JP2006093537A - 建設機械の電磁比例弁制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電源電圧の変動に拘わらず電磁比例弁を精度よく制御する。
【解決手段】制御目標値Iに基づいて電磁比例弁に対応したオンオフ周期を有するデューティーをそれぞれ演算するデューティー演算手段と、演算されたデューティーのパルス信号をそれぞれ形成するパルス信号形成手段と、形成されたパルス信号に応じて電磁比例弁のコイルに通電する励磁電流をそれぞれ形成する励磁電流形成手段と、励磁電流を形成するための電源Eの電圧値Vcを検出する電源電圧検出手段と、複数の電磁比例弁の端子電圧をパルス信号に同期して順次入力するように切り換わる端子電圧切換手段と、端子電圧切換手段の切換によって入力された端子電圧をパルス信号に同期して積分する端子電圧積分手段と、電源電圧検出手段により検出された電圧値Vcと端子電圧積分手段が出力する積分値Vsとにより、パルス信号のデューティーを電源電圧変動に応じて補正する補正手段とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】制御目標値Iに基づいて電磁比例弁に対応したオンオフ周期を有するデューティーをそれぞれ演算するデューティー演算手段と、演算されたデューティーのパルス信号をそれぞれ形成するパルス信号形成手段と、形成されたパルス信号に応じて電磁比例弁のコイルに通電する励磁電流をそれぞれ形成する励磁電流形成手段と、励磁電流を形成するための電源Eの電圧値Vcを検出する電源電圧検出手段と、複数の電磁比例弁の端子電圧をパルス信号に同期して順次入力するように切り換わる端子電圧切換手段と、端子電圧切換手段の切換によって入力された端子電圧をパルス信号に同期して積分する端子電圧積分手段と、電源電圧検出手段により検出された電圧値Vcと端子電圧積分手段が出力する積分値Vsとにより、パルス信号のデューティーを電源電圧変動に応じて補正する補正手段とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、制御目標値に対応したデューティーのパルス信号により電磁比例弁を制御する建設機械の電磁比例弁制御装置に関する。
油圧ショベルなどの建設機械には、油圧機器に作用する油圧や油量を制御するために多数の電磁比例弁が設けられる。この種の電磁比例弁の制御に関し、従来、PWM(Pulse Wide Modulation)制御により制御目標値に対応したデューティーのパルス信号を形成し、このパルス信号に応じた励磁電流により電磁比例弁のコイルを通電し、電磁比例弁を駆動するようにした装置が知られている(例えば特許文献1参照)。これによればコイルの励磁電流をパルス信号に同期して積分し、この積分値と制御目標値とに基づきデューティーを演算することで、電磁比例弁を精度よく制御する。
ところで、励磁電流を発生させるための電源電圧は一定ではなく、電源の負荷状態の変化(例えばエアコンのオン、オフ等)により変動する。電源電圧が変動すると励磁電流値に誤差が生じるため、電磁比例弁を精度よく制御するためには電源電圧の変動を補正する必要がある。しかしながら、上記公報記載の装置は、このような電源電圧の変動に十分に対処したものではなかった。
本発明は、建設機械に複数設けられた電磁比例弁をデューティーに応じたオンオフ周期を有するパルス信号によりそれぞれ制御する建設機械の電磁比例弁制御装置であって、指令された制御目標値に基づいて電磁比例弁に対応したデューティーをそれぞれ演算するデューティー演算手段と、演算されたデューティーのパルス信号をそれぞれ形成するパルス信号形成手段と、形成されたパルス信号に応じて電磁比例弁のコイルに通電する励磁電流をそれぞれ形成する励磁電流形成手段と、励磁電流を形成するための電源電圧の電圧値を検出する電源電圧検出手段と、複数の電磁比例弁の端子電圧をパルス信号に同期して順次入力するように切り換わる端子電圧切換手段と、端子電圧切換手段の切換によって入力された端子電圧をパルス信号に同期して積分する端子電圧積分手段と、電源電圧検出手段により検出された電源電圧の電圧値と端子電圧積分手段が出力する積分値とにより、パルス信号を形成するためのデューティーを電源電圧変動に応じて補正する補正手段とを備えることを特徴とする。
