JP5916870B2 - 建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システム - Google Patents

Description

本発明は、建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムに係り、さらに詳しくは、電気モータを動力源として油圧ポンプを駆動する電子油圧システムの特性を用いてアクチュエータ（油圧シリンダなどをいう）の変位を検出してアクチュエータを制御したり、アクチュエータの変位制御に活用できるようにした建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムに関する。

一般に、エンジンによって駆動する油圧ポンプから吐き出される作動油によって、ブームシリンダなどのアクチュエータを駆動するように油圧システムが適用される油圧式掘削機において、ブームシリンダなどの変位を測定するためには、別途の変位センサ、ＡＤコンバータ、データ収集システム（ＤＡＱ：Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）を取り付ける。その結果、アクチュエータ変位を検出するための測定装置の当該部品点数の増加によってコストアップを招き、アクチュエータの駆動を細かく制御することが困難であるため、掘削機を用いて細かい作業を行う作業性が低下するという問題点がある。

本発明の実施形態は、電子油圧システムの特性（例えば、電気モータの回転速度、油圧シリンダの圧力、油圧ポンプ容量などをいう）を活用して油圧シリンダの変位を検出することから、変位センサなどが不要になってシリンダ変位の測定が簡単に行え、且つ、油圧シリンダの駆動を細かく制御できるようにした建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムに関する。

本発明の一実施形態による建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムは、電気モータと、電気モータによって駆動する油圧ポンプと、油圧ポンプに接続される油圧アクチュエータと、油圧ポンプと油圧アクチュエータとの間の流路に配設される負荷保持弁と、流路に並列接続された分岐流路に配設される逃がし弁と、電気モータの駆動を制御する制御器と、を備える建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムにおいて、
制御器からの制御信号によって電気モータの駆動を制御するステップと、
電気モータの駆動有無を判断して、電気モータが駆動すると油圧ポンプの流量を算出するステップ と、
位置検出センサから制御器に入力される検出信号によって常時検出される油圧シリンダの変位値が、基準位置に設定されたゼロ値から外れたか否かを判断するステップと、
油圧アクチュエータの変位値が設定されたゼロ値から外れたとき、逃がし弁の設定された圧力値と、油圧システムの測定された圧力値の大小を判断するステップと、
油圧システムの圧力値が逃がし弁の圧力値よりも大きいか、それに等しいときに、油圧アクチュエータの変位値を以前の値に設定し、油圧システムの圧力値が逃がし弁の圧力値よりも小さいときに、電気モータの回転速度、油圧アクチュエータの断面積、油圧ポンプの流量を用いて油圧アクチュエータの変位値を計算するステップと、
油圧システムのパワーオフの要求が入力されるときに、これまで計算された油圧アクチュエータの変位値を制御器に保存した後に終了し、油圧システムのパワーオフの要求が入力されないときに初期のステップに戻るステップと、を含む。

本発明の好適な実施形態によれば、上述した油圧アクチュエータは油圧シリンダである。

上述した油圧シリンダのピストンに取り付けられる位置感知用第１センサと、油圧シリンダのストロークエンド時の油圧シリンダチューブに取り付けられる位置感知用第２、第３センサと、を備えて、位置感知用第２、第３センサから制御器に入力される検出信号によって計算された油圧シリンダの変位値の累積誤差を除去し、第１センサが第２及び第３センサのうちのいずれか一方と一致する場合に油圧シリンダの変位値をゼロ値に再設定することができる。

上述した油圧シリンダ１２の変位値Ｄは、
Ｄ＝∫Ｖｄｔ＝∫（Ｑ／Ａ）ｄｔ（ここで、Ｖは油圧シリンダの駆動速度であり、Ｑは油圧ポンプ１１の流量であり、Ａは油圧シリンダ１２の断面積である）によって計算する。

上述した油圧ポンプ１１は、固定容量型油圧ポンプである。

上述したように構成される本発明の実施形態による建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムは、下記のメリットを有する。

電子油圧システムの特性を活用して油圧シリンダの変位を検出することから、別途の変位センサなどが不要になって油圧シリンダの変位測定装置を簡素化させることができ、これにより、油圧シリンダの変位検出値が正確になる結果、油圧シリンダの駆動を細かく制御するので、細かい作業を行う作業能率を高めることができる。

本発明の一実施形態による建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムの概略図である。 本発明の一実施形態による建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムにおけるアクチュエータの変位測定を説明するための図である。 本発明の一実施形態による建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムを示すフローチャートである。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳述するが、これは本発明が属する技術分野において、通常の知識を有する者が発明を容易に実施できる程度に詳細に説明するためのものであり、これにより本発明の技術的な思想及び範疇が限定されることはない。

