(57)【要約】      （修正有）【課題】比例ソレノイドバルブのバルブ開度が５％以下である領域においてヒステリシス現象及びハンチング現象による制御への悪影響を排し、比例ソレノイドバルブを正確に制御する方法を提供する。【解決手段】パルス電圧が定格電圧であり且つ一定の周波数であって、同一の電圧増加幅で駆動電圧が上昇するパルス列を前記比例ソレノイドバルブに伝送することによってバルブ開度を変化させて前記圧力センサ又は前記流量センサの検出値を制御目標値に設けられた下限しきい値近傍に到達させる第１制御工程と、前記圧力センサ又は前記流量センサの検出値が制御目標値に設けられた上限しきい値と下限しきい値との間から逸脱している時に、前記定格電圧よりも３〜１００％高い電圧又は制御目標値における駆動電圧よりも３〜１００％低い電圧のディザパルスを前記駆動電圧に重畳して前記比例ソレノイドバルブに送る第２制御工程と、によって制御する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路と、前記流体流路に設けてなり駆動電圧に応じてバルブ開度が変化する比例ソレノイドバルブと、前記比例ソレノイドバルブの下流側に設けた圧力センサ又は流量センサと、前記圧力センサ又は前記流量センサの検出値を演算処理して制御信号を前記比例ソレノイドバルブに伝送する制御部と、を有する流体制御装置の前記比例ソレノイドバルブのバルブ開度が５％以下である領域における前記比例ソレノイドバルブの制御方法であって、
パルス電圧が定格電圧であり且つ一定の周波数であって、同一の電圧増加幅で電圧が上昇するパルス列を前記比例ソレノイドバルブに印加することによってバルブ開度を変化させて前記圧力センサ又は前記流量センサの検出値を制御目標値に設けられた下限しきい値近傍に到達させる第１制御工程と、
前記圧力センサ又は前記流量センサの検出値が、制御目標値に設けられた上限しきい値と前記下限しきい値との間から逸脱している時に、前記定格電圧よりも３〜１００％高い電圧又は制御目標値における駆動電圧よりも３〜１００％低い電圧のディザパルスを前記駆動電圧に重畳して前記比例ソレノイドバルブに印加する第２制御工程と、
を有することを特徴とする比例ソレノイドバルブの制御方法。
【請求項２】
前記ディザパルスのパルス幅が、１〜１０００μ秒である請求項１に記載の比例ソレノイドバルブの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比例ソレノイドバルブの制御方法に関する。さらに詳述すれば、比例ソレノイドバルブのバルブ開度が５％以下の微小流量域における制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、印加される駆動電圧に応じてバルブ開度が変化する比例ソレノイドバルブを用いて、気体や液体等の流体の流量や圧力（以下、「流量／圧力」ともいう）を制御する制御装置が知られている。
【０００３】
一般に、バルブ開度を全開にした時の流体流量が１０００（ｍＬ／ｍｉｎ）程度の比例ソレノイドバルブを用いて流体の流量を制御する場合、数百（ｍＬ／ｍｉｎ）程度の中流量域においては良好な制御特性が得られる。しかし、数十（ｍＬ／ｍｉｎ）程度の微小流量域においては十分な制御特性が得られない。この微小流量域において流量／圧力信号からフィードバック制御を行う場合、比例ソレノイドバルブの動作に対する流量／圧力の応答遅れや比例ソレノイドの分解能の低さに起因して制御値が収束しないいわゆるハンチング現象が生じ、流量／圧力を制御目標値に制御することが困難となっている。一方、微小流量の比例ソレノイドバルブは、通常入手し難い問題がある。
【０００４】
