプロセッサを、コントローラ３４の機能を実行するように構成することができる。コントローラ３４は、多数の機械機能を制御することができる汎用マイクロプロセッサを容易に具現化することができることが理解されるべきである。コントローラ３４は、メモリ、補助記憶装置、プロセッサ、およびアプリケーションを実行する他の任意のコンポーネントを有することができる。電源回路、信号調整回路、ソレノイドドライバ回路および他のタイプの回路等、さまざまな他の回路をコントローラ３４に関連付けることができる。

さまざまなシステムパラメータを関連付ける１つまたは複数のマップを、コントローラ３４のメモリに格納することができる。これらマップの各々は、表、グラフ、式の形態および／または別の好適な形態でデータの集まりを含むことができる。マップを、コントローラ３４が自動的にまたはオペレータが手動で、油圧制御システム２８の動作に影響を与えるように選択しかつ／または変更することができる。

コントローラ３４は、センサ９０〜９４から受け取る信号に基づいて、押しのけ容積制御弁５８の動作を調節して実質的に一定のΔＰ₆₈を維持することができる。特に、コントローラ３４は、圧力センサ９０〜９４から信号を受け取りそれらを比較することによりΔＰ₆₈を確定する（すなわち、供給通路４４内のポンプ吐出圧力と第１チャンバ通路７６および第２チャンバ通路７８内の圧力の高い方との圧力差を確定する）ことができる。また、コントローラ３４は、ΔＰ₆₈が所定値にほぼ等しくない（すなわち、所望の圧力勾配の大きさの範囲内でない）と確定した場合、ΔＰ₆₈を補正するように機能する押しのけ容積制御弁５８に向けられたロードセンシング応答信号を生成することができる。

コントローラ３４からのロードセンシング応答信号により、ソレノイド６６を、弁要素６２を所望の位置に移動させるように選択的に励磁することができ、それにより、チルトアクチュエータ４６が押しのけ容積制御装置４０の傾斜角αを調整する。たとえば、ΔＰ₆₈が予測より低い場合、コントローラ３４は、ソレノイド６６に対し弁要素６２を第２位置に向かって移動させるロードセンシング応答信号を発行する（すなわち命令を発行するかまたは電流を送出する）ことができ、それにより、チルトアクチュエータ４６のピストンアセンブリ５２を後退させ傾斜角αを増大させ、したがってポンプ３８の押しのけ容積を増大させる。対照的に、ΔＰ₆₈が予測より高い場合、コントローラ３４は、ソレノイド６６に対し弁要素６２を第３位置に向かって移動させるロードセンシング応答信号を発行することができ、それにより、チルトアクチュエータ４６のピストンアセンブリ５２を伸長させて傾斜角αを低減させ、したがってポンプ３８の押しのけ容積を低減させる。このように、実質的に一定のΔＰ₆₈を維持することができ、それにより、油圧アクチュエータ２６の安定しかつ応答性の高い動作をもたらすことができる。

ロードセンシング応答信号を、コントローラ３４が、メモリに格納されたマップを参照しかつセンサ９０〜９４からの入力に基づいて、計算し／確定し／推定することができる。特に、コントローラ３４を、まず、ΔＰ₆₈および所望の一定圧力勾配に基づいてポンプ３８からの流体（すなわちポンプ３８の押しのけ容積）の所望の変化の割合を確定するように構成することができる。一例では、ポンプ３８の押しのけ容積の所望の変化の割合を、コントローラ３４のメモリに格納されたマップに対して、ΔＰ₆₈を直接参照することより、またはΔＰ₆₈と所望の一定の圧力勾配との差を参照することより、確定することができる。別の例では、油圧制御システム２８の特定の動作状態、たとえばポンプ３８の回転速度をΔＰ₆₈とともに用いることにより、ポンプ３８の押しのけ容積の所望の変化の割合を確定することができる。

既知の機械的連結および／または押しのけ容積制御装置４０の移動とポンプ３８内の個々のピストンの変位変化との関係により、かつチルトアクチュエータ４６の移動と結果としての押しのけ容積制御装置４０の傾斜角αとの既知の機械的連結および／または関係により、ポンプ３８の押しのけ容積の所望の変化の割合を、チルトアクチュエータ４６の所望の速度Ｖに直接関連付けることができる。また、当該技術分野において一般に既知であるように、（たとえばチルトアクチュエータ４６）のシリンダの速度（すなわち伸長または後退速度）は、そのシリンダ内への流体の流量

