JP2010517819A - エレクトロハイドロリック制御装置 - Google Patents

Abstract

エレクトロハイドロリック制御装置には、変位可能な流体ポンプと、可変回転数の電気的駆動装置とが設けられている。圧力検出装置によって流体圧が検出される。このようなエレクトロハイドロリック制御装置の主制御回路は、電気的駆動装置の回転数調整エレメントを調整要素として有する。この主制御回路によって、流体圧、ひいては、たとえばシリンダによって及ぼされる力、または後置の調整量、たとえば位置または速度を制御することができる。流体ポンプの変位体積調整エレメントは、副調整チェーンによって、検出された流体圧に依存して駆動制御される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された液圧負荷を駆動制御するためのエレクトロハイドロリック制御装置に関する。

エレクトロハイドロリック駆動装置はたとえば、調整機関の寸法が小さい場合に高い調整力を生成し、液圧的に変位される機械部品を精確に制御する必要がある用途で使用される。

同出願人のＥＰ０４０３０４１Ａ２に、射出成形機の液圧負荷を駆動制御するための思想が開示されている。液圧の力／変位の変換方式に応じて、固定ポンプが液圧負荷に直接接続されている。この固定ポンプは、回転数可変の電動サーボ駆動装置によって操作される。このサーボ駆動装置の速度制御回路は、負荷の位置制御または圧力制御の下位に置かれる。

閉弁圧が保持されると、非常に低い回転数の場合には、固定ポンプによって高圧を保持するために高いトルクが必要とされる。それゆえ、このような駆動コンセプトの欠点は、低い回転数でも十分なトルクを出力できる強力で大きな寸法であり高価なサーボモータを必要とすることである。

ＥＰ０４６４２８６Ｂ２に、射出成形機の別のエレクトロハイドロリック駆動装置が記載されている。たとえば、射出成形装置内で型を閉鎖して材料送りを行うためのピストン‐シリンダユニットや、スクリューコンベアを駆動するための負荷等の種々の負荷は、変位ポンプおよびバルブユニットによって駆動制御される。この変位ポンプは公知のように、吐出流制御または圧力制御の枠内で作動される。同出願人は、所属の制御装置を有する変位ポンプをＳＹＤＦＥＥという名称で提供している。データシート ＲＤ３０６３０／０６．０６を参照されたい。上記の特許文献に記載された駆動装置は付加的に、変位ポンプを駆動するための可変回転数の電動機を有する。圧力手段にかかる要件、すなわち変位ポンプの所要吐出量は、射出成形処理の個々のフェーズごとに予め計算される。この吐出量値は、電動機の回転数値に換算され、順序制御装置に記憶される。この順序制御装置は、所定の回転数値によって電動機を駆動制御する。

このような思想の欠点は、所要の回転数の面倒な計算を予め行わなければならないことである。このことにより、シーケンスプログラムの作成と、場合によって変更も、不必要に複雑になってしまう。さらに、回転数値の決定時には常に、吐出容量のある程度の余裕‐たとえば、上昇される摩擦ないしは摩耗に対するある程度の余裕‐を、予め想定しなければならない。このことにより、作動時にエネルギー損失が発生してしまう。

本発明の課題は、エネルギー効率が高く、簡単に駆動制御可能な、エレクトロハイドロリック制御装置を提供することである。

本発明によれば前記課題は、請求項１の特徴を備えたエレクトロハイドロリック制御装置により解決される。

本発明によるエレクトロハイドロリック制御装置には、変位可能な流体ポンプと、可変回転数の電気的駆動装置とが設けられている。圧力検出装置によって流体圧が検出される。このようなエレクトロハイドロリック制御装置の主制御回路は、電気的駆動装置の回転数調整エレメントを調整要素として有する。この主制御回路によって、流体圧、ひいては、たとえばシリンダによって及ぼされる力、または後置の調整量、たとえば負荷の位置または速度を制御することができる。流体ポンプの変位体積調整エレメントは、副調整チェーンによって、検出された流体圧に依存して駆動制御される。

