(57)【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【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、ｅｔａ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１２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４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、該最大吐出量からアクチュエータ流量としてのポンプ吐出量を減算して求めた流量値Ｘａは、コントローラ２内で計算される予定（仮想）のブリードオフ流量とみなしうる。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、コントローラ２内で計算される予定（仮想）の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、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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