JPH1047306A - 可変容量ポンプを使用したブリードオフ制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ブリードオフ流量による無駄なエネルギーの消
費がなく、簡単な構造の制御バルブの使用を可能とし制
御バルブの操作性が良いブリードオフ油圧システムに適
した可変容量ポンプの制御方法を提供する。 【解決手段】可変容量ポンプの吐出回路に、複数のアク
チュエータをクローズドセンターの制御バルブを介して
接続し、吐出回路からの圧力信号と、各制御バルブの操
作量信号と、該ポンプのポンプ吐出量に基づくアクチュ
エータ流量の流量信号とを検出し、コントローラにより
操作量信号の総和値から予定のブリードオフ面積値を算
出するとともに、ブリードオフ面積値と、該ポンプの最
大吐出量から該流量信号によるアクチュエータ流量を減
算した流量値と、からポンプ吐出圧指令を算出し、該ポ
ンプの容量をポンプ吐出圧指令と該吐出圧信号を減算し
た算出値をパラメータとして算出した吐出量指令により
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、油圧ショベル等の
ブリードオフ油圧システムを利用している建設機械等の
機械に適用される可変容量ポンプを使用したブリードオ
フ制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、１台の油圧ポンプで複数の油圧ア
クチュエータを動作させることが例えば建設機械の油圧
システムなどで行われている。該油圧システムは、一般
に図１に示すように固定容量ポンプａの吐出回路ｂにブ
リードオフ通路（センタバイパスポート）ｆを内蔵した
制御バルブｃを複数個設けて構成され、各制御バルブｃ
を操作することにより各油圧アクチュエータｄの作動速
度が制御される。即ち、該制御バルブｃを切り換えてい
くと、ブリードオフ通路ｆが徐々に閉じていき、これに
伴ってポンプａの吐出圧が上昇し、ブリードオフ通路ｆ
とは逆に徐々に開いていくアクチュエータポートｇ、ｇ
を介してシリンダーのアクチュエータｄへ油が導入さ
れ、該アクチュエータポートｇの開口面積に応じてアク
チュエータｄの作動速度が制御される。

【０００３】該ブリードオフ油圧システムを制御バルブ
のメータイン回路にのみ着目し、更に、漏れ等を無視し
て簡単化して制御ブロック図で表せば図２のようにな
る。同図に於いて、Ｋｑは流量係数、Ｃｐはポンプ配管
系圧縮係数、Ｃｏはシリンダー系圧縮係数、Ｓはラプラ
ス演算子、Ａはシリンダー面積、Ｍは負荷系質量、ｅｔ
ａは粘性抵抗係数、バルブブリードオフ特性及びメータ
リング特性の横軸は操作量、その縦軸はブリードオフポ
ート、アクチュエータポート等の当該ポートの開口面積
である。

【０００４】図２からブリードオフ油圧システムとは、
図２の点線で囲んだ演算ブロックを有することを特徴と
するものといえる。この演算ブロックは、操作量とポン
プ吐出圧よりブリードオフ流量を算出し、ポンプ吐出量
からアクチュエータへの流量（アクチュエータ流量）と
このブリードオフ流量を差し引いた差流量を演算出力す
る。差流量は、ポンプ配管内の流体であるポンプ配管ボ
リュームを圧縮し、ポンプ吐出圧を上昇させる。従っ
て、結局のところ、ポンプ吐出圧を演算出力しているこ
ととなる。以上をまとめると、ブリードオフ油圧システ
ムは、操作量、ポンプ吐出量、アクチュエータ流量、ポ
ンプ吐出圧を入力してポンプ吐出圧を出力する演算器を
有するシステムといえる。

