JP2013072367A

JP2013072367A - 液圧ユニット

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Publication number: JP2013072367A
Application number: JP2011212244A
Authority: JP
Inventors: Hiroichi Nakamura; 博一中村; Kenichi Kawada; 健一河田; Takahito Inoue; 貴仁井上
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-04-22
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: CN103635689A; CN103635689B; WO2013047062A1; JP5278517B2

Abstract

【課題】圧力制御の安定性を確保できると共に、省エネと油の発熱防止を実現できる液圧ユニットを提供する。
【解決手段】余剰流量制御部５０は、ポンプ１からの吐出量が大流量のとき、リリーフ弁３からの余剰流量が小余剰流量となるように、インバータ６を制御する一方、ポンプ１からの吐出量が大流量よりも少ない小流量のとき、リリーフ弁３からの余剰流量が小余剰流量よりも多い大余剰流量となるように、インバータ６を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、建機、農機、工作機械、射出成形機などの種々の産業機械に用いられる油圧ユニットや水圧ユニット等の液圧ユニットに関する。

従来、油圧ユニットとしては、図８に示すように、固定容量形のポンプ１０１と、このポンプ１０１を駆動するモータ１０２と、上記ポンプ１０１の吐出ライン１０６に接続されたリリーフ弁１０３と、このリリーフ弁１０３とタンク１０７との間に接続されリリーフ弁１０３からの余剰流量を検知する流量センサ１０４と、この流量センサ１０４からの信号に基づいて上記モータ１０２の回転数を制御する回転数制御手段１０５とを備えたものがある（特開平１１−３０３７５８号公報：特許文献１参照）。

そして、上記回転数制御手段１０５は、流量センサ１０４によって検知された余剰流量が予め定めた所定値となるように、モータ１０２の回転速度をフィードバック制御していた。

しかしながら、上記従来の液圧ユニットでは、上記回転数制御手段１０５は、流量センサ１０４の余剰流量が所定値となるように、モータ１０２を制御していたので、ポンプ１０１からの吐出量が少ないときの制御の安定性を確保するために、余剰流量を比較的大きく確保する必要があり、余剰流量の所定値が大きくなっていた。このため、制御が安定しているポンプ１０１からの吐出量が多いときも、余剰流量が大きな所定値となるように、モータ１０２を制御することになり、無駄な余剰流量が流れて余分なエネルギー損失が発生していた。

特開平１１−３０３７５８号公報

そこで、この発明の課題は、圧力制御の安定性を確保できると共に、省エネと油の発熱防止を実現できる液圧ユニットを提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の液圧ユニットは、
主機に液体を供給する固定容量形のポンプと、
上記ポンプを駆動するモータと、
上記モータに接続されたインバータと、
上記ポンプの吐出ラインに接続したリリーフ弁と、
上記リリーフ弁からの余剰流量を検知するためのセンサと、
上記センサにて検知された余剰流量に基づいて、上記インバータを介して、上記モータの回転速度を制御する制御部と
を備え、
上記制御部は、
上記ポンプからの吐出量が大流量のとき、上記リリーフ弁からの余剰流量が小余剰流量となるように、上記インバータを制御する一方、
上記ポンプからの吐出量が上記大流量よりも少ない小流量のとき、上記リリーフ弁からの余剰流量が上記小余剰流量よりも多い大余剰流量となるように、上記インバータを制御する余剰流量制御部を有することを特徴としている。

この発明の液圧ユニットによれば、上記制御部は、上記余剰流量制御部を有するので、例えば、保圧状態でリリーフ弁から液体を流して圧力を制御している状態で、ポンプからの吐出量が少ないとき、リリーフ弁からの余剰流量を多くして、一定のモータ回転速度を確保してモータ制御の不安定さを解消すると共に、リリーフ弁による圧力制御の不安定さを解消できる。つまり、一般的に、リリーフ弁に流れる流量が小流量の場合は圧力が不安定になるが、例えば、安定して圧力を制御できるリリーフ弁の最低流量で余剰流量を制御すると、制御の安定性とより大きな省エネ効果が両立できる。一方、ポンプからの吐出量が多いとき、余剰流量を少なくして、エネルギー損失を抑えると共に油の発熱を防止できる。

