JPH0736548A - 流体量制御弁の制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大きなオーバシュートを生ずることのない安
定した制御ができると共に、設定値に対して偏差の小さ
い値に流体量を制御することができる流体量制御弁の制
御回路を得る。 【構成】 比例電磁式リリーフ弁５２の非線形特性を補
償する特性変換部２と、特性変換部２を介して入力され
た設定入力信号によって流体量を比例制御する比例電磁
式リリーフ弁５２と、比例電磁式リリーフ弁５２によっ
て制御された油圧を検出する圧力センサ５３と、圧力セ
ンサ５３によって検出された検出値と前記設定入力信号
との偏差を求め、該偏差が予め設定された設定値になる
と、該偏差を予め設定されたゲインで増幅し、その増幅
信号と特性変換部２の出力とを加算して、この加算され
た信号を比例電磁式リリーフ弁５２に対して駆動信号と
して供給するフィードバック回路とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は閉ループ制御による流体
量制御弁の制御回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は従来の閉ループによる流体量制御
弁システムの構成の一例を示すものであり、図８に示す
ものは油圧回路における圧力制御に関するものである。
図において、５０は油圧ポンプなどの油圧供給源、５１
は油圧供給源５０からの圧油によって駆動される油圧シ
リンダ、５２は油圧供給源５０から油圧シリンダ５１に
供給される圧油の圧力が所定値に達したら圧油を逃がし
て油圧を所定値に保つ比例電磁式リリーフ弁である。５
３は油圧シリンダ５１に供給される圧油の圧力を検出す
る圧力センサ、５４は圧力センサ５３の検出値と指令値
との偏差を演算し、その偏差を所定のゲインで増幅し、
該増幅した電流を比例電磁式リリーフ弁５２に供給する
アンプである。

【０００３】図９は上記の比例電磁式リリーフ弁５２の
断面図である。図において、６０は可動鉄心、６１は可
動鉄心６０の先端部に取り付けられたバネ、６２はバネ
６１の先端に取り付けられたポペット弁、６３はポペッ
ト弁が押し付けられるシートである。また、６４は固定
鉄心６５に巻かれたソレノイドコイルである。図１０は
比例電磁式リリーフ弁５２の流量１Ｌ／MIN Ｉおける指
令電流と制御圧力との関係を示した電流−圧力特性図で
ある。図に示すように、指令電流と制御圧力は非線形の
関係にある。

【０００４】次に、図９に基づいて比例電磁式リリーフ
弁５２の動作を概説する。例えば比例電磁式リリーフ弁
５２に設定圧力が５０ｋｇｆ／ｃｍ² になる電流（図１
０からこのときの電流値は0.6(A)である。）をステップ
状態に供給すると、可動鉄心６０は固定鉄心６５に吸着
されて図中左方に速やかに移動し、スプリング６１を圧
縮し、ポペット弁６２がシート６３に押し付けられる。
この状態で油圧供給源が駆動して系の油圧が上昇してゆ
き、ポペット弁６２がシート６３に押し付けられる力に
見合う圧力に達するとポペット弁６２が開き始める。こ
のときの圧力をクラッキング圧力という。さらに圧力が
上昇し設定圧力に達すると、余剰流量は全て比例電磁式
リリーフ弁５２のタンクポートから流出する。このとき
の流量と圧力の関係の変化の様子は一般にオーバライド
特性と呼ばれ、リリーフ弁の種類によって一定の特性を
示すことが知られている。図１１に比例電磁式リリーフ
弁５２のオーバライド特性を示す。従って、比例電磁式
リリーフ弁５２はこのオーバライド特性に従って圧力が
変化し、結局ソレノイドコイル６４への指令電流と通過
流量とによって定まる設定圧力に落ちつくことになる。

【０００５】図１２は比例電磁式リリーフ弁５２を開ル
ープ制御したの場合の応答波形を示す線図である。図１
２の線図はアンプゲインＫを１Ａ／１０Ｖとし指令電圧
が６Ｖの場合を示しており、この場合には５０ｋｇｆ／
ｃｍ² の制御圧力が得られる。なお、開ループ制御では
制御圧力に達する前にポペット弁６２が開き初め、いわ
ゆる前漏れが発生するので、応答波形は図１２に示すよ
うに滑らかな波形を示す。すなわち、開ループ制御では
流体の温度等の外的条件の変化によって流量や圧力が変
化するためこれらの外的条件の変化に対応した微妙な制
御ができないという問題点はあるが、応答波形は滑らか
な曲線となりオーバーシュートが生じないという利点が
あるといえる。

