CN110914547B - 液压驱动装置 - Google Patents

Abstract

液压驱动装置具备：电动马达；泵，其是由电动马达驱动的可变容量型的泵，具有通过电动马达的旋转方向切换吐出侧和吸入侧的一对泵端口；通过第一给排线路及第二给排线路与一对泵端口连接的液压执行器；以及基于对液压执行器的执行器位置指令值控制电动马达的控制装置；泵构成为第一给排线路和第二给排线路的压力差越大该泵的容量越小。

Description

液压驱动装置

技术领域

本发明涉及通过电动马达使液压执行器动作的液压驱动装置。

背景技术

以往，已知有通过电动马达使液压执行器动作的液压驱动装置（例如，参照专利文献1）。该液压驱动装置中，由电动马达驱动的泵具有通过电动马达的旋转方向切换吐出侧和吸入侧的一对泵端口，该些泵端口通过一对给排线路与液压执行器连接。

如上的液压驱动装置中，液压执行器以与电动马达的旋转量相应的动作量动作。即，电动马达的转矩转换为液压执行器的推力（液压执行器为液压汽缸时）或转矩（液压执行器为液压马达时）。又，无论液压执行器为液压汽缸时还是液压执行器为液压马达时，泵都作为将电动马达的旋转速度转变为较慢的液压执行器的速度（汽缸速度（cylinderspeed）或马达速度）的减速器发挥功能。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特开2004－257448号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

以往的液压驱动装置中，泵为固定容量型。因此，电动马达的旋转数及转矩为一定的话，液压执行器的推力或转矩也为一定。

然而，理想的是，即使电动马达的旋转数及转矩为一定，也能根据液压执行器所需的推力或转矩改变减速比。例如，理想的是，液压执行器为液压汽缸时，减慢汽缸速度而增大推力，或者加速汽缸速度而减小推力。

因此，本发明的目的在于提供一种即使电动马达的旋转数及转矩为一定也能根据液压执行器所需的推力或转矩改变减速比的液压驱动装置。

解决问题的手段：

为解决所述技术问题，本发明的液压驱动装置的特征在于，具备：电动马达；泵，所述泵是由所述电动马达驱动的可变容量型的泵，且具有通过所述电动马达的旋转方向切换吐出侧和吸入侧的一对泵端口；通过第一给排线路及第二给排线路与所述一对泵端口连接的液压执行器；以及基于对所述液压执行器的执行器位置指令值控制所述电动马达的控制装置；所述泵构成为所述第一给排线路和所述第二给排线路的压力差越大该泵的容量越小。

无论液压执行器为液压汽缸时还是为液压马达时，通常向液压执行器的动作油的供给侧的给排线路的压力较高，从液压执行器的动作液的排出侧的给排线路的压力较低。即，第一给排线路和第二给排线路的压力差较大意味着液压执行器所需的推力或转矩较大。又，泵的容量较小意味着减速比较大。因此，根据上述结构，即使电动马达的旋转数及转矩为一定也能根据液压执行器所需的推力或转矩改变减速比。

也可以是，所述泵包括：旋转轴；与所述旋转轴共同旋转的、形成有多个汽缸膛（cylinder bore）的汽缸体（cylinder block）；分别插入所述多个汽缸膛的多个活塞；形成有所述一对泵端口的配流盘（port plate）；限制所述多个活塞的行程的斜板；和按压所述斜板弹簧；形成为根据所述一对泵端口间的压力差，所述活塞产生使所述斜板倾斜转动的力矩（moment）的结构。根据该结构，能使由电动马达、泵及液压执行器构成的机械单元小型化，并且能根据第一给排线路和第二给排线路的压力差自动切换泵的倾转角。

也可以是，所述液压执行器是能够改变相互可揺动地连结的一对构件间的关节角度的液压汽缸。根据该结构，液压驱动装置能用于仿人形机器人（humanoid robot）或工业用机器人等的关节上。

也可以是，例如，上述的液压驱动装置还具备检测作为所述电动马达的旋转角度的马达角度实际值的位置传感器，所述控制装置决定与所述泵的倾转角对应的减速比，使用所述执行器位置指令值及所述减速比算出对所述电动马达的马达角度指令值，利用所述马达角度指令值及所述位置传感器检出的马达角度实际值进行位置反馈控制。

也可以是，所述执行器位置指令值是所述一对构件间的关节角度指令值，上述的液压驱动装置还具备检测所述一对构件间的关节角度实际值的位置传感器，所述控制装置利用所述关节角度指令值及所述位置传感器检出的关节角度实际值的检出值进行位置反馈控制。根据该结构，即使无法正确决定减速比，也能高精度地控制液压执行器的动作位置。