を、流体が作用する有効面積Ａ_cylによって除算した値にほぼ等しい可能性がある。さらに、上述したように、所望の速度を、コントローラ３４のメモリ内に格納されたマップを参照して確定することができ、かつピストンアセンブリ５２の有効面積を既知とすることができるため、所望の速度でチルトアクチュエータ４６を移動させるために必要な（すなわち、ポンプ３の押しのけ容積の所望の変化の割合をもたらすために必要な）流体の流量を、以下の式１に従って計算することができる。
式１

式中、

は、チルトアクチュエータ４６への流体の必要な流量であり、
Ｖは、コントローラ３４のマップから確定されたピストンアセンブリ５２の所望の速度であり、
Ａ_cylは、ピストンアセンブリ５２の既知の有効面積である。

押しのけ容積制御弁５８の第１環状凹部６７および／または第２環状凹部６９内を流れる流体は、対応する環状凹部の有効弁面積Ａ_valveに比例する速度で流れることができると考えられる。したがって、ポンプ３８に対し上記式１を介してΔＰ₆₈に適切に応答させるように、チルトアクチュエータ４６に入らなければならない流体の流量を確定して、コントローラ３４を、その流量を提供するために押しのけ容積制御弁５８をいかに動作させなければならないかを確定するように構成することができる。特に、コントローラ３４を、一般に知られているオリフィス式、すなわち以下の式２に基づいて、押しのけ容積制御弁５８に必要な有効面積Ａ_valveを確定するように構成することができる。
式２

式中、Ａ_valveは、押しのけ容積制御弁５８の有効面積であり、

は、上記式１から確定された、チルトアクチュエータ４６内に入りかつ押しのけ容積制御弁５８を流れる流体の必要な流量であり、
Ｃ_dは吐出係数であり、
ρは押しのけ容積制御弁５８を流れる流体の密度であり、
ΔＰ₅₈は押しのけ容積制御弁５８の前後の圧力勾配である。

吐出係数Ｃ_dを用いて、流体流の適切な粘度および乱流効果を近似することができ、それは、約０．５〜０．９の範囲内であり、一実施形態では、より詳細には約０．６２であり得る。吐出係数Ｃ_d、押しのけ容積制御弁５８の前後の圧力勾配ΔＰ₅₈および流体密度ρはすべて実質的に一定であり得るため、Ａ_valveを容易に計算することができる。しかしながら、この例ではΔＰ₅₈およびρを実質的に一定であると想定することができるため、望ましい場合は、測定値および／または変数値を利用して、弁制御精度を向上させることができることが考えられる。

Ａ_valveを計算すると、コントローラ３４は、Ａ_valveをもたらすために弁要素６２をばね６４の付勢に抗して距離ｘだけ移動させるためにソレノイド６６が必要とする力ｆ_kを確定することができる。特に、コントローラ３４は、メモリに、Ａ_valveの既知の値をｘに関連付けるマップ（たとえば押しのけ容積対面積曲線）を格納していることが可能である。また、周知のばね力の式、すなわち以下の式３に従って、コントローラ３４を、ｆ_kを計算するように構成することができる。
式３
ｆ_k＝ｘ・ｋ

式中、
ｆ_kは、弁要素６２をばね６４の付勢に抗して距離ｘだけ移動させるためにソレノイド６６が必要とする力であり、
ｘは、Ａ_valveを生成するために必要な距離であり、
ｋはばね６４のばね定数である。

流体が押しのけ容積制御弁５８内を移動する際、流体自体の慣性、乱流および／または粘度が弁要素６２に力を加える可能性があり、Ａ_valveに対する制御の精度を向上させるためにその力を考慮するべきである。弁要素６２に作用している流体力を、以下に提供する式４を用いて推定することができる。
式４
ｆ_f＝２・Ｃ_d・Ａ_valve・ΔＰ₅₈・ｃｏｓ（φ）

式中、
ｆ_fは流体力であり、
Ｃ_dは吐出係数であり、
Ａ_valveは押しのけ容積制御弁５８の有効面積であり、
ΔＰ₅₈は、押しのけ容積制御弁５８の前後の圧力勾配であり、
φはＡ_valveからの流体流出角度である。

流出角φは変化する可能性があるが、一例では、φを、研究室試験に基づいて一定であると想定することができ、それを用いて、Ａ_valveから出る流体力の軌道を近似することができる。ΔＰ₅₈、Ａ_valve、φおよびＣ_dは既知の値であり得るため、ｆ_fを計算し、後に押しのけ容積制御弁５８の移動中に補償することができる。特に、ソレノイド６６が提供しなければならない弁要素６２に作用する力のすべてを、以下の式５に従って加算によって確定することができる。
式５
Ｆ_s＝ｆ_k＋ｆ_f

