JP2011038558A - Electric fluid pressure actuator device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体圧アクチュエータに、可変容量形の流体圧ポンプ及びサーボモータを一体化した構造を備える電動流体圧アクチュエータ装置に関する。 The present invention relates to an electric fluid pressure actuator device having a structure in which a variable displacement fluid pressure pump and a servo motor are integrated with a fluid pressure actuator.
例えば運輸機器やプレス装置等に用いられるアクチュエータとして、近年では、従来の油圧式のものに代えて、流体圧シリンダ、流体圧ポンプ及びサーボモータを備えるEHA(Electro Hydrostatic Actuator)と略称される電動流体圧アクチュエータ装置が供されてきている。このEHAは、長い油圧配管が不要となると共に、全体が小型,軽量になり、またメンテナンス性も良い等のメリットがある。 For example, as an actuator used in, for example, transportation equipment and a press device, in recent years, an electric fluid abbreviated as EHA (Electro Hydrostatic Actuator) including a fluid pressure cylinder, a fluid pressure pump, and a servo motor instead of the conventional hydraulic type. Pressure actuator devices have been provided. This EHA has advantages such that a long hydraulic pipe is not required, the whole is small and light, and maintenance is good.
図7(a)は、この種のEHAの基本構成(第1の従来例)を示している。即ち、油圧シリンダ1は、ピストン2によって左室1a及び右室1bの二室に区切られ、両方向からの作動油の吐出、吸入が可能な油圧ポンプ3の2つの出入口が、それら左室1a及び右室1bに夫々接続されている。油圧ポンプ3を駆動するモータ4は、制御器5によって、回転数N、回転方向等が制御される。前記制御器5には、位置指令信号Ecomが入力されると共に、前記ピストン2(ピストンロッド2a)の位置を検出する位置センサ6からのフィードバック信号Expが入力される。
FIG. 7A shows the basic configuration (first conventional example) of this type of EHA. That is, the
これにて、制御器5は、位置指令信号Ecomとフィードバック信号Expとの差に応じた指令を出力し、モータ4は、その指令に応じた回転数Nmで回転し、ポンプ3が、qth(1回転当りの吐出容量)×Nmの流量Qを生ずる。図7(a)の矢印方向に流量Qが発生した場合には、シリンダ1の左室1aに作動油が流入し、ピストン2は矢印Xp方向に移動する。このとき、右室1bの容積減少分の作動油がポンプ3に吸入される。位置指令信号Ecomとフィードバック信号Expとが一致した状態で、モータ4への指令は0となり、位置制御ループが構成される。
Thus, the
また、このときの時間経過に伴う、位置指令Ecom、ピストン2の変位Xp、モータ4の回転数Nの挙動は、図8に示す通りとなる。尚、図7(a)では、位置センサ6をピストン2と同軸配置した場合を例示したが、その他にも、図7(b)に示すように、位置センサ6´をピストン2と並列配置する場合もあり得る。
Further, the behavior of the position command Ecom, the displacement Xp of the
ところで、上記EHAの構成において、ピストン2に白抜き矢印の方向の外力(外部負荷)Fが作用した場合には、シリンダ1の左室1a内の圧力P1と右室1b内の圧力P2との間に、P1>P2となる圧力の差ΔPが生じなければ、ピストン2の位置Xpを指令位置に保持することができない。このときの差圧力ΔPは、ピストン2の受圧面積をAcyとすると、Acy×(P1−P2)=Fを満たす値になる必要がある。油圧系に漏れのない理想的な状態では、差圧力ΔPは、ポンプ3が、qth×(P1−P2)=Tpというトルクで作動油を押し出し続けることで維持される。このトルクTpを発生し続けるためには、ポンプ3の吐出流量をゼロとしたまま、モータ4のコイルに電流を流し続ける必要がある。そのため、ピストン2の位置を保持するための電力消費が比較的大きくなる問題点があった。
By the way, in the configuration of the EHA, when an external force (external load) F in the direction of the white arrow acts on the
そこで、上記不具合を解決するために、例えば特許文献1では、EHAに圧力補償機構を設けることが提案されている(第2の従来例)。この圧力補償機構は、図9に示すように、上記ポンプ3に代えて、斜板制御機構によって斜板の傾斜角を変更することにより吐出量の変更が可能な、周知の斜板式の可変容量形ポンプ8を採用すると共に、シリンダ1の左室1a内の圧力P1と右室1b内の圧力P2とのうち高い方の圧力を斜板制御機構に導くシャトル弁9を設けて構成される。
In order to solve the above problem, for example,
このとき、図10に示すように、差圧力ΔP(圧力P1と圧力P2との差)がPc以上となったときに、圧力補償機構が作動してポンプ8の吐出容量が小さくなる。これにより、モータ4が発生しなければならないトルク、ひいては電流が小さくなるため、消費電力を抑えることができる。尚、実際には、ポンプ8における作動油の漏れが生ずるため、タンク(アキュムレータ)及び第2のシャトル弁を設けて、油圧系に作動油を補給する必要がある。
At this time, as shown in FIG. 10, when the differential pressure ΔP (difference between the pressure P1 and the pressure P2) becomes equal to or greater than Pc, the pressure compensation mechanism is activated and the discharge capacity of the
しかしながら、上記のような圧力補償機構を設けたEHAでは、次のような不具合の発生が予測される。即ち、図9に示した圧力補償機構を設けたEHAにおいては、時間経過に伴う、位置指令Ecom、ピストン2の変位Xp、モータ4の回転数N、斜板角αの挙動が、図11に示すようになる。今、ピストン2に対し外力Fが作用し,差圧力ΔPがPcを越えた場合(時刻t1)には、斜板角αが小さくなってモータ4の負荷トルクを減少させる。このとき、モータ4のT・N特性は、図12に示す通りであり、負荷トルクTが小さくなるに従って、モータ4の回転数Nは上昇する。
