(57)【要約】【課題】流体圧力制御におけるダイナミックレンジの広い目標値を設定することが可能であり、非線形領域においても安定した制御特性を得ることができるサーボバルブの制御装置を提供する。【解決手段】サーボバルブに対する制御量の目標値から所定の基準入力信号を生成して出力する設定部と、サーボバルブの制御量を検出して帰還量を出力する検出部と、設定部から出力された基準入力信号と検出部から出力された帰還量とを比較してその偏差を出力する比較部と、この比較部が出力した偏差を受けて、サーボバルブに与える操作量を出力する調節部とを具備したサーボバルブの制御装置であって、比較部と調節部との間に介挿されて、比較部が出力した偏差を基準入力信号のレベルに従って所定のレベルに調整して調節部に出力する可変利得調節部を備える。【選択図】図１
2007272611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーボバルブと、
このサーボバルブに対する制御量の目標値が入力されて、この目標値から所定の基準入力信号を生成して出力する設定部と、
前記サーボバルブに取り付けられて、このサーボバルブの制御量を検出して帰還量を出力する検出部と、
前記設定部から出力された前記基準入力信号と前記検出部から出力された前記帰還量とを比較してその偏差を出力する比較部と、
この比較部が出力した偏差を受けて、前記サーボバルブに与える操作量を出力する調節部と
を具備したサーボバルブの制御装置であって、
前記比較部と前記調節部との間に介挿されて、前記比較部が出力した前記偏差を前記基準入力信号のレベルに従って所定のレベルに調整して前記調節部に出力する可変利得調節部を備えることを特徴とするサーボバルブの制御装置。
【請求項２】
前記調節部は、比例動作および積分動作を備えることを特徴とする請求項１に記載のサーボバルブの制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載のサーボバルブの制御装置であって、前記調節部は、更には微分動作を備えることを特徴とするサーボバルブの制御装置。
【請求項４】
前記サーボバルブは、油圧によって制御量を可変制御するものである請求項１乃至３のいずれかに記載のサーボバルブの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサーボバルブの制御装置に係り、特に油圧制御されてその制御量を可変制御するサーボバルブの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業用装置等に広く用いられている油圧制御は、クローズドループ系によるサーボバルブ制御であり、このフィードバック制御系によってその駆動を制御されている。このフィードバック制御系は、サーボバルブの出力流量を油圧シリンダに加えてピストンを作動させ、その位置を電気的に検出してフィードバック制御し、目標値に相当する指令信号と比較して偏差を求め、この偏差を増幅して偏差が少なくなるような信号を、サーボバルブを制御する制御機構に与えて流量を調整・制御し、負荷の位置を調整するものである。
【０００３】
このような用途に用いられるフィードバック制御装置は、例えば図７に示すように、制御の対象となる装置の全体あるいはその一部をなす制御対象１（例えば、サーボバルブ）、フィードバックループに直接入力されて制御対象１の制御量が設定した値をとるよう目標値として外部から設定される値によってフィードバック制御系を動作させる基準入力信号を生成する設定部２、制御対象１から制御に必要な信号を取り出し、目標値と同種類の物理量に変換して出力するセンサ等からなる検出部３、基準入力信号と検出部３から出力される信号とを比較して制御動作を生起させる動作信号たる偏差を生成する比較部４、この比較部４から出力される偏差を受けて制御系が所要の働きをするのに必要な信号を生成して操作部へ送り出す調節部５、調節部５から出力された信号を受けて制御対象を制御する操作量に変換して制御対象に与える操作部６を備えて構成されている。
【０００４】
