WO2017175814A1

WO2017175814A1 - 油圧ポンプの制御システム

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Publication number: WO2017175814A1
Application number: PCT/JP2017/014310
Authority: WO
Inventors: 貴史川野
Original assignee: 株式会社タダノ
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2017-10-12
Also published as: JP2017187113A

Abstract

アクチュエータの実駆動量に基づいて要求油量を推定することで、開放油量を最小限に抑えることができる、油圧ポンプの制御システムを提供することを目的とする。油圧ポンプの制御システム（Ｓ）は、可変容量形の油圧ポンプ（４３）と、油圧によって駆動される油圧アクチュエータ（４６）と、油圧アクチュエータ（４６）を制御する制御弁（４４）と、油圧アクチュエータ（４６）と制御弁（４４）との間に介装されるポートリリーフ弁（４５）と、油圧アクチュエータ（４６）の実駆動量を検出する検出器（５１）と、検出された実駆動量に基づいて油圧アクチュエータ（４６）の要求油量を計算し、計算された要求油量となるように油圧ポンプ（４３）の吐出量をフィードバック制御するコントローラ（５０）と、を備えている。

Description

油圧ポンプの制御システム

　本発明は、移動式クレーンを含む作業車両に搭載される油圧ポンプの制御システムに関するものである。

　従来から、移動式クレーンや油圧ショベルなどの作業車両には、油圧ポンプが搭載されており、油圧ポンプから吐出される作動油によってアクチュエータを駆動している。油圧系統の制御方式として、ポジティブコントロール方式とネガティブコントロール方式が知られている。このうちポジティブコントロール方式では、操作レバーの操作量に応じて油圧ポンプの吐出量が設定されるが、油圧アクチュエータに対する負荷変動等に起因して、アクチュエータを作動させるための要求油量と、油圧ポンプの吐出量との間にアンバランスを生じることがある。その結果、エネルギー効率が低下したり、サージ現象が発生して操作性が悪くなったりする等の問題が存在していた。

　このような問題を解決するために、例えば特許文献１の油圧ポンプの吐出量制御装置では、アクチュエータに実際に流れるアクチュエータ流量を検出する流量検出手段と、検出されたアクチュエータ流量となるように油圧ポンプの吐出量を制御する吐出量制御手段と、を具備している。より具体的にいうと、特許文献１の油圧ポンプの吐出量制御装置は、アクチュエータの要求油量を制御弁の切換量から推定し、求めた要求油量に一致するように可変ポンプの吐出量を制御するように構成されている。

特開平８－２３２９０５号公報

　ところで、制御弁とアクチュエータの間にはポートリリーフ弁が介装されることがある。一方、前述した特許文献１の装置では、制御弁の切換量からアクチュエータの要求油量を推定しているため、制御弁の下流側に設けられたポートリリーフ弁からの開放油量を考慮することができず、結果としてアクチュエータの要求油量を正確に推定することはできなかった。

　そこで、本発明は、アクチュエータの実駆動量に基づいて要求油量を推定することで、開放油量を最小限に抑えることができる、油圧ポンプの制御システムを提供することを目的としている。

　前記目的を達成するために、本発明の油圧ポンプの制御システムは、可変容量形の油圧ポンプと、油圧によって駆動される油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータを制御する制御弁と、前記油圧アクチュエータと前記制御弁との間に介装されるポートリリーフ弁と、前記油圧アクチュエータの実駆動量を検出する検出器と、検出された実駆動量に基づいて前記油圧アクチュエータの要求油量を計算し、計算された要求油量となるように前記油圧ポンプの吐出量をフィードバック制御する制御部と、を備えることを特徴としている。

　このように、本発明の油圧ポンプの制御システムは、可変容量形の油圧ポンプと、油圧アクチュエータと、制御弁と、ポートリリーフ弁と、油圧アクチュエータの実駆動量を検出する検出器と、検出された実駆動量に基づいて油圧アクチュエータの要求油量を計算し、計算された要求油量となるように油圧ポンプの吐出量をフィードバック制御する制御部と、を備えている。このような構成であるから、油圧アクチュエータの実駆動量に基づいて要求油量を正確に推定できるため、開放油量を最小限に抑えることができる。

ラフテレーンクレーンの側面図である。作業車両の油圧ポンプの制御システムのブロック図である。ブームを縮める場合に、従来の作動油の流れを説明した油圧回路である。ブームを縮める場合に、本実施例の作動油の流れを説明した油圧回路である。ブームを伸ばす場合に、従来の作動油の流れを説明した油圧回路である。ブームを伸ばす場合に、本実施例の作動油の流れを説明した油圧回路である。増速時における油圧ポンプの容量の経時的な変化を示すグラフである。