However, in the EHA provided with the pressure compensation mechanism as described above, the following problems are expected to occur. That is, in the EHA provided with the pressure compensation mechanism shown in FIG. 9, the behavior of the position command Ecom, the displacement Xp of the
この場合、差圧力ΔPがP0に近くなるような大きな外力Fが作用した場合、ポンプ8の吐出量がゼロに近付くため、ピストン2の位置を保持するためにポンプ8の漏れを補償しようとして、モータ4の回転数Nが最高回転数まで上昇することになる。その結果、ポンプ8の容量が小さくなるため、モータ4の必要トルクつまり必要電流は小さくなるが、モータ4の鉄損が大きくなり、ひいては、モータ4の発熱により、巻線の絶縁被覆がダメージを受ける等の問題が発生する。
In this case, when a large external force F is applied such that the differential pressure ΔP is close to P0, the discharge amount of the
また、このようなモータ4の鉄損の問題を解決するためには、斜板角αを制限する(最小の斜板角αまで角度変更させない)ことが考えられる。これによれば、モータ4にある程度の負荷トルクがかかるようになること、及び、ポンプ8の漏れを補償するためのモータ4の必要回転数が小さくて済むことから、モータ4の回転数Nが最大値まで上昇することがなくなり、鉄損を抑制することができる。ところが、この方法では、モータ4の負荷トルクの減少に制限がかかるため、その分だけモータ4の消費電力が大きくなってしまう。これと共に、本来の圧力補償機能が働かなくなるため、システムの上限圧力を制御する(余分な作動油を逃がす)ためのリリーフ弁を追加する必要があり、構成の複雑化や無駄なエネルギの消費を招いてしまう。
In order to solve the problem of the iron loss of the
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、出力部の位置を保持するためのモータの電力消費を小さく抑えるという圧力補償機構の本来の機能を制限なしに利用することができながらも、構成の複雑化等を伴うことなく、モータの鉄損を抑制することができる電動流体圧アクチュエータ装置を提供するにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to use without limitation the original function of the pressure compensation mechanism for minimizing the power consumption of the motor for maintaining the position of the output unit. However, it is an object of the present invention to provide an electric fluid pressure actuator device that can suppress the iron loss of the motor without complicating the configuration.
上記目的を達成するために、本発明の電動流体圧アクチュエータ装置は、往復直線運動又は回転運動を行う出力部を有した流体圧アクチュエータと、この流体圧アクチュエータとの間で閉じた流路を形成する可変容量形の流体圧ポンプと、この流体圧ポンプを駆動するサーボモータと、前記流体圧アクチュエータの出力部の位置を検出する位置センサと、この位置センサの検出に基づいて前記流体圧アクチュエータの出力部を目標位置に移動させると共にその位置を保持するように前記サーボモータを制御する制御装置とを備えたものにおいて、前記流体圧ポンプの吐出側と吸入側との間の差圧力が設定値Pc以上となったときに、その差圧力の大きさに応じて前記流体圧ポンプの容量を低下させる圧力補償機構を設けると共に、前記流体圧アクチュエータの出力部が目標位置近傍に位置しているときには、前記サーボモータの回転数を所定値以下に制限する制限手段を設けたところに特徴を有する。 In order to achieve the above object, an electric fluid pressure actuator device of the present invention forms a closed flow path between a fluid pressure actuator having an output part that performs reciprocating linear motion or rotational motion, and the fluid pressure actuator. A variable displacement fluid pressure pump, a servo motor for driving the fluid pressure pump, a position sensor for detecting the position of the output portion of the fluid pressure actuator, and the fluid pressure actuator based on the detection of the position sensor. And a control device that controls the servo motor so as to move the output unit to a target position and maintain the position, the differential pressure between the discharge side and the suction side of the fluid pressure pump is a set value. A pressure compensation mechanism is provided for reducing the capacity of the fluid pressure pump according to the magnitude of the differential pressure when the pressure exceeds Pc, and the fluid pressure When the output unit of the actuator is positioned near the target position is characterized at which a limit means for limiting the rotational speed of the servo motor to a predetermined value or less.