パルス信号の各周期毎に電源電圧の電圧値を検出することが好ましい。
複数の電磁比例弁のコイルの励磁電流をパルス信号に同期して順次入力するように切り換わる励磁電流切換手段と、励磁電流切換手段の切換によって入力された励磁電流をパルス信号に同期して積分する励磁電流積分手段とをさらに備え、指令される制御目標値と励磁電流積分手段が出力する積分値とからデューティーを演算するとともに、この演算されたデューティーを、電源電圧検出手段により検出された電源電圧と端子電圧積分手段が出力する積分値とにより補正することが好ましい。
パルス信号の各周期毎に電源電圧の電圧値を検出することが好ましい。
複数の電磁比例弁のコイルの励磁電流をパルス信号に同期して順次入力するように切り換わる励磁電流切換手段と、励磁電流切換手段の切換によって入力された励磁電流をパルス信号に同期して積分する励磁電流積分手段とをさらに備え、指令される制御目標値と励磁電流積分手段が出力する積分値とからデューティーを演算するとともに、この演算されたデューティーを、電源電圧検出手段により検出された電源電圧と端子電圧積分手段が出力する積分値とにより補正することが好ましい。
本発明によれば、複数の電磁比例弁の端子電圧の入力をパルス信号に同期して順次切り換えるとともに、入力された端子電圧をパルス信号に同期して積分し、この積分値と電源電圧とにより、電磁比例弁駆動用のパルス信号を形成するためのデューティーを補正するようにしたので、電源電圧の変動に対処して電磁比例弁を精度よく制御することができる。
以下、図1,2を参照して本発明による建設機械の電磁比例弁制御装置の実施の形態について説明する。
図1は本実施の形態に係る電磁比例弁制御装置の構成を示すブロック図であり、図2(A)〜(I)は図1の(A)〜(I)に示す箇所の出力波形の一例を示すタイミングチャートである。
図1は本実施の形態に係る電磁比例弁制御装置の構成を示すブロック図であり、図2(A)〜(I)は図1の(A)〜(I)に示す箇所の出力波形の一例を示すタイミングチャートである。
本実施の形態に係る電磁比例弁制御装置は、油圧ショベルなどの建設機械に設けられた電磁比例弁を制御する。すなわち油圧ショベルには、例えば油圧シリンダや油圧モータなどの油圧アクチュエータを制御するために複数の電磁比例弁が設けられるが、各電磁比例弁に対して別々に制御回路を形成すると回路構成が複雑化する。このため、本実施の形態では図1に示すようにマルチプレクサ7,8(以下、MPX)の切換により制御回路を切り換えることで制御回路の一部(増幅器,積分器,A/D変換器)を共有化する。これにより回路構成を簡素化するとともに、部品点数を低減してコストを抑える。なお、電磁比例弁5は複数設けられるが、図1では図示を省略する。各電磁比例弁5の駆動指令は例えば操作レバー(不図示)の操作により入力される。
図1において、CPU1には操作レバーの操作量に応じた電磁比例弁5の制御目標値Iが入力され、CPU1は制御目標値Iに基づきPWM変換用IC2(以下、バルブコントローラ)にデューティーDを出力する。バルブコントローラ2は内蔵クロック信号をカウントするカウンタと、図2(A),(E)に示すパルス幅変調駆動信号(以下、PWMパルス信号)の1周期tを決定するためのカウント値を格納するレジスタとを有する。CPU1から各電磁比例弁5に対応するデューティーDが出力されると、バルブコントローラ2は各周期t毎にこのデューティーDに対応した期間だけオンとなる図2(A),(E)に示すようなPWMパルス信号を各電磁比例弁5の増幅器4にそれぞれ出力する。
さらにバルブコントローラ2は、MPX7,8を切り換えるための切換信号、積分器11,12の積分値をリセットするためのリセット信号、およびA/D変換器13〜15にA/D変換を行わせるための信号をそれぞれ所定のタイミングで出力する。また、PWMパルス信号の各周期tの開始タイミングでCPU1に対して割り込み要求を出力する。この割り込み要求に応じてCPU1は後述するようにデューティーDを演算,出力する。