【０００６】次に、従来の閉ループによる圧力制御を図
８及び図９に基づいて概説する。油圧供給源５０が稼働
して油圧シリンダ５１に圧油が供給され、圧力センサ５
３は油圧シリンダ５１に供給される圧油の圧力を検出し
て、検出値を電気信号として出力する。アンプ５４には
制御圧力に対応する指令電圧と圧力センサ５３からの電
気信号が入力され、これらの偏差が演算され、この偏差
がアンプ５４で増幅されて比例電磁式リリーフ弁５２に
供給される。このような動作を繰り返すことによって、
油圧シリンダ５１に供給される圧油の圧力を制御圧力Ｐ
Ｌに近づけるように制御する。このときアンプ５４を単
純な比例増幅のみにすると、アンプ５４のゲインを大き
くすることにより設定圧力と制御圧力の最終的な偏差を
小さくすることが出来る。

【０００７】図１３は上記の閉ループ制御による制御開
始時における圧力応答波形の概要を示した線図である。
なお、比例電磁式リリーフ弁５２は開ループの場合と同
様に指令電圧が１０Ｖで１００ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力が
得られるものとし、圧力センサ５３の出力を１０Ｖ／１
００ｋｇｆ／ｃｍ² とし、アンプ５４のゲインを開ルー
プに対して１０倍の１Ａ／１Ｖとしている。以下、図１
３に基づいて油圧ポンプ駆動開始から制御圧力が静定す
るまでの圧力応答状態を説明する。油圧供給源５０を稼
働してアンプ５４に制御圧力５０ｋｇｆ／ｃｍ² への指
令電圧５Ｖを与えると、制御開始時には圧力センサ５３
からの出力がほぼ０であるため偏差は５Ｖとなり比例電
磁式リリーフ弁５２には５Ａ（実際にはアンプ飽和ま
で）の電流が供給され、ポペット弁６２はシート６３に
強く押し付けられる。

【０００８】その後、圧力の上昇とともに偏差は小さく
なるが、アンプゲインが高い場合には設定圧の直前にな
ってソレノイドコイルへの供給電流が減少し始めること
になり（図１３中ａ点）、開ループ制御の場合に発生し
た前漏れ現象を利用することができない。そのため制御
圧力は大きなオーバシュートを伴い、応答波形は図１３
に示すように振動的となる。そして、圧力は最終的に設
定値に対してアンプ５４のゲインに見合った偏差で落ち
つくことになる。一方、ゲインを小さくしてオーバシュ
ートを小さくしようとすれば設定値に対する制御圧力の
最終的な偏差が大きくなってしまう。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、従来の閉ル
ープ制御ではアンプ５４のゲインを大きくして設定値に
近い値に制御しようとすると、圧力の立ち上がり時に大
きなオーバーシュートを伴い、一方、オーバーシュート
を小さくしようとするとアンプ５４のゲインを小さくし
なければならず、この場合には設定値に対する制御圧力
の最終的な偏差が大きくなるという問題点があった。ま
た、比例電磁弁は比例電磁式リリーフ弁５２の例で示し
たように一般に指令電流と制御圧力が非線形の関係にあ
り、精度よく制御を行うのが困難であるという問題点も
あった。

【００１０】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたもので、大きなオーバシュートを生ずることのな
い安定した制御ができると共に、設定値に対して偏差の
小さい値に流体量を制御することができる流体量制御弁
の制御回路を得ることを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る流体量制御
弁の制御回路においては、比例電磁弁の非線形特性を補
償する特性変換部と、該特性変換部を介して入力された
設定入力信号によって流体量を比例制御する比例電磁弁
と、該比例電磁弁によって制御された流体量を検出する
検出手段と、該検出手段によって検出された検出信号と
前記設定入力信号との偏差を求め、該偏差が予め設定さ
れた設定値になると、該偏差を予め設定されたゲインで
増幅し、その増幅信号と前記特性変換部の出力とを加算
して、該加算された信号を前記比例電磁弁に対して駆動
信号として供給するフィードバック回路とを設けたもの
である。

【００１２】また、フィードバック回路は、検出手段に
よって検出された検出信号と設定入力信号との偏差を求
め、該偏差に対応したゲインを設定して、前記偏差をそ
のゲインで増幅し、その増幅信号と特性変換部の出力と
を加算して、該加算された信号を比例電磁弁に対して駆
動信号として供給するようにしたものである。

【００１３】さらに、フィードバック回路の出力側にリ
ミッタ回路を挿入したものである。

【００１４】

【作用】上記のように構成された流体量制御弁の制御回
路に設定入力信号を入力すると、特性変換部が設定入力
信号を比例電磁弁の非線形特性を線形に変換する信号に
変換して出力する。これによって、比例電磁弁を開ルー
プ制御した場合の入力電圧−制御圧力特性曲線がほぼ直
線になり、閉ループ制御の場合の理想曲線に近づき、設
定入力信号を特性変換しない場合に比べてより設定値に
近い圧力に達してから閉ループ制を開始することができ
る。また、フィードバック回路は偏差が予め設定された
設定値を越えると、この偏差を予め設定されたゲインで
増幅し、その増幅信号と特性変換部の出力とを加算し
て、該加算された信号を前記比例電磁弁に対して駆動信
号として供給する。これによって、圧力の立ち上がり時
には開ループ制御を行い、圧力が上昇して偏差が所定値
を越えると閉ループ制御と開ループ制御を併用すること
になり、精度よく流体量の制御ができる。

【００１５】請求項２記載のフィードバック回路は、検
出手段によって検出された検出信号と設定入力信号との
偏差を求め、該偏差に対応したゲインを設定して、前記
偏差をそのゲインで増幅し、その増幅信号と特性変換部
の出力とを加算して、該加算された信号を比例電磁弁に
対して駆動信号として供給する。ゲインの設定は断続ま
たは連続的な設定が可能である。

【００１６】請求項３記載のリミッタ回路は過剰な電流
が比例電磁弁に供給されるのを防止する。

【００１７】

【実施例】

実施例１．図１は本発明の一実施例を示すブロック図で
あり、従来例を示した図８と同一部分には同一符号を付
し説明を省略する。図において、１は設定値を入力する
入力ポート、２は比例電磁式リリーフ弁５２の非線形特
性を補償する特性変換部である。特性変換部２は図２に
示す変換特性を有しており、比例電磁式リリーフ弁５２
の特性（図１０参照）を図３に示すようにリニアに変換
する。従って、特性変換部２を介して開ループ制御した
場合の指令電圧と制御圧力Ｐ_R の関係は図３に示すよう
にほぼ直線になり、全ての入力電圧の領域で理想線図Ｚ
にかなり近い状態になる。なお、この関係は流量及び油
温で異なり、流量最大で油温が低い場合はカーブＢにな
り、流量最小で油温が高い場合はカーブＡとなる。本実
施例ではカーブＡ，Ｂの外側のカーブＣ，Ｄの範囲内に
入ると閉ループ制御に入るように、あるいは、閉ループ
のゲインを高くするように制御する。

【００１８】３は入力ポート１から入力される設定値と
圧力センサ５３からのフィードバック信号とを加算して
偏差を演算する演算部、４は演算部３から入力される偏
差量がどの程度目標値に近づいたかを例えば３段階に分
けて判定するコンパレータである。コンパレータ４は偏
差量を設定する偏差設定器Ｃ1 〜Ｃ3 を備えており、偏
差設定器Ｃ1 〜Ｃ3 の設定値は任意に設定可能であるが
本実施例ではＣ1 は±８ｋｇｆ／ｃｍ² 、Ｃ2 は±４ｋ
ｇｆ／ｃｍ² 、Ｃ3 は±２ｋｇｆ／ｃｍ² にそれぞれ設
定されている。すなわち、Ｃ1 の値が図３におけるカー
ブＣ，Ｄを決定することになる。そして、コンパレータ
４は偏差の値が上記の設定値になったと判定したときに
判定結果に応じてで後述するゲイン切換部８の３個スイ
ッチ５ａ，５ｂ，５ｃをそれぞれＯＮ−ＯＦＦする。

【００１９】５はゲイン切替部であり、それぞれ異なる
３種のゲインＫ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 を有する３個のアンプ５
Ａ，５Ｂ，５Ｃによって構成され、これらはそれぞれス
イッチ５ａ，５ｂ，５ｃのＯＮ−ＯＦＦによって任意に
切り替えができるように構成されている。そして、これ
らのスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃは上述したようにコンパ
レータ４からの指示によってＯＮ−ＯＦＦ制御される。
なお、アンプ５Ａ，５Ｂ，５Ｃのゲインは任意に設定で
きるが本実施例ではゲインＫ1 ，Ｋ2 ，Ｋ3 はそれぞれ
２倍，４倍，１０倍に設定されている。また、本実施例
ではゲインの値が段階的に増加する例を示したが、偏差
設定器Ｃ1 〜Ｃ3 とスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃ間にロジ
ック回路を挿入することにより、任意のゲインの組合せ
が可能となる。６はゲイン切替部５の出力側にあって過
剰な電流が比例電磁式リリーフ弁５２のソレノイドコイ
ル６４に入力されるのを防止するリミッタ回路である。
７はリミッタ回路６からの出力と特性変換部２からの出
力とを加算する加算器である。

