JP4564734B2 - 油圧システムを制御するための速度に基づく方法 - Google Patents
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Description
機能制御装置44により実行される残りのルーチン56と58はピストンロッド45の命令された速度を得るためどのように電磁油圧比例バルブ21−24を動作させるかを決定する。各計量モードにおいて、アセンブリ25のバルブ類の2個のみが活性すなわち開口になる。機能部のための油圧回路分岐内のこの2個のバルブは選択された計量モードの油圧分岐の等価流体コンダクタンスを表す単一等価係数Keqにより設計される。例示的油圧回路分岐はバルブアセンブリ25およびシリンダ16を含む。機能制御装置44は等価コンダクタンス係数を導出するソフトウエアルーチン56を実行する。この等価コンダクタンス係数は、4個のバルブ21−24の各々に流れる流量および、もしあれば、各バルブが開く量を特徴付ける各バルブコンダクタンス係数を計算するためバルブ開口ルーチン58により命令速度、計量モードおよび検出圧力にしたがって使用される。この技術分野の当業者は、等価コンダクタンス係数とバルブコンダクタンス係数の代りに、反比例流量制限係数を使用できることが認識されるであろう。コンダクタンスと制限係数は油圧システムの区画または部品を特徴付け、反比例パラメータである。従って、ここでは、一般的な用語「等価流量係数」および「バルブ流量パラメータ」がコンダクタンスおよび制限係数をカバーするために使用される。
表1 専門用語
a: シリンダのヘッド側に関係する項目
b: シリンダのロッド側に関係する項目
Aa: ヘッドシリンダ室内のピストンの面積
Ab: ロッドシリンダ室内のピストンの面積
Fx: 速度xの方向のシリンダ上の等価外部力
Ka: ノードaに接続された活性バルブのコンダクタンス係数
Kb: ノードbに接続された活性バルブのコンダクタンス係数
Ksa:供給ラインとノードa間のバルブsaのコンダクタンス係数
Ksb:供給ラインとノードb間のバルブsbのコンダクタンス係数
Kat:ノードaと戻りライン間のバルブatのコンダクタンス係数
Kbt:ノードbと戻りライン間のバルブbtのコンダクタンス係数
Keq:等価コンダクタンス係数
Pa: ヘッド室圧力
Pb: ロッド室圧力
Ps: 供給ライン圧力
Pr: 戻りライン圧力
Peq:等価または「駆動」圧力
R: シリンダ面積比、Aa/Ab(R=1.0)
x: ピストンの命令速度(伸張方向で正)
油圧システム10は供給ライン14からヘッド室26に加圧作動液を加えロッド室27からタンク戻りライン18に流体を排出することによりピストンロッド45をシリンダ16から伸張するために利用される。この計量モードは「駆動伸張モード」と称する。一般に、このモードはピストン28に作用する力が負である場合に利用され、作用はシリンダ16からピストンロッド45を伸張するためにこの力に対して実施されなければならない。この動きを発生するために、第1および第4電磁油圧バルブ21および24が開口され、他の対のバルブ22および23は閉状態を維持される。
ここで、上記式およびこの明細書の他の式の種々の用語は表1に特定される。もし任意のモードを使用するとき所望の速度がゼロであれば、すべての4つのバルブ21−24が閉鎖される。もし負の速度を求める場合、異なるモードを使用しなければならない。本発明の方法のいずれかにおいて等価コンダクタンス係数Keqの計算は特有の油圧バルブの制約とシリンダ面積比Rを物理的に達成可能に与えられた最大値より大きい値を得ることを理解すべきである。この場合において、等価コンダクタンス係数の最大値は以後の算術演算に使用される。同様に、命令された速度は式:x=(Keq_max/Keq)xに従って調整され、以後の計算に使用される。
Fx=−PaAa+PbAb (2)
Fx=Ab(−RPa+Pb) (3)
Peq=R(Ps−Pa)+(Pb−Pr) (4)
Ka=μKb (9)
ここで、μはラインの勾配である。このラインは命令速度を達成するためにKaとKb間の最適または好適値コンダクタンス係数の関係に相当する。この勾配はシリンダ面積比Rの関数であり、式μ=R3/4に従って任意のシリンダ設計のために求められる。例えば、この関係は1.5625のシリンダ面積比のKa=1.40Kbになる。図3のKeq曲線上の式(9)により与えられるラインのプロット(破線70)を重ねることにより最小の係数感度ラインがすべての定数Keqラインと交差することを明らかにしている。