このようにして、調整量を目標値設定によって、たとえば順序制御側で、エレクトロハイドロリック制御装置の構成の特別な知識なしで、直接設定することができる。たとえば負荷の速度を、該速度に必要とされる吐出量またはポンプ回転数の知識なしで設定することができる。主制御回路は回転数の設定によって、必要とされる設定値に瞬時値を制御する。このような副調整チェーンによって、操作者や順序制御のプログラマが手を加えることなく自動的に、エレクトロハイドロリック制御装置の高いエネルギー効率かつ低雑音かつ低摩耗の作動が実現される。

変位体積調整エレメントを流体圧に依存して駆動制御することにより、たとえば、圧力保持モードでは容量をより小さく調整することができる。このことによって、電気的駆動装置のトルク負荷が低減される。主制御回路は、場合によっては回転数を追従制御する。このことにより、低回転数かつ高トルクの場合に、エネルギーに関して不所望の作動状態を回避することができる。電気的駆動装置は、比較的小さい最大トルクに対して構成することができる。このことにより、低コストの電気的駆動装置を使用することができる。低い流体圧で急速運転が行われる場合、副制御回路は変位ポンプを最大容量に調整する。この急速運転は、変位ポンプの最大効率で低回転数と低雑音レベルとで行うことができる。

従属請求項に、さらに別の有利な実施形態について記載されている。

有利には、変位体積調整エレメントの変位は、主制御回路が妨害量補償を行う手法に応じて、副調整チェーンによって補償される。このような構成により、副調整チェーンは主制御回路から十分に独立して動作し、該主制御回路の制御区間の振舞いを、電気的駆動装置の雑音レベル、エネルギー消費、摩耗および最大所要トルクに関して最適化する。制御区間へのこのような介入は、主制御回路によって自動的に、順序制御の介入なしで補償制御される。

本発明の有利な実施形態では、主制御回路によって、負荷の交番的な圧力／速度制御が行われる。交番的な圧力／速度制御の場合、制御回路に対して負荷の圧力目標値と速度目標値とが同時に設定される。これらの目標値は同時に、相応の調整量の上限値として使用される。制御器は、負の制御誤差を有する調整量を補償制御する。このような制御器はたとえば比較回路によって構成され、変位ポンプの吐出調整エレメントを駆動制御するための制御器は自明である。このような制御原理は、回転数調整エレメントの駆動制御にも転用することができる。このような副調整チェーンによって、この制御方法は雑音レベルやエネルギー消費等に関して最適化される。

別の有利な実施形態では、副調整チェーンは所属の圧力目標値に応じて、圧力制御のために変位体積調整エレメントを調整し、負荷を交番的な圧力／速度制御するように主制御回路と副調整チェーンとが共働するように構成される。副調整チェーンはいずれにしても、検出された流体圧のフィードバックを行うので、小さい付加的な手間で副調整チェーンを専用の制御ループとして構成することができる。この制御を、主制御回路によって形成される速度制御ループと副調整チェーンによって形成される圧力制御ループとに分けることにより、関与する制御回路の制御回路構造を簡略化することができる。このようなシステム挙動は、簡単に制御することができる。

とりわけ、圧力制限モードでは回転数調整エレメントに、低減された所定の回転数値を供給し、速度制限モードでは、変位体積調整エレメントを最大値に設定することにより、面倒な比較回路を省略することができる。このようにして、これらの制御モードではそれぞれ存在しない制御ループは非作動状態になり、場合によっては飽和状態にされる。このことにより、システム解析が簡単になり、システム全体の制御安定性が上昇する。

特に簡単な実施形態では副調整チェーンは圧力切換制御器を有し、とりわけ、変位可能な流体ポンプの変位体積を所定の圧力閾値に依存して、所定の最小値と最大値とに切り換えるための２点制御器を有する。

副調整チェーンが、所定の圧力目標値に依存して比例的に変位体積調整エレメントを駆動制御する圧力制御器を有すると、副調整チェーンが主制御回路に与える影響、ひいては主制御回路で必要とされる補償が小さくなり、より高精度で調整されるようになる。