図６（ａ）−（ｂ）は、比例ソレノイドバルブの中流量域における制御特性を示すグラフである。図６（ａ）は、比例ソレノイドバルブに印加される駆動電圧を示しており、図６（ｂ）は、該駆動電圧に対応する流量／圧力を示している。図６（ａ）と図６（ｂ）とは、時間軸が同一のスケールで表されている（以下、図５、７においても同じ）。図６（ａ）−（ｂ）中、ＲＶは定格電圧であり、ｘは制御目標値、ｙ、ｚはそれぞれその上限しきい値、下限しきい値である。中流量域制御においては、定格電圧のパルスと、所定の電圧又は制御目標値と制御値との差に応じた電圧を加算するパルス列を印加することによって駆動電圧が上昇し、これに伴って流量／圧力が上昇する。流量／圧力が制御目標値に到達する直前域、即ち、下限しきい値ｚの直前域で定格電圧のディザパルスｑを印加することによって、図６（ｂ）に示したようなオーバーシュートが生じても流量／圧力が収束している。適宜な印加電圧の加算と制御周期の兼ね合いでオーバーシュートを抑え、更に良好な制御特性を得ることも中流量域においては可能である。
【０００５】
図７（ａ）−（ｂ）は、流体流量が１０００（ｍＬ／ｍｉｎ）程度の前記比例ソレノイドバルブの微小流量域における制御特性を示すグラフである。即ち、中流量域における制御方法と同じ制御方法によって制御した場合の微小流量域における制御特性を示している。図７（ａ）は、比例ソレノイドバルブに印加される駆動電圧を示しており、図７（ｂ）は、該駆動電圧に対応する流量／圧力を示している。定格電圧のパルスと、所定の電圧又は制御目標値と制御値との差に応じた電圧を加算するパルス列を印加することによって駆動電圧が上昇し、これに伴って流量／圧力が上昇している。しかし、流量／圧力が制御目標値に到達する直前域、即ち、下限しきい値ｚの直前域で定格電圧のディザパルスを印加しても駆動電圧を収束させることができず、流量／圧力がしきい値内から繰り返し逸脱するいわゆるハンチング現象が生じている。通常、比例ソレノイドバルブは、中流量域においては、流量／圧力のしきい値内で駆動電圧が保持される。しかし、微小流量域は、本来使用保証されている流量域ではないので、駆動電圧の分解能やバルブ動作に対する出力の遅れにより、流量／圧力がしきい値内外を絶えず行き来するようなハンチング現象が生じ、正確な流量制御ができない。
【０００６】
比例ソレノイドバルブは、駆動電圧を低電圧側から上昇させる場合と、高電圧側から降下させる場合とにおいて、最終駆動電圧が同一の場合であってもバルブ開度が相違する、いわゆるヒステリシス現象が存在する。図８は、駆動電圧を低電圧側から上昇させる場合と、高電圧側から降下させる場合とにおける駆動電圧と流量／圧力との関係を示すグラフである。図中、Ｃは駆動電圧を低電圧側から上昇させる場合における駆動電圧と流量／圧力との関係を示す。図中、Ｄは駆動電圧を高電圧側から降下させる場合における駆動電圧と流量／圧力との関係を示す。流量／圧力を制御目標値のしきい値内に収束させようとしても、ヒステリシス現象に起因して流量／圧力が駆動電圧に応じて変化せず、調整が困難である。特に微小流量域においてはその調整はより困難である。
【０００７】
本発明者は、制御目標値に近づくにしたがってパルス幅を漸減させる比例ソレノイドバルブの制御方法を発明し、特許出願を行った（特許文献１）。しかし、この方法を微小流量域における比例ソレノイドバルブの制御に適用しても、上記理由によりハンチング現象を抑制して流量／圧力を制御目標値のしきい値内に収束させることは困難である。
【０００８】