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

　まず、図１を用いて本発明の作業車両の油圧ポンプの制御システムＳを備える移動式クレーンとしてのラフテレーンクレーン１の全体構成を説明する。以下の実施例では、作業車両としてラフテレーンクレーン１を例にして説明するが、これに限定されるものではなく、オールテレーンクレーンなどにも本発明を適用できる。

（クレーンの全体構成）
　本実施例のラフテレーンクレーン１は、図１に示すように、走行機能を有する車両の本体部分となる車体１０と、車体１０の四隅に設けられたアウトリガ１１，・・・と、車体１０に水平旋回可能に取り付けられた旋回台１２と、旋回台１２に立設されたブラケット１３に取り付けられたブーム１４と、を備えている。

　アウトリガ１１は、スライドシリンダを伸縮させることによって、車体１０から幅方向外側にスライド張出／スライド格納可能であるとともに、ジャッキシリンダを伸縮させることによって車体１０から上下方向にジャッキ張出／ジャッキ格納可能である。

　旋回台１２は、旋回用モータの動力を伝達されるピニオンギヤを有しており、このピニオンギヤが車体１０に設けた円形状のギヤに噛み合うことで旋回軸を中心に回動する。旋回台１２は、前方右側に配置された運転室１８と、後方中央に配置されたブラケット１３と、後方下部に配置されたカウンタウエイト１９と、を有している。

　ブーム１４は、基端ブーム１４１と中間ブーム１４２と先端ブーム１４３とによって入れ子式に構成されており、内部に配置された伸縮シリンダによって伸縮できるようになっている。先端ブーム１４３の最先端のブームヘッド１４４にはシーブが配置され、シーブにワイヤロープ１６が掛け回されてフックブロック１７が吊下げられている。

　最も外側の基端ブーム１４１は、付け根部がブラケット１３に水平に設置された支持軸に回動自在に取り付けられており、支持軸を回転中心として上下に起伏できるようになっている。さらに、ブラケット１３と基端ブーム１４１の下面との間には、起伏シリンダ１５が架け渡されており、起伏シリンダ１５を伸縮することでブーム１４全体を起伏することができる。

　さらに、基端ブーム１４１の側面に、ジブ３０及びテンションロッド２０、２０が横抱姿勢にて格納されている。ジブ３０及びテンションロッド２０、２０は、複数のピン（不図示）とサイドアップシリンダとを用いて、装着／格納される。

（油圧系統及び制御系統の構成）
　次に、図２を用いて本実施例の作業車両の油圧ポンプの制御システムＳの構成について説明する。作業車両の油圧系統及び制御系統は、図２に示すように、太い実線矢印で結ばれた油圧系統と、細い破線で結ばれた制御系統と、によって構成されている。油圧系統は、作動油を循環させて油圧アクチュエータ４６に所定の動作を実施させる。制御系統は、電気的な信号の授受や演算によって油圧系統における作動油の流れる方向・流量・圧力を制御する。

　油圧系統は、エンジン４１の回転動力をＰＴＯ４２を介して取り出すことで回転駆動される可変容量形の油圧ポンプ４３と、油圧ポンプ４３から吐出された作動油の流れる方向を制御する制御弁４４と、例えば伸縮シリンダや起伏シリンダ等である油圧アクチュエータ４６と、制御弁４４と油圧アクチュエータ４６との間に配置されるポートリリーフ弁４５と、作動油を貯蔵する油タンク４７と、回路の最高圧力を規制するメインリリーフ弁４８と、によって基本的に構成されている。なお、図中において複雑化を避けるために油タンク４７を３つ描いているが、これらの油タンク４７、４７、４７は同一のものである。

　油圧ポンプ４３は、ポンプの１回転当たりの吐出量を変えることができる可変容量形の油圧ポンプであり、例えばアキシャルピストンポンプを使用することができる。アキシャルピストンポンプの場合は、斜板の傾きを変えることによって容量を変えることができる。油圧ポンプ４３は、制御部としてのコントローラ５０によって制御されており、後述するように油圧アクチュエータ４６の実駆動量に基づいて計算された要求油量と一致するように、その吐出量を調整される。

　制御弁４４は、油圧アクチュエータ４６に流れる作動油の方向を制御する４ポート３位置のパイロット式の方向制御弁である。制御弁４４は、操作手段５２を操作することによってパイロット圧が切り換えられて、スプール位置を移動するようになっている。そして、スプール位置が移動することにより、油圧ポンプ４３から流れる作動油の方向が切り替わるようになっている。