副調整チェーンが負荷圧力の流体力学的なフィードバックを行う場合、副調整チェーンの構成が簡略化される。このような流体力学的なフィードバックは、変位ポンプ内で行うことができる。

副調整チェーンが負荷圧力の電子的なフィードバックを行う構成でも、エレクトロハイドロリック制御装置の簡単かつ低コストの構成を実現することができる。電子的に検出された負荷圧力信号は、主制御回路にも副調整チェーンにも同様に、瞬時値信号として使用することができる。

以下で、図面に示された実施例を参照して本発明と本発明の利点とを詳細に説明する。

変位ポンプと可変回転数の電気的駆動装置と圧力切換制御器とを有するエレクトロハイドロリック制御装置と、液圧負荷とともに示す、液圧軸の簡単な回路図である。 図１のエレクトロハイドロリック制御装置における圧力特性経過の一例と、変位ポンプにおいて調整される旋回角度とを示す図である。 流体力学的な圧力検出を行う液圧制御器によって変位ポンプの旋回角度が制御される、図１に示されたエレクトロハイドロリック制御装置の変形を示す図である。 電子的な圧力検出を行うエレクトロハイドロリック制御器によって変位ポンプの旋回角度が制御される、図１に示されたエレクトロハイドロリック制御装置の別の変形を示す図である。

図１には、電動液圧軸の回路図が簡略的に示されている。電動液圧軸は、たとえば射出成形機、プレス、ニブリング加工機等の機器部品を運動させるためのハイドロリックモータを有する。同図中の実施例では、ハイドロリックモータはピストン‐シリンダユニット２として構成されている。ピストン‐シリンダユニット２は、制御回路に組み込まれている。制御される調整量は、位置、速度および／または力とすることができる。ピストン‐シリンダユニット２は、圧力手段を有するエレクトロハイドロリック制御装置１によって駆動制御される。この圧力手段は、以下では流体とも称する。エレクトロハイドロリック制御装置１の構成部分は、容量（Schoepfvolumen）に関して旋回可能な変位ポンプ１０と、ブラシレスモータ１２と、該モータ１２を可変周波数の交流電流によって駆動するためのモータ制御装置１４とであり、前記モータ１２は有利には回転モータである。モータ制御装置１４はシステム制御器２０の下位に置かれている。システム制御器２０には、距離測定システム６によって検出されたピストン‐シリンダユニット２の位置信号が信号ライン７を介して供給され、圧力センサ１６によって検出された圧力信号が信号ライン１７で供給される。距離測定システム６ないしは圧力センサ１６と、システム制御器２０と、下位のモータ制御装置１４と、電動機１２と、変位ポンプ１０と、ピストン‐シリンダユニット２とが、閉じられた主制御回路を構成する。

さらに、電動液圧軸の運動工程を制御する順序制御部４が設けられている。さらには信号ライン８および９を介して、圧力目標値、速度目標値または位置目標値がシステム制御器２０へ伝送される。順序制御部４はまた、ピストン‐シリンダユニット２の運動方向を決定するための方向弁１８も駆動制御する。

副調整チェーンは、変位ポンプ１０の変位体積を調整するための、該変位ポンプ１０の調整エレメント２３と、調整エレメント２３に接続された圧力切換制御器２２とを有する。圧力切換制御器２２は制御流体管路２３を介して、変位ポンプ１０の出口に存在する流体圧を検出する。最小変位ストッパ２４によって、変位ポンプ１０の最小変位体積が予め決定されている。

エレクトロハイドロリック制御装置１を備えたこのような電動液圧軸は、位置目標値、速度目標値ないしは圧力目標値の設定によって公知のように駆動制御することができる。主制御回路の直接的な調整量は、電動機１２の回転数である。吐出流制御、圧力制御または交番的な圧力／吐出流制御の枠内で、ピストン‐シリンダユニット２を所定の目標値に応じて動かすことができる。こうするためには、システム制御器２０が下位のモータ制御装置１４を介して電動機１２を調整する。その際には、このモータ制御装置１４は電気的駆動装置の回転数を調整するための回転数調整エレメントとして機能する。