微小流量域における比例ソレノイドバルブの制御においては、駆動電圧の微細な制御が必要である。しかし、いかに印加する電圧を微細に制御してもヒステリシス現象を有する通常入手可能な比例ソレノイドバルブにおいては、これを用いて微小流量域の流量／圧力を制御することは困難である。したがって、比例ソレノイドバルブを微小流量域において正確に制御する方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１５４７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、ヒステリシス現象及びハンチング現象に起因する微小流量域における制御の困難性を克服し、比例ソレノイドバルブを正確に制御する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記課題を解決するため、第１制御工程と、第２制御工程と、を有する比例ソレノイドバルブの制御方法を採用する。即ち、第１制御工程において所定のパルス列を印加して流量／圧力を制御目標値に設けられた下限しきい値近傍に到達させるとともに、第２制御工程において所定のディザパルスを印加する制御方法は、前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
上記課題を解決する本発明は以下に記載するとおりである。
【００１３】
〔１〕  流体流路と、前記流体流路に設けてなり駆動電圧に応じてバルブ開度が変化する比例ソレノイドバルブと、前記比例ソレノイドバルブの下流側に設けた圧力センサ又は流量センサと、前記圧力センサ又は前記流量センサの検出値を演算処理して制御信号を前記比例ソレノイドバルブに伝送する制御部と、を有する流体制御装置の前記比例ソレノイドバルブのバルブ開度が５％以下である領域における前記比例ソレノイドバルブの制御方法であって、
パルス電圧が定格電圧であり且つ一定の周波数であって、同一の電圧増加幅で電圧が上昇するパルス列を前記比例ソレノイドバルブに印加することによってバルブ開度を変化させて前記圧力センサ又は前記流量センサの検出値を制御目標値に設けられた下限しきい値近傍に到達させる第１制御工程と、
前記圧力センサ又は前記流量センサの検出値が、制御目標値に設けられた上限しきい値と前記下限しきい値との間から逸脱している時に、前記定格電圧よりも３〜１００％高い電圧又は制御目標値における駆動電圧よりも３〜１００％低い電圧のディザパルスを前記駆動電圧に重畳して前記比例ソレノイドバルブに印加する第２制御工程と、
を有することを特徴とする比例ソレノイドバルブの制御方法。
【００１４】
〔２〕  前記ディザパルスのパルス幅が、１〜１０００μ秒である〔１〕に記載の比例ソレノイドバルブの制御方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の比例ソレノイドバルブ制御方法によれば、第１制御工程において所定のパルス列を印加することによって比例ソレノイドバルブの駆動電圧を上昇させているので、ヒステリシス現象による制御への悪影響が抑制される。また、第２制御工程において、流量／圧力の検出値が、制御目標値に設けられた上限しきい値と下限しきい値との間から逸脱している時に、所定のディザパルスを駆動電圧に重畳して比例ソレノイドバルブに印加することにより、流量／圧力をしきい値内に収束させることができる。そのため、微小流量域において比例ソレノイドバルブを正確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の制御方法を実施する流体制御装置の構成の一例を示す概略図である。
【図２】図２は、比例ソレノイドバルブの動作特性を示すグラフである。
【図３】図３は、本発明の比例ソレノイドバルブの制御方法に用いるパルスの一例を示す波形図である。
【図４】図４は、本発明の制御方法において用いるパルスの波形を示す説明図である。
【図５】図５（ａ）−（ｃ）は、本発明の制御方法による比例ソレノイドバルブの微小流量域における制御特性を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）−（ｂ）は、従来の制御方法による比例ソレノイドバルブの中流量域における制御特性を示すグラフである。