【００２０】図４は本実施例の応答波形の一例を示す線
図であり、図５はその拡大図である。次に、本実施例の
動作を図４及び図５に基づいて説明する。入力ポートか
ら例えば５０ｋｇｆ／ｃｍ² の指令を与えると特性変換
部２の効果により０．６Ａの電流が比例電磁式リリーフ
弁５２にステップ状に供給され、例えば開ループ制御の
場合の特性が図３におけるカーブＡの場合には制御圧力
は４５ｋｇｆ／ｃｍ²に向かう。ところで、図３のカー
ブＣの値は設定値−８ｋｇｆ／ｃｍ² に設定されている
ので５０ｋｇｆ／ｃｍ² −８ｋｇｆ／ｃｍ² ＝４２ｋｇ
ｆ／ｃｍ² までは開ループ制御で動作し、応答波形も図
４または図５に示すように開ループ制御の波形を示すこ
とになる。そして、圧力が上昇して４２ｋｇｆ／ｃｍ²
に達すると、コンパレータ４が偏差設定器Ｃ1 の設定範
囲に入ったことを確認し、ゲイン切換部５のスイッチ５
ａをＯＮする。これによってゲインＫ1 （２倍）の回路
が閉じ、８ｋｇｆ／ｃｍ² ×２＝１６ｋｇｆ／ｃｍ² が
４５ｋｇｆ／ｃｍ² に加算され、圧力は４２ｋｇｆ／ｃ
ｍ² から加算された６１ｋｇｆ／ｃｍ² に向かう。

【００２１】さらに圧力が上昇して４６ｋｇｆ／ｃｍ²
に達すると、コンパレータ４が偏差設定器Ｃ2 の設定範
囲に入ったことを確認し、ゲイン切換部５のスイッチ５
ａをＯＦＦすると共にスイッチ５ｂをＯＮする。これに
よってゲインＫ2 （４倍）の回路が閉じ、４ｋｇｆ／ｃ
ｍ² ×４＝１６ｋｇｆ／ｃｍ² が４５ｋｇｆ／ｃｍ²に
加算され、圧力は４６ｋｇｆ／ｃｍ² から加算された６
１ｋｇｆ／ｃｍ² に向かう。ここで、ゲイン切換部５の
ゲインの種類がゲインＫ1 ，Ｋ2 の２種類のみの場合に
は制御圧力が４６ｋｇｆ／ｃｍ² を超えて５０ｋｇｆ／
ｃｍ² に近づくに従い、フィードバック系のゲイン切換
部５からの出力は徐々に減少してゆき、最終的には制御
圧力Ｐ_R は４９ｋｇｆ／ｃｍ² に落ちつくことになる。
何故ならば、ゲインと偏差（設定値と最終的な制御圧力
Ｐ_R との偏差）を乗算した値が制御圧力Ｐ_R と開ループ
制御の場合の制御圧力との差に等しいことから下式が成
立し、下式を解くことによりＰ_R を求めるとＰ_R ＝４９
ｋｇｆ／ｃｍ² となるからである。 ４（５０−Ｐ_R ）＝（Ｐ_R −４５）より Ｐ_R ＝４９ｋｇｆ／ｃｍ² を得る。

【００２２】また、本実施例に示すようにゲインＫ3 が
ある場合には制御圧力が４８ｋｇｆ／ｃｍ² に達すると
上記と同様な動作によってゲインＫ3 （１０倍）の回路
が閉じ、２ｋｇｆ／ｃｍ₂ ×１０＝２０ｋｇｆ／ｃｍ²
分が４５ｋｇｆ／ｃｍ² に加算され、圧力は４８ｋｇｆ
／ｃｍ² から加算された６５ｋｇｆ／ｃｍ² に向かう。
そして上記の場合と同様に５０ｋｇｆ／ｃｍ² に近づく
に従い、フィードバック系のゲイン切換部５からの出力
は徐々に減少してゆき、１０（５０−Ｐ_R ）＝（Ｐ_R −
４５）より得られるＰ_R ＝４９．５ｋｇｆ／ｃｍ² に到
達して安定する。本実施例の電流波形（図４参照）は従
来例（図１３参照）に比べると安定しており電流変動が
大幅に小さいことが判る。したがって、制御圧力の変動
も小さく、速やかに目標圧力に近づいて静定する。