【０００５】図２の演算ブロックの前段突き合わせ部で
は、次の関係が成り立つ。 ポンプ吐出量＝アクチュエータ流量(Qa)＋ブリードオフ
流量(Qb)＋差流量 また、ブリードオフ特性は、操作量をｓ、ブリードオフ
通路の開口面積をＡｂとすれば、 Ａｂ＝Ｆ（ｓ） で表され、且つ次の式が成り立つ（Ｐｐ：ポンプ吐出
圧）。 Ｑｂ＝Ｋｑ×Ａｂ×√Ｐｐ 図１のポンプは固定容量ポンプでその吐出量はＱｍａｘ
と表せ、差流量はほとんど０に近いのでこれを無視すれ
ば、静的には次の式が成り立っている。 Ｐｐ＝｛（Ｑｍａｘ−Ｑａ）／（Ｋｑ×Ａｂ）｝² …（１）式

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ブリードオフ油圧シス
テムは、ブリードオフ通路を介してポンプ吐出量の一部
をタンクへ戻しており、この流量はシステムのエネルギ
ーの無駄な消費になっている。また、ブリードオフ通路
を制御バルブ内に形成しなければならないから、制御バ
ルブが複雑で大型且つ高価になる。更に、ブリードオフ
通路を開閉操作するとき、制御バルブ内のスプールに流
体力等の操作性を阻害する力が働き、操作性が悪い。

【０００７】本発明は、ブリードオフ流量による無駄な
エネルギーの消費がなく、簡単な構造の制御バルブの使
用を可能とし制御バルブの操作性が良いブリードオフ油
圧システムに適したブリードオフ制御方法を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、外部からポ
ンプ吐出量の調整可能な可変容量ポンプの吐出回路に、
複数のアクチュエータをクローズドセンターの制御バル
ブを介して接続し、該吐出回路の吐出圧に基づく圧力信
号と各制御バルブの操作量に基づく操作量信号と該可変
容量ポンプのポンプ吐出量に基づくアクチュエータ流量
の流量信号とを検出し、コントローラに於いて、該操作
量信号の総和値から予定のブリードオフ面積値を算出す
るとともに、そのブリードオフ面積値と、該可変容量ポ
ンプの最大吐出量から該流量信号によるアクチュエータ
流量を減算した流量値とからポンプ吐出圧指令を算出
し、該可変容量ポンプのポンプ容量を該ポンプ吐出圧指
令と該吐出圧信号を減算した算出値をパラメータとして
算出した吐出量指令により制御することにより、上記の
目的を達成するようにした。該コントローラにバルブブ
リードオフ特性を入力しておき、該操作量信号の総和値
から予定のブリードオフ特性に相当するブリードオフ通
路の開口面積を算出するとともに、該開口面積に流量係
数を乗じてブリードオフ特性値を算出し、該可変容量ポ
ンプの最大吐出量からアクチュエータ流量を減算した流
量値を該ブリードオフ特性値で除してその値を２乗する
ことによりポンプ吐出圧指令を算出し、該可変容量ポン
プのポンプ容量を該ポンプ吐出圧指令と該吐出圧信号を
減算した算出値をパラメータとして算出した吐出量指令
によりクローズドループ制御することが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図３及び図
４に基づき説明すると、図３は複数の油圧アクチュエー
タ１、１の作動を制御する油圧ショベル等に適用される
油圧回路を示し、これらのアクチュエータ１は駆動モー
タにより駆動される可変容量ポンプ２の吐出回路３にク
ローズドセンターの制御バルブ４、４を介して接続し
た。該可変容量ポンプ２は斜板等のポンプ容量制御機構
を備えたアキシャルピストンポンプ等の公知のもので、
ソレノイド駆動アンプ５により比例ソレノイド６が励磁
されるとポンプ制御装置７がその励磁の大きさに比例し
てポンプ容量制御機構を動かし、ポンプ容量すなわちポ
ンプ吐出量を大小に制御する。該制御バルブ４はスプー
ルを移動させる比例ソレノイド８を備えたもので、電気
ジョイスティック９によりソレノイド駆動アンプ１３を
作動させると、該電気ジョイスティック９の傾角に応じ
て比例ソレノイド８が励磁され、所望の位置に制御バル
ブ４のスプールが移動し、アクチュエータポート１０、
１０をその移動距離に応じた開口面積に制御する。

