JP2015102187A

JP2015102187A - ハイブリッドアクチュエータ

Info

Publication number: JP2015102187A
Application number: JP2013243937A
Authority: JP
Inventors: 藤寛佐; Hiroshi Sato
Original assignee: Daiichi Electric Co Ltd
Current assignee: Daiichi Electric Co Ltd
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-06-04
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: JP6253369B2

Abstract

【課題】汎用の市販品で構成され、油圧シリンダの出力軸の位置、速度及び推力を精度よく制御することができる誘導電動機駆動型のハイブリッドアクチュエータを提供する。【解決手段】油圧アクチュエータとしての油圧シリンダ５の出力軸５ａの位置、速度及び推力が制御されるハイブリッドアクチュエータ１であって、三相誘導電動機２と、三相誘導電動機２により回転して作動油を吐出する一方向吐出型の油圧ポンプ３と、一方向吐出型の油圧ポンプ３が吐出する作動油の流れ方向を制御する方向制御弁４と、方向制御弁４で正方向または逆方向の流れにされた作動油で駆動される油圧シリンダ５と、油圧シリンダ５の出力軸５ａ位置を検出する位置センサ６と、油圧シリンダ５内の油圧を検出する圧力センサ７，８と、位置センサ６の検出信号及び圧力センサ７，８の検出信号に基づいて三相誘導電動機２のトルク及び回転速度を制御するコントローラ１１を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、油圧アクチュエータの出力軸の位置、速度及び推力が制御されるハイブリッドアクチュエータに関する。

従来、サーボモータ、双方向吐出型の油圧ポンプ及び油圧シリンダの三部品で構成され、制御弁を全く必要とせず、配管及びオイルタンクも必要最小限とし、極めて単純な構造でありながらロッド推力、ロッド位置を精度よく制御することができるハイブリッドアクチュエータが知られている。

例えば、特許文献１には、連続鋳造機のタンデッシュの開閉バルブを開閉するための駆動装置において、バルブ開度を、バルブ（例えば、プレートノズル）に取り付けられた油圧シリンダと、油圧シリンダを駆動するサーボモータおよび二方向吐出油圧ポンプと、油圧シリンダのシリンダロッド（出力軸）移動位置検出器とが一体化されたハイブリッドアクチュエータにより制御するようにした技術が開示されている。

特開２００３−１２６９４９号公報

しかし、従来のハイブリッドアクチュエータにおいては、構造が簡単で制御精度を向上させることができるが、高価なサーボモータや特注品で受注生産品扱いとなり納期も長い双方向吐出型の油圧ポンプが必要となるため、ユーザから汎用の市販品で構成してほしいという要望があった。

また、特許文献１に記載された技術においても、高価なサーボモータや特注品で受注生産品扱いとなり納期も長い二方向吐出型の油圧ポンプが必要となるという問題があった。

本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、汎用の市販品で構成され、油圧アクチュエータの出力軸の位置、速度及び推力を精度よく制御することができる誘導電動機駆動型のハイブリッドアクチュエータを提供しようとするものである。

上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、油圧アクチュエータの出力軸の位置、速度及び推力が制御されるハイブリッドアクチュエータであって、誘導電動機と、この誘導電動機により回転して作動油を吐出する一方向吐出型の油圧ポンプと、この一方向吐出型の油圧ポンプが吐出する作動油の流れ方向を制御する方向制御弁と、この方向制御弁で正方向または逆方向の流れにされた作動油で駆動される油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータの出力軸の位置を検出する位置センサと、前記油圧アクチュエータ内の油圧を検出する圧力センサと、前記位置センサの検出信号及び前記圧力センサの検出信号に基づいて前記誘導電動機のトルク及び回転速度を制御するコントローラを備えるものである。

油圧アクチュエータとしては油圧シリンダまたは油圧モータが考えられる。油圧シリンダを用いた場合には、出力軸（ロッド）のリニアな位置をセンサで検出し、油圧モータを用いた場合には、出力軸の回転位置（回転角）と出力トルクをロータリエンコーダ（角位置センサ）と圧力センサで検出することになる。
また、前記圧力センサの替わりに、前記油圧アクチュエータの出力軸に取り付けて駆動対象物に対する出力軸の推力を検出するロードセルを設けることができる。

請求項３に係る発明は、複数の油圧アクチュエータの出力軸の位置、速度及び推力が制御されるハイブリッドアクチュエータであって、一台の誘導電動機と、この一台の誘導電動機により回転して作動油を吐出する一台の一方向吐出型の油圧ポンプと、この一台の一方向吐出型の油圧ポンプが吐出する作動油の流れ方向を制御する複数の方向制御弁と、この複数の方向制御弁で正方向または逆方向の流れにされた作動油で駆動される複数の油圧アクチュエータと、この複数の油圧アクチュエータの夫々の出力軸の位置を検出する位置センサと、前記複数の油圧アクチュエータ内の夫々の油圧を検出する圧力センサと、前記位置センサの検出信号及び前記圧力センサの検出信号に基づいて前記一台の誘導電動機のトルク及び回転速度を制御するコントローラを備えるものである。