　ポートリリーフ弁４５は、回路内の圧力が設定圧に達すると弁が開いて作動油を油タンク４７に開放する。ポートリリーフ弁４５は、制御弁４４と油圧アクチュエータ４６のロッド側との間に、油圧アクチュエータ４６と並列に配置されている。ポートリリーフ弁４５の設定圧は、メインリリーフ弁４８の設定圧よりも低く設定される。したがって、伸縮シリンダ（４６）のロッド側の圧力が設定圧に達すると、ポートリリーフ弁４５が開いて作動油を油タンク４７に開放する。

　油圧アクチュエータ４６は、油圧ポンプ４３によって付与された作動油の圧力エネルギーによって、直線運動（油圧シリンダ）又は回転運動（油圧モータ）などの機械的な仕事をする機器である。移動式クレーンに搭載される油圧アクチュエータ４６としては、例えばブーム１４内に配置される伸縮シリンダ（不図示）、ブーム１４を起伏する起伏シリンダ１５（図１参照）、ウインチモータ（不図示）などがある。以下、油圧アクチュエータ４６として伸縮シリンダを例に挙げて説明する。

　メインリリーフ弁４８は、制御弁４４の上流側の回路内の圧力が設定値に達すると弁が開いて作動油を油タンク４７に開放する。メインリリーフ弁４８は、制御弁４４と並列に配置されている。メインリリーフ弁４８の設定圧は、ポートリリーフ弁４５の設定圧よりも高く設定される。

　制御系統は、油圧アクチュエータ４６の実駆動量を検出する検出器５１と、検出された実駆動量に基づいて油圧アクチュエータ４６の要求油量を計算し、計算された要求油量となるように可変容量形の油圧ポンプ４３の吐出量をフィードバック制御する制御部としてのコントローラ５０と、によって基本的に構成されている。さらに、制御弁４４には、制御弁４４を操作するための操作手段５２が接続されている。

　検出器５１は、油圧アクチュエータ４６に油圧アクチュエータ４６の直線運動の距離及び方向や、回転運動の回転数及び回転方向などを直接的に計測し、制御部としてのコントローラ５０に伝達する。例えば、油圧アクチュエータ４６が伸縮シリンダの場合には、検出器５１は、単位時間（計測周期数）ごとの位置を計測することで、ブーム１４の長さと伸縮速度を計測できるようになっている。

　操作手段５２は、制御弁４４のスプール位置を移動させることによって、油圧アクチュエータ４６の運動方向や運動速度を変える。例えば、操作手段５２が伸縮操作レバーの場合には、操作レバーの傾倒方向と傾倒量とによって、ブーム伸ばし／ブーム縮めの方向と、伸縮速度と、を入力できるようになっている。

　制御部としてのコントローラ５０は、メモリやＣＰＵなどを有する汎用のコンピュータである。コントローラ５０には、入力値として検出器５１からの検出信号や操作手段５２からの操作信号が入力され、出力値として制御弁４４のパイロット圧を変更するための信号や、油圧ポンプ４３の容量を変えるための信号が出力される。そして、本実施例のコントローラ５０は、検出器５１によって検出された油圧アクチュエータ４６の実際の駆動量に基づいて油圧アクチュエータ４６の要求油量を計算するとともに、計算された要求油量となるように油圧ポンプ４３の吐出量をフィードバック制御する。

（作用）
　次に、本実施例の油圧ポンプの制御システムＳの作用について説明する。はじめに、図３、図４を用いてブームを縮める場合の作動油の流れを説明し、次に、図５、図６、図７を用いてブームを伸ばす場合の作動油の流れを説明する。

（ブームを縮める場合）
　従来は、図３に示すように、ポンプ吐出量１００［Ｌ／ｍｉｎ］に対して、アクチュエータ流入流量３０［Ｌ／ｍｉｎ］である場合、７０［Ｌ／ｍｉｎ］はポートリリーフ弁４５から前漏れしていた。

　本実施例では、図４に示すように、ポンプ吐出量をアクチュエータ流入流量と一致する３０［Ｌ／ｍｉｎ］とすることで、ポートリリーフ弁４５からの前漏れをなくし、動力損失を低減できる。具体的には、油圧ポンプ４３からの作動油は、制御弁４４を経由して油圧アクチュエータ４６（伸縮シリンダ）のロッドを右方向に移動させる。そうすると、制御周期数ごとのロッドの位置が検出器５１によって検出される。検出器５１によって検出されたロッドの位置信号は、コントローラ５０に伝達される。コントローラ５０は、受信した位置信号に基づく油圧アクチュエータ４６の実駆動量（移動量）をまず計算し、次に実駆動量に基づいて縮み量αを計算して油圧アクチュエータ４６の要求油量を推定する。そして、コントローラ５０は、推定された要求油量と一致するように、油圧ポンプ４３の吐出容量を制御する（後述の「制御アルゴリズム参照」）。