【図７】図７（ａ）−（ｂ）は、従来の制御方法による比例ソレノイドバルブの微小流量域における制御特性を示すグラフである。
【図８】図８は、従来の比例ソレノイドバルブの駆動電圧と流量／圧力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の比例ソレノイドバルブ制御方法を採用する流体制御装置の一例を示す説明図である。図１中、１は流量／圧力が制御される流体（ガス又は液体）が流れる流路で、流体は上流側２から下流側４に向って流れている。６は比例ソレノイドバルブで、前記流路１に設けられ、その弁体８が上下に移動してバルブ開度が変化することにより流路１を流れる流体の流量／圧力が制御される。１０は、圧力センサ又は流量センサ（以下、「流量／圧力センサ」ともいう）で、前記比例ソレノイドバルブ６の下流側の流路１に設けられている。この流量／圧力センサ１０で検出される流体の流量／圧力の信号は制御部１２に送られ、予め設定されている制御目標値と比較演算処理される。その後、比較演算処理の結果に応じて比例ソレノイドバルブ６に電圧が印加されることにより、弁体８のバルブ開度を制御し、これにより流体の流量／圧力が制御目標値になるようにフィードバック制御がなされる。
【００１９】
本発明において、使用する比例ソレノイドバルブ６は、それ自体公知のバルブである。この比例ソレノイドバルブ６は、印加電圧に比例して弁体８のバルブ開度が変位し、これにより制御される流体の流量／圧力が制御される。
【００２０】
図２は、上記比例ソレノイドバルブ６の動作特性を示すものである。駆動電圧を０Ｖから上昇させていく場合、駆動電圧が最低駆動電圧を超えるまでは弁体の摩擦抵抗等により、弁体８の変位はない。駆動電圧が最低駆動電圧を超えると、弁体８の変位が起こり、駆動電圧の増加に比例してこの変位は続く。本発明における比例ソレノイドバルブ６の制御範囲は、弁体８のバルブ開度が全開時の５％以下の微小流量域を対象とする。即ち、バルブ開度５％以下をフルスケールとする微小流量域における比例ソレノイドバルブの制御方法である。
【００２１】
なお、本発明においてバルブ開度は、弁体８部分に形成されている流路１の流れ方向に直交する流路の断面積を、該バルブが全開（弁体８を最大限に変位させた）時の流路断面積で除して算出される。
【００２２】
以下、図１に示す流体の制御装置において、流体の流量／圧力を制御する方法につき、図３を参照しながら説明する。本発明の比例ソレノイドバルブの制御方法は、第１制御工程と第２制御工程とから成る。
【００２３】
（第１制御工程）
第１制御工程は、流量／圧力センサの検出値を制御目標値の下限しきい値近傍に到達させる工程である。先ず、制御するべき流体の流量／圧力の制御目標値が決定される。通常、制御目標値には、制御目標値を中心として所定の幅で上限しきい値、下限しきい値が設けられる。上限しきい値及び下限しきい値は、制御対象流体の種類、制御精度、外乱の大きさ、制御装置の規模等に応じて適宜設定されるものである。通常、上限しきい値及び下限しきい値は制御目標値の±１％以内であり、厳密な制御性を得る場合には±０．１％以内に設定されている。また、下限しきい値近傍とは、下限しきい値から−１０％以内の範囲をいう。
【００２４】
第１制御工程においては、予め制御部１２に入力されている制御目標値及びその上限しきい値並びに下限しきい値と、流量／圧力センサ１０で検出される流体の流量／圧力信号と、が比較演算処理される。
即ち、下記式（１）
ｄａｔａ＝｜制御目標値−圧力センサ又は流量センサの検出値｜  ・・・式（１）
に示す演算値ｄａｔａが算出される。
【００２５】
これにより流体の流量／圧力を制御目標値になるようにフィードバック制御がなされる。即ち、比例ソレノイドバルブ６にフィードバックされた駆動電圧を印加することにより弁体８を変位させ、流体の流量／圧力を制御目標値近傍に到達させる。