したがって、圧力制御の安定性を確保できると共に、省エネと油の発熱防止を実現できる。

また、一実施形態の液圧ユニットでは、
上記余剰流量制御部は、
上記主機側への液体の供給流量が増大するにつれて、上記余剰流量が除々に減少する一方、上記主機側への液体の供給流量が所定値を超えると、上記余剰流量が一定値になるように、制御する。

この実施形態の液圧ユニットによれば、上記余剰流量制御部は、上記主機側への供給流量が増大するにつれて、上記余剰流量が除々に減少する一方、上記主機側への供給流量が所定値を超えると、上記余剰流量が一定値になるように、制御するので、主機側への供給流量が少ないとき、リリーフ弁からの余剰流量を多くして、一定のモータ回転速度を確保し、圧力制御の安定性を確保できる。また、主機側への供給流量が多いとき、リリーフ弁からの余剰流量を少なくして、省エネと油の発熱防止を実現できる。

また、一実施形態の液圧ユニットでは、上記余剰流量制御部は、上記ポンプの回転数に制限を加えるベースクリッパを有する。

この実施形態の液圧ユニットによれば、上記余剰流量制御部は、上記ポンプの回転数に制限を加えるベースクリッパを有するので、最適な余剰流量に制御できる。例えば、ベースクリッパとして、モータの最低回転数やポンプの最低回転数などを設定すると、制御の安定性とポンプの保護、および、より大きな省エネ効果が両立できる。

また、一実施形態の液圧ユニットでは、上記余剰流量制御部は、上記主機側への供給流量に応じて上記余剰流量の目標値を変化させる余剰流量目標値作成部を有する。

この実施形態の液圧ユニットによれば、上記余剰流量制御部は、上記主機側への供給流量に応じて上記余剰流量の目標値を変化させる余剰流量目標値作成部を有するので、最適な余剰流量に制御できる。

また、一実施形態の液圧ユニットでは、上記余剰流量制御部は、目標余剰流量と現在余剰流量との偏差の大きさに応じてゲインを切り換え、かつ、偏差の零および零付近の領域に不感帯を設ける。

この実施形態の液圧ユニットによれば、上記余剰流量制御部は、目標余剰流量と現在余剰流量との偏差の大きさに応じてゲインを切り換え、かつ、偏差の零および零付近の領域に不感帯を設けるので、保圧状態から流量制御への切り替えでは応答性を上げつつ、保圧状態ではゲインを下げて制御を安定できる。

この発明の液圧ユニットによれば、上記制御部は、上記ポンプからの吐出量が大流量のとき、上記リリーフ弁からの余剰流量が小余剰流量となるように、上記インバータを制御する一方、上記ポンプからの吐出量が上記大流量よりも少ない小流量のとき、上記リリーフ弁からの余剰流量が上記小余剰流量よりも多い大余剰流量となるように、上記インバータを制御する余剰流量制御部を有するので、圧力制御の安定性を確保できると共に、省エネと油の発熱防止を実現できる。

本発明の液圧ユニットの一実施形態の油圧ユニットの回路図である。主機側供給流量とポンプ吐出量と余剰流量との関係を示すグラフである。速度偏差（目標余剰流量−現在余剰流量）とポンプ吐出量変化量との関係を示すグラフである。ベースクリッパによる制御を示すブロック図である。ベースクリッパによる制御を示すフローチャートである。余剰流量目標値作成部による制御を示すブロック図である。余剰流量目標値作成部による制御を示すフローチャートである。従来の油圧ユニットの回路図である。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、この発明の液圧ユニットの一実施形態の油圧ユニットの回路図を示している。図１に示すように、この油圧ユニットは、固定容量形のポンプ１と、このポンプ１を駆動するモータ２とを有する。ポンプ１の吸込側は、油が貯留されたタンク１０に接続され、ポンプ１の吐出ライン１１には、主機７が接続されている。この主機７は、図示しない油圧シリンダ、油圧モータ、電磁弁等を有する。ポンプ１から吐出された油は、主機７を経由して、タンク１０に返される。

