JP2008057611A - 油圧ユニットおよび油圧ユニットにおけるモータの速度制御方法 - Google Patents

油圧ユニットおよび油圧ユニットにおけるモータの速度制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】油圧ポンプの負荷の変動に対するモータの回転速度の追従性を向上させることが可能な技術を提供する。
【解決手段】油圧ユニットは、モータ（１５）に電力を供給するインバータ（１４）と、油圧ポンプ（１６ａ）の負荷を検出する負荷センサ（１７）と、モータ（１５）の回転速度を検出する回転センサ（１９）と、モータ（１５）の目標回転速度を表す速度指令値と前記モータ（１５）の回転速度との偏差をゼロに収束させるように、電流指令値を演算する電流指令値演算手段（１２）と、油圧ポンプ（１６ａ）の負荷に基づいて、電流指令値を補正する補正手段（１８ａ）と、補正後の電流指令値に基づいて、インバータ（１４）に制御信号を出力する制御信号生成手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータによって制御されるモータにより油圧ポンプを駆動する油圧ユニットに関する。
従来、モータに直結された油圧ポンプを駆動源とする油圧ユニットにおいては、モータの速度指令値と現在の回転速度との比較により、速度制御（ＰＩ制御）演算を実行して電流指令値を算出し、電流指令値に基づいた電流制御をインバータで実現している。そして、インバータにより制御されるモータを駆動することによって圧力油を油圧ポンプから吐出させている。（例えば、特許文献１）。
特開２００４−１６２８６０号公報
このような油圧ユニットにおいては、油圧ポンプの駆動により油圧ポンプから吐出された油の総油量が増えると、当該油の圧力（油圧）が大きくなる。この油圧の増大は、吐出の際の油圧ポンプの負荷の増大となり、モータの負荷トルクを大きくさせる。
このため、当該油圧ユニットにおいて、例えば、ステップ状の速度指令値が与えられた場合、速度指令値に応答してモータの回転速度が急激に上昇すると、油圧ポンプの負荷が急激に増大し、ひいては、モータの負荷トルクが急激に大きくなる。そして、モータの負荷トルクが急激に大きくなると、ＰＩ制御で構成された速度制御が追従できず、モータの回転速度が低下する場合がある。
モータの回転速度の低下を防止する手法としては、例えば、ＰＩ制御を行うマイコンの処理速度を向上させてＰＩ制御の制御周期を短くし、制御の応答性を向上させる手法が考えられる。しかし、当該手法では、マイコンのコストアップにつながる上、処理速度の向上にも物理的な限界があるため回転速度の低下を有効に防止できない。
また、他の手法としては、モータの回転速度を微分して得られる加速度情報から負荷トルクを推定し、これを速度制御に利用する手法が考えられる。しかし、回転速度は、離散的な情報であるため、微分によりノイズ成分が増大し、これを用いて速度制御を実行すると動作が不安定になる可能性がある。
また、負荷変動に対する応答性を向上させるために速度制御のゲインを上げると、ステップ状の速度指令値が与えられた際に、発振してしまう可能性がある。
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、油圧ポンプの負荷の変動に対するモータの回転速度の追従性を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、モータ（１５）により油圧ポンプ（１６ａ）を駆動し、アクチュエータに油を供給する油圧ユニットであって、前記モータ（１５）に電力を供給するインバータ（１４）と、前記油圧ポンプ（１６ａ）の負荷を検出する負荷センサ（１７）と、前記モータ（１５）の回転速度を検出する回転センサ（２１）と、前記モータ（１５）の目標回転速度を表す速度指令値と前記モータ（１５）の回転速度との偏差をゼロに収束させるように、電流指令値を演算する電流指令値演算手段（１２）と、前記油圧ポンプの負荷に基づいて、前記電流指令値を補正する補正手段（１８ａ；・・・；１８ｄ）と、補正後の電流指令値に基づいて、前記インバータ（１４）に制御信号を出力する制御信号生成手段（１３）とを備えることを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る油圧ユニットにおいて、前記補正手段（１８ａ；・・・；１８ｄ）は、前記油圧ポンプ（１６ａ）の負荷の上昇とともに、前記モータ（１５）の回転速度を上昇させるように前記電流指令値を補正することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る油圧ユニットにおいて、前記補正手段（１８ａ；・・・；１８ｄ）は、前記油圧ポンプ（１６ａ）の負荷の上昇とともに、前記電流指令値を増加させることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る油圧ユニットにおいて、前記補正手段（１８ａ）は、予め設定された補正係数（Ｋｆ）を用いて補正値（Ｉｆ）を取得し、前記補正値（Ｉｆ）を前記電流指令値に加えることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る油圧ユニットにおいて、前記補正手段（１８ｂ；１８ｃ；１８ｄ）は、予め取得されたデータテーブルＤＴを用いて補正値（Ｉｆ）を取得し、前記補正値（Ｉｆ）を前記電流指令値に加えることを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項１から請求項５のいずれかの発明に係る油圧ユニットにおいて、前記負荷センサ（１７）は、前記油圧ポンプ（１６ａ）の吐出ライン（１９）における油の圧力を検出する圧力センサ（１７）であることを特徴とする。
また、請求項７の発明は、インバータ（１４）によって制御されるモータ（１５）により油圧ポンプ（１６ａ）を駆動し、アクチュエータに油を供給する油圧ユニットにおける前記モータ（１５）の速度制御方法であって、ａ）前記油圧ポンプ（１６ａ）の負荷を検出する工程と、ｂ）前記モータ（１５）の回転速度を検出する工程と、ｃ）前記モータ（１５）の目標回転速度を表す速度指令値と前記モータ（１５）の回転速度との偏差をゼロに収束させるように、電流指令値を演算する工程と、ｄ）前記油圧ポンプ（１６ａ）の負荷に基づいて、前記電流指令値を補正する工程と、ｅ）補正後の電流指令値に基づいて、前記インバータ（１４）に制御信号を出力する工程とを備えることを特徴とする。
請求項１から請求項７に記載の発明によれば、油圧ポンプの負荷に基づいて、電流指令値を補正するので、油圧ポンプの負荷（負荷油圧）の変動に対するモータの回転速度の追従性を向上させることが可能となる。
また特に、請求項２の発明によれば、油圧ポンプの負荷の上昇とともに、モータの回転速度を上昇させるように電流指令値を補正するので、油圧ポンプの負荷の上昇にともなうモータの回転速度の低下を防止することが可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る油圧ユニット１０Ａの構成を示す概略図である。この油圧ユニット１０Ａは、例えば成型機等に接続され、油圧を動力源とするアクチュエータ（不図示）に作動流体として油を供給するものである。
図１に示すように、油圧ユニット１０Ａは、コントローラ２０とインバータ部１４とモータ１５と油圧ポンプ１６ａと圧力センサ１７とパルスジェネレータ２１とを有している。このような構成を有する油圧ユニット１０Ａにおいては、モータ１５により駆動される油圧ポンプ１６ａによって、タンク（不図示）から油が吸引され、吐出される。吐出された油は、吐出ライン１９を通って油圧シリンダ或いは油圧モータ等のアクチュエータに供給される。
圧力センサ１７は、油圧ポンプの負荷を検出する負荷センサとして機能し、油圧ポンプの吐出ライン１９における油の圧力（「現在圧力」または「負荷油圧」とも称する）を検出する。
パルスジェネレータ２１は、コントローラ２０（速度検出部２２）に対してモータの回転速度を検出するためのパルス信号を出力する回転センサとして機能する。
インバータ部１４は、コントローラ２０からの制御信号に基づいてスイッチングを行い、モータ１５の回転数を制御する。
コントローラ２０は、Ｐ−Ｑ制御部１１と電流指令値演算部１２と補正部１８ａと制御信号生成部１３と速度検出部２２とを有し、インバータを駆動するための制御信号を出力する。
Ｐ−Ｑ制御部１１は、成型機等の上位システムからの設定圧力および設定流量に基づいて吐出圧力−吐出流量特性（Ｐ−Ｑ特性）を生成し、圧力センサ１７からの現在圧力を入力として速度指令値を出力する。
電流指令値演算部（「ＰＩ制御部」とも称する）１２は、速度指令値および現在速度を入力として比例積分（ＰＩ）制御を行い電流指令値を出力する。より詳細には、モータ１５の目標回転速度を表す速度指令値とモータ１５の回転速度との偏差をゼロに収束させるように、電流指令値を演算する。