ピストンロッド45は供給ライン14からロッド室27に加圧作動液を加え、且つヘッド室26からタンク戻りライン18に流体を排出することによりシリンダ16内に後退する。この計量モードは「駆動後退モード」と称される。一般に、このモードはピストン28に作用する力が正であるとき利用され、作用はピストンロッド45を後退させるため力に抗して実行される。この動きを発生するために、第2および第3電磁油圧バルブ22および23が開口され、他の対の電磁油圧比例バルブ21および24は閉じられたままとなる。
Peq=R(Pa−Pr)+(Ps−Pb) (18)
駆動伸張および後退モードの変形例として、機能部20は1つのシリンダ室から排出される流体が他のシリンダ室を満たすためにバルブアセンブリ25を介して帰還される再生モードで動作可能である。「高側再生モード」において、流体が供給ラインノード「s」を介してシリンダ室26と27間に流れる。
Peq=R(Ps−Pa)+(Pb−Ps) (25)
活性第1および第2電磁油圧比例バルブ21および22のバルブコンダクタンス係数KsaおよびKsbは式(26)−(30)から導出される。最小感度の範囲内でバルブを動作させるため、式(29)および(30)が解かれるか、式(30)が解かれる。得られたバルブ係数は他のバルブ係数を導出するため式(28)に使用される。他の状況において、バルブ係数は式(26)または(27)を使用して導出される。例えば、1つのバルブ係数の値が選択され、対応する式(26)および(27)が他のバルブ係数を導出するために使用される。閉鎖された第3および第4電磁油圧比例バルブ23および24のバルブコンダクタンス係数KatおよびKbtはゼロに設定される。得られるバルブ係数は機能制御装置44によりバルブドライバ60に供給される。
典型的な機械油圧機能部20は1つのシリンダ室から排出される流体が他のシリンダ室を満たすためバルブアセンブリ25のノード「t」を介して帰還される低側再生モードで動作可能である。この低側再生モードはピストンロッド45を伸張または後退させるために使用され、外力が所望の動きと同一の方向である場合一般的に使用される。低側再生モードは供給ライン14から直接供給される流体を要求しないが、ロッド室27から得られるヘッド室26を上に満たすために要求されるどのような追加流体もタンク戻りライン18を介して他の機能部11から排出されるかまたはアンローダバルブ17を介して流れる流体から供給される。
命令された速度xを達成するために、圧力制御装置48は機能部20内のシリンダ16の流体供給条件と機械の他の油圧機能に合う供給ライン14の圧力レベルを発生させるためアンローダバルブ17を動作させなければならない。この目的のために、システム制御装置46は機械の各機能の個別のポンプ供給圧力設定値を決定する設定値ルーチン62を実行する。供給圧力設定値(Ps設定値)は以下の選択された計量モードに依存する以下の式のうちの1つにより導出される。
12 容積式ポンプ
14 供給ライン
15 タンク
16 シリンダ
17 アンローダバルブ
18 タンク戻りライン
19 タンク制御バルブ
20 機能部
21、22、23、24 電磁油圧比例バルブ
25 バルブアセンブリ
26 シリンダヘッド室
27 シリンダロッド室
30 第1油圧導管
36、38、40、42、49、51、53 圧力センサー
44、46、48 制御装置
45 ピストンロッド
47 ジョイスティック
50 マッピングルーチン
52 流量割当てソフトウエア
54 計量モード選択ルーチン
55 通信ネットワーク
56、58 ルーチン
60 バルブドライバ
64 圧力制御ルーチン
Claims (17)
- 加圧流体を含む供給ライン(14)とタンクに接続された戻りライン(18)間に配置された複数の回路分岐と、それぞれの前記複数の回路分岐に接続された油圧アクチュエータ(16)とを備える油圧システム(10)を作動させる方法において、
前記複数の回路分岐のそれぞれの前記油圧アクチュエータ(16)に所望の速度を要求する工程と;
前記供給ライン(14)の圧力を検出する工程と;
前記戻りライン(18)の圧力を検出する工程と;