増幅器4はPWMパルス信号に応じた励磁電流を電磁比例弁5のコイルに通電する。電磁比例弁5はインダクタンスLと内部抵抗rとを有しており、等価回路的にはその直列接続と考えてよい。このため電磁比例弁5の端子電圧をVとすると励磁電流iは次式(I)となり、インダクタンスLの影響により励磁電流iは図2(B),(G)に示すような波形となる。
i=V/√(L×L+r×r) (I)
i=V/√(L×L+r×r) (I)
電圧変換器6はコイルに流れる励磁電流を電圧に変換する。MPX7は各電磁比例弁5にそれぞれ対応する電圧変換器6からの入力を順次切り換え、MPX8は各電磁比例弁5にそれぞれ対応する増幅器4からの入力を順次切り換える。増幅器9はMPX7により選択された電磁比例弁5の励磁電流に相当する電圧を増幅し、増幅器10はMPX8により選択された電磁比例弁5の端子電圧を増幅する。積分器11,12はそれぞれ増幅器9,10で増幅された信号を積分する。
A/D変換器14,15はこれら積分値をそれぞれA/D変換し、CPU1に出力する。A/D変換器13は電源電圧EをA/D変換し、CPU1に出力する。ここで、増幅器9,10と積分器11,12とA/D変換器14,15は、電磁比例弁5が複数あったとしても1つづつしか設けられておらず、これらの部品は共有化されている。
MPX7,8の切換、積分器11,12の積分、およびA/D変換器14,15のA/D変換のタイミングはそれぞれバルブコントローラ2により制御される。すなわち図3のタイミングチャートに示すように、バルブコントローラ2はPWMパルス信号の1周期tおき(2周期2t毎)にMPX7,8に切換信号を同時に出力する。また、MPX7,8は充放電切換信号に同期して積分器11,12の充電を開始させた後、PWMパルス信号の周期tに同期して積分部11,12の出力電圧をA/D変換するために必要な所定時間だけホールドし、その後、放電させる。すなわちバルブコントローラ2はPWMパルス信号の1周期tおき(2周期2t毎)に積分器11,12をセット、リセットし、積分器11,12の充放電を繰り返させる。これにより積分器11,12からは図2(C),(H),(I)に示すように1周期tおき(2周期2t毎)に積分値が出力される。
さらに、バルブコントローラ2は図3に示すように積分器11,12の充電終了のタイミングに同期してAD変換器14,15にA/Dトリガをかけ、PWMパルス信号の1周期tおきに積分値をA/D変換する。これにより例えばMPX7,8のチャンネル数を12、PWMパルス信号の1周期tを10msとすると、CPU1には240ms毎に電磁比例弁5に対応した積分の最大値ViとVsが入力される。一方、バルブコントローラ2はA/D変換器13に対しては各周期t毎にA/Dトリガをかける。したがってA/D変換器13は各周期毎tに電源電圧EをA/D変換し、これを電磁比例弁5の現在の端子電圧(以下、現在電圧)VcとしてCPU1に出力する。
各周期tの開始タイミングでCPU1に割り込み要求が出力されると、CPU1は以下のような割り込み処理を実行する。図4は割り込み処理の一例を示すフローチャートである。なお、以下ではMPX7,8のチャンネル数を12,PWMパルス信号の周期tを10msとして説明する。
まず、ステップS1でA/D変換器13〜15からの出力値と操作レバーからの目標指令値Iを読み込む。次いで、ステップS2で1周期前に出力したデューティーDをA/D変換器14からの励磁電流に相当する電圧値の積分値Viで除算し、デューティー変換係数K(=D/Vi)を演算する。この演算は、電磁比例弁5から見るとMPX7の切換のタイミングである240ms毎に行われ、電磁比例弁5に対応した係数Kが240ms毎に順次更新される。次いで、係数Kに目標指令値Iを乗じてデューティーD(=K・I)を演算する。この場合、励磁電流の実測値(積分値Vi)をフィードバックしてデューティーDを求めるため、例えば温度変化に伴いコイルの抵抗値が変化して目標指令値Iと励磁電流との間にずれが生じた場合にも、このすれを解消してデューティーDを精度よく求めることができる。