補正部１８ａは、圧力センサ１７からの現在圧力に基づいて電流指令値を補正する。詳細は、後述する。
制御信号生成部１３は、補正後の電流指令値に基づいてインバータ部１４を制御する制御信号を生成する。
＜補正部＞
次に、補正部１８ａについて詳述する。
図２は、一般的な油圧ユニット１０Ｂの構成を示す概略図であり、油圧ユニット１０Ｂは、補正部１８ａを有しない点を除いては、油圧ユニット１０Ａと同様の構成を有している。
油圧ユニット１０Ｂが接続される成型機には、大量生産の観点から高い応答性が要求され、当該成型機を駆動する油圧ユニット１０Ｂにおいては、ステップ状の速度指令が短い周期で与えられる。
また、油圧ユニット１０Ｂには、油圧ポンプ１６ａから吐出された油の総油量が増えると、油圧ポンプ１６ａの吐出ライン１９における油圧（負荷油圧）が大きくなるという性質がある。そして、負荷油圧とモータ１５の負荷トルクとはおおむね比例関係にあり、負荷油圧が大きくなると、吐出の際の油圧ポンプ１６ａの負荷が増大し、モータ１５の負荷トルクが大きくなる。
したがって、上述のような性質を有する油圧ユニット１０Ｂにおいて、ステップ状の速度指令が与えられると、速度指令値に応答してモータ１５の回転速度が急激に上昇し、負荷油圧が急激に増大する。そして、これにともなって負荷トルクが急激に大きくなり、ＰＩ制御による速度制御が追従できず、モータ１５の回転速度が低下する。
このような負荷トルクの増大によるモータ１５の回転速度の低下を防止するためには、負荷トルクの増大とともにモータ１５の発生トルクを大きくすればよい。ここで、モータ１５の発生トルクとモータ電流とは、比例関係にあるため、モータ１５の発生トルクを大きくするためには、モータ電流すなわち電流指令値を大きくすればよいことになる。
つまり、端的に言えば、負荷油圧の変動とともに電流指令値を変化させれば、負荷油圧の変動に対するモータ１５の回転速度の追従性を高めることが可能になり、また、負荷油圧の上昇とともに電流指令値を増加させれば、モータ１５の回転速度の低下を防止することが可能となる。
そこで、本実施形態に係る油圧ユニット１０Ａでは、負荷油圧に基づいて電流指令値を補正する補正部１８ａを設け、当該補正部１８ａにおいて圧力センサ１７によって検出された現在圧力（圧力検出値）Ｐｄと予め取得された補正係数Ｋｆとを用いて補正値（電流補正値）Ｉｆを取得する。そして、当該補正値Ｉｆを電流指令値演算部１２から出力された電流指令値に付加（加算）する。
これによれば、油圧ポンプ１６ａの負荷すなわち吐出ライン１９における油の圧力（負荷油圧）に基づいて電流指令値を補正するので、油圧ポンプ１６ａの負荷（負荷油圧）の変動に対するモータ１５の回転速度の追従性を向上させる（改善する）ことが可能となる。
補正係数Ｋｆとしては、予め試験によって取得された係数が用いられる。具体的には、補正係数Ｋｆは、補正部１８ａにおいて、モータ１５の回転速度の低下を防止し速度指令に追従させるために必要とされる電流指令値を取得可能なように設定される。また、補正係数Ｋｆは、モータ１５の回転速度の低下を防止し速度指令に追従させるために必要とされる電流指令値の不足分を補正値として取得可能なように設定されるとも表現することができる。
このように、電流指令値の不足分を補正値として取得可能なように設定される補正係数Ｋｆを用いることによれば、モータ１５の回転速度を速度指令値によって与えられる回転速度に制御することが可能となる。
また、このような補正係数Ｋｆを用いて取得される補正値Ｉｆは、負荷油圧の上昇とともに大きくなるので、補正部１８ａにおいては、負荷油圧の上昇とともに、モータ１５の回転速度を上昇させるように電流指令値を補正することが可能となり、負荷油圧の上昇にともなうモータ１５の回転速度の低下を防止することができる。
次に、油圧ユニット１０Ａにおいてステップ状の速度指令ＳＣが与えられた場合の動作を具体的に説明する。図３は、本実施形態に係る油圧ユニット１０Ａにおいて、ステップ状の速度指令ＳＣが与えられた場合の動作の様子を示す図である。
図３（ａ）に示されるように、油圧ユニット１０Ａにおいてステップ状の速度指令ＳＣが与えられると、当該速度指令ＳＣに応答してモータ１５の回転速度Ｒｓ１が急激に上昇する。そして、油圧ポンプ１６ａから吐出された油の圧力Ｐｄ１が急激に増大しモータ１５の負荷トルクが大きくなる。