发明效果：

根据本发明，即使电动马达的旋转数及转矩为一定也能根据液压执行器所需的推力或转矩改变减速比。

附图说明

图1是根据本发明一实施形态的液压驱动装置的概略结构图；

图2是图1所示的液压驱动装置的机械单元的概略结构图；

图3是泵的剖视图；

图4是沿图3的IV－IV线的剖视图；

图5中5A是本实施形态的控制装置内的框图，5B是变形例的控制装置内的框图；

图6中6A是示出泵的倾转角较小时的汽缸速度与汽缸推力的关系的图，6B是示出泵的倾转角较大时的汽缸速度与汽缸推力的关系的图。

具体实施方式

图1中示出根据本发明一实施形态的液压驱动装置1。该液压驱动装置1包括机械单元2和控制装置5。

如图2所示，机械单元2是电动马达21、泵3及液压执行器22形成为一体。又，机械单元2内形成有小容积的贮留室作为储罐29（参照图1）。

本实施形态中，液压执行器22是能改变相互可揺动连结的一对构件71、72间的关节角度的单杆的液压汽缸。例如，构件71、72分别是机械臂。不过，液压执行器22也可以是双杆的液压汽缸。或者液压执行器22还可以是液压马达。

机械单元2内设有包含泵3及液压执行器22的液压回路。液压回路内流动的动作液代表性的是油，但也可以是水等其他液体。

泵3包括与电动马达21的输出轴连结的旋转轴31。即，泵3被电动马达21驱动。另，泵3的旋转轴31可与电动马达21的输出轴直接连结，也可通过减速器等间接连结。

泵3具有一对泵端口3a、3b。泵端口3a、3b通过电动马达21的旋转方向切换吐出侧与吸入侧。例如，若电动马达21向一方向旋转，则泵端口3a为吸入端口、泵端口3b为吐出端口，若电动马达21向反方向旋转，则泵端口3b为吸入端口、泵端口3a为吐出端口。

泵3的泵端口3a、3b通过第一给排线路23及第二给排线路24与液压执行器22连接。本实施形态中，液压执行器22为单杆的液压汽缸，因此向液压执行器22的供给量与从液压执行器22的排出量不同。因此，液压汽缸的杆侧的第一给排线路23通过设有单向阀（checkvalve）26的第一调整线路25与储罐29连接，液压汽缸的头（head）侧的第二给排线路24通过设有先导单向阀28的第二调整线路27与储罐29连接。

单向阀26及先导单向阀28允许从储罐29导出的流动，禁止其逆向流动。此外，设于第二调整线路27上的先导单向阀28通过先导线路28a引导第一给排线路23的压力，先导单向阀28在第一给排线路23的压力高于设定压时解除防止回流功能。

另，液压执行器22为双杆的液压汽缸或液压马达时，第二调整线路27上取代先导单向阀28而仅设置单向阀亦可。

泵3为可变容量型的泵。泵3构成为第一给排线路23和第二给排线路24的压力差越大该泵3的容量（每旋转一次推出的容积）越小。

本实施形态中，泵3为斜板泵。而且，泵3的倾转角根据第一给排线路23和第二给排线路24的压力差自动切换。

具体而言，泵3如图3所示，包括通过轴承可旋转地支持上述旋转轴31的端口块（port block）44及壳体（casing） 45。而且，在被该些端口块44及壳体45包围的空间内容纳有配流盘43、汽缸体32、斜板35等。

汽缸体32与旋转轴31一起旋转。汽缸体32内形成有多个汽缸膛41。该些汽缸膛41内分别插入有多个活塞33。又，汽缸体32内，在各汽缸膛41的底侧形成有连通路42。

斜板35限制活塞33的行程。更详细而言，活塞33的头部分别嵌合有多个滑靴（shoe）34，该些滑靴34随着汽缸体32的旋转而在斜板35上滑动。斜板35的滑靴34侧的滑动面与旋转轴31的正交面的所成角度为泵3的倾转角。

本实施形态中，汽缸体32的肋上配置有弹簧37。弹簧37介于斜板35与端口块44之间，通过按压板36于旋转轴31的轴向按压斜板35。

配流盘43固定于端口块44，汽缸体32在配流盘43上滑动。如图4所示，配流盘43上形成有上述的泵端口3a、3b。形成于汽缸体32上的连通路42或与泵端口3a、3b连通或从泵端口3a、3b断开。

泵3形成为根据泵端口3a、3b间的压力差使活塞33产生使斜板35倾斜转动的力矩的结构。本实施形态中，泵端口3a、3b分别具有如下形状：以旋转轴31的中心分为弹簧侧和弹簧相反侧时弹簧相反侧的部分长于弹簧侧的部分。另，为方便说明，以下将从旋转轴31的中心向弹簧侧作为上方，将从旋转轴31的中心向弹簧相反侧作为下方。