上記ポンプ１の吐出ライン１１から分岐された分岐ライン１２には、リリーフ弁３が接続されている。このリリーフ弁３は、リリーフ弁３の上流側のポンプ１の吐出圧力が、設定圧よりも大きくなったときに、上流側の油を下流側に逃がして、上記吐出ライン１１の圧力が設定圧になるように制御する。リリーフ弁３から排出される油の流量を、以下、余剰流量とよぶ。なお、リリーフ弁３の設定圧は、可変にしてもよい。

上記分岐ライン１２には、上記リリーフ弁３の下流側に、絞り８を設け、この絞り８とリリーフ弁３との間に、圧力センサ４を設けている。絞り８を通過する余剰流量は、絞り８の前後の圧力差（絞り８の上流側圧力とタンク圧との差）によって、定まるから、圧力センサ４は、結局、余剰流量を検出していることになる。もっとも、圧力センサ４に代えて、流量センサを設けて、直接余剰流量を検出するようにしてもよい。

上記分岐ライン１２に、絞り８の上流側からタンク１０へ分岐したライン１３を設け、このライン１３に、ロードチェック弁９を設けている。このロードチェック弁９は、余剰流量が過大になって、絞り８の上流側の圧力が、ロードチェック弁９のバネの力よりも大きくなったときに、開放して回路を保護する。なお、ロードチェック弁の代わりに、リリーフ弁あるいは安全弁を用いてもよい。

上記モータ２には、インバータ６が接続され、インバータ６は、制御部５により、制御されている。この制御部５は、圧力センサ４にて検知された余剰流量に基づいて、インバータ６にスイッチング信号を送り、インバータ６を介してモータ２の回転速度を制御する。

上記制御部５は、余剰流量制御部５０を有する。この余剰流量制御部５０は、ポンプ１からの吐出量が大流量のとき、リリーフ弁３からの余剰流量が小余剰流量となるように、インバータ６を制御する一方、ポンプ１からの吐出量が上記大流量よりも少ない小流量のとき、リリーフ弁３からの余剰流量が上記小余剰流量よりも多い大余剰流量となるように、インバータ６を制御する。

図２に示すように、上記余剰流量制御部５０は、主機７側への油の供給流量が増大するにつれて、余剰流量が除々に減少する一方、主機７側への油の供給流量が所定値を超えると、余剰流量が一定値になるように、制御する。

つまり、ハッチングにて示す余剰流量ＱＬは、主機側供給流量Ｑｐが０から所定値Ｑｐ１まで増大するにつれて、第２流量値Ｑ２から第１流量値Ｑ１（＜Ｑ２）まで除々に減少する一方、この余剰流量ＱＬは、主機側供給流量Ｑｐが所定値Ｑｐ１を超えると、第１流量値Ｑ１の一定値となる。

また、ポンプ吐出量Ｑは、主機側供給流量Ｑｐが０から所定値Ｑｐ１まで増大するとき、第２流量値Ｑ２の一定値となる一方、このポンプ吐出量Ｑは、主機側供給流量Ｑｐが所定値Ｑｐ１を超えると、第２流量値Ｑ２から徐々に増大する。

そして、主機側供給流量Ｑｐは、ポンプ吐出量Ｑから余剰流量ＱＬを引いた値となり、主機７からタンク１０へ戻される流量と等しくなる。

図３に示すように、上記余剰流量制御部５０は、目標余剰流量と現在余剰流量との偏差の大きさに応じてゲインを切り換え、かつ、偏差の零および零付近の領域に不感帯を設ける。

つまり、目標余剰流量と現在余剰流量との偏差である速度偏差ｄＶが、０からｄＶ１まで増大するとき、ゲインであるポンプ吐出量変化量ｄＱは、不感帯である０となる。速度偏差ｄＶが、ｄＶ１からｄＶ２まで増大するとき、ポンプ吐出量変化量ｄＱは、０からｄＱ１まで徐々に増大する。速度偏差ｄＶが、ｄＶ２からｄＶ３まで増大するとき、ポンプ吐出量変化量ｄＱは、ｄＱ１からｄＱ２まで徐々に増大する。ポンプ吐出量変化量ｄＱのｄＱ１からｄＱ２までの変化率は、ポンプ吐出量変化量ｄＱの０からｄＱ１までの変化率よりも大きい。速度偏差ｄＶが、ｄＶ３を超えると、ポンプ吐出量変化量ｄＱは、ｄＱ２の一定値となる。