図１乃至図３に示す本発明の一実施形態による建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムは、電気モータ１０と、電気モータ１０によって駆動する油圧ポンプ１１と、油圧ポンプ１１に接続される油圧アクチュエータ（以下、「油圧シリンダ１２」と称する）と、油圧ポンプ１１と油圧シリンダ１２との間の流路に配設される負荷保持弁１３、１４と、流路に並列接続された分岐流路に配設される逃がし弁１５、１６と、電気モータ１０の駆動を制御する制御器１７とを備える建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムにおいて、
制御器１７からの制御信号によって電気モータ１０の駆動を制御するステップ（Ｓ１００）と、
電気モータ１０の駆動有無を判断するステップ（Ｓ２００）と、
電気モータ１０が駆動すると、油圧ポンプ１１の流量Ｑを算出するステップ（Ｓ３００）と、
位置感知用第２及び第３センサ２１、２２から制御器１７に入力される検出信号によって常時検出される油圧シリンダ１２の変位値が基準位置に設定されたゼロ値（初期値をいう）から外れたか否かを判断するステップ（Ｓ４００）と、
油圧シリンダ１２の変位値が設定されたゼロ値から外れたとき、逃がし弁１５、１６の設定された圧力値と、圧力センサ２５、２６によって測定された油圧システムの圧力値の大小を判断するステップ（Ｓ５００）と、
油圧システムの圧力値が逃がし弁１５、１６の圧力値よりも大きいかそれに等しいときに油圧シリンダ１２の変位値を以前の値に設定し（Ｓ６００Ｂ）、油圧システムの圧力値が逃がし弁１５、１６の圧力値よりも小さいときに電気モータ１０の回転速度、油圧シリンダ１２の断面積、油圧ポンプ１１の流量を用いて油圧シリンダ１２の変位値を計算するステップ（Ｓ６００Ａ）と、
油圧シリンダ１２の変位値を記憶するステップ（Ｓ６５０）と、
油圧システムのパワーオフ状態を判断するステップ（Ｓ７００）と、
油圧システムのパワーオフの要求が入力されるときに、これまで計算された油圧シリンダ１２の変位値を制御器１７に保存した後に終了し（Ｓ８００）、油圧システムのパワーオフの要求が入力されないときに初期のステップに戻るステップと、を含む。

上述した油圧シリンダ１２のピストン１８及びストロークエンド時の油圧シリンダチューブ２０にそれぞれ取り付けられる位置感知用第１、第２及び第３センサ１９、２１、２２から、制御器１７に入力される検出信号によって計算された油圧シリンダ１２の変位値の累積誤差を除去し、第１センサ１９が第２及び第３センサ２１、２２のうちのいずれか一方と一致する場合に、油圧シリンダ１２の変位値をゼロ値に再設定することができる。

上述した油圧シリンダ１２の変位値Ｄは、
Ｄ＝∫Ｖｄｔ＝∫（Ｑ／Ａ）ｄｔ（ここで、Ｖは油圧シリンダの駆動速度であり、Ｑは油圧ポンプ１１の流量であり、Ａは油圧シリンダ１２の断面積である）によって計算される。

上述した油圧ポンプ１１は、固定容量型油圧ポンプである。

図面符号２３はエネルギー貯蔵システムであり、２４はインバータ（ＡＤコンバータ）であり、２５及び２６は油圧システムの圧力を検出して検出信号を制御器１７に伝送する圧力センサである。

以下、添付図面に基づき、本発明の一実施形態による建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムの使用例について詳細に説明する。

図１から図３に示すように、上述したエネルギー貯蔵システム２３の交流電圧の電気エネルギーは、インバータ２４によって直流電圧に変換されて電気モータ１０に供給されるので、これを駆動することができる。このとき、電気モータ１０は制御器１７からの制御信号によって駆動し、電気モータ１０の駆動によって油圧ポンプ１１を駆動することができる。

油圧ポンプ１１から吐き出される流量Ｑは、負荷保持弁１３または１４を経た後に、油圧シリンダ１２の大チャンバまたは小チャンバに伝達されるので、これを伸縮駆動することができる。

上述した油圧シリンダ１２に供給される流量Ｑは、制御器１７に入力される電気モータ１０の速度フィードバック値と、油圧ポンプ１１の容量値を用いて計算される。Ｑ＝（電気モータ回転速度）×（油圧ポンプ容量）＝Ａ（油圧シリンダの断面積）×Ｖ（油圧シリンダの駆動速度）