【００１０】該吐出回路３には、ポンプ２の吐出圧を圧
力信号として電気的に検出するための圧力センサー１１
が設けられる。各制御バルブ４を操作するための操作レ
バーの傾角などの指令量又は各制御バルブ４のスプール
の移動量をセンサーで電気的に検出し、その指令量又は
移動量を各制御バルブ４の操作量に基づく操作量信号と
し、図示の例では、電気ジョイスティック９からソレノ
イド駆動アンプ１３への指令電気信号を操作量信号とし
て使用するようにした。また、アクチュエータ流量は、
制御バルブ４が実際にはブリードオフ通路のないオール
ポートクローズドのバルブであるから、回路上のわずか
な漏れを無視すれば、該可変容量ポンプ２の吐出量を該
アクチュエータ流量を表す信号として代替でき、この吐
出量は該ポンプ２が現在の吐出量を検出する検出手段例
えばポンプ制御装置７から検出できるものにあっては該
検出手段からアクチュエータ流量の流量信号として電気
的に検出される。尚、該ポンプ２がこのような現在の吐
出量の検出手段を備えていないときは、後記するコント
ローラ１２で作り出される該ポンプ２への吐出指令量、
もしくは、ポンプの現在吐出推定量でアクチュエータ流
量の流量信号を代替することも可能である。

【００１１】これら電気信号は、Ａ／Ｄ変換器１２ａ、
演算器１２ｂ、Ｄ／Ａ変換器１２ｃで構成されたコント
ローラ１２に於いて演算され、該演算器１２ｂは図４の
ブロック線図に示す演算を自動制御的に実行する。

【００１２】ブリードオフ油圧システムは、前記したよ
うに、操作量、ポンプ吐出量、アクチュエータ流量、ポ
ンプ吐出圧を入力して差流量を出力するが、一般的に差
流量は極めて小さく、その演算過程に於いてポンプ配管
ボリュームを演算要素としているから、積分要素でダイ
ナミックな特性を有するし、実際には漏れがあって誤差
が大きくでるので、差流量をそのまま扱うのは適当でな
い。演算器に於いてブリードオフ油圧システムのシュミ
レーションを行うには、演算器でポンプ吐出圧を出力さ
せた方が妥当であり、かかる観点から該コントローラ１
２に於いては、演算器外部の実際のポンプ配管ボリュー
ムや漏れを補償し、打ち消すようにクローズドループを
組んで自動制御的に演算実行するようにした。ポンプ吐
出圧指令を作る部分は、前記（１）式を適用する。

【００１３】該演算器１２ｂは図５をシュミレートする
もので、まず、複数の制御バルブ４の操作量の入力を受
け付け、それらの総和をとり、操作量信号とする。この
際、個々の入力に重み付けを行ったり、適当な計算処理
も行っても良い。次いで該操作量信号より予定のブリー
ドオフ特性に相当する制御バルブのブリードオフ通路の
開口面積Ａｂを求めると共にこれにＫｑ（流量係数）を
乗じてブリードオフ特性値Ｘｂを求める。勿論、実際の
制御バルブ４はブリードオフ通路のないクローズドセン
ターのものであり、この開口面積Ａｂは演算上の値であ
る。ブリードオフ特性は該開口面積と操作量をパラメー
タとして予め任意に決定しておく。

【００１４】可変容量ポンプ２の最大吐出量は既知数で
あり、アクチュエータ流量は前記のように例えば実際の
ポンプ吐出量から流量信号として入力されるから、該最
大吐出量からポンプ吐出量を減算して求めた流量値Ｘａ
はブリードオフ流量に相当する。このＸａをＸｂで除
し、その値を２乗する演算を行い、ポンプ吐出圧指令を
算出する。そして、このポンプ吐出圧指令に基づき、吐
出圧をクローズドループ制御する。即ち、吐出圧指令と
吐出圧を減算し、位相補償機能を持ったゲイン（Ｇｃ）
を掛けてポンプ２に対し吐出量指令を出力する。ソレノ
イド駆動アンプ５は該吐出量指令を受けて比例ソレノイ
ド６の励磁を強弱し、ポンプ制御装置７がポンプ吐出量
をその指令に従って制御する。