上記構成によれば、制御装置により、流体圧ポンプを駆動するサーボモータを制御することで流体圧アクチュエータの出力部を任意の位置に移動させ、その位置を保持することできる。そして、流体圧アクチュエータの出力部が外力を受けて流体圧ポンプの吐出側と吸入側との間の圧力の差が設定値Pc以上となったときには、圧力補償機構により、可変容量形の流体圧ポンプの吐出量が低下されるので、サーボモータの電流が小さくなり、消費電力を抑えることができる。 According to the said structure, the output part of a fluid pressure actuator can be moved to arbitrary positions by controlling the servomotor which drives a fluid pressure pump with a control apparatus, The position can be hold | maintained. When the output portion of the fluid pressure actuator receives an external force and the pressure difference between the discharge side and the suction side of the fluid pressure pump becomes equal to or larger than the set value Pc, the pressure compensation mechanism causes the variable displacement type fluid pressure. Since the discharge amount of the pump is reduced, the current of the servo motor is reduced and the power consumption can be suppressed.
ここで、圧力補償機構により流体圧ポンプの吐出容量が低下されると、サーボモータの負荷トルクが減少するが、本発明においては、流体圧アクチュエータの出力部が目標位置近傍に位置しているときには、制限手段により、サーボモータの回転数が所定値以下に制限されるようになる。この場合、一般的な制御系では、図8に示したように、出力部(ピストン)が目標位置に達すると、サーボモータの回転数はゼロになる。つまり、目標位置近傍では、サーボモータの回転数が小さくなるから、目標位置近傍でサーボモータの回転数を小さい値に制限しても、何ら実害はない。 Here, when the discharge capacity of the fluid pressure pump is reduced by the pressure compensation mechanism, the load torque of the servo motor is reduced. However, in the present invention, when the output portion of the fluid pressure actuator is located in the vicinity of the target position. The limiting means limits the rotational speed of the servo motor to a predetermined value or less. In this case, in a general control system, as shown in FIG. 8, when the output unit (piston) reaches the target position, the rotation speed of the servo motor becomes zero. That is, since the rotation speed of the servo motor is reduced near the target position, there is no real harm even if the rotation speed of the servo motor is limited to a small value near the target position.
そして、サーボモータの回転数が低くなって、流体圧ポンプの吐出量がシステムの要求する流量よりも小さい場合には、システム圧力が下がるため、圧力補償機構の本来の機能によって、流体圧ポンプの吐出量が大きくなって流体の供給流量を増やし、以て、必要な圧力が維持される。この圧力補償機構は出力部の位置制御を行うものではないが、外力に対して出力部の力が不足して出力部の位置が目標位置と違ってくる(目標位置近傍の範囲から外れる)と、制御装置の制御によって、サーボモータが回転して出力部の位置が維持されるようになる。制御装置に新たな目標位置の位置指令が入れば、出力部の現在位置が目標位置近傍ではなくなるため、サーボモータの回転数の制限が外され、通常の制御に復帰できることは勿論である。 And when the rotation speed of the servo motor becomes low and the discharge amount of the fluid pressure pump is smaller than the flow rate required by the system, the system pressure decreases. The discharge amount is increased and the supply flow rate of the fluid is increased, so that the necessary pressure is maintained. This pressure compensation mechanism does not control the position of the output part, but if the output part is insufficient with respect to the external force and the position of the output part differs from the target position (out of the range near the target position). By the control of the control device, the servo motor rotates and the position of the output unit is maintained. If a position command for a new target position is input to the control device, the current position of the output unit is no longer in the vicinity of the target position, so that the restriction on the number of rotations of the servo motor can be removed and the normal control can be restored.
従って、圧力補償機構の本来の機能を制限なしに利用することができながら、負荷トルクの減少に伴ってサーボモータの回転数が最大値まで上昇することを未然に防止することができ、サーボモータの鉄損の問題を解決することができる。しかも、リリーフ弁の追加等の構成の複雑化を招くこともない。 Therefore, while the original function of the pressure compensation mechanism can be used without limitation, it is possible to prevent the rotation speed of the servo motor from increasing to the maximum value as the load torque decreases. Can solve the problem of iron loss. In addition, the configuration such as the addition of a relief valve is not complicated.
尚、本発明における「流体圧アクチュエータ」には、流体圧(油圧、空気圧)シリンダ、及び、流体圧(油圧、空気圧)モータを含んでおり、更には揺動形のアクチュエータも含んでいる。流体圧シリンダの場合、往復直線移動するピストン(ピストンロッド)が出力部となり、流体圧モータの場合、回転運動する出力軸が出力部となる。また、本発明における、出力部の「目標位置近傍」とは、位置指令の入力時点の出力部の位置から、目標位置まで移動するにあたり、移動距離全体の例えば95%以上に達したら近傍に至ったとすることができる。制御対象や仕様に応じて、その数値を任意に設定、調整することができる。 The “fluid pressure actuator” in the present invention includes a fluid pressure (hydraulic pressure, air pressure) cylinder and a fluid pressure (hydraulic pressure, air pressure) motor, and further includes a swing type actuator. In the case of a fluid pressure cylinder, a piston (piston rod) that reciprocates linearly serves as an output unit, and in the case of a fluid pressure motor, an output shaft that rotates and serves as an output unit. Further, in the present invention, the “near target position” of the output unit refers to the vicinity when, for example, 95% or more of the entire moving distance is reached from the position of the output unit at the time of input of the position command to the target position. Can be. The numerical value can be arbitrarily set and adjusted according to the control target and specifications.