このとき、油圧シリンダ１２の駆動速度Ｖは、油圧ポンプ１１の供給流量Ｑと油圧シリンダ１２の断面積Ａとの相関関係によって決定される。すなわち、油圧シリンダ１２の駆動速度Ｖは、Ｖ＝Ｑ／Ａ式によって計算される。

一方、油圧シリンダ１２の変位値Ｄは、Ｄ＝∫Ｖｄｔ＝∫（Ｑ／Ａ）ｄｔ式によって計算される。したがって、電気モータ１０の速度フィードバック値が制御器１７から入力されるときに油圧シリンダ１２の変位を計算することができる。

以下、図３に基づき、油圧シリンダの変位を計算する過程について説明する。

Ｓ１００に示すように、上述した制御器１７からの制御信号によって電気モータ１０の駆動を制御する。

Ｓ２００に示すように、電気モータ１０の駆動有無を判断した後、電気モータ１０が駆動すると、油圧ポンプ１１の流量を算出するステップＳ３００に移行し、電気モータ１０が駆動しないと、Ｓ６００Ｃ（電気モータ１０の駆動がオフ状態であるため油圧ポンプ１１から流量が供給されない結果、油圧シリンダ１２の変位Ｄは０を維持する）に移行する。

Ｓ３００に示すように、電気モータ１０の速度値（未図示の回転速度検出部によって電気モータの回転速度を検出する）と油圧ポンプ１１の容量値を用いて油圧ポンプ１１の供給流量Ｑを計算する。

Ｓ４００に示すように、油圧シリンダ１２に取り付けられた位置感知用第２及び第３センサ２１、２２によって検出される検出信号は、制御器１７に常時入力される。油圧シリンダピストン１８に取り付けられた位置感知用第１センサ１９が、油圧シリンダチューブ２０に取り付けられた位置感知用第２及び第３センサ２１、２２のうちのいずれか一方と接触するとき（リミットスイッチの状態をオン（ｌｉｍｉｔ ｓｗｉｔｃｈ＝ｏｎ）と定義する）、これは油圧シリンダピストン１８がストロークエンドに位置するときであるので、制御器１７は油圧シリンダの変位Ｄをゼロ値（初期値をいう）に設定する。これは、油圧シリンダ１２の変位を計算する過程で積分機を用いるため、誤差が累積し続けるが、油圧シリンダ１２の累積する変位値誤差を除去することができ、且つ、初期値を特定の位置において再設定することにより油圧シリンダ１２の変位を測定する度合いを高めることが可能になる。

リミットスイッチの状態がオンであるときにステップＳ６００Ｃに移行し、リミットスイッチの状態がオフ（ｌｉｍｉｔ ｓｗｉｔｃｈ＝ｏｆｆ）であるとき（位置感知用第１センサ１９が位置感知用第２及び第３センサ２１、２２と接触しないときをいう）にステップＳ５００に移行する。

Ｓ５００に示すように、リミットスイッチがオフになったときに、逃がし弁１５、１６の設定された圧力値と、圧力センサ２５、２６によって検出された油圧システムの圧力値との大小を比較する。油圧システムの圧力値が逃がし弁１５、１６の圧力値よりも大きいかそれに等しいとき、ステップＳ６００Ｂに移行し、油圧システムの圧力値が逃がし弁１５、１６の圧力値よりも小さなとき、ステップＳ６００Ａに移行する。

Ｓ６００Ｂに示すように、油圧システムの圧力値が逃がし弁１５、１６の圧力値よりも大きいかそれに等しいときに、油圧シリンダ１２の変位値を以前の値に設定する。これは、検出された油圧システムの圧力が逃がし弁１５、１６の設定された圧力よりも高いとき、油圧ポンプ１１から吐き出される全ての流量が、逃がし弁１５、１６を経て油圧タンクＴに戻ることにより油圧シリンダ１２が駆動しないためである。したがって、油圧シリンダ１２の変位値を以前の値に維持することにより、油圧シリンダ１２の変位値を計算することが可能になる。

Ｓ６００Ａに示すように、油圧システムの測定圧力値が逃がし弁１５、１６の設定圧力値よりも小さなときに、電気モータ１０の回転速度、油圧シリンダ１２の断面積、油圧ポンプ１１の流量を用いて油圧シリンダ１２変位値Ｄを計算する。