式中、
Ｆ_sはソレノイド６６に必要な全力であり、
ｆ_kは、弁要素６２をばね６４の付勢に抗して距離ｘだけ移動させるためにソレノイド６６が必要とする力であり、
ｆ_fは流体力である。

したがって、望ましくない値を有するΔＰ₆₈に応じてコントローラ３４からソレノイド６６に向けられたロードセンシング応答信号は、Ｆ_sに関連する命令成分を含むことができる。一実施形態では、コントローラ３４は、メモリに格納されたマップ（たとえばソレノイド６６に対する力対電流曲線）に対する参照に基づいて、Ｆ_sをもたらすように十分にソレノイド６６を励磁するために必要な電流を確定することができる。また、コントローラ３４を、ΔＰ₆₈に応じてソレノイド６６にこの電流を向けるように構成することができる。

開示した油圧制御システムは、ポンプ出力のコストおよび精密な調節が考慮事項であるあらゆる機械で応用される可能性がある。開示した解決法は、特に、油圧ツールシステム、特に可動機械に搭載されて使用される油圧ツールシステムにおいて応用される。しかしながら、当業者は、開示した油圧制御システムを、油圧作動式ツールに関連してもしなくてもよい他の機械に関連して利用することができる。

油圧制御システム２８の動作中、機械オペレータは、オペレータインタフェース装置２４（図１を参照）を操作して、作業ツール１４の移動を命令することができる。機械オペレータがオペレータインタフェース装置２４を操作すると、オペレータインタフェース装置２４の変位位置に比例する信号を生成することができる。この信号を、コントローラ３４が受け取ることができ、ツール制御弁６８に向けられる１つまたは複数の応答命令に変換することができ、それら命令によって弁要素８２がその３つの位置の間で移動する。

加圧流体がツール制御弁６８内を通りかつ第１チャンバ７０および第２チャンバ７２のうちの一方の中に流れ込む際、対応する第１チャンバ通路７６および第２チャンバ通路７８の圧力が変化する可能性がある。コントローラ３４は、圧力センサ９０〜９４から受け取る信号を利用することにより、ツール制御弁６８の前後の圧力勾配（ΔＰ₆₈）を確定することができる。コントローラ３４は、ΔＰ₆₈を所定値と（すなわち所望の圧力勾配と）比較して、対応するロードセンシング応答信号を生成することができる。

ロードセンシング応答信号により、出力を変更するためにポンプ３８の押しのけ容積に対する必要な調整をもたらすことができる。たとえば、圧力勾配ΔＰ₆₈が低すぎる場合、ロードセンシング応答信号により、ポンプ３８の押しのけ容積を増大させることができる。逆に、圧力勾配ΔＰ₆₈が高すぎると確定された場合、ロードセンシング応答信号により、ポンプ３８の押しのけ容積を低減させることができる。

上述したように、コントローラ３４は、式１〜５に基づいてロードセンシング応答信号を計算し／推定し／確定し／生成することができる。特に、コントローラ３４は、まずΔＰ₆₈を、ポンプ３８からの流体（すなわちポンプ３８の押しのけ容積）の所望の変化の割合に関連付けることができる。そして、このポンプ押しのけ容積の所望の変化の割合をチルトアクチュエータ４６の所望の速度（Ｖ）と関連付けることができ、そこから、押しのけ容積制御弁５８を流れる流体の所望の流量

を、式１に従って計算することができる。

と押しのけ容積制御弁５８の前後の想定された一定の圧力勾配（ΔＰ₆₈）とに基づき、式２に従って、押しのけ容積制御弁５８の対応する有効面積（Ａ_valve）を計算することができる。Ａ_valveを弁要素６２の直線並進（ｘ）に関連付けた後、ｘ（ｆ_k）によってもたらされるばね６４の付勢を打ち勝つためにソレノイド６６が必要とする力を、式３に従って計算することができる。さらに、式４に従ってＡ_valve、ΔＰ₆₈およびにＡ_valveおける流体の想定された一定の流出角（φ）に基づいて、押しのけ容積制御弁５８を流れる流体流に関連する力に打ち勝つためにソレノイド６６が必要とする力（ｆ_f）を計算することができる。そして、式５に従って、ソレノイド６６が必要とする全力（Ｆ_s）を計算することができ、ロードセンシング応答信号の対応する命令成分を送出して、ソレノイド６６を励磁することができる。