　ここにおいて、シリンダ流入流量＜ポンプ吐出量が、余剰油によるものなのか、前漏れによるものなのかを判断するため、当制御はスプールフルストローク時（余剰油ゼロ時）にのみ適用することが好ましい。

　ブーム１４を縮める場合のコントローラ５０における制御アルゴリズムは以下のようになる。
＜制御アルゴリズム＞
レバーフルストローク操作において
・ブーム長さ＠時刻ｔ・・・・・４０［ｍ］
・ブーム長さ＠時刻ｔ＋Δｔ・・４０－α［ｍ］
　　　（Δｔ・・・コントローラの制御周期）
⇒ブーム縮み速度Ｓ：α／Δｔ
⇒シリンダ流入流量Ｑｃ：Ａ×Ｓ
　　　（Ａ・・・・シリンダ縮み側受圧面積）
⇒必要ポンプ吐出流量Ｑｐ：Ｑｃ
⇒制御ポンプ容量ｑ：Ｑｐ／（ｆ（ｎ）×ηｖ）
　　　（ｆ（ｎ）・・ポンプ回転数）
　　　（ｎ・・・・エンジン回転数）
　　　（ηｖ・・・容積効率）
⇒レギュレータ必要パイロット圧Ｐｉ：ｇ（ｑ）
⇒ＰＷＭ出力値Ｉ：ｈ（Ｐｉ）

（ブームを伸ばす場合）
　従来は、図５に示すように、ポンプ吐出量１００［Ｌ／ｍｉｎ］に対して、アクチュエータ流入流量３０［Ｌ／ｍｉｎ］である場合、７０［Ｌ／ｍｉｎ］はメインリリーフ弁４８から余剰油として油タンク４７へ戻っていた。

　本実施例では、図６に示すように、ポンプ吐出量をアクチュエータ流入流量と一致する３０［Ｌ／ｍｉｎ］とすることで、余剰油を削減し、動力損失を低減できる。具体的には、油圧ポンプ４３からの作動油は、制御弁４４を経由して油圧アクチュエータ４６（伸縮シリンダ）のロッドを左方向に移動させる。そうすると、制御周期数ごとのロッドの位置が検出器５１によって検出される。検出器５１によって検出されたロッドの位置信号は、コントローラ５０に伝達される。コントローラ５０は、受信した位置信号に基づく油圧アクチュエータ４６の実駆動量（移動量）をまず計算し、次に実駆動量に基づいて伸び量βを計算して油圧アクチュエータ４６の要求油量を推定する。そして、コントローラ５０は、推定された要求油量と一致するように、油圧ポンプ４３の吐出容量を制御する（後述の「制御アルゴリズム参照」）。

（増速補正制御）
　ここにおいて、上述したフィードバック制御においては、油圧アクチュエータ４６の速度によって油圧ポンプ４３の容量を決定しているため、絞り操作後にスプール取り込み流量が増加する方向へ操作手段５２を操作した場合でも、ポンプ容量が増加せず速度が変化しない。そこで、スプール取り込み流量が増加する方向への操作があった場合は、一旦、上述のフィードバック制御をキャンセルし、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、油圧ポンプ４３の容量を直線的に又は階段状に経時的に漸増させるようになっている（増速補正制御）。これによって、上述のフィードバック制御中であっても増速制御が可能となる。また、油圧ポンプ４３の容量を少しずつ増加させるため、ポンプ吐出量が急激に増加することを抑制することができる。その後、操作手段５２の増速側への移動操作が終了して位置が固定された時点で、上述のフィードバック制御が再開されるようになっている。

　なお、操作手段５２の操作状態は、固定状態から任意の値以上の操作があった場合に、操作状態であると判別する。操作は、固定状態となってからの絶対量とし、制御周期数には関係しない。一方、操作手段５２の固定状態は、操作状態にて直近のある制御周期数内における操作量が任意の値以下であった場合、固定状態であると判別する。