【００２３】実施例２．図６は本発明の他の実施例を示
すブロック図である。上記の実施例では開ループか閉ル
ープかの完全切換えの例を示したが、図６に示すように
ゲインＫ1 を例えば０．１以下の小さな値にして常時作
用させておき、ゲインＫ2 ，Ｋ3 で閉ループ制御を強く
効かせても良い。

【００２４】実施例３．図７は本発明の他の実施例の要
部を示すブロック図である。図において、一点鎖線で囲
んだ部分が図１におけるゲイン切換部５とコンパレータ
４に相当する部分であり、１０は掛算器、１１は偏差増
幅用のアンプである。アンプ１１は予め設定された基準
値と偏差との差を所定のゲインで増幅して出力するもの
である。図７に示すような回路構成にすることによって
にフィードバックゲインを偏差応じて連続的に変化させ
ることができる。

【００２５】なお、上記実施例では説明を容易にするた
めに比例制御の場合についてのみ説明したが、フィード
バック回路内に積分器や微分器を追加し、偏差の解消、
応答波形のさらなる改善を図ることができる。

【００２６】また、上記実施例ではリリーフ弁の場合に
ついて説明したが本発明はこれに限られるものではな
く、例えば、圧力補償弁付流量調整弁を用いた装置の速
度制御についても同様に使用できる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
開ループ制御回路に特性変換部を設け、制御する流体量
と設定値の偏差が一定値に達したら開ループ制御と閉ル
ープ制御を併用するようにしたので、上記偏差を小さく
設定することができ、設定値に近い圧力に達してから閉
ループ制御を開始することができる。このため、オーバ
ーシュートの小さい滑らかで、かつ、高精度な流体量の
制御が可能になる。

【００２８】また、フィードバック回路は、偏差に対応
したゲインを設定できるようにしたので、偏差が小さく
なるに従ってゲインを徐々に大きく設定でき、オーバー
シュートをより小さく抑えることができると共に高精度
な流体量の制御ができる。

【００２９】さらに、フィードバック回路の出力側にリ
ミッタ回路を挿入したので、ゲイン切り換え時に過剰な
電流が比例電磁弁に供給されるのが防止され、オーバー
シュートの発生が防止され、滑らかな制御が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】本発明に係る特性変換部の変換特性を示す線図
である。

【図３】図２に示す特性変換部で特性変換した場合の比
例電磁式リリーフ弁５２の特性を示す線図である。

【図４】本実施例の応答波形の一例を示す線図である。

【図５】図４の拡大図である。

【図６】本発明の他の実施例の要部を示すブロック図で
ある。

【図７】本発明の他の実施例の要部を示すブロック図で
ある。

【図８】従来の閉ループによる流体量制御弁システムの
構成を示すブロック図である。

【図９】比例電磁式リリーフ弁の断面図である。

【図１０】比例電磁式リリーフ弁の流量１Ｌ／MIN Ｉお
ける指令電流と制御圧力との関係を示した線図である。

【図１１】比例電磁式リリーフ弁のオーバライド特性を
示した線図である。

【図１２】比例電磁式リリーフ弁を開ループ制御したの
場合の応答波形を示す線図である。

【図１３】従来の閉ループ制御による制御開始時におけ
る圧力応答波形の概要を示した線図である。

【符号の説明】

１ 入力ポート ２ 特性変換部 ４ コンパレータ ５ ゲイン切換部 ６ リミッタ回路 ７ 加算器 ５２ 比例電磁式リリーフ弁 ５３ 圧力センサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 比例電磁弁の非線形特性を補償する特性
   変換部と、 該特性変換部を介して入力された設定入力信号によって
   流体量を比例制御する比例電磁弁と、 該比例電磁弁によって制御された流体量を検出する検出
   手段と、 該検出手段によって検出された検出信号と前記設定入力
   信号との偏差を求め、該偏差が予め設定された設定値に
   なると、該偏差を予め設定されたゲインで増幅し、その
   増幅信号と前記特性変換部の出力とを加算して、該加算
   された信号を前記比例電磁弁に対して駆動信号として供
   給するフィードバック回路とを備えたことを特徴とする
   流体量制御弁の制御回路。
2. 【請求項２】 フィードバック回路は、検出手段によっ
   て検出された検出信号と設定入力信号との偏差を求め、
   該偏差に対応したゲインを設定して、前記偏差をそのゲ
   インで増幅し、その増幅信号と特性変換部の出力とを加
   算して、該加算された信号を比例電磁弁に対して駆動信
   号として供給することを特徴とする請求項１記載の流体
   量制御弁の制御回路。
3. 【請求項３】 フィードバック回路の出力側にリミッタ
   回路を挿入したことを特徴とする請求項１または２記載
   の流体量制御弁の制御回路。