【００１５】電気ジョイスティック９が操作されていな
いときは、制御バルブ４は中立位置にあり、コントロー
ラ１２には操作量信号としてゼロが入力される。この場
合、コントローラ１２で計算されるブリードオフ通路の
開口面積は最大になるから、ポンプ吐出圧指令は小さな
値になる。ポンプ吐出圧指令に基づきポンプ２は吐出を
行なうが、そのポンプ吐出圧指令は小さいため、ポンプ
配管系の吐出回路を吐出圧指令にまで圧縮し、昇圧させ
たのちは、実際のポンプ吐出量は回路のわずかな漏れ分
しか必要とせず、アクチュエータ速度即ちアクチュエー
タ流量は殆どゼロと入力され、このときＸａ＝Ｑｍａｘ
でポンプ吐出圧Ｐｐ＝（Ｑｍａｘ／Ｋｑ×Ａｂ）²とな
っている。

【００１６】電気ジョイスティック９が操作されて該制
御バルブ４が切換位置方向に操作されると、コントロー
ラ１２で計算されるブリードオフ通路の開口面積は小さ
くなり、ポンプ吐出圧指令は、一旦、ポンプ吐出量の全
量が面積の狭い絞られたブリードオフ通路からタンクへ
戻るときの値に設定される。ポンプ吐出圧は、クローズ
ドループ制御されているからポンプ吐出圧指令の値に等
しくなる。もしポンプ吐出圧指令値が負荷圧よりも高け
れば、アクチュエータ１を加速し、油が流れ始めるの
で、ポンプ吐出圧指令値を保持すべくポンプ吐出流量が
増大し、アクチュエータ速度が増すため、ブリードオフ
流量は小さくなり、そのためポンプ吐出圧指令値及びポ
ンプ吐出圧も下がってアクチュエータの加速度が低下
し、徐々に操作量に見合ったアクチュエータ速度を維持
するポンプ吐出量、吐出圧に収束し、平衡する。この
間、ブリードオフ動作は、コントローラ内で計算のみで
なされ、実際のポンプ吐出量は、回路上の漏れを無視す
れば、アクチュエータ１に供給された分に限られる。従
って、ブリードオフ流量が流れないからエネルギーの無
駄がなく、制御バルブにブリードオフ通路が不要である
からその構成も簡単で安価になり、操作性も良くなる。

【００１７】

【実施例】図３の構成に於いては、オペレータにより電
気ジョイスティック９が操作されると、その傾角量等が
電圧に変換され、その電圧は、マルチセクショナルバル
ブを構成する複数の制御バルブ４のうちの１つの制御バ
ルブ４の比例ソレノイド６にソレノイド駆動アンプ１３
を介して伝達されると同時に、コントローラ１２のＡ／
Ｄ変換器１２ａに操作量信号として入力される。各制御
バルブ４には夫々電気ジョイスティック９が設けられ、
その数に対応して複数のＡ／Ｄ変換器入力ポートがコン
トローラ１２に設けられる。

【００１８】可変容量ポンプ２とマルチセクショナルバ
ルブとの間の吐出回路３に設けた圧力センサー１１が、
ポンプ吐出圧を検出し、これを電圧の圧力信号に変換
し、コントローラ１２のＡ／Ｄ変換器１２ａに入力す
る。

【００１９】この実施例では流量信号の検出は該ポンプ
容量制御装置７からコントローラ１２にポンプ２の現在
の吐出量を電圧の信号で入力させるようにした。

【００２０】コントローラ１２は、Ａ／Ｄ変換されたこ
れらの信号をもとに、ブリードオフ特性をシュミレート
すべく演算し、その結果をＤ／Ａ変換してソレノイド駆
動アンプ５に出力する。該ソレノイド駆動アンプ５は、
ポンプ制御装置７を介してコントローラ１２からの指令
に対応した吐出流量となるように可変容量ポンプ２を制
御する。