なお、同様に、速度偏差ｄＶが、０〜−ｄＶ１、−ｄＶ１〜−ｄＶ２、−ｄＶ２〜−ｄＶ３と順に変化するとき、ポンプ吐出量変化量ｄＱは、０、０〜−ｄＱ１、−ｄＱ１〜−ｄＱ２と順に変化する。

したがって、保圧状態から流量制御への切り替えでは応答性を上げつつ、保圧状態ではゲインを下げて制御を安定できる。

図１に示すように、上記余剰流量制御部５０は、ポンプ１の回転数に制限を加えるベースクリッパ５１を有する。このベースクリッパ５１は、ポンプ１の回転数の下限値にリミットをかけ、ポンプ１からの吐出量の関数関係を、図２のグラフに示す形状（ポンプ吐出量Ｑ）とする。

そして、上記余剰流量制御部５０によるポンプ１への吐出量の指令を具体的に説明する。図４のブロック図に示すように、余剰流量制御部５０は、加え合わせ点２１と、ポンプ吐出量変化量算出手段２２と、積分手段２３と、ポンプ吐出量指令リミット２４とを有する。

上記加え合わせ点２１は、現在余剰流量と目標余剰流量との偏差を求める。現在余剰流量は、圧力センサ４にて検出される。目標余剰流量は、例えば、外部から入力される。

上記ポンプ吐出量変化量算出手段２２は、図３に示す関数関係を用い、加え合わせ点２１によって求められた偏差に基づいて、ポンプ吐出量変化量を算出する。

上記積分手段２３は、ポンプ吐出量変化量算出手段２２によって算出されたポンプ吐出量変化量を積分して、ポンプ吐出量を求める。

上記ポンプ吐出量指令リミット２４は、ベースクリッパ５１の一例であり、積分手段２３によって算出されたポンプ吐出量の下限値にリミットをかけ、ポンプ吐出量が図２に示すポンプ吐出量Ｑとなるように、インバータ６に指令する。

また、上記余剰流量制御部５０によるポンプ１への吐出量の指令の流れを説明する。図５のフローチャートに示すように、余剰流量制御部５０の制御を開始すると（ステップＳ２１）、目標余剰流量から現在余剰流量を差し引いた余剰流量の偏差を算出する（ステップＳ２２）。

そして、余剰流量の偏差が０より大きければ（ステップＳ２３）、ポンプ吐出量を増分するように算出する（ステップＳ２４）一方、余剰流量の偏差が０以下であれば（ステップＳ２３）、ポンプ吐出量を減分するように算出する（ステップＳ２５）。このとき、図３に示すポンプ吐出量変化量を用い、余剰流量の偏差に基づいてポンプ吐出量変化量を算出し、その後、ポンプ吐出量変化量を積分して、ポンプ吐出量を求める。

その後、ポンプ吐出量が一定値以下であれば（ステップＳ２６）、ポンプ吐出量を一定値として（ステップＳ２７）、このポンプ吐出量をポンプが吐出するようにインバータに指令して、制御を終了する（ステップＳ２８）。一方、ポンプ吐出量が一定値を超えると（ステップＳ２６）、そのままのポンプ吐出量をポンプが吐出するようにインバータに指令して、制御を終了する（ステップＳ２８）。

したがって、上記余剰流量制御部５０は、ベースクリッパ５１としてのポンプ吐出量指令リミット２４を有するので、最適な余剰流量に制御できる。

なお、図１に示すように、上記余剰流量制御部５０は、ベースクリッパ５１に代えて、余剰流量目標値作成部５２を有するようにしてもよい。なお、余剰流量目標値作成部５２を、ベースクリッパ５１とともに、設けてもよく、この場合、ベースクリッパ５１と余剰流量目標値作成部５２とを切り換え可能とする。