　ブーム１４を伸ばす場合のコントローラ５０における制御アルゴリズムは以下のようになる。
＜制御アルゴリズム＞
レバーフルストローク操作において
・ブーム長さ＠時刻ｔ・・・・・２０［ｍ］
・ブーム長さ＠時刻ｔ＋Δｔ・・２０＋β［ｍ］
　　　（Δｔ・・・コントローラの制御周期）
⇒ブーム伸ばし速度Ｓ：β／Δｔ
⇒シリンダ流入流量Ｑｃ：Ａ×Ｓ
　　　（Ａ・・・・シリンダ縮み側受圧面積）
⇒必要ポンプ吐出流量Ｑｐ：Ｑｃ
⇒制御ポンプ容量ｑ：Ｑｐ／（ｆ（ｎ）×ηｖ）
　　　（ｆ（ｎ）・・ポンプ回転数）
　　　（ｎ・・・・エンジン回転数）
　　　（ηｖ・・・容積効率）
⇒レギュレータ必要パイロット圧Ｐｉ：ｇ（ｑ）
⇒ＰＷＭ出力値Ｉ：ｈ（Ｐｉ）
ｉｆ　速度増加側のレバー操作あり
⇒制御ポンプ容量ｑ：漸増させる
ｉｆ　レバー位置固定
⇒最初に戻る

（効果）
　次に、本実施例の油圧ポンプの制御システムＳの奏する効果を列挙して説明する。

（１）上述してきたように、本実施例の油圧ポンプの制御システムＳは、可変容量形の油圧ポンプ４３と、油圧によって駆動される油圧アクチュエータ４６と、油圧アクチュエータ４６を制御する制御弁４４と、油圧アクチュエータ４６と制御弁４４との間に介装されるポートリリーフ弁４５と、油圧アクチュエータ４６の実駆動量を検出する検出器５１と、検出された実駆動量に基づいて油圧アクチュエータ４６の要求油量を計算し、計算された要求油量となるように油圧ポンプ４３の吐出量をフィードバック制御する制御部としてのコントローラ５０と、を備えている。このような構成であるから、実際の油圧アクチュエータ４６の動きをポンプ容量にフィードバックするため、油温変化等の外乱の影響を受けずに容量制御を行うことが可能である。

　なお、上述のフィードバック制御の適用範囲としては、余剰油ゼロ（フルストローク付近）の領域が好ましい。ただし、本発明は余剰油が生じている場合についても、同じ機器構成、回路構成によって動力損失を低減することが可能である。この場合でも本実施例で説明したように、実際の油圧アクチュエータ４６の速度から、アクチュエータ流入流量Ｑｉｎ’を計算し、Ｑｉｎ’となるように、エンジン回転数からポンプ容量を計算し、ポンプ容量制御用電磁比例弁へＰＷＭ出力する。従来のポジコンシステムでは単にレバー操作量に応じたポンプ吐出量であったため、精度の高い容量制御が要求される場合は、アクチュエータ毎に制御内容をチューニングする必要があった。これに対して、本発明のフィードバック制御では、制御内容がアクチュエータ間で共通のため、従来のポジコンシステムよりもシンプルな構成で、精度良く余剰油を削減することができる。

（２）また、制御弁４４を操作する操作手段５２をさらに備え、制御部としてのコントローラ５０は、油圧アクチュエータ４６の速度が増加する方向へ操作手段５２が操作されると、フィードバック制御を中止するとともに、油圧ポンプ４３の吐出量を漸増させるようになっている。このような構成であるから、上述のフィードバック制御を実行中であっても、油圧アクチュエータ４６を増速することができる。

　以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

Ｓ：油圧ポンプの制御システム；
１：ラフテレーンクレーン（作業車両）；
４３：油圧ポンプ；　４４：制御弁；　４５：ポートリリーフ弁；
４６：油圧アクチュエータ；　４７：油タンク；　４８：リリーフ弁；
５０：コントローラ（制御部）；　５１：検出器；　５２：操作手段

Claims

　油圧ポンプの制御システムであって、
　可変容量形の油圧ポンプと、
　油圧によって駆動される油圧アクチュエータと、
　前記油圧アクチュエータを制御する制御弁と、
　前記油圧アクチュエータと前記制御弁との間に介装されるポートリリーフ弁と、
　前記油圧アクチュエータの実駆動量を検出する検出器と、
　検出された実駆動量に基づいて前記油圧アクチュエータの要求油量を計算し、計算された要求油量となるように前記油圧ポンプの吐出量をフィードバック制御する制御部と、を備えることを特徴とする油圧ポンプの制御システム。
　前記制御弁を操作する操作手段をさらに備え、
　前記制御部は、前記油圧アクチュエータの速度が増加する方向へ前記操作手段が操作されると、前記フィードバック制御を中止するとともに、前記油圧ポンプの吐出量を漸増させるようになっていることを特徴とする、請求項１に記載された油圧ポンプの制御システム。