このような副調整チェーンによって、電動機１２の回転数に依存せずに、上記の主制御回路に対して並列に、変位ポンプ１０の変位体積が制御される。圧力切換制御器２２において、変位ポンプ１０の変位体積を最大値と最小変位ストッパ２４によって予め決定された最小値とに切り換える圧力閾値Ｐ_Ｓが設定されている。このようにして、変位ポンプ１０の流出圧に依存して変位ポンプ１０は、調整エレメント２３の２つの限界位置のうち一方の位置をとる。すなわち、圧力が圧力閾値Ｐ_Ｓを下回る最大位置と、圧力が圧力閾値Ｐ_Ｓを上回るストッパ２４における最小位置とのうち一方の位置をとる。圧力切換制御器２２はこの実施例では、２点制御器として表すことができる。２つより多くの切換状態を有する圧力切換制御器を使用することが望ましい場合もある。

図２に、変位ポンプ１０の出口における圧力の特性経過の一例に基づいて、調整エレメント２３の関連の調整が示されている。第１の時間領域Ｔ_０〜Ｔ_１では、圧力は圧力閾値Ｐ_Ｓを下回る。それゆえ、変位ポンプ１０は最大変位体積に調整される。この時点Ｔ_１から、出口圧は圧力閾値Ｐ_Ｓを上回る。それゆえ、圧力切換制御器２２によって、調整エレメント２３が最小変位ストッパ２４へ変位される。負荷２に作用する有効圧力、また、時点Ｔ_１の後に生じる圧力Ｐ_１も、主制御回路によって、圧力センサ１６によるフィードバックとモータ回転数の調整とによって制御される。時点Ｔ_１の前後にポンプ１０の変位体積の減少によって発生する制御ループの影響は、モータ回転数を上昇することによって‐たとえば妨害量のように‐補償制御される。

主制御回路と副調整チェーンとが相互に十分に依存せずにないしは独立して共通の制御区間に影響する上記の制御により、主制御区間をエネルギー効率と雑音最適化と最大トルクの低減とに関して修正することができる。たとえば圧力Ｐ_１を圧力Ｐ_Ｓより高く保持しなければならない場合に圧力閾値Ｐ_Ｓを上回った場合、電動機１２によって出力すべき最大トルクは、変位ポンプ１０の変位体積の低減によって格段に低減される。たとえば時間区分Ｔ_０〜Ｔ_１において低圧で急速運転が行われる場合、ピストン‐シリンダユニット２を低回転数で低音量かつ省エネルギーで運転させるために、変位ポンプ１０の完全な変位体積を使用することができる。主制御回路の制御構造と、とりわけシステム制御器２０は、従来の圧力制御器、吐出流制御器または位置制御器、ないしは組み合わされた圧力／吐出流制御に相応することができる。副調整チェーンによって発生する制御区間の影響、すなわち圧力切換制御器２２と調整エレメント２３とによって発生する制御区間の影響は妨害のように作用し、システム制御器２０によって簡単に補償される。この制御区間の影響の補償はとりわけ、主制御回路の影響を副調整チェーンが、該主制御回路と比較して低周波の妨害と見なすことができることから可能である。

図３に、本発明の第２の実施例にしたがって、図１に示された電動液圧軸ないしはエレクトロハイドロリック制御装置１の変形が示されている。以下ではとりわけ、上記の実施例による制御装置１との相違点を挙げる。

この第２の実施例によるエレクトロハイドロリック制御装置１には、圧力切換制御器２２の代わりに、比例変位可能な流体力学的制御器３０が設けられている。この流体力学的制御器３０は、制御ポンプ１０の調整エレメント２３の駆動制御を行う。流体力学的ポンプ制御器３０は制御流体管路２１を介して変位ポンプ１０の出口圧を検出し、該変位ポンプ１０の調整エレメント２３を、信号ライン８で供給された圧力目標値に応じて圧力制御の枠内で駆動制御する。

