JP2006093537A - 建設機械の電磁比例弁制御装置 - Google Patents

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

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。

特開平２−２７７１０８号公報

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。

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。

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)

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)

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。

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。

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。

本発明の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。 本発明の動作の一例を示すタイミングチャート。 図１のバルブコントローラの出力を示すタイミングチャート。 図１のＣＰＵの処理の一例を示すフローチャート。

符号の説明

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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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