そして、サーボモータの回転数を所定値以下に制限する際の、制限回転数についても、例えば、サーボモータの最大回転数に対し、例えば、1%以上、50%以下の範囲内で、所定の回転数に決めることができる。このときの制限回転数を決定するにあたっては、システムの作動液の漏れ量、作動特性などの要求条件と、流体圧ポンプの容量とにより、勘案することができる。 The limit number of rotations when limiting the number of rotations of the servo motor to a predetermined value or less is, for example, within a range of 1% to 50% with respect to the maximum number of rotations of the servo motor. The number of rotations can be determined. In determining the rotational speed limit at this time, it is possible to take into consideration the required conditions such as the amount of operating fluid leakage and operating characteristics of the system, and the capacity of the fluid pressure pump.
より具体的には、流体圧ポンプに斜板式の可変容量形ポンプを採用した場合、制限回転数は、最大出力で出力部の位置が一定に維持される状態で、制限回転数でのモータ損失と、そのときの安定斜板角でポンプが消費する動力のための電力消費との合計が、極力少なく収まるように決定することができる。制限回転数が低すぎると、斜板角が大きい位置で安定して、動力のための電力消費が大きくなる。一方、制限回転数が高すぎると、斜板角は小さい位置で安定し、動力の消費する電力が小さくなるが、モータの鉄損等の消費電力が大きくなる。 More specifically, when a swash plate type variable displacement pump is used as the fluid pressure pump, the motor speed at the motor speed at the speed limit is that the speed limit is the maximum output and the position of the output section is maintained constant. And the power consumption for the power consumed by the pump at the stable swash plate angle at that time can be determined so as to be as small as possible. If the rotational speed limit is too low, the swash plate angle is stable at a large position, and power consumption for power increases. On the other hand, if the rotational speed limit is too high, the swash plate angle is stable at a small position and the power consumed by the power is reduced, but the power consumption such as iron loss of the motor is increased.
本発明の電動流体圧アクチュエータ装置によれば、流体圧ポンプの吐出側と吸入側との間の差圧力が設定値Pc以上となったときに、その差圧力の大きさに応じて流体圧ポンプの容量を低下させる圧力補償機構を設けると共に、流体圧アクチュエータの出力部が目標位置近傍に位置しているときには、サーボモータの回転数を所定値以下に制限する制限手段を設けたので、出力部の位置を保持するためのモータの電力消費を小さく抑えるという圧力補償機構の本来の機能を制限なしに利用することができながらも、構成の複雑化等を伴うことなく、モータの鉄損を抑制することができるという優れた効果を奏する。 According to the electric fluid pressure actuator device of the present invention, when the differential pressure between the discharge side and the suction side of the fluid pressure pump becomes equal to or larger than the set value Pc, the fluid pressure pump is selected according to the magnitude of the differential pressure. A pressure compensation mechanism is provided to reduce the capacity of the fluid pressure actuator, and when the output part of the fluid pressure actuator is located in the vicinity of the target position, a limiting means for limiting the rotation speed of the servo motor to a predetermined value or less is provided. While maintaining the original function of the pressure compensation mechanism that keeps the motor power consumption to maintain the position of the motor in an unrestricted manner, it suppresses motor iron loss without complicating the configuration. There is an excellent effect of being able to.