【００２６】
第１制御工程における駆動電圧の印加は、制御部１２から比例ソレノイドバルブ６に下記式（２）及び（３）
Ｄ／Ａ電圧＝Ｄ／Ａ現在値＋Ｖ＿Ｃｏｎｓｔ    ・・・式（２）
ｔ１＝Ｔ＿Ｃｏｎｓｔ    ・・・式（３）
に示すパルス列が伝送されることにより行われる。
【００２７】
ここで、Ｄ／Ａ電圧は図４に示すように、パルスの立ち下がりベース電圧、ｔ１はパルス幅を示す。Ｖ＿Ｃｏｎｓｔは、後述する図４中のＤ１（初期値）を示し、比例ソレノイドバルブの駆動電圧と流量／圧力との関係から適宜その値が設定される。Ｄ１は、固定値若しくは式（１）でのｄａｔａから演算した値を用いる。なお、ＲＶは定格電圧を示す。
【００２８】
本発明においては、パルス列を用いて比例ソレノイドバルブ６に印加する駆動電圧を上昇させる。このパルス列３２は、図３に示すように、最低駆動電圧から始まり、以後立ち上がりベース電圧３４から一旦定格電圧（最大電圧、ＲＶ）を与えた後、比例ソレノイドバルブ６の所定の開度量に相当するベース電圧３６を与える波形である。
【００２９】
したがって、与えるパルス列は、図３に示されるように、立ち上がりベース電圧３４よりも、立ち下がりベース電圧３６が高い。つまり、与えるパルス列はベース電圧が同一の電圧増加幅で徐々に上昇するパルス列であり、このパルス列の周波数は一定であり変化しない。本発明においては、この波形のパルス列が伝送されることを繰り返して比例ソレノイドバルブの駆動電圧を徐々に上昇させ、これにより弁体８のバルブ開度を所望の開度に近づける。
【００３０】
上記パルス列が比例ソレノイドバルブに伝送されることにより、弁体８の変位が始まり、流路１を流れる流体の流量／圧力は急速に制御目標値の下限しきい値近傍に到達する。
【００３１】
本発明の制御方法において、上記波形のパルス列を用いて駆動電圧を上昇させる理由は以下に記載するものである。即ち、最初に定格電圧を与えることにより、インダクタンスの大きいコイルに短時間電流を流し、これにより弁体８を動き始める直前の状態（フローティング状態）に短時間で到達させ、不感帯を迅速に脱出させるためである。これにより、比例ソレノイドバルブの応答性を良好に維持する。
【００３２】
さらに、比例ソレノイドバルブは、駆動電圧を低電圧側から上昇させる場合と、高電圧側から降下させる場合とにおいて、最終駆動電圧が同一の場合でも、比例ソレノイドバルブの開度が相違する、いわゆるヒステリシス現象が存在する。このヒステリシス現象を避けるために、本発明においては上記パルス波形を採用し、常に高電圧側から目的電圧に到達させている。
【００３３】
（第２制御工程）
第１制御工程により流量／圧力センサの検出値が制御目標値の下限しきい値近傍に到達すると、制御部１２から比例ソレノイドバルブ６へのパルス列の伝送は停止される。
【００３４】
第１制御工程により、制御目標値の下限しきい値近傍に到達した流体の流量／圧力はハンチング現象に起因して、制御目標値の上限しきい値と下限しきい値との間に収束し難い。このハンチング現象は、バルブ開度が５％以下の微小流量域において特に顕著に発生する。第２制御工程は、このハンチング現象をディザリング作用によって抑制し、流体の流量／圧力を制御目標値の上限しきい値と下限しきい値との間に収束させる工程である。
【００３５】
第２制御工程においては、流体の流量／圧力が制御目標値の上限しきい値と下限しきい値との間から逸脱している時に、制御部１２から比例ソレノイドバルブ６へ前記パルス信号と同一の周波数であって、下記式（４）
Ｄ／Ａ電圧＝定格電圧＋α      ・・・式（４）
又は下記式（５）
Ｄ／Ａ電圧＝駆動電圧−β      ・・・式（５）
で示されるディザパルスが伝送される。
【００３６】