ちなみに比較部４、調節部５および操作部６は、例えばサーボアンプモジュールとして一体にしたユニット構成をとる装置が多い。
尚、この種のフィードバック制御装置は、各種プラント又、一般の工業計測もしくは制御等に幅広く適用されて活用されている（例えば、特許文献１乃至３を参照）。
【特許文献１】特開平９−２９１９０２号公報
【特許文献２】特開平８−１４４７０９号公報
【特許文献３】特開昭５７−１７６４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述したフィードバック制御装置は、制御対象のサーボバルブの負荷特性によって、即ち静的特性または動的特性によって制御精度上あるいは負荷特性上、サーボアンプが有する増幅器のゲインだけでは増幅度が不足し、制御精度不良、増幅度が高い場合は、発振等の不安定な状態が生じるという懸念があった。
特に油圧サーボバルブにおける流体圧力制御において特に負荷特性（制御圧力）と制御電流との関係が非線形であるとき、圧力制御Ｐ値が低い場合は、ゲイン不足、即ち精度不良、応答速度の遅れが生じる一方、圧力制御値が高い場合は、ゲイン過多、即ち必要以上のオーバシュート発振が生じることがある。これらは一般的にＰＩＤ調節計の比例動作（Ｐ）と積分動作（Ｉ）のチューニングによって対応がなされるものの、その適用範囲には限度があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の実情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、特に流体圧力制御におけるダイナミックレンジの広い目標値を設定することが可能であり、非線形領域においても安定した制御特性を得ることができるサーボバルブの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的を達成すべく本発明に係るサーボバルブの制御装置は、サーボバルブと、このサーボバルブに対する制御量の目標値が入力されて、この目標値から所定の基準入力信号を生成して出力する設定部と、前記サーボバルブに取り付けられて、このサーボバルブの制御量を検出して帰還量を出力する検出部と、前記設定部から出力された前記基準入力信号と前記検出部から出力された前記帰還量とを比較してその偏差を出力する比較部と、この比較部が出力した偏差を受けて、前記サーボバルブに与える操作量を出力する調節部とを具備し、
前記比較部と前記調節部との間に介挿されて、前記比較部が出力した前記偏差を前記基準入力信号のレベルに従って所定のレベルに調整して前記調節部に出力する可変利得調節部を備えることを特徴としている。
【０００８】
一般には前記調節部は、比例動作および積分動作を備える。必要に応じて、前記調節部は、更には微分動作を備えることがある。
また前記サーボバルブは、電流によって油圧の制御量を可変制御するものとして構成される。
【発明の効果】
【０００９】
上述した本発明のサーボバルブの制御装置は、可変利得調節部によって設定部から出力される基準入力信号のレベルに応じて調節部に与える偏差を増幅するレベルを可変制御しているので、設定部に入力された目標値のレベルが小さいときは、大きなゲインで偏差を増幅して調節部５に与えることができる一方、目標値のレベルが大きいときは、小さなゲインで偏差を増幅して調節部５に与えるよう構成されているので、設定部にダイナミックレンジの広い目標値を設定することが可能であり、特に流体圧力制御の非線形領域においても安定した制御特性を得ることができるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態に係るサーボバルブの制御装置について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るサーボバルブの制御装置の要部概略構成を示すブロック図である。この図において図７と同一の符号を付した部分は同一物を表し、基本的な構成は図７に示す従来のものと同様であるのでその説明を省略する。尚、図１〜図６は、本発明の一実施形態に係るサーボバルブの制御装置を説明するための図であって、これらの図によって本発明が限定されるものではない。