因此，泵端口3a、3b的任一个作为吐出口，都能使活塞33按压斜板35的下侧部分的力大于按压斜板35的上侧部分的力。反之，吸入口处，能使活塞33按压斜板35的下侧部分的力小于按压斜板35的上侧部分的力。因此，吐出压越高，换言之泵端口3a、3b间的压力差越大，则活塞33使斜板35抵抗弹簧37的施加力向泵3的倾转角减小的方向倾斜转动的力矩越大。

上述控制装置5基于对液压执行器22的执行器位置指令值控制电动马达21。例如，控制装置5是具有ROM（只读存储器；Read-Only Memory）或RAM（随机存储器；Random AccessMemory）等存储器和CPU（中央处理器；Central Processing Unit）的电脑，ROM中存储的程序通过CPU执行。另，控制装置5可为单一的机器，也分为多个机器。

具体而言，控制装置5如图5A所示，包括马达角度变换部51、位置控制部52、速度控制部53、转换（inverter）部54及微分部55。控制装置5从省略图示的其他装置输入执行器位置指令值。本实施形态中，执行器位置指令值为构件71、72间的关节角度指令值θc。

此外，本实施形态中，控制装置5与两个编码器61、62（位置传感器）电气连接。编码器61如图1所示设于电动马达21的输出轴上，检测作为电动马达21的旋转角度的马达角度实际值θmf。编码器62如图2所示设于连结构件71、72彼此的揺动轴上，检测构件71、72间的关节角度实际值θf。

另，作为检测关节角度实际值θf的位置传感器，除编码器62以外还可采用在作为液压执行器22的液压汽缸上设置的行程传感器等。

本实施形态中，控制装置5如图5A所示，使用关节角度指令值θc及编码器62检出的构件71、72间的关节角度实际值θf进行位置反馈控制。又，控制装置5使用对电动马达21的马达速度指令值ωmc及编码器61检出的电动马达21的马达角度实际值θmf的微分值（马达速度实际值）ωmf进行速度反馈控制。以下详细说明控制装置5的各部的功能。

马达角度变换部51决定与泵3的倾转角对应且依赖于构件71、72等连杆机构的减速比R，并且使用关节角度指令值θc及减速比R算出相对于电动马达21的马达位置偏差θme。

减速比R还依赖于第一给排线路23和第二给排线路24的压力差。例如，马达角度变换部51基于设于电动马达21的扭力计或设于第一及第二给排线路23、24的压力计的检测值等算出减速比R。

而且，马达角度变换部51使构件71、72间的关节角度指令值θc和编码器62检出的关节角度实际值θf的偏差除以减速比R从而算出相对于电动马达21的马达位置偏差θme。

位置控制部52在马达位置偏差θme上乘以位置增益Kp从而算出相对于电动马达21的马达速度指令值ωmc。不过，控制装置5也可以不计算马达位置偏差θme，而是通过在构件71、72间的关节角度指令值θc和编码器62检出的关节角度实际值θf的偏差上乘以Kp/R从而算出马达速度指令值ωmc。

微分部55对编码器61检出的马达角度实际值θmf进行微分从而算出马达速度实际值ωmf。速度控制部53在马达速度指令值ωmc和马达速度实际值ωmf的偏差上乘以速度增益Kv，算出相对于电动马达21的电流指令值Imc。转换部54基于电流指令值Imc向电动马达21供给电力。

如以上说明，本实施形态的液压驱动装置1中，泵3构成为第一给排线路23和第二给排线路24的压力差越大该泵3的容量越小。通常，向液压执行器22的动作油的供给侧的给排线路的压力较高，从液压执行器22的动作液的排出侧的给排线路的压力较低。即，第一给排线路23和第二给排线路24的压力差较大意味着作为液压汽缸的液压执行器22所需的推力较大。又，泵3的容量较小意味着减速比R较大。因此，根据本实施形态的液压驱动装置1，即使电动马达21的旋转数及转矩为一定也能根据液压执行器22所需的推力改变减速比R。

例如，如图6A所示，作为液压汽缸的液压执行器22所需的推力较大时，由于第一给排线路23和第二给排线路24的压力差较大，因此能增大减速比R。反之，如图6B所示，液压执行器22所需的推力较小时，由于第一给排线路23和第二给排线路24的压力差较小，因此能减小减速比R。另，由汽缸推力及汽缸速度形成的矩形面积沿图6A及6B中示出的双点划线变化。