システム制御器は位置制御器３２または速度制御器３２として構成されている。すなわち主制御回路は、位置制御器または速度制御器３２の他に、下位のモータ制御装置１４と、電動機１２と、変位ポンプ１０と、ピストン‐シリンダユニット２と、距離測定システム６と信号ライン７とを有する。位置目標値または速度目標値が、信号ライン９を介して制御器３２に供給される。

ピストン‐シリンダユニット２に存在する圧力は、電動機１２の回転数に十分に依存しないで、流体力学的ポンプ制御器３０によって制御または制限することができる。圧力目標値に達しない場合、ポンプ制御器３０は調整エレメント２３を最大値に保持し、ピストン‐シリンダユニット２の速度制御ないしは位置制御は、主制御回路の速度制御器／位置制御器３２を介して行われる。

圧力保持モードで消費エネルギーを低減するためには、圧力制御の応答時に、たとえば、圧力の制御誤差信号が所定の限界値を下回った場合に、電動機１２の回転数を所定の低い値に調整することができる。このことは、たとえばモータ制御装置１４に制御器３２の出力信号の代わりに固定的な速度を供給することによって、回路技術的に簡単に行うことができる。適切な速度を設定することによって、エネルギー削減の他に、最小トルクを出力するのに必要な所定の回転数を電動機１２が下回ることを回避することもできる。

図３に示された回路により、関与する制御器３０および３２が十分に独立して機能する交番的な圧力／速度制御が簡単に実現される。電子的な圧力検出は必要ない。全体的に観察すると、圧力目標値設定ないしは速度目標値設定はそれぞれ、所属の調整量の上限値として作用する。

図４に、図１に示された回路の別の変形が示されている。同図に示された、ピストン‐シリンダユニット２を駆動制御するためのエレクトロハイドロリック制御装置１は、図３に示されたエレクトロハイドロリック制御装置１と僅かに異なるだけであり、変位ポンプ１０の出口圧を流体力学的に検出する代わりに、電気的な圧力センサ１６が設けられている。信号ライン４７を介して、検出された圧力は電子的ポンプ制御器４０へ供給される。電子的ポンプ制御器４０は信号ライン８で圧力目標値を受け取る。

図４のエレクトロハイドロリック制御装置１の動作は図３のエレクトロハイドロリック制御装置１の動作に相応し、図４のエレクトロハイドロリック制御装置が図３のエレクトロハイドロリック制御装置と異なる点は、流体圧のフィードバックが流体力学的に行われるのではなく電子的に行われることである。このことによって、たとえば多面的にパラメータ化可能なデジタル制御器を使用することができる。さらに、速度制御器／位置制御器３２と、モータ制御装置１４‐少なくとも、該モータ制御装置１４の制御論理回路‐と、電子的ポンプ制御器４０とを、１つのマイクロコントローラに一緒に集積することも考えられる。

また、エレクトロハイドロリック制御装置１は、たとえばピストン‐シリンダユニット２等のリニアモータの駆動制御にのみ限定されることはないことも留意されたい。ピストン‐シリンダユニット２の代わりに回転モータを使用することもできる。回転モータの位置は有利には、回転角測定システムを介して検出され、システム制御器２０ないしは速度制御器／位置制御器３２に供給される。

本発明では、エレクトロハイドロリック制御装置であって、該エレクトロハイドロリック制御装置によって駆動制御される液圧負荷を有するエレクトロハイドロリック制御装置により、主制御回路が提供される。付加的に副調整チェーンが制御区間に作用することにより、雑音低減、エネルギー消費および最大トルクの低減に関して最適化が行われるようにする。副調整チェーンは、たとえば所定の圧力閾値に応じて、十分に独立して制御区間に作用することができる。主制御回路はこの作用を、妨害量補償の枠内で、上記の特性を改善しながら補償する。副調整チェーンはまた、圧力比例制御の枠内で、液圧負荷に存在する圧力を制限して制御するために必要な要件をすべて満たした圧力回路として構成することもできる。