それぞれの回路分岐に対してアクチュエータ圧力計測値を生成するために、それぞれの前記油圧アクチュエータ(16)に作用する力を示すパラメータを検出する工程と;
それぞれの前記回路分岐を流れる流量を特徴付け、コンダクタンス係数または制限係数であり、前記回路分岐に対する前記所望の速度と前記供給圧力計測値と戻り圧力計測値と前記回路分岐に対する前記パラメータとに基づいている等価流量係数を導出する工程と;
それぞれの前記等価流量係数に基づいて前記回路分岐の流量を制御する工程と;
前記回路分岐に対し前記等価流量係数と前記アクチュエータ圧力計測値に基づいて圧力設定値を計算する工程と;
計算された前記圧力設定値の最大値を選択する工程と;
前記圧力設定値の選択された最大値に応じて、前記供給ライン(14)と前記戻りライン(18)の少なくとも一つの圧力を制御する工程と;
を備えることを特徴とする方法。 - 前記パラメータを検出する工程が、前記油圧アクチュエータ(16)に作用する前記力により生成された圧力を検出する工程を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記油圧アクチュエータ(16)が、前記供給ライン(14)と前記戻りライン(18)間のバルブ(21)と直列に接続される工程を含み、前記油圧システム(10)の流体を制御する工程が、前記等価流量係数に基づいて前記バルブを活性化する工程を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記油圧アクチュエータ(16)が、第1電磁油圧比例バルブ(21)により前記供給ライン(14)に接続された第1ポートと、第2電磁油圧比例バルブ(24)により前記供給ライン(18)に接続された第2ポートを有し、
前記供給ライン(14)の圧力を検出する工程と;
前記戻りライン(18)の圧力を検出する工程と;
前記第1ポートの圧力を検出する工程と;
前記第2ポートの圧力を検出する工程と、をさらに含み、
前記等価流量係数を導出する工程が、前記供給ラインの圧力と前記戻りラインの圧力と、前記第1ポートの圧力と、前記第2ポートの圧力に基づいていることを特徴とする請求項1記載の方法。 - 前記回路分岐(16、25)内の流量を制御する工程が、前記等価流量係数に基づいて前記第1電磁油圧比例バルブ(21)と前記第2電磁油圧比例バルブ(24)を活性化する工程を含むことを特徴とする請求項4記載の方法。
- 前記油圧アクチュエータ(16)が、前記シリンダ内の第1室および第2室(26、27)を規定するシリンダとピストンとを備え、前記ピストンが前記第1室内の第1表面積と前記第2室内の第2表面積とを有し、前記等価流量係数が、前記第1室と前記第2室の少なくとも一つにおけるピストンの表面積に基づいて導出されることを特徴とする請求項4記載の方法
- 前記油圧アクチュエータ(16)が第1ポートおよび第2ポートを有し、前記供給ライン(14)が、第1電磁油圧比例バルブ(21)により前記第1ポートに、および第2電磁油圧比例バルブ(22)により前記第2ポートに接続され、前記戻りライン(18)が、第3電磁油圧比例バルブ(23)により前記第1ポートに、および第4電磁油圧比例バルブ(24)により前記第2ポートに接続され、
前記方法がさらに、
前記油圧アクチュエータ(16)が移動する方向を選択する工程と;
前記油圧アクチュエータ(16)の選択された方向の動きを生じさせるため動作すべき前記第1電磁油圧比例バルブ、前記第2電磁油圧比例バルブ、前記第3電磁油圧比例バルブおよび前記第4電磁油圧比例バルブの中の任意のバルブを指定する工程と;
供給圧力測定値Psを生成するために前記供給ラインの圧力を検出する工程と;
戻り圧力測定値Prを生成するために前記戻りラインの圧力を検出する工程と;
第1ポート圧力測定値Paを生成するために前記第1ポートの圧力を検出する工程と;
第2ポート圧力測定値Pbを生成するために前記第2ポートの圧力を検出する工程とを含み
前記等価流量係数を導出する工程が、前記供給圧力測定値、前記戻り圧力測定値、前記第1ポート圧力測定値、および前記第2ポート圧力測定値に基づき、