しかし、油圧ユニット１０Ａでは、補正部１８ａにおいて、負荷油圧Ｐｄ１の増大とともにその値を大きくする補正値Ｉｆが取得され、当該補正値Ｉｆが、電流指令値演算部１２からの出力に加えられることによって、補正後の電流指令値Ｉｃ１が取得される（図３（ｂ）参照）。このように、電流指令値Ｉｃ１は、負荷油圧Ｐｄ１の増大に追従して大きくすることが可能となるので、負荷トルクの増大によるモータ１５の回転速度Ｒｓ１の低下を防止し、速度指令ＳＣに追従させることが可能となる。
ここで、ステップ状の速度指令ＳＣが、油圧ユニット１０Ａにおいて与えられた場合の動作と補正部１８ａを有しない油圧ユニット１０Ｂにおいて与えられた場合の動作とを対比する。図４は、油圧ユニット１０Ｂにおいて、ステップ状の速度指令ＳＣが与えられた場合の動作の様子を示す図である。
図４（ａ）に示されるように、油圧ユニット１０Ｂにおいてステップ状の速度指令ＳＣが与えられると、モータ１５の回転速度Ｒｓ２の急激な上昇による負荷油圧Ｐｄ２の増大の影響により、モータ１５の回転速度Ｒｓ２が低下している。
また、図３（ｂ）と図４（ｂ）とを比較すると、区間ＢＴにおいて、電流指令値の大きさが相違し、油圧ユニット１０Ｂでは、モータ１５の回転速度を速度指令ＳＣに追従させるために必要とされる適切な電流指令値を取得（演算）できていなことがわかる（図４（ｂ））。
このように、ＰＩ制御で構成された速度制御のみでは、ステップ状の速度指令ＳＣのような急激な速度指令が与えられた場合、モータ１５の回転速度を当該速度指令に追従させることができないことがわかる。
本実施形態では、補正部１８ａにおいて圧力センサ１７によって検出された負荷油圧Ｐｄと予め取得された補正係数Ｋｆとを用いて、負荷油圧Ｐｄの増大とともに大きくなる補正値Ｉｆを取得し、当該補正値Ｉｆを電流指令値演算部１２から出力された電流指令値に付加する。
以上のように、負荷油圧Ｐｄ１に基づいて取得された補正値Ｉｆをフィードフォワード的に電流指令値演算部１２から出力された電流指令値に加えることによれば、電流指令値Ｉｃ２を負荷油圧Ｐｄ１の増大に追従して大きくすることが可能となるので、負荷トルクの増大によるモータ１５の回転速度Ｒｓ２の低下を防止し、速度指令ＳＣに追従させることが可能となる。
＜変形例＞
以上、この発明の実施の形態について説明したが、この発明は、上記に説明した内容に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、補正部１８ａにおいて予め取得された補正係数Ｋｆを用いて補正値Ｉｆを取得していたが、これに限定されない。図５は、データテーブルＤＴを用いて、補正値Ｉｆを取得することが可能な補正部１８ｂを有する油圧ユニット１０Ｃを示す概略図である。
具体的には、図５に示されるように、補正部１８ｂにおいて、予め取得された負荷油圧（圧力検出値）Ｐｄと補正値Ｉｆとの関係を示すデータテーブルＤＴを用いて補正値Ｉｆを取得（演算）してもよい。
これによれば、負荷圧力と速度指令に追従させるために必要とされる補正値とが比例関係にない場合にも、圧力センサ１７からの負荷圧力Ｐｄに対して適切な補正値Ｉｆを取得することが可能となる。
また、上記実施形態においては、１台の油圧ポンプ１６ａを用いて油圧ユニット１０Ａを駆動していたが、これに限定されない。
具体的には、複数の油圧ポンプを用いて油圧ユニットを駆動するようにしてもよい。図６は、１つのモータで２つの油圧ポンプ１６ａ，１６ｂを駆動する油圧ユニット１０Ｄを示す概略図である。
例えば、図６に示されるように、２つの油圧ポンプ１６ａ，１６ｂで油圧ユニット１０Ｄを構成した場合は、ポンプの切り替えに応じてＰ−Ｑ制御部１１からいずれの油圧ポンプが駆動されているのかを示す情報（ポンプ駆動情報）が補正部１８ｃに出力される。そして、補正部１８ｃにおいては、ポンプ駆動情報に応じて、補正値Ｉｆを取得するためのデータテーブルが切り替えられ、駆動しているポンプに応じた補正値Ｉｆが取得される。
なお、２つの油圧ポンプ１６ａ，１６ｂを同時に駆動する場合には、２つの油圧ポンプ１６ａ，１６ｂを同時に駆動した場合における、負荷油圧（圧力検出値）Ｐｄと補正値Ｉｆとの関係を示すデータテーブルが補正値Ｉｆの取得に用いられる。
また、２つの油圧ポンプ１６ａ，１６ｂは並列に接続されていなくてもよい。図７は、２つの油圧ポンプが直列に接続された油圧ユニットを示す概略図である。図７に示されるように、一方の油圧ポンプ１６ｂより吐出される油が他方の油圧ポンプ１６ａに吸引されるように２つの油圧ポンプが直列に接続されている場合は、下流側の油圧ポンプ１６ａより吐出される油の圧力が圧力センサ（１７）によって検出され、下流側の油圧ポンプ１６ａより吐出された油圧に基づいて電流指令値が補正される。