明らかとなるように、説明した方法および装置は、移動している流体によってもたらされる流体力をすることにより、ポンプ押しのけ容積の制御における精度を提供することができる。流体力補償は、定圧油圧システムにおける反応性が高くかつ予測可能な作業ツールの作動を可能とするのに役立つことができる。さらに、流体力補償は、他のシステムで用いられる位置補正サーボ機構を不要とするのに役立つことができる。サーボ機構に対する必要を低減することにより、説明したシステムは、位置補正に関する誤りを低減し、ポンプ応答を向上させ、不安定性およびコストと低減することができる。

本開示の範囲から逸脱することなく、開示した油圧制御システムに対してさまざまな変更および変形を行うことができることが、当業者には明らかとなろう。開示した油圧制御システムの他の実施形態は、本明細書に開示した仕様および実施を考慮することにより、当業者には明らかとなろう。仕様および例は単に例示するものとして考慮されるべきであり、真の範囲は以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって示されることが意図されている。

Claims (10)

1. 油圧制御システム（２８）であって、
   流体を加圧するように構成されるポンプ（３８）と、
   ポンプの押しのけ容積に影響を与えるように構成される押しのけ容積制御弁（５８）と、
   ポンプから加圧流体を受け取り、加圧流体を油圧アクチュエータに選択的に向けるように構成されるツール制御弁（６８）と、
   押しのけ容積制御弁と通信するコントローラ（３４）であって、
   所望の圧力勾配とは実質的に異なる、ツール制御弁の前後の圧力勾配を確定し、
   圧力勾配に基づいて押しのけ容積制御弁の所望の条件を確定し、
   所望の条件に基づいて押しのけ容積制御弁に加えられる流体力の大きさを確定し、
   所望の条件および流体力の大きさに基づいて押しのけ容積制御弁に向けられるロードセンシング応答信号を生成する
   ように構成されているコントローラ（３４）と、
   を具備する油圧制御システム。
2. 所望の条件が、押しのけ容積制御弁を流れる所望の流体流を提供する有効面積であり、流体力が、有効面積を流れる所望の流体流の結果である、請求項１に記載の油圧制御システム。
3. 押しのけ容積制御弁が、弁要素（６２）と、弁要素を付勢するように構成されるばね（６４）とを有し、
   コントローラが、さらに、有効面積を提供する弁要素の直線並進を確定し、かつ直線並進の結果としてばねが弁要素に加える力を確定するように構成される、請求項２に記載の油圧制御システム。
4. 押しのけ容積制御弁が、弁要素を移動させるように構成されるソレノイド（６６）をさらに有し、
   ロードセンシング応答信号が、ばねによって加えられる力および流体力に打ち勝つためにソレノイドが必要とする力の大きさを示す、請求項３に記載の油圧制御システム。
5. 有効面積が、一定であると想定される、押しのけ容積制御弁の前後の圧力勾配に基づいて計算される、請求項２に記載の油圧制御システム。
6. ツール制御弁の両端の圧量勾配を測定する、ツール制御弁に関連する、少なくとも１つの圧力センサ（９０〜９４）をさらに有する、請求項５に記載の油圧制御システム。
7. ポンプの押しのけ容積を変化させるように移動可能な押しのけ容積制御装置（４０）と、
   押しのけ容積制御装置を移動させるように構成されるチルトアクチュエータ（４６）と、
   をさらに有し、
   押しのけ容積制御弁が、チルトアクチュエータを起動するように流体連結され、所望の条件が、チルトアクチュエータの所望の速度をもたらす、押しのけ容積制御弁を流れる所望の流体流に関連する、請求項１に記載の油圧制御システム。
8. ポンプ（３８）からの流体流を制御する方法であって、
   油圧ツール作動からもたらされる望ましくない圧力勾配を検知するステップと、
   望ましくない圧力勾配に基づいてポンプの押しのけ容積の所望の変化の割合を確定するステップと、
   ポンプの押しのけ容積の所望の変化の割合の実現に影響を与える流体力の大きさを確定するステップと、
   流体力の大きさに対応するポンプの押しのけ容積の所望の変化の割合を実現するようにロードセンシング応答信号を生成するステップと、
   を含む方法。
9. ポンプの押しのけ容積の所望の変化の割合が、ポンプの押しのけ容積を調整するために所望の流体流を提供する有効弁面積に関連し、
   流体力が、有効弁面積を流れる所望の流体流の結果であり、
   流体力を確定するステップが、有効弁面積と、有効弁面積からの流体流出の角度とに基づいて流体力を確定することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 機械（１０）であって、
    動力源（１６）と、
    ツール（１４）と、
    ツールを移動させるように構成される油圧アクチュエータ（２６）と、
    油圧アクチュエータを起動するために動力源によって駆動される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の油圧制御システム（２８）と、
    を具備する機械。

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