【００１１】
図１において１０は、比較部４と調節部５との間に介挿されて、比較部４から出力される偏差を受けて、設定部２から出力される基準入力信号のレベルに従った増幅度で偏差を増幅して調節部５に与える可変利得調節部である。この可変利得調節部１０は、図２の曲線Ａに示されるように基準入力信号のレベルが小さいときは、ゲインを大きくして比較部４から与えられた偏差を増幅する一方、基準入力信号のレベルが大きいときは、ゲインを小さくして偏差を増幅して次段の調節部５に与える。
【００１２】
概略的には、このように構成された可変利得調節部１０の回路構成の一例について図３に示した回路図を参照しながらより詳細に説明する。この回路は、設定部２から出力される正レベルの基準入力信号を受けて、その信号を反転増幅する基準入力信号増幅部１１と、比較部４から出力される偏差を受けて、この偏差を増幅する偏差増幅部１２とを備えて構成される。
【００１３】
まず基準入力信号増幅部１１は、正入力端子が接地された演算増幅器ＯＰ１と、設定部２の出力と演算増幅器ＯＰ１の負入力端子との間に直列に介挿される入力抵抗Ｒｉと、演算増幅器ＯＰ１の負入力端子とこの演算増幅器の出力端子とを接続する帰還抵抗Ｒｆを備える。ちなみに、このように構成された基準入力信号増幅部１１の増幅度αは、［α＝Ｒｆ／Ｒｉ］である。
【００１４】
また基準入力信号増幅部１１の出力、即ち演算増幅器ＯＰ１の出力には、ダイオードＤＢのカソードが接続され、このダイオードＤＢのアノードは、直列に接続された分圧抵抗ＲＧ１，ＲＧ２を介して接地される。
一方、偏差増幅部１２は、正入力端子が接地された演算増幅器ＯＰ２を備える。この演算増幅器ＯＰ２の負入力端子は、比較部４の出力と演算増幅器ＯＰ２負入力端子との間に直列に介挿される入力抵抗Ｒ１と接続されている。また、この演算増幅器ＯＰ２の負入力端子と出力端子との間には、直列に接続された帰還抵抗Ｒ２，Ｒ３が接続されている。この帰還抵抗Ｒ２，Ｒ３の接続点には、ソース端子Ｓが接地された電界効果トランジスタＴＲのドレイン端子Ｄが接続される。また、この電界効果トランジスタＴＲのゲート端子Ｇは、分圧抵抗ＲＧ１，ＲＧ２の接続点と接続される。尚、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ＴＲは、デプレッション型の接合型ＦＥＴであり、ダイオードＤＢは、演算増幅器ＯＰ１のから電界効果トランジスタＴＲのゲート端子Ｇに流れ込む電流を防止する逆流防止ダイオードである。
【００１５】
このように構成された可変利得調節部１０には、設定部２から基準入力信号が与えられる。この基準入力信号は、設定部２に与えられる目標値に比例してそのレベルが変化するものである。つまり、目標値が大きければ基準入力信号のレベルも大きくなる一方、目標値が小さくなれば基準入力信号のレベルも小さくなる。
基準入力信号増幅部１１は、設定部２から与えられた基準入力信号を、α倍（増幅度）してそのレベルを反転した信号を出力する。この出力信号は、反転された負レベルの信号である。したがって演算増幅器ＯＰ１の出力には、接地された分圧抵抗ＲＧ２および分圧抵抗ＲＧ１、ダイオードＤＢを介して電流が流れ出す。このとき分圧抵抗ＲＧ１および分圧抵抗ＲＧ２の接続点ｄの電位が接地電位の［０Ｖ］よりも低くなるので、電界効果トランジスタＴＲのゲート端子Ｇの電位が、接地されたソース端子Ｓよりも低くなる。すると電界効果トランジスタＴＲのドレイン端子Ｄとソース端子Ｓとの間が導通することになる。
【００１６】
ちなみに電界効果トランジスタＴＲのドレイン端子Ｄとソース端子Ｓとの間の内部抵抗ＲＤＳは、ゲート端子Ｇに印加される電圧レベルによって変化する。即ち、この内部抵抗は、ゲート端子Ｇの電圧が［０Ｖ］に近いほど小さく、ゲート端子Ｇの電圧（負電圧）が高くなるにしたがって大きくなっていく。尚、ゲート端子Ｇの電圧（負電圧）は、電界効果トランジスタＴＲのピンチオフ電圧を下回らない範囲とする。つまり、演算増幅器ＯＰ１の増幅度ならびに分圧抵抗ＲＧ１，ＲＧ２の値は、設定部２から出力される基準入力信号の変化範囲を考慮して、この変化範囲内でゲート端子Ｇに係る電圧が、電界効果トランジスタＴＲのピンチオフ電圧を下回らない値に収まるように設定される。