次いで、ステップS4で電源電圧Eの変動に対処するため、A/D変換器15からの端子電圧の積分値(最大値)Vsを用いて電磁比例弁5の基準の端子電圧(基準電圧)Vfを演算する。この演算は、電磁比例弁5から見るとMPX8の切換のタイミングである240ms毎に行われ、電磁比例弁5に対応した基準電圧Vfが240ms毎に順次更新される。この場合、積分器12のコンデンサ容量をC,抵抗をR、電流をi,現在のデューティーをDとすると端子電圧の積分値Vsと基準電圧Vfとの関係は次式(I)のようになる。
Vs=∫idt/C×D
=∫Vfdt/(CR)×D
=Vf/(CR)×D×t (I)
上式(I)を変形し、基準電圧Vfは次式(II)により演算される。
Vf=Vs×(CR)/(D×t) (II)
Vs=∫idt/C×D
=∫Vfdt/(CR)×D
=Vf/(CR)×D×t (I)
上式(I)を変形し、基準電圧Vfは次式(II)により演算される。
Vf=Vs×(CR)/(D×t) (II)
ステップS5では、ステップS3で演算されたデューティーDを電源電圧Eの変動に応じて補正する。すなわちA/D変換器13を介して読み込まれた電磁比例弁5の現在の端子電圧(現在電圧)Vcと基準電圧Vfとの比をデューティーDに乗じ(D×Vc/Vf)、デューティーDの補正値を演算する。次いで、ステップS6で補正後のデューティーDをバルブコントローラ2に出力し、各周期t毎の1回の割り込み処理を終了する。これにより電源電圧の変動による励磁電流の誤差を低減し、電磁比例弁5を精度よくデューティー制御することができる。
本実施の形態に係る電磁比例弁制御装置の特徴的な動作を説明する。
例えば操作レバーの操作によりCPU1に一定の制御目標値Iが入力された場合、電源電圧Eに変動がなければ、電磁比例弁5の励磁電流の波形は図2(B)に示すように各周期tで等しく、電流積分値の波形も図2(C)に示すように一定である。この場合、時間経過に伴いコイルの温度が上昇して電磁比例弁固有のインダクタンスLと内部抵抗rが変化するが、デューティー変換係数K(積分値Vi)は240ms毎に更新されるため、コイルの温度変化を考慮して励磁電流を精度よく目標指令値Iに近づけることができる。なお、インダクタンスLと内部抵抗rの変化は比較的緩やかであるため、240ms毎にデューティー変換係数Kを更新したとしても実用上問題ない。この場合、基準電圧Vfと現在電圧Vcとの比は1であり、ステップS3で演算されたデューティーDがバルブコントローラ2にそのまま出力される。
例えば操作レバーの操作によりCPU1に一定の制御目標値Iが入力された場合、電源電圧Eに変動がなければ、電磁比例弁5の励磁電流の波形は図2(B)に示すように各周期tで等しく、電流積分値の波形も図2(C)に示すように一定である。この場合、時間経過に伴いコイルの温度が上昇して電磁比例弁固有のインダクタンスLと内部抵抗rが変化するが、デューティー変換係数K(積分値Vi)は240ms毎に更新されるため、コイルの温度変化を考慮して励磁電流を精度よく目標指令値Iに近づけることができる。なお、インダクタンスLと内部抵抗rの変化は比較的緩やかであるため、240ms毎にデューティー変換係数Kを更新したとしても実用上問題ない。この場合、基準電圧Vfと現在電圧Vcとの比は1であり、ステップS3で演算されたデューティーDがバルブコントローラ2にそのまま出力される。
一方、例えばエアコンのオンオフやノイズの影響等により図2(D)に示すように電源電圧Eの値がaからbへ変動すると、図2(F)に示すように端子電圧Vが変化する。その結果、図2(G),(H)に示すように電磁比例弁5の励磁電流の波形および電流積分の波形が変化し、電磁比例弁5を精度よく駆動できないおそれがある。