以下、本発明を油圧式のシリンダを備えた電動流体圧アクチュエータ装置に適用した第1の実施例について、図1ないし図4を参照しながら説明する。図1は、本実施例に係る電動流体圧(油圧)アクチュエータ11(以下、EHA11と略称する)のシステムの構成を示しており、まず、このEHA11の全体構成について述べる。
Hereinafter, a first embodiment in which the present invention is applied to an electric fluid pressure actuator apparatus having a hydraulic cylinder will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows the system configuration of an electric fluid pressure (hydraulic) actuator 11 (hereinafter abbreviated as EHA 11) according to this embodiment. First, the overall configuration of the
EHA11は、流体圧アクチュエータとしての流体圧(油圧)シリンダ12、このシリンダ12との間で閉じた流路を形成する可変容量形の流体圧(油圧)ポンプ13、このポンプ13を駆動するサーボモータ14を備えている。前記シリンダ12は、図で左右方向に往復直線移動可能な出力部としてのピストン15を有し、該ピストン15によって、内部が第1室(左室)12aと第2室(右室)12bとに区画されている。前記ピストン15は、ピストンロッド15aを有し、該ピストンロッド15aの図で左右方向の移動により負荷を駆動するようになっている。ピストン15(ピストンロッド15a)の位置は、位置センサ16により検出されるようになっている。
The
前記ポンプ13は、例えば、周知の斜板式の可変容量形ピストンポンプからなり、第1の出入口13a及び第2の出入口13bを有し、両方向からの作動油の吐出、吸入が可能とされている。このとき、図示はしないが、通常時においては、斜板角αが最大角度とされ、単位時間当りの吐出容量qthが比較的大きくされているが、後述する圧力補償機構により、斜板角αが小さく変更されると、それに応じて吐出容量qthも小さくなるように構成されている。
The
このポンプ13の第1の出入口13aは、第1配管17を介して前記シリンダ12の第1室12aに接続され、第2の出入口13bは、第2配管18を介して前記シリンダ12の第2室12bに接続されている。前記ポンプ13を駆動するサーボモータ14は、CPUを含んで構成される制御装置19によって、回転数Nや、回転方向等が制御される。尚、このサーボモータ14の最大回転数は、例えば6000rpmとされている。
The first inlet /
前記制御装置19には、位置指令信号Ecomが入力されると共に、前記位置センサ16からのフィードバック信号(位置検出信号)Expが入力される。制御装置19は、位置指令信号Ecomとフィードバック信号Expとの差に応じた指令をサーボモータ14に出力する。サーボモータ14は、その指令に応じた回転数Nmで回転し、以て、ポンプ13が、qth(1回転当りの吐出容量)×Nmの流量Qを生ずる。
The
例えば図1の矢印方向に流量Qが発生した場合には、シリンダ12の第1室12aに作動油が流入(第2室12bからは流出)し、ピストン15は矢印Xp方向に移動する。このとき、シリンダ12の第2室12bの容積減少分の作動油がポンプ13に吸入される。ピストン15が目標位置に移動し、位置指令信号Ecomとフィードバック信号Expとが一致した状態で、モータ14への指令は0となり、位置制御ループが構成される。
For example, when the flow rate Q is generated in the direction of the arrow in FIG. 1, the hydraulic oil flows into the
また、ピストン15に白抜き矢印の方向の外力(外部負荷)Fが作用した場合、シリンダ12の第1室12a内の圧力P1と、第2室12b内の圧力P2との間に、P1>P2の差圧力ΔPが生じなければ、ピストン15の位置Xpを目標位置に保持することができない。このときの差圧力ΔPは、ピストン15の受圧面積をAcyとすると、Acy×(P1−P2)=Fを満たす値となる。この差圧力ΔPは、ポンプ13が、qth×(P1−P2)=Tpというトルクで作動油を押し出し続けることで維持される。このトルクTpを発生し続けるためには、ポンプ13の吐出流量をゼロとしたまま(実際にはシステムの漏れの分だけ吐出流量が発生する)、モータ14のコイルに電流を流し続ける必要があり、電力消費が大きくなってしまう。
In addition, when an external force (external load) F in the direction of the white arrow acts on the
そこで、本実施例のEHA11には、ポンプ13の吐出側と吸入側との圧力の差(圧力P1とP2との差圧力ΔP)が、設定値Pc(図4参照)以上となったときに、その差圧力ΔPの大きさに応じて前記ポンプ13の容量を低下させる圧力補償機構20が設けられる。この場合、圧力補償機構20は、図1に示すように、ポンプ13の斜板角αを変更するための斜板制御ピストン21、この斜板制御ピストン21のピストン室21aの圧力を制御するための斜板制御弁22、前記第1配管17(圧力P1)及び第2配管18(圧力P2)のうち高い方の圧力を前記斜板制御弁22に選択的に取込むための第1のシャトル弁23を備えて構成される。
Therefore, in the
さらに、このEHA11には、図1に示すように、ポンプ13とシリンダ12との間の閉じた油圧系において、漏れによって失われた作動油を補充するために、加圧タンク(アキュムレータ)24及び第2のシャトル弁25が設けられる。第2のシャトル弁25は、第1配管17と第2配管18との間に前記第1のシャトル弁23と並列に設けられ、圧力P1及び圧力P2のうち低い方の圧力を選択して、加圧タンク24から油圧系に作動油を供給するように構成されている。また、加圧タンク24は、ポンプ13のケーシングにもつながっている。
Further, as shown in FIG. 1, the
前記圧力補償機構20においては、圧力P1及び圧力P2の差圧力ΔPが、設定差圧力Pcよりも低い場合には、斜板制御弁22の弁体22aが閉じており、図示のように、斜板制御ピストン21のピストン室21aが加圧タンク24につながっている。この状態では、斜板制御ピストン21のばねによって、ポンプ13の斜板角αが最大に維持され、ポンプ13の吐出量Qも最大となる。このときの差圧力ΔPとポンプ13の吐出量Qとの関係は、図4に示す通りであり、差圧力ΔPが設定値Pcに至るまでは、吐出量Qが最大値(一定値)となる。圧力補償機構20は、差圧力ΔPが設定値Pc以上になると、P0に向けて、吐出量Qが次第に低下するように設定されている。