【００１７】
このようにして偏差増幅部１２の電界効果トランジスタＴＲの内部抵抗ＲＤＳが変化すると、偏差増幅部１２の演算増幅器ＯＰ２の負入力端子と出力端子とを接続している抵抗値が変化する。したがって偏差増幅部１２の増幅度が変化することになる。具体的に偏差増幅部１２に与えられる電圧レベルをＶｉとすれば、偏差増幅部１２から出力されて次段の調節部５に与える信号の電圧レベルＶｏは、
Ｖｏ＝−Ｖｉ｛（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ１＋（Ｒ２・Ｒ３／Ｒ１・ＲＤＳ）｝
となる。この式が示すように偏差増幅部１２の出力電圧は、電界効果トランジスタＴＲの内部抵抗ＲＤＳの変化に従って変化する。つまり基準入力信号のレベルが高くなると基準入力信号増幅部１１の出力電圧（負電圧）が高くなり、それ故、電界効果トランジスタＴＲのゲート端子Ｇにおける負電圧のレベルが高くなって内部抵抗ＲＤＳが増加する。したがって、偏差増幅部１２の増幅度が低下する。一方、基準入力信号のレベルが低くなると基準入力信号増幅部１１の出力電圧が低くなり、それ故、電界効果トランジスタＴＲのゲート端子Ｇにおける負電圧のレベルが低くなって内部抵抗ＲＤＳが減少する。したがって、偏差増幅部１２の増幅度が増加する。したがって、可変利得調整部１０のゲインは、図２に示したように基準入力信号のレベルに従って変化することになる。
【００１８】
このように構成された本発明のサーボバルブの制御装置における作動についてその応答波形の一例を示しながら説明する。尚、ここでは従来のサーボバルブの制御装置（サーボアンプ）と本発明のサーボバルブの制御装置におけるそれぞれにおける応答の様子を把握するため、目標値として台形波形を入力したときの応答波形を計測して、その効果を確かめたものである。
【００１９】
まず図４は、従来のサーボバルブの制御装置（サーボアンプのゲインが一定の場合）の応答波形を示したグラフである。この図の実線は、設定部２に入力される台形波形をなす基準入力信号であり、破線はこの制御装置における制御量を示す。この図に示すようにサーボアンプのゲインが一定の場合は、制御遅れを生じながら制御量が目標値の変化に従って追従していくことが読み取れるものの、目標値の立ち上がり（図ではＡの箇所）において行き過ぎ（オーバシュート）が生じていることがわかる。一方、基準入力信号の立ち下がり（図ではＢの箇所）では、サーボアンプの利得が不足して完全に追従できていないことがわかる。これは、従来のサーボバルブの制御装置（サーボアンプ）の増幅度が一定であり、目標値の立ち上がりにあっては、オーバシュートが出るまでゲインを上げる一方、目標値が最低値（例えば［０］）近傍となるとゲインが不足して制御量が最低値近傍まで制御できていないことを示している。
【００２０】
次いで図５は、本発明のサーボバルブの制御装置（サーボアンプのゲインを可変にした場合）の応答波形を示したグラフである。この図の実線は、設定部２に入力される台形波形をなす基準入力信号であり、破線はこの制御装置における制御量を示している。この図に示すように従来の制御装置と同様に制御遅れを観測することができるものの、本発明のサーボバルブの制御装置は、目標値の立ち上がり（図ではＣの箇所）においてオーバシュートがほとんど観測されない。また、目標値の立ち下がり（図ではＤの箇所）においても目標値の追従性がよく、目標値が最低値近傍であっても制御量も最低になっている。これは可変利得調節部１０によって調節部５に与えられる偏差のレベルが可変制御されて次段の調節部５へ与えられることによるものである。
【００２１】
尚、可変利得調節部１０のゲイン調整は、油圧サーボバルブの圧力制御の場合、目標値の立ち下がりにおけるアンダーシュートまでゲインを上げると負圧となるため好ましくない。したがって、負圧にならないレベルとなるよう可変利得調節部１０のゲインを調整することが望ましい。