【００２１】コントローラ１２、ソレノイド駆動アンプ
５、比例ソレノイド６、ポンプ制御装置７、可変容量ポ
ンプ２、圧力センサー１１でクローズドループが形成さ
れ、コントローラ１２内の演算器１２ｂによって演算が
なされ、各入力信号を処理し、目標のブリードオフ特性
をシュミレートすべく演算し求められた吐出圧指令に準
じてポンプ吐出圧がコントロールされる。

【００２２】

【発明の効果】以上のように本発明によるときは、可変
容量ポンプの吐出回路に、複数のアクチュエータをクロ
ーズドセンターの制御バルブを介して接続しておき、コ
ントローラに於いて、該吐出回路の圧力信号と各制御バ
ルブの操作量信号及び該可変容量ポンプのポンプ吐出量
に基づくアクチュエータ流量の流量信号とから予定のブ
リードオフ面積値を算出し、そのブリードオフ面積値
と、該可変容量ポンプの最大吐出量から該流量信号によ
るアクチュエータ流量を減算した流量値とからポンプ吐
出圧指令を算出し、該ポンプ吐出圧指令と該吐出圧信号
を減算した算出値をパラメータとして算出した吐出量指
令により該ポンプの容量を制御するようにしたので、実
際にタンクへ油を流すことなくブリードオフ制御を行
え、制御バルブはブリードオフ通路のないクローズドセ
ンターの構成となし得るから、制御バルブが小型の簡単
な構造で安価になり、ブリードオフ制御に際して流体力
の発生がないから操作性も良好になる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のブリードオフ制御回路の線図

【図２】図１の回路に於けるブリードオフ制御のブロッ
ク線図

【図３】本発明の実施の形態を示す線図

【図４】図３のコントローラの制御ブロック図

【符号の説明】 １ アクチュエータ、２ 可変容量ポンプ、３ 吐出回
路、４ 制御バルブ、７ポンプ制御装置、１１ 圧力セ
ンサー、１２ コントローラ、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外部からポンプ吐出量の調整可能な可変容
   量ポンプの吐出回路に、複数のアクチュエータをクロー
   ズドセンターの制御バルブを介して接続し、該吐出回路
   の吐出圧に基づく圧力信号と各制御バルブの操作量に基
   づく操作量信号と該可変容量ポンプのポンプ吐出量に基
   づくアクチュエータ流量の流量信号とを検出し、コント
   ローラに於いて、該操作量信号の総和値から予定のブリ
   ードオフ面積値を算出するとともに、そのブリードオフ
   面積値と、該可変容量ポンプの最大吐出量から該流量信
   号によるアクチュエータ流量を減算した流量値とからポ
   ンプ吐出圧指令を算出し、該可変容量ポンプのポンプ容
   量を該ポンプ吐出圧指令と該吐出圧信号を減算した算出
   値をパラメータとして算出した吐出量指令により制御す
   ることを特徴とする可変容量ポンプを使用したブリード
   オフ制御方法。
2. 【請求項２】上記コントローラにバルブブリードオフ特
   性を入力しておき、上記操作量信号の総和値から予定の
   ブリードオフ特性に相当するブリードオフ通路の開口面
   積を算出するとともに、該開口面積に流量係数を乗じて
   ブリードオフ特性値を算出し、上記可変容量ポンプの最
   大吐出量からアクチュエータ流量を減算した流量値を該
   ブリードオフ特性値で除してその値を２乗することによ
   りポンプ吐出圧指令を算出し、該可変容量ポンプのポン
   プ容量を該ポンプ吐出圧指令と該吐出圧信号を減算した
   算出値をパラメータとして算出した吐出量指令によりク
   ローズドループ制御することを特徴とする請求項１に記
   載の可変容量ポンプを使用したブリードオフ制御方法。