In the
なお、図1では、斜板制御弁22にかかる差圧力が、圧力P1,P2の高い方の圧力と、アキュムレータ24系の油路の圧力との差となっており、P1及びP2の差圧力とはなっていない。実際には、シャトル弁25により圧力P1,P2の低い方の圧力と、アキュムレータ24系の油路の圧力とは一致するため、斜板制御弁22にかかる差圧力は、P1及びP2の差圧力と一致する。
In FIG. 1, the differential pressure applied to the swash
差圧力ΔPが設定差圧力Pcに達すると、斜板制御弁22の弁体22aがばね力に抗して図で右方に変位し、その差圧力が斜板制御ピストン21のピストン室21aに導入され、斜板制御ピストン21が押下げられて斜板角αが小さくなる。これにより、ポンプ13の吐出容量が小さくなる。ポンプ容量が小さくなりすぎて吐出量Qがシステム必要流量を下回ると、斜板制御弁22の弁体22aがばね力により戻され、ポンプ13の斜板角αが大きくなる。このようにして、差圧力ΔPがPcとP0との間にあるときには、図4に示すように、漏れを含むシステム流量と、ポンプ13の吐出量とが釣り合う状態となる。尚、図4のPc−P0間の流量減少の傾きは、斜板制御系の設計により、必要に応じて、シャープにも緩やかにも設定することができる。
When the differential pressure ΔP reaches the set differential pressure Pc, the
さて、本実施例では、次の作用説明(フローチャート説明)でも述べるように、制御装置19は、そのソフトウエア的構成により、サーボモータ14を制御するにあたって、前記位置センサ16の検出に基づき、シリンダ12のピストン15が目標位置近傍に位置しているときには、前記サーボモータ14の回転数Nを、予め決められた所定値以下に制限するようになっている。従って、制御装置19が制限手段として機能するようになっている。
In the present embodiment, as will be described in the following description of the operation (flowchart description), the
このとき、具体的には、ピストン15の目標位置近傍として、例えば、位置指令の入力時点のピストン15の位置から、目標位置まで移動するにあたり、移動距離全体の95%以上に達した状態で、目標位置近傍に至ったと判断される。
At this time, specifically, in the vicinity of the target position of the
また、サーボモータ14の回転数Nを所定値以下に制限する際の、制限回転数(所定値)については、最大出力でピストン15の位置が一定に維持される状態で、制限回転数でのモータ損失と、そのときの安定斜板角でポンプ13が消費する動力のための電力消費との合計が、極力少なく収まるように決定することができる。より具体的には、サーボモータ14の最大回転数に対し、例えば、1%以上、50%以下の範囲内の、所定の回転数に決めることが望ましい。本実施例では、例えば、サーボモータ14の最大回転数が600rpmであるのに対し、制限回転数が1000rpmとされる。
In addition, when limiting the rotational speed N of the
次に、上記構成の作用について、図2及び図3も参照して述べる。上記構成のEHA11にあっては、制御装置19は、位置指令信号Ecom及びフィードバック信号Expに基づいて、ポンプ13を駆動するサーボモータ14を制御し、シリンダ12のピストン15を任意の目標位置に移動させ、その位置を保持することできる。このとき、次に述べるように、制御装置19は、シリンダ12のピストン15が目標位置近傍(目標位置までの移動距離の95%以上)に位置しているときには、サーボモータ14の回転数を所定値(1000rpm)以下に制限するように制御する。
Next, the operation of the above configuration will be described with reference to FIGS. In the
また、このEHA11では、圧力補償機構20を設けたことにより、シリンダ12のピストン15が外力Fを受けてポンプ13の吐出側と吸入側との間の圧力の差(圧力P1とP2との差圧力ΔP)が設定値Pc以上となったときには、斜板角αが小さくなってポンプ13の吐出量が低下されるので、サーボモータ14の電流を小さくして消費電力を抑えることができる。
Further, in the
図2のフローチャートは、位置指令信号Ecomが入力された際に、制御装置19が実行するサーボモータ14の制御手順を示している。即ち、まずステップS1では、位置指令信号Ecom及びフィードバック信号Expから求められる位置偏差Eerが、0でない(0より大きい)かどうかが判断される。このときの位置偏差Eerは、(Ecom−Exp)の値に所定の調節量を乗算することにより求められる。
The flowchart of FIG. 2 shows a control procedure of the
位置偏差Eerが0より大きい場合には(ステップS1にてYes)、次のステップS2にて、位置偏差Eerの大きさに比例したサーボモータ14の回転方向及び回転数の指令(具体的にはモータ印加電圧)が、サーボモータ14に対し出力される。次のステップS3では、位置センサ16からのフィードバック信号(位置検出信号)Expが、位置指令信号Ecomの95%以上かどうか、つまりピストン15が目標位置近傍に位置しているかどうかが判断される。
If the position deviation Eer is larger than 0 (Yes in step S1), in the next step S2, a command (specifically, a rotational direction and a rotational speed of the
そして、ピストン15が目標位置近傍に位置していると判断されたときには(ステップS3にてYes)、ステップS4にて、サーボモータ14の最高回転数が1000rpmに制限され、ステップS1に戻る。ステップS3にて、ピストン15が目標位置近傍に位置していないと判断された場合には(ステップS3にてNo)、サーボモータ14の回転数の制限がなされずに、そのままステップS1に戻る。ステップS1において、位置偏差Eerが0と判断された場合には(ステップS1にてNo)、ステップS5にて、モータ指令を0(停止)にし、ステップS1に戻る。