又，本实施形态中，液压执行器22为改变构件71、72间的关节角度的液压汽缸，因此液压驱动装置1可用于仿人形机器人或工业用机器人等的关节。

而且，控制装置5进行的位置反馈控制中，可以取代编码器62检出的构件71、72间的关节角度实际值θf，而如图5B所示使用编码器61检出的对电动马达21的马达角度实际值θmf。即，控制装置5也可以使用关节角度指令值θc及减速比R算出马达角度指令值θmc，使用马达角度指令值θmc及马达角度实际值θmf进行位置反馈控制。不过，如前述实施形态那样，通过使用编码器62检出的构件71、72间的关节角度实际值θf进行位置反馈控制，即使无法正确决定减速比R，或者出现来自液压回路的动作液泄露，也能高精度控制液压执行器22的动作位置。

（变形例）

本发明不限于上述的实施形态，可在不脱离本发明的要旨的范围内进行种种变形。

例如，泵3的倾转角无需必须自动切换，由电动执行器改变亦可。

又，所述实施形态中泵3为斜板泵，但泵3为斜轴泵亦可。或者，泵3只要是可变容量型就没有特别限定，例如叶片泵或可变容量齿轮泵等。不过，如前述实施形态那样，若泵3为斜板泵，则能使电动马达21、泵3及液压执行器22构成的机械单元2小型化。

又，控制装置5可以进行基于观察者模式（observer）等控制理论的无传感器控制。

符号说明：

1 液压驱动装置

21 电动马达

22 液压执行器

23 第一给排线路

24 第二给排线路

3 泵

3a、3b 泵端口

31 旋转轴

32 汽缸体

33 活塞

35 斜板

37 弹簧

41 汽缸膛

43 配流盘

44 端口块

5 控制装置

61、62 编码器（位置传感器）

71、72 构件。

Claims (4)

1.一种液压驱动装置，具备：

电动马达；

泵，所述泵是由所述电动马达驱动的可变容量型的泵、且具有通过所述电动马达的旋转方向切换吐出侧和吸入侧的一对泵端口；

通过第一给排线路及第二给排线路与所述一对泵端口连接的液压执行器；以及

基于对所述液压执行器的执行器位置指令值控制所述电动马达的控制装置；

所述泵包括：旋转轴、与所述旋转轴共同旋转且形成有多个汽缸孔的汽缸体、分别插入所述多个汽缸孔的多个活塞、形成有所述一对泵端口的配流盘、限制所述多个活塞的行程的斜板、和按压所述斜板的弹簧，

所述一对泵端口分别具有如下形状：以所述旋转轴的中心分为弹簧侧和弹簧相反侧时弹簧相反侧的部分长于弹簧侧的部分；

所述泵形成为根据所述一对泵端口间的压力差使所述活塞产生使所述斜板倾斜转动的力矩，所述第一给排线路和所述第二给排线路的压力差越大该泵的容量越小的结构。

2.根据权利要求1所述的液压驱动装置，其特征在于，

所述液压执行器是改变相互能揺动地连结的一对构件间的关节角度的液压汽缸。

3.一种液压驱动装置，其特征在于，具备：

电动马达；

泵，所述泵是由所述电动马达驱动的可变容量型的泵、且具有通过所述电动马达的旋转方向切换吐出侧和吸入侧的一对泵端口；

通过第一给排线路及第二给排线路与所述一对泵端口连接的液压执行器；

基于对所述液压执行器的执行器位置指令值控制所述电动马达的控制装置；以及

检测作为所述电动马达的旋转角度的马达角度实际值的位置传感器；

所述泵形成为所述第一给排线路和所述第二给排线路的压力差越大该泵的容量越小的结构；

所述控制装置决定与所述泵的倾转角对应的减速比，并使用所述执行器位置指令值及所述减速比算出对所述电动马达的马达角度指令值，利用所述马达角度指令值及所述位置传感器检出的马达角度实际值进行位置反馈控制。

4.一种液压驱动装置，其特征在于，具备：

电动马达；

泵，所述泵是由所述电动马达驱动的可变容量型的泵、且具有通过所述电动马达的旋转方向切换吐出侧和吸入侧的一对泵端口；

通过第一给排线路及第二给排线路与所述一对泵端口连接的液压执行器，所述液压执行器是改变相互能揺动地连结的一对构件间的关节角度的液压汽缸；

基于对所述液压执行器的执行器位置指令值控制所述电动马达的控制装置，所述执行器位置指令值是所述一对构件间的关节角度指令值；以及

检测所述一对构件间的关节角度实际值的位置传感器；

所述泵形成为所述第一给排线路和所述第二给排线路的压力差越大该泵的容量越小的结构；

所述控制装置利用所述关节角度指令值及所述位置传感器检出的关节角度实际值的检出值进行位置反馈控制。

Images