そこで、本実施の形態では上述したように電磁比例弁5に対応する基準電圧Vfを240ms毎に演算するとともに現在電圧Vcを10ms毎に取り込み、基準電圧Vfと現在電圧Vcとの比により10ms毎にデューティーDを補正する。この場合、端子電圧Vの積分値Vsにより基準電圧Vfを演算するので、たまたまMPX8が切り換わったときに端子電圧Vの変動があったとしても、その端子電圧Vの変動が平均化され、基準電圧Vfを精度よく求めることができる。また、10msごとに現在電圧Vcを取り込んでデューティーDを補正するので、電源電圧Eの変動に対しデューティーDを精度よく補正することができる。
この点、例えば積分器12を設けずに瞬間的な端子電圧Vを基準電圧Vfとして設定すると、その端子電圧Vにたまたまノイズが含まれている場合があり、その場合には基準電圧Vfを正しく設定することができない。すなわち時点t1とt2では瞬間的な端子電圧Vが異なり、MPX8の切換のタイミングによっては変動後の端子電圧(例えば時点t2における端子電圧b)が基準電圧Vfとして設定されることがある。この基準電圧Vfは240ms後にならないと更新されないので、基準電圧Vfが誤って設定されると比較的長期にわたってデューティーDは誤差を含んだ値となり、問題である。
以上の実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
(1)PWMパルス信号の各周期t毎に現在電圧Vcとして電源電圧Eを取り込み、現在電圧Vcと基準電圧Vfとの比によりデューティーDを補正するので、電源電圧Eの変動に対処して電磁比例弁5を精度よく制御することができる。この点、例えばMPX8の切換のタイミングでデューティーDを補正したのでは、電源電圧Eの変動にデューティーDが追従することができず、デューティーDの誤差が大きくなる。
(2)電磁比例弁5の端子電圧Vの積分により基準電圧Vfを演算するので、電源電圧Eの変動に拘わらず基準電圧Vfを精度よく設定することができ、電磁比例弁5を一層精度よく制御することができる。とくに建設機械には複数の電磁比例弁5が設けられ、MPX8のチャンネル数が多いため、基準電圧Vfの更新期間が比較的長期となって基準電圧Vfを正しく設定する必要性が高く、端子電圧の積分値Vsを用いて基準電圧Vfを設定することが有効である。
(3)MPX7,8により制御回路を切り換えるので、制御装置の回路構成が簡素化され、コストを低減することができる。
(1)PWMパルス信号の各周期t毎に現在電圧Vcとして電源電圧Eを取り込み、現在電圧Vcと基準電圧Vfとの比によりデューティーDを補正するので、電源電圧Eの変動に対処して電磁比例弁5を精度よく制御することができる。この点、例えばMPX8の切換のタイミングでデューティーDを補正したのでは、電源電圧Eの変動にデューティーDが追従することができず、デューティーDの誤差が大きくなる。
(2)電磁比例弁5の端子電圧Vの積分により基準電圧Vfを演算するので、電源電圧Eの変動に拘わらず基準電圧Vfを精度よく設定することができ、電磁比例弁5を一層精度よく制御することができる。とくに建設機械には複数の電磁比例弁5が設けられ、MPX8のチャンネル数が多いため、基準電圧Vfの更新期間が比較的長期となって基準電圧Vfを正しく設定する必要性が高く、端子電圧の積分値Vsを用いて基準電圧Vfを設定することが有効である。
(3)MPX7,8により制御回路を切り換えるので、制御装置の回路構成が簡素化され、コストを低減することができる。
なお、上記実施の形態では、PWMパルス信号の周期t毎にCPU1で割り込み処理を実行し、制御目標値Iと励磁電流の積分値Viに基づいて電磁比例弁5に対応したデューティーDを演算するようにしたが(ステップS3)、デューティー演算手段の構成はこれに限らない。CPU1からのデューティーDの出力に対し、バルブコントローラ2がPWMパルス信号を形成するようにしたが、パルス信号形成手段の構成はこれに限らない。増幅器4によりPWMパルス信号に応じて電磁比例弁5の励磁電流を形成するようにしたが、励磁電流形成手段の構成はこれに限らない。