１ エレクトロハイドロリック制御装置
２ ピストンシリンダユニット
４ 順序制御部
６ 距離測定システム
７ 信号ライン
８ 信号ライン
９ 信号ライン
１０ 変位ポンプ
１２ 電動機
１４ モータ制御装置
１６ 圧力センサ
１７ 信号ライン
１７ 方向弁
２０ システム制御器
２１ 制御流体管路
２２ 圧力切換制御器
２３ 変位体積調整エレメント
２４ 最小吐出当接部
３０ 流体力学的ポンプ制御器
３２ 速度制御器／位置制御器
４０ 電子的ポンプ制御器
４７ 信号ライン
Ｐ_Ｓ 圧力閾値
Ｐ_１ 圧力目標値

Claims (9)

1. 液圧負荷（２）を駆動制御するためのエレクトロハイドロリック制御装置であって、
   変位体積が調整可能である流体ポンプ（１０）と、
   前記流体ポンプを駆動するために該流体ポンプに結合された、可変回転数の電気的駆動装置（１２，１４）と、
   流体圧を検出するための圧力検出装置（１６，２１）
   とを有するエレクトロハイドロリック制御装置において、
   前記流体圧および／または後置された調整量を検出および制御するための主制御回路（２０，１４，１２，１０，２，６，７；３２）が設けられており、
   前記主制御回路（２０，１４，１２，１０，２，６，７；３２）の調整エレメントは、前記電気的駆動装置（１２，１４）の回転数調整エレメント（１４）であり、
   副調整チェーン（２２；３０；４０）によって、前記流体ポンプ（１０）の変位体積調整エレメント（２３）が、検出された前記流体圧に依存して駆動制御されるように構成されていることを特徴とする、エレクトロハイドロリック制御装置。
2. 前記変位体積調整エレメント（２３）の変位は前記副調整チェーン（２２）によって、前記主制御回路（２０，１４，１２，１０，２，６，７）による妨害量補償制御の形式に応じて補償されるように構成されている、請求項１記載のエレクトロハイドロリック制御装置。
3. 前記主制御回路（２０，１４，１２，１０，２，６，７）によって、前記液圧負荷（２）の交番的な圧力／速度制御が実施されるように構成されている、請求項２記載のエレクトロハイドロリック制御装置。
4. 前記副調整チェーン（３０；４０）は所属の圧力目標値に応じて、圧力制御のために前記変位体積調整エレメント（２３）を調整し、前記液圧負荷（２）を交番的な圧力／速度制御するように前記主制御回路（３２）と副調整チェーン（３０，４０）とが共働するように構成されている、請求項１記載のエレクトロハイドロリック制御装置。
5. 圧力制限モードでは、前記回転数調整エレメント（１４）に所定の低減された回転数値が供給され、
   速度制限モードでは、前記変位体積調整エレメント（２３）は最大値に設定される、請求項４記載のエレクトロハイドロリック制御装置。
6. 前記副調整チェーン（２２）は圧力切換制御器を有し、とりわけ、前記流体ポンプ（１０）の変位体積を所定の圧力値（Ｐ_Ｓ）に依存して所定の最小値と最大値とに切り換えるための２点制御器を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載のエレクトロハイドロリック制御装置。
7. 前記副調整チェーン（３０；４０）は、前記変位体積調整エレメント（２３）を所定の圧力目標値に依存して比例的に駆動制御する圧力制御器を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載のエレクトロハイドロリック制御装置。
8. 前記副調整チェーン（３０）は、前記液圧負荷の圧力の流体力学的フィードバック部（２１）を有する、請求項６または７記載のエレクトロハイドロリック制御装置。
9. 前記副調整チェーン（４０）は、前記液圧負荷の圧力の電子的フィードバック部（２１）を有する、請求項６または７記載のエレクトロハイドロリック制御装置。

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