When it is determined that the
以上のような制御により、本実施例では、時間経過に伴う、ピストン変位Xp、モータ回転数N、斜板角α等の挙動は、図3に示す通りとなる。今、時刻t1において、差圧力ΔPが設定値Pcを越えた場合、圧力補償機構20の働きにより、斜板角αが小さくなっていき、ポンプ13の吐出容量が低下されサーボモータ14の負荷トルクTが減少する。このとき、図12に示したように、サーボモータ14にあっては、負荷トルクTが小さくなるに従って回転数Nが上昇する。上記した第2の従来例のEHAにおいては、図11に示したように、圧力補償機構によって、斜板角αが最小となってモータ回転数Nが最大回転数まで上昇してしまい、ひいてはモータの鉄損等の問題が生じていた。
By the control as described above, in this embodiment, the behavior of the piston displacement Xp, the motor rotation speed N, the swash plate angle α, and the like with the passage of time is as shown in FIG. If the differential pressure ΔP exceeds the set value Pc at time t1, the swash plate angle α is decreased by the action of the
ところが、本実施例では、ピストン15が目標位置近傍に位置した、つまりピストン15の変位Xpが目標位置の95%に達した時点で(時刻t2)、サーボモータ14の回転数に制限(1000rpm以下)がかけられるようになる。このため、図11に示した挙動と異なり、斜板角αは、最小まで小さくなることはなく、サーボモータ14の制限回転数や、システムの作動油の漏れに対応した角度に戻るようになり、圧力補償機構20の機能を制限する(例えば斜板角の下限を設ける)必要がない。
However, in this embodiment, when the
この場合、一般的な制御系では、ピストン15が目標位置に達すると、サーボモータ14の回転数はゼロになる。つまり、目標位置近傍では、サーボモータ14の回転数が小さくなるから、目標位置近傍でサーボモータ14の回転数を小さい値に制限しても、何ら実害はない。そして、図示はしないが、サーボモータ14の回転数が低くなって、ポンプ13の吐出量がシステムの要求する流量よりも小さい場合には、システム圧力が下がるため、圧力補償機構20の本来の機能によって、斜板角αが大きくなってポンプ13の吐出量が大きくなり、作動油の供給流量を増やし、必要な圧力が維持される。
In this case, in a general control system, when the
圧力補償機構20はピストン15の位置制御を行うものではないが、外力Fに対してピストン15の力が不足してピストン15の位置が目標位置と違ってくる(目標位置近傍の範囲から外れる)と、制御装置19の制御によって、サーボモータ14の回転数が上昇されてピストンの位置が維持されるようになる。制御装置19に新たな目標位置の位置指令Ecomが入れば、ピストン15の現在位置が目標位置近傍ではなくなるため、サーボモータ14の回転数の制限が外され、通常の制御に復帰できることは勿論である。
Although the
このように本実施例によれば、斜板角αの変更角度を制限するといったことなく、サーボモータ14の回転数の制限によって、負荷トルクの減少に伴ってサーボモータ14の回転数が最大値まで上昇することを未然に防止することができる。従って、本実施例のEHA11によれば、圧力補償機構20の本来の機能を制限なしに利用することができながら、従来の懸案であったサーボモータ14の鉄損の問題を解決することができる。しかも、システムの上限圧力を制御する(余分な作動油を逃がす)ためのリリーフ弁を追加する必要はなく、構成の複雑化や無駄なエネルギの消費を招くこともない。
Thus, according to the present embodiment, without limiting the change angle of the swash plate angle α, the rotation speed of the
図5は、本発明の第2の実施例に係る電動流体圧アクチュエータ装置31のシステム構成を示している。この第2の実施例が、上記第1の実施例と異なるところは、流体圧アクチュエータとして、流体圧シリンダ12に代えて、流体圧(油圧)モータ32を採用した点にある。この流体圧モータ32は、両方向流れの2つの出入口32a、32bを有し、一方の出入口32aが第1配管17を介してポンプ13の第1の出入口13aに接続され、他方の出入口32bが第2配管18を介してポンプ13の第2の出入口13bに接続されている。
FIG. 5 shows a system configuration of the electric
この流体圧モータ32は、回転運動を行う出力部としての出力軸33を有しており、その出力軸33の位置を検出する位置センサ34(回転センサ)の信号が、制御装置19に入力される。その他の構成、つまり、圧力補償機構20を備える点や、制御装置19が制限手段として機能する点などは、上記第1の実施例と同等である。この第2の実施例によっても、出力軸33の位置を保持するためのサーボモータ14の電力消費を小さく抑えるという圧力補償機構20の本来の機能を制限なしに利用することができながらも、構成の複雑化等を伴うことなく、サーボモータ14の鉄損を抑制するといった、上記第1の実施例と同様の効果を得ることができる。
The
また、図6に示す本発明の第3の実施例のように、流体圧アクチュエータとして、いわゆる片ロッド型の流体圧(油圧)シリンダ41を採用することもできる。このシリンダ41は、往復直線運動を行う出力部としてのピストン42によって、第1室41aと第2室41bとに区画されるのであるが、ピストンロッド42aは、第2室41b側にのみ存在し、第1室41a側には存在しない形態となっている。ピストン42(ピストンロッド42a)の位置は、位置センサ43により検出される。
Further, as in the third embodiment of the present invention shown in FIG. 6, a so-called single rod type fluid pressure (hydraulic)
その他、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、例えば以下に述べるような、各種の拡張、変更が可能である。