且つ流量を制御する工程が、前記油圧アクチュエータ(16)を選択された方向に動かすため前記等価流量係数に応じて前記第1電磁油圧比例バルブ、前記第2電磁油圧比例バルブ、前記第3電磁油圧比例バルブおよび前記第4電磁油圧比例バルブの中の任意のバルブを駆動することを特徴とする請求項1記載の方法。 - 前記油圧アクチュエータ(16)はシリンダと、前記第1ポートが接続されたヘッド室(26)と前記第2ポートが接続されたロッド室(27)を規定し、前記ロッド室の前記ピストン(28)の表面積Abに対する前記ヘッド室のピストン(28)の表面積Aaの比であるシリンダ面積比Rを有するピストンと、を備え、
前記ピストンに、指示された速度を生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項7記載の方法。 - 前記第1電磁油圧比例バルブ、前記第2電磁油圧比例バルブ、前記第3電磁油圧比例バルブおよび前記第4電磁油圧比例バルブ(21−24)の中の任意のバルブを指定する工程により前記第1電磁油圧比例バルブおよび前記第4電磁油圧比例バルブが指定され;
前記等価流量係数Keqが以下の式:
Keq = x'Ab/(R(Ps-Pa)+ (Pb-Pr))1/2
により導出されることを特徴とする請求項8記載の方法。 - 下記式:
Ps設定値 = (x')2(Ab)2/R(Keq)2 − (Pb-Pr)/R + Pa
にしたがって、圧力設定値(Ps設定値)を計算する工程と;
前記圧力設定値に応じて前記供給ライン(14)の圧力を制御する工程と;
をさらに含むことを特徴とする請求項9記載の方法。 - 前記第1電磁油圧比例バルブ、前記第2電磁油圧比例バルブ、前記第3電磁油圧比例バルブおよび前記第4電磁油圧比例バルブ(21−24)の中の任意のバルブを指定する工程が前記第2電磁油圧比例バルブおよび前記第3電磁油圧比例バルブを指定し;
前記等価流量係数Keqが以下の式:
Keq = -x'Ab/(R(Pa-Pr)+ (Ps-Pb))1/2
により導出されることを特徴とする請求項8記載の方法。 - 下記式:
Ps設定値 = (x')2(Ab)2/(Keq)2 − R(Pa-Pr) + Pb
にしたがって、圧力設定値(Ps設定値)を計算する工程と;
前記圧力設定値に応じて前記供給ライン(14)の圧力を制御する工程と;
をさらに含むことを特徴とする請求項11記載の方法。 - 前記第1電磁油圧比例バルブ、前記第2電磁油圧比例バルブ、前記第3電磁油圧比例バルブおよび前記第4電磁油圧比例バルブ(21−24)の中の任意のバルブを指定する工程が前記第1電磁油圧比例バルブおよび前記第2電磁油圧比例バルブを指定し;
前記等価流量係数Keqが以下の式:
Keq = x'Ab/(R(Ps-Pa)+ (Pb-Ps))1/2
により導出されることを特徴とする請求項8記載の方法。 - 下記式:
Ps設定値 = (x')2(Ab)2/(R-1)(Keq)2 + (RPa-Pb)/(R-1)
にしたがって、圧力設定値(Ps設定値)を計算する工程と;
前記圧力設定値に応答して前記供給ライン(14)の圧力を制御する工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項13記載の方法。 - 前記第1電磁油圧比例バルブ、前記第2電磁油圧比例バルブ、前記第3電磁油圧比例バルブおよび前記第4電磁油圧比例バルブ(21−24)の中の任意のバルブを指定する工程が前記第3電磁油圧比例バルブおよび前記第4電磁油圧比例バルブを指定し;
前記等価流量係数Keqが以下の式:
Keq = x'Ab/(R(Pr-Pa)+ (Pb-Pr))1/2
Keq = -x'Ab/(R(Pa-Pr)+ (Pr-Pb))1/2
からなる群から選択された式に従って導出されることを特徴とする請求項8記載の方法。 - 下記式:
Pr設定値 = (x')2(Ab)2/(R-1)(Keq)2 + (RPa-Pb)/(R-1)
にしたがって、戻りライン(18)の圧力設定値(Ps設定値)を計算する工程と;
前記圧力設定値に応じて前記戻りラインの圧力を制御する工程と;
をさらに含むことを特徴とする請求項15記載の方法。 - 前記油圧システム(10)が前記戻りライン(14)を前記タンク(15)に接続するタンク制御バルブ(19)を含み、前記戻りラインの圧力を制御する工程が前記タンク制御バルブが開く量を選択的に制御することを特徴とする請求項16記載の方法。
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