ここで、αは任意に設定することの出来る値で、通常定格電圧の３〜１００％であり、５〜５０％が好ましい。また、βは任意に設定することの出来る値で、通常駆動電圧の３〜１００％であり、５〜５０％が好ましい。
【００３７】
パルス幅は、通常１〜１０００μ秒であり、２〜５００μ秒が好ましい。
【００３８】
つまり、同一波形の極めて短いパルス幅のディザパルスを駆動電圧に重畳して比例ソレノイドバルブ６に伝送することにより、ハンチング現象を抑制して、流体の流量／圧力を制御目標値の上限しきい値と下限しきい値との間に収束させるように制御される。
【００３９】
図５（ａ）−（ｃ）は、本発明の制御方法による比例ソレノイドバルブの微小流量域における制御特性を示すグラフである。図５（ａ）及び図５（ｃ）は、比例ソレノイドバルブに印加される駆動電圧を示しており、図５（ｂ）は、該駆動電圧に対応する流量／圧力を示している。図５（ａ）−（ｃ）中、ＲＶは定格電圧であり、ｘは制御目標値、ｙ、ｚはそれぞれその上限しきい値、下限しきい値である。ａは第１制御工程による駆動電圧の変化を示し、ｂ及びｃは第２制御工程による駆動電圧の変化を示している。
【００４０】
先ず、図５（ａ）中、ａ領域で示される定格電圧のパルス列により駆動電圧を上昇させて、流量／圧力を制御目標値の下限しきい値近傍に到達させている（第１制御工程）。その後、流量／圧力が下限しきい値を超える直前に、定格電圧を超える電圧のディザパルスを駆動電圧に重畳させている（ｂ領域）。さらに、流量／圧力が下限しきい値を逸脱した時に、定格電圧を超える電圧のディザパルスを駆動電圧に重畳させる（ｃ領域）。これにより、駆動電圧を流量／圧力を制御目標値のしきい値内に収束させている（第２制御工程）。図５（ｃ）においては、流量／圧力が下限しきい値を超える直前に、駆動電圧を下回る電圧のディザパルスを駆動電圧に重畳させている（ｂ領域）。さらに、流量／圧力が下限しきい値を逸脱した時に、駆動電圧を下回る電圧のディザパルスを駆動電圧に重畳させる（ｃ領域）。これにより、駆動電圧を流量／圧力を制御目標値のしきい値内に収束させている（第２制御工程）。定格電圧を超える電圧又は駆動電圧を下回る電圧のディザパルスを駆動電圧に重畳させることにより、微小流量域においても良好な制御特性が得られる。ディザパルスの周波数は、ａ領域で示される定格電圧のパルス列の周波数と同一周波数であることが好ましい。ディザパルスを駆動電圧に重畳させるｂ領域及びｃ領域は、しきい値から外れた近傍領域であり、その領域幅は適宜設定することができる。
【００４１】
なお、上記説明は、第１制御工程において制御目標値に向って流体の流量／圧力を上昇させる場合について説明をしたが、流体の流量／圧力を降下させる場合は、パルス幅を０、即ち定格電圧を与えることなく階段状に駆動電圧を制御目標値まで下げればよい。
【００４２】
また、第１制御工程におけるパルス列や第２制御工程におけるディザパルスの各値は、上限しきい値側から収束するか、下限しきい値側から収束するかにより別々に設定できるようにすることが好ましい。さらに、第１の制御工程においては、制御目標値に到達するまでの過程を任意の数の領域に分割して各領域毎に各値を設定することもできる。
【符号の説明】
【００４３】
１・・・流路
２・・・上流側
４・・・下流側
６・・・比例ソレノイドバルブ
８・・・弁体
１０・・・圧力センサ又は流量センサ
１２・・・制御部
３２・・・パルス
３４・・・立ち上がりベース電圧
３６・・・立ち下がりベース電圧
ＲＶ・・・定格電圧
ｘ・・・制御目標値
ｙ・・・上限しきい値
ｚ・・・下限しきい値
ａ・・・第１制御工程
ｂ・・・第２制御工程
ｃ・・・第２制御工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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