実施形態に係る油圧ユニットの構成を示す概略図である。 補正部を有しない油圧ユニットの構成を示す概略図である。 実施形態に係る油圧ユニットにおいて、ステップ状の速度指令が与えられた場合の動作の様子を示す図である。 補正部を有しない油圧ユニット油圧ユニットにおいて、ステップ状の速度指令が与えられた場合の動作の様子を示す図である。 データテーブルを用いて、補正値を取得することが可能な補正部を有する油圧ユニットを示す概略図である。 １つのモータで２つの油圧ポンプを駆動する油圧ユニットを示す概略図である。 ２つの油圧ポンプが直列に接続された油圧ユニットを示す概略図である。
符号の説明
１２ 電流指令値演算部
１３ 制御信号生成部
１４ インバータ
１５ モータ
１６ａ，１６ｂ 油圧ポンプ
１７ 負荷センサ（圧力センサ）
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ 補正部
１９ 吐出ライン
２１ 回転センサ（パルスジェネレータ）
Ｉｆ 補正値
Ｋｆ 補正係数
ＤＴ データテーブル
Ｐｄ 負荷圧力（現在圧力）

Claims (7)

  1. モータ（１５）により油圧ポンプ（１６ａ）を駆動し、アクチュエータに油を供給する油圧ユニットであって、
    前記モータ（１５）に電力を供給するインバータ（１４）と、
    前記油圧ポンプ（１６ａ）の負荷を検出する負荷センサ（１７）と、
    前記モータ（１５）の回転速度を検出する回転センサ（２１）と、
    前記モータ（１５）の目標回転速度を表す速度指令値と前記モータ（１５）の回転速度との偏差をゼロに収束させるように、電流指令値を演算する電流指令値演算手段（１２）と、
    前記油圧ポンプの負荷に基づいて、前記電流指令値を補正する補正手段（１８ａ；・・・；１８ｄ）と、
    補正後の電流指令値に基づいて、前記インバータ（１４）に制御信号を出力する制御信号生成手段（１３）と、
    を備えることを特徴とする油圧ユニット。
  2. 請求項１に記載の油圧ユニットにおいて、
    前記補正手段（１８ａ；・・・；１８ｄ）は、前記油圧ポンプ（１６ａ）の負荷の上昇とともに、前記モータ（１５）の回転速度を上昇させるように前記電流指令値を補正することを特徴とする油圧ユニット。
  3. 請求項１または請求項２に記載の油圧ユニットにおいて、
    前記補正手段（１８ａ；・・・；１８ｄ）は、前記油圧ポンプ（１６ａ）の負荷の上昇とともに、前記電流指令値を増加させることを特徴とする油圧ユニット。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の油圧ユニットにおいて、
    前記補正手段（１８ａ）は、予め設定された補正係数（Ｋｆ）を用いて補正値（Ｉｆ）を取得し、前記補正値（Ｉｆ）を前記電流指令値に加えることを特徴とする油圧ユニット。
  5. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の油圧ユニットにおいて、
    前記補正手段（１８ｂ；１８ｃ；１８ｄ）は、予め取得されたデータテーブルＤＴを用いて補正値（Ｉｆ）を取得し、前記補正値（Ｉｆ）を前記電流指令値に加えることを特徴とする油圧ユニット。
  6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の油圧ユニットにおいて、
    前記負荷センサ（１７）は、前記油圧ポンプ（１６ａ）の吐出ライン（１９）における油の圧力を検出する圧力センサ（１７）であることを特徴とする油圧ユニット。
  7. インバータ（１４）によって制御されるモータ（１５）により油圧ポンプ（１６ａ）を駆動し、アクチュエータに油を供給する油圧ユニットにおける前記モータ（１５）の速度制御方法であって、
    ａ）前記油圧ポンプ（１６ａ）の負荷を検出する工程と、
    ｂ）前記モータ（１５）の回転速度を検出する工程と、
    ｃ）前記モータ（１５）の目標回転速度を表す速度指令値と前記モータ（１５）の回転速度との偏差をゼロに収束させるように、電流指令値を演算する工程と、
    ｄ）前記油圧ポンプ（１６ａ）の負荷に基づいて、前記電流指令値を補正する工程と、
    ｅ）補正後の電流指令値に基づいて、前記インバータ（１４）に制御信号を出力する工程と、
    を備えることを特徴とするモータ（１５）の速度制御方法。
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