上記余剰流量目標値作成部５２は、主機７側への供給流量に応じて、余剰流量の目標値を変化させる。つまり、余剰流量の目標値の関数関係を、図２のグラフに示す形状（余剰流量ＱＬ）とする。

そして、上記余剰流量制御部５０の余剰流量目標値作成部５２によるポンプ１への吐出量の指令を具体的に説明する。図６のブロック図に示すように、余剰流量制御部５０は、加え合わせ点３１と、ポンプ吐出量変化量算出手段３２と、積分手段３３と、目標余剰流量算出手段３４とを有する。

上記目標余剰流量算出手段３４は、余剰流量目標値作成部５２の一例であり、図２に示す余剰流量ＱＬの関数関係を用いて、主機７側への油の供給流量から、目標余剰流量を算出する。

上記加え合わせ点３１は、目標余剰流量算出手段３４によって算出された目標余剰流量と、圧力センサ４によって検出された現在余剰流量との偏差を求める。

上記ポンプ吐出量変化量算出手段３２は、図３に示す関数関係を用い、加え合わせ点３１によって求められた偏差に基づいて、ポンプ吐出量変化量を算出する。

上記積分手段３３は、ポンプ吐出量変化量算出手段３２によって算出されたポンプ吐出量変化量を積分して、ポンプ吐出量を求める。積分手段３３によって算出されたポンプ吐出量は、図２に示すポンプ吐出量Ｑとなり、このポンプ吐出量をポンプが吐出するようにインバータ６に指令する。

また、上記余剰流量制御部５０の余剰流量目標値作成部５２によるポンプ１への吐出量の指令の流れを説明する。図７のフローチャートに示すように、余剰流量制御部５０の制御を開始すると（ステップＳ３１）、図２に示す余剰流量ＱＬの関数関係を用いて、主機側供給流量から目標余剰流量を算出する（ステップＳ３２）。

そして、目標余剰流量から現在余剰流量を差し引いた余剰流量の偏差を算出する（ステップＳ３３）。余剰流量の偏差が０より大きければ（ステップＳ３４）、ポンプ吐出量を増分するように算出する（ステップＳ３５）一方、余剰流量の偏差が０以下であれば（ステップＳ３４）、ポンプ吐出量を減分するように算出する（ステップＳ３６）。このとき、図３に示すポンプ吐出量変化量を用い、余剰流量の偏差に基づいてポンプ吐出量変化量を算出してから、ポンプ吐出量変化量を積分して、ポンプ吐出量を求める。

その後、このポンプ吐出量をポンプが吐出するようにインバータに指令して、制御を終了する（ステップＳ３７）。

したがって、上記余剰流量制御部５０は、余剰流量目標値作成部５２としての目標余剰流量算出手段３４を有するので、最適な余剰流量に制御できる。

上記構成の液圧ユニットによれば、上記制御部５は、上記余剰流量制御部５０を有するので、例えば、保圧状態でリリーフ弁３から液体を流して圧力を制御している状態で、ポンプ１からの吐出量が少ないとき、リリーフ弁３からの余剰流量を多くして、一定のモータ回転速度を確保してモータ制御の不安定さを解消すると共に、リリーフ弁３による圧力制御の不安定さを解消できる。また、ポンプ１からの吐出量が多いとき、余剰流量を少なくして、エネルギー損失を抑えると共に油の発熱を防止できる。

また、上記余剰流量制御部５０は、上記主機７側への供給流量が増大するにつれて、上記余剰流量が除々に減少する一方、上記主機７側への供給流量が所定値を超えると、上記余剰流量が一定値になるように、制御するので、主機７側への供給流量が少ないとき、リリーフ弁３からの余剰流量を多くして、一定のモータ回転速度を確保し、圧力制御の安定性を確保できる。つまり、一般的に、リリーフ弁に流れる流量が小流量の場合は圧力が不安定になるが、例えば、安定して圧力を制御できるリリーフ弁３の最低流量で余剰流量を制御すると、制御の安定性とより大きな省エネ効果が両立できる。一方、主機７側への供給流量が多いとき、リリーフ弁３からの余剰流量を少なくして、省エネと油の発熱防止を実現できる。