即ち、サーボモータ14の回転数を所定値以下に制限する際の制限回転数については、例えば、システムの作動液の漏れ量などの要求条件と、流体圧ポンプ13の容量とを勘案して自在に決定することができる。このとき、斜板式の可変容量形ポンプを採用した場合、制限回転数を、最大出力でピストン位置が一定に維持される状態で、制限回転数でのモータ損失と、そのときの安定斜板角でポンプが消費する動力のための電力消費との合計が、極力少なく収まるように決定することができる。制限回転数が低すぎると、斜板角が大きい位置で安定して、動力のための電力消費が大きくなる。一方、制限回転数が高すぎると、斜板角は小さい位置で安定し、動力の消費する電力が小さくなるが、モータの鉄損等の消費電力が大きくなる。
In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various expansions and modifications as described below, for example, are possible.
In other words, the limiting rotational speed when the rotational speed of the
また、上記第1の実施例では、ピストン15の変位が、目標位置までの移動距離全体に対して95%以上に至ったら目標位置近傍に位置していると判断するようにしたが、その数値については、例えば制御対象や仕様に応じて、任意に設定、調整することができる。その他、可変容量形の流体圧ポンプの構成や、圧力補償機構の具体的構成等についても、様々な変形が可能である等、本発明は、要旨を逸脱しない範囲内で、適宜変更して実施し得るものである。
In the first embodiment, when the displacement of the
図面中、11はEHA(電動流体圧アクチュエータ装置)、12,41は流体圧シリンダ(流体圧アクチュエータ)、13は流体圧ポンプ、14はサーボモータ、15、42はピストン(出力部)、16,34,43は位置センサ、19は制御装置(制限手段)、20は圧力補償機構、31は電動流体圧アクチュエータ装置、32は流体圧モータ(流体圧アクチュエータ)、33は出力軸(出力部)を示す。 In the drawings, 11 is an EHA (electric fluid pressure actuator device), 12 and 41 are fluid pressure cylinders (fluid pressure actuators), 13 is a fluid pressure pump, 14 is a servo motor, 15 and 42 are pistons (output units), 16, 34 and 43 are position sensors, 19 is a control device (limitation means), 20 is a pressure compensation mechanism, 31 is an electric fluid pressure actuator device, 32 is a fluid pressure motor (fluid pressure actuator), and 33 is an output shaft (output unit). Show.
Claims (1)
この流体圧アクチュエータとの間で閉じた流路を形成する可変容量形の流体圧ポンプと、
この流体圧ポンプを駆動するサーボモータと、
前記流体圧アクチュエータの出力部の位置を検出する位置センサと、
この位置センサの検出に基づいて、前記流体圧アクチュエータの出力部を目標位置に移動させると共にその位置を保持するように前記サーボモータを制御する制御装置とを備えた電動流体圧アクチュエータ装置において、
前記流体圧ポンプの吐出側と吸入側との間の差圧力が設定値Pc以上となったときに、その差圧力の大きさに応じて前記流体圧ポンプの容量を低下させる圧力補償機構を設けると共に、
前記流体圧アクチュエータの出力部が目標位置近傍に位置しているときには、前記サーボモータの回転数を所定値以下に制限する制限手段を設けたことを特徴とする電動流体圧アクチュエータ装置。 A fluid pressure actuator having an output part for reciprocating linear motion or rotational motion;
A variable displacement fluid pressure pump that forms a closed channel with the fluid pressure actuator;
A servo motor that drives the fluid pressure pump;
A position sensor for detecting the position of the output part of the fluid pressure actuator;
In the electric fluid pressure actuator device comprising: a control device for controlling the servo motor so as to move the output portion of the fluid pressure actuator to a target position based on the detection of the position sensor and hold the position;
When the pressure difference between the discharge side and the suction side of the fluid pressure pump exceeds a set value Pc, a pressure compensation mechanism is provided that reduces the capacity of the fluid pressure pump according to the magnitude of the pressure difference. With
An electric fluid pressure actuator device comprising a limiting means for restricting the rotation speed of the servo motor to a predetermined value or less when the output portion of the fluid pressure actuator is located in the vicinity of a target position.
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