すなわち、Ｄ＝∫Ｖｄｔ＝∫（Ｑ／Ａ）ｄｔ式(このとき、Ｖは油圧シリンダの駆動速度であり、Ｑは油圧ポンプ１１の流量であり、Ａは油圧シリンダ１２の断面積である）によって油圧シリンダ１２の変位を計算することができる。

Ｓ６５０に示すように、油圧シリンダ１２の変位値を記憶する。

Ｓ７００に示すように、油圧システムのパワーオフの有無を判断した後、油圧システムのパワーオフ（ＯＦＦ）の要求が入力されるとき、ステップＳ８００に移行し、油圧システムのパワーオフの要求が入力されないとき、初期ステップ（Ｓ１００参照）に移行する。

Ｓ８００に示すように、油圧システムのパワーオフの要求が入力されたときに、これまで計算された油圧シリンダ１２の変位値を制御器１７に保存した後に終了する。これにより、以後、装備油圧システムのパワーをオン（ＯＮ）にするとき、制御器１７に保存された油圧シリンダ１２の変位値をデフォルトにして油圧シリンダ１２の変位を再計算することが可能になる。

上述したように、本発明の一実施形態による建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムによれば、電子油圧システムの特性を活用してシリンダ変位を検出することから、別途の変位センサなどが不要になる。なお、油圧シリンダの変位検出値の正確性によってシリンダ駆動を細かく制御することができる。

１０ 電気モータ
１１ 油圧ポンプ
１２ 油圧シリンダ
１３、１４ 負荷保持弁
１５、１６ 逃がし弁
１７ 制御器
１８ 油圧シリンダのピストン
１９ 位置感知用第１センサ
２０ 油圧シリンダチューブ
２１ 位置感知用第２センサ
２２ 位置感知用第３センサ

Claims (5)

1. 電気モータと、電気モータによって駆動する油圧ポンプと、油圧ポンプに接続される油圧アクチュエータと、油圧ポンプと油圧アクチュエータとの間の流路に配設される負荷保持弁と、前記流路に並列接続された分岐流路に配設される逃がし弁と、前記電気モータの駆動を制御する制御器と、を備える建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システムにおいて、
   前記制御器からの制御信号によって前記電気モータの駆動を制御するステップと、
   前記電気モータの駆動有無を判断して、前記電気モータが駆動すると、前記油圧ポンプの流量を算出するステップと、
   位置検出センサから制御器に入力される検出信号によって、常時検出される前記油圧アクチュエータの変位値が、基準位置に設定されたゼロ値から外れたか否かを判断するステップと、
   前記油圧アクチュエータの変位値が設定されたゼロ値から外れたとき、前記逃がし弁の設定された圧力値と、油圧システムの測定された圧力値の大小を判断するステップと、
   前記油圧システムの圧力値が前記逃がし弁の圧力値よりも大きいかそれに等しいときに前記油圧アクチュエータの変位値を以前の値に設定し、前記油圧システムの圧力値が前記逃がし弁の圧力値よりも小さいときに前記電気モータの回転速度、油圧アクチュエータの断面積、前記油圧ポンプの流量を用いて油圧アクチュエータの変位値を計算するステップと、
   前記油圧システムのパワーオフの要求が入力されるとき、これまで計算された油圧アクチュエータの変位値を前記制御器に保存した後に終了し、前記油圧システムのパワーオフの要求が入力されないとき、初期のステップに戻るステップと、を含むことを特徴とする建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システム。
2. 前記油圧アクチュエータは油圧シリンダであることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システム。
3. 前記油圧シリンダのピストンに取り付けられる位置感知用第１センサと、前記油圧シリンダのストロークエンド時の油圧シリンダチューブ取り付けられる位置感知用第２、第３センサと、を備えて、前記位置感知用第２、第３センサから前記制御器に入力される検出信号によって計算された油圧シリンダの変位値の累積誤差を除去し、前記第１センサが第２及び第３センサのうちのいずれか一方と一致する場合に、油圧シリンダの変位値をゼロ値に再設定できるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システム。
4. 前記油圧シリンダの変位値Ｄは、
   Ｄ＝∫Ｖｄｔ＝∫（Ｑ／Ａ）ｄｔ（ここで、Ｖは油圧シリンダの駆動速度であり、Ｑは油圧ポンプの流量であり、Ａは油圧シリンダの断面積である）によって計算されることを特徴とする請求項３に記載の建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システム。
5. 前記油圧ポンプは、固定容量型油圧ポンプであることを特徴とする請求項１に記載の建設機械の電子油圧システムにおけるアクチュエータ変位測定システム。

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