PWMパルス信号の周期tに同期し、A/D変換器13で励磁電流を形成するための電源電圧Eの電圧値Vcを検出するようにしたが、電源電圧検出手段の構成はこれに限らない。現在電圧Vcの検出がMPX7,8の切換の周期より短ければ、MPX7,8の切換のタイミングで現在電圧Vcを検出する場合よりもデューティーDを精度よく補正することができるため、パルス信号の各周期t毎に現在電圧Vcを検出しなくてもよい。MPX8の切換により、電磁比例弁5の端子電圧の入力をPWMパルス信号に同期して順次切り換えるようにしたが、端子電圧切換手段の構成はこれに限らない。MPX8の切換によって入力された端子電圧VをPWMパルス信号に同期し、1周期tにわたって積分器12で積分するようにしたが、端子電圧積分手段の構成はこれに限らない。A/D変換器13を介して読み込まれた電源電圧(現在電圧Vc)と端子電圧の積分値Vsにより求めた基準電圧VfとによりデューティーDを補正するようにしたが(ステップS5)、補正手段の構成はこれに限らない。
MPX7の切換により、電磁比例弁5のコイルの励磁電流の入力をPWMパルス信号に同期して順次切り換えるようにしたが、励磁電流切換手段の構成はこれに限らない。MPX7の切換によって入力された励磁電流をPWMパルス信号に同期し、1周期tにわたって積分器11で積分するようにしたが、励磁電流積分手段の構成はこれに限らない。すなわち本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の電磁比例弁制御装置に限定されない。
1 CPU
2 PWM制御用IC(バルブコントローラ)
4 増幅器
5 電磁比例弁
7,8 MPX(マルチプレクサ)
11,12 積分器
13〜15 A/D変換器
2 PWM制御用IC(バルブコントローラ)
4 増幅器
5 電磁比例弁
7,8 MPX(マルチプレクサ)
11,12 積分器
13〜15 A/D変換器
Claims (3)
- 建設機械に複数設けられた電磁比例弁をデューティーに応じたオンオフ周期を有するパルス信号によりそれぞれ制御する建設機械の電磁比例弁制御装置であって、
指令された制御目標値に基づいて前記電磁比例弁に対応したデューティーをそれぞれ演算するデューティー演算手段と、
前記演算されたデューティーのパルス信号をそれぞれ形成するパルス信号形成手段と、
前記形成されたパルス信号に応じて前記電磁比例弁のコイルに通電する励磁電流をそれぞれ形成する励磁電流形成手段と、
前記励磁電流を形成するための電源電圧の電圧値を検出する電源電圧検出手段と、
前記複数の電磁比例弁の端子電圧を前記パルス信号に同期して順次入力するように切り換わる端子電圧切換手段と、
前記端子電圧切換手段の切換によって入力された端子電圧を前記パルス信号に同期して積分する端子電圧積分手段と、
前記電源電圧検出手段により検出された電源電圧の電圧値と前記端子電圧積分手段が出力する積分値とにより、前記パルス信号を形成するためのデューティーを電源電圧変動に応じて補正する補正手段とを備えることを特徴とする建設機械の電磁比例弁制御装置。 - 請求項1に記載の建設機械の電磁比例弁制御装置において、
前記電源電圧検出手段は、前記パルス信号の各周期毎に電源電圧の電圧値を検出することを特徴とする建設機械の電磁比例弁制御装置。 - 請求項1または2に記載の建設機械の電磁比例弁制御装置において、
前記複数の電磁比例弁のコイルの励磁電流を前記パルス信号に同期して順次入力するように切り換わる励磁電流切換手段と、
前記励磁電流切換手段の切換によって入力された励磁電流を前記パルス信号に同期して積分する励磁電流積分手段とをさらに備え、
前記デューティー演算手段は、指令される制御目標値と前記励磁電流積分手段が出力する積分値とからデューティーを演算し、
前記補正手段は、この演算されたデューティーを、前記電源電圧検出手段により検出された電源電圧と前記端子電圧積分手段が出力する積分値とにより補正することを特徴とする建設機械の電磁比例弁制御装置。
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