なお、この発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、ベースクリッパや余剰流量目標値作成部は、ソフト的な処理であってもよく、または、ハード的な処理であってもよい。また、ベースクリッパとして、モータの最低回転数やポンプの最低回転数などを設定すると、制御の安定性とポンプの保護、および、より大きな省エネ効果が両立できる。

また、本発明の構成を、油圧ユニット以外に、水圧ユニット等の液圧ユニットに適用してもよい。また、主機として、例えば、建機、農機、工作機械、射出成形機などの種々の産業機械がある。

１固定容量形のポンプ
２モータ
３リリーフ弁
４圧力センサ
５制御部
５０余剰流量制御部
５１ベースクリッパ
５２余剰流量目標値作成部
６インバータ
７主機
８絞り
９ロードチェック弁
１０タンク
１１吐出ライン
１２分岐ライン

上記課題を解決するため、この発明の液圧ユニットは、
主機に液体を供給する固定容量形のポンプと、
上記ポンプを駆動するモータと、
上記モータに接続されたインバータと、
上記ポンプの吐出ラインに接続したリリーフ弁と、
上記リリーフ弁からの余剰流量を検知するためのセンサと、
上記センサにて検知された余剰流量に基づいて、上記インバータを介して、上記モータの回転速度を制御する制御部と
を備え、
上記制御部は、
上記ポンプからの吐出量が大流量のとき、上記センサにて検知された余剰流量に基づいて上記リリーフ弁からの余剰流量が小余剰流量となるように、上記インバータを制御する一方、
上記ポンプからの吐出量が上記大流量よりも少ない小流量のとき、上記センサにて検知された余剰流量に基づいて上記リリーフ弁からの余剰流量が上記小余剰流量よりも多い大余剰流量となるように、上記インバータを制御する余剰流量制御部を有することを特徴としている。

Claims

主機（７）に液体を供給する固定容量形のポンプ（１）と、
上記ポンプ（１）を駆動するモータ（２）と、
上記モータ（２）に接続されたインバータ（６）と、
上記ポンプ（１）の吐出ライン（１１）に接続したリリーフ弁（３）と、
上記リリーフ弁（３）からの余剰流量を検知するためのセンサ（４）と、
上記センサ（４）にて検知された余剰流量に基づいて、上記インバータ（６）を介して、上記モータ（２）の回転速度を制御する制御部（５）と
を備え、
上記制御部（５）は、
上記ポンプ（１）からの吐出量が大流量のとき、上記リリーフ弁（３）からの余剰流量が小余剰流量となるように、上記インバータ（６）を制御する一方、
上記ポンプ（１）からの吐出量が上記大流量よりも少ない小流量のとき、上記リリーフ弁（３）からの余剰流量が上記小余剰流量よりも多い大余剰流量となるように、上記インバータ（６）を制御する余剰流量制御部（５０）を有することを特徴とする液圧ユニット。
請求項１に記載の液圧ユニットにおいて、
上記余剰流量制御部（５０）は、
上記主機（７）側への液体の供給流量が増大するにつれて、上記余剰流量が除々に減少する一方、上記主機（７）側への液体の供給流量が所定値を超えると、上記余剰流量が一定値になるように、制御することを特徴とする液圧ユニット。
請求項２に記載の液圧ユニットにおいて、
上記余剰流量制御部（５０）は、上記ポンプ（１）の回転数に制限を加えるベースクリッパ（５１）を有することを特徴とする液圧ユニット。
請求項２に記載の液圧ユニットにおいて、
上記余剰流量制御部（５０）は、上記主機（７）側への供給流量に応じて上記余剰流量の目標値を変化させる余剰流量目標値作成部（５２）を有することを特徴とする液圧ユニット。
請求項１から４の何れか一つに記載の液圧ユニットにおいて、
上記余剰流量制御部（５０）は、目標余剰流量と現在余剰流量との偏差の大きさに応じてゲインを切り換え、かつ、偏差の零および零付近の領域に不感帯を設けることを特徴とする液圧ユニット。