また可変利得調節部１０に入力される基準入力信号による可変利得調節部１０のゲインは、油圧サーボバルブを含むサーボバルブの制御系に適したように例えば図２の破線Ｂや一点鎖線Ｃのようにその特性を変化させるとよい。この特性の調整は、偏差増幅部１２の帰還抵抗Ｒ２の調整によって行うことができる。
【００２２】
尚、図３の一点鎖線で囲まれた偏差増幅部１２を構成する回路を、例えば図６に示す回路構成に変更してもよい。この回路は、演算増幅器ＯＰ２出力端子と正入力端子とが帰還抵抗Ｒ２によって接続される。また演算増幅器ＯＰ２の正入力端子は入力抵抗Ｒ１によって接地されるとともに、抵抗器Ｒ３を介してソース端子Ｓが接地された電界効果トランジスタＴＲのドレイン端子Ｄに接続される。この電界効果トランジスタＴＲのゲート端子Ｇは、分圧抵抗ＲＧ１とＲＧ２との接続点ｄに接続される。そして、比較部４から出力される偏差を演算増幅器ＯＰ２の負入力端子に入力する。
【００２３】
このような回路構成をとる偏差増幅部１２において、この偏差増幅部１２に与えられる偏差の電圧レベルをＶｉとすれば、偏差増幅部１２から出力されて次段の調節部５に与える信号の電圧レベルＶｏは、次式に示すようになる。
Ｖｏ＝−Ｖｉ・Ｒ２／｛Ｒ１・（Ｒ２＋Ｒ３）／（Ｒ１＋ＲＤＳ＋Ｒ３）｝
かくして本発明のサーボバルブの制御装置によれば、サーボバルブを制御するフィードバック制御装置（サーボアンプ）を構成する比較部４と調節部５との間に介挿されて、比較部４が出力した偏差を設定部２から出力される基準入力信号のレベルに従って所定のレベルに調整して調節部５に出力する可変利得調節部１０を備えているので、設定部２にダイナミックレンジの広い目標値を設定することが可能であり、特に油圧サーボバルブのような流体圧力制御が有する非線形領域であっても安定した制御特性を得ることができる。
【００２４】
また本発明のサーボバルブの制御装置は、調節部５にプロセス制御として一般に用いられている比例動作および積分動作、更には微分動作を備えて構成したＰＩ調節計やＰＩＤ調節計が適用された制御システムであっても、比較部４と調節部５との間に可変利得調節部１０を介挿するだけで、制御特性を容易に改善することができる。
したがって、特に本発明のサーボバルブの制御装置は、油圧によって制御量を可変制御する油圧サーボバルブの制御装置として好適である。
【００２５】
尚、本発明のサーボバルブの制御装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得てもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るサーボバルブの制御装置の要部概略構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す可変利得調節部に入力される基準入力信号のレベルと、可変利得調節部におけるゲインとの関係の一例を示すグラフ。
【図３】図１に示す可変利得調節部を構成する回路の一例を示す回路図。
【図４】従来のサーボバルブ制御装置における応答波形の一例を示すグラフ。
【図５】図１に示すサーボバルブの制御装置における応答波形の一例を示すグラフ。
【図６】図１に示す可変利得調節部を構成する別の実施形態に係る回路の一例を示す回路図。
【図７】従来のサーボバルブの制御装置における要部概略構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００２７】
１    制御対象
２    設定部
３    検出部
４    比較部
５    調節部
６    操作部
１０  可変利得調節部
１１  基準入力信号増幅部
１２  偏差増幅部
【図１】
2007272611.tif 000003
【図２】
2007272611.tif 000004
【図３】
2007272611.tif 000005
【図４】
2007272611.tif 000006
【図５】
2007272611.tif 000007
【図６】
2007272611.tif 000008
【図７】
2007272611.tif 000009