前記圧力センサの替わりに、前記複数の油圧アクチュエータの夫々の出力軸に取り付けて駆動対象物に対する出力軸の推力を検出するロードセルを設けることができる。

本発明によれば、汎用の市販品である三相誘導電動機や油圧ポンプなどを利用して構成することができるので、コストを削減することができる。また、サーボモータと双方向吐出型の油圧ポンプを使用した従来のハイブリッドアクチュエータと同様な性能を発揮することができる。

また、一台の誘導電動機と、一台の一方向吐出型の油圧ポンプで、複数の油圧アクチュエータを駆動することができる。

本発明に係るハイブリッドアクチュエータの構成図ハイブリッドアクチュエータの位置制御の手順を示すフローチャートハイブリッドアクチュエータの推力制御の手順を示すフローチャート本発明に係るハイブリッドアクチュエータで、複数の油圧シリンダを駆動する構成図

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。本発明に係るハイブリッドアクチュエータ１は、図１に示すように、三相誘導電動機２、一方向吐出型の油圧ポンプ３、方向制御弁４、油圧アクチュエータとしての油圧シリンダ５、位置センサ（リニアスケール）６、前進側圧力センサ７、後退側圧力センサ８、ロードセル９、インバータ１０、コントローラ１１、オイルタンク１２、オイルフィルタ１３などを備えている。１４は油圧シリンダ５が駆動する対象となる駆動対象物である。

三相誘導電動機２は、一方向に作動油を吐出する一方向吐出型の油圧ポンプ３を三相のＡＣ２００Ｖの電源により回転させる。一方向吐出型の油圧ポンプ３は、回転によりオイルタンク１３からオイルフィルタ１３を介して作動油を吸い上げ、一方向に流れる圧油を作る。方向制御弁４は、油圧ポンプ３により作られた一方向の圧油を正方向または逆方向の流れにする。

油圧シリンダ５は、方向制御弁４による正方向の圧油で出力軸５ａを前進動作させ、方向制御弁４による逆方向の圧油で出力軸５ａを後退動作させる。位置センサ６は、油圧シリンダ５に内蔵され、出力軸５ａの位置を検出して位置検出信号を出力する。

また、前進側圧力センサ７は、前進側の油圧シリンダ５内の油圧を検出して前進側油圧検出信号を出力する。後退側圧力センサ８は、後退側の油圧シリンダ５内の油圧を検出して後退側油圧検出信号を出力する。ロードセル９は、出力軸５ａの先端に取り付けて駆動対象物１４に対する出力軸５ａの推力を検出して推力検出信号を出力する。なお、油圧シリンダ５の推力制御のためには、圧力センサ７，８またはロードセル９のいずれかを設ければよい。

コントローラ１１は、設定値である位置指令値と位置センサ６が検出する位置検出信号とで演算処理し、また設定値である推力指令値と圧力センサ７，８が検出する油圧検出信号またはロードセル９が検出する推力検出信号とで演算処理し、油圧シリンダ５の位置と推力のフィードバック制御を行う。

そのために、コントローラ１１は、上記演算処理結果としての正転指令、周波数指令値及びトルク指令値をインバータ１０に送り、三相誘導電動機２の回転数（回転速度）とトルクを制御する。すると、油圧シリンダ５の出力軸５ａの位置及び出力軸５ａの推力が設定された所望値（位置指令値、推力指令値）に制御される。また、コントローラ１１は、方向制御弁４に前進指令または後退指令信号を出力する。

油圧ポンプ３の吐出圧Ｐは、Ｐ＝２πＴ／Ｑpのように表され、油圧ポンプ３の軸入力トルク（kgf-cm）Ｔに正比例している。Ｑpは、油圧ポンプ３のポンプ容量（cc/rev）である。

従って、油圧ポンプ３の軸入力トルクＴ、即ち三相誘導電動機２のトルクを正確に制御することができれば、油圧ポンプ３の吐出圧Ｐ、即ち油圧シリンダ５の出力軸５ａの推力を正確に制御することができる。そして、油圧ポンプ３の吐出圧Ｐを制御することができれば、油圧ポンプ３の吐出圧Ｐの異常上昇を考慮する必要がなくなるので、リリーフ弁の必要もなくなる。このリリーフ弁がない点が従来の回路と大きく異なる。

また、油圧ポンプ３の出力油量は、油圧ポンプ３の入力軸の回転速度に正比例している。従って、油圧ポンプ３の入力軸の回転速度、即ち三相誘導電動機２の回転速度を正確に制御することができれば、油圧ポンプ３の出力油量も精密に制御できることになる。

そして、油圧シリンダ５の出力軸５ａの速度は、油圧シリンダ５へ流入する油量に正比例し、油圧シリンダ５へ流入する油量は油圧ポンプ３の入力軸の回転速度に正比例するので、油圧ポンプ３の入力軸の回転速度、即ち三相誘導電動機２の回転速度を正確に制御することができれば、出力軸５ａの速度も正確に制御することができる。

また、油圧シリンダ５の出力軸５ａの位置は、油圧シリンダ５へ流入する油量に正比例し、油圧シリンダ５へ流入する油量は油圧ポンプ３の入力軸の回転速度に正比例するので、油圧ポンプ３の入力軸の回転速度、即ち三相誘導電動機２の回転速度を正確に制御することができれば、出力軸５ａの位置も正確に制御することができる。

以上のように構成した本発明に係るハイブリッドアクチュエータ１の作用を、図２，３に示すフローチャートにより説明する。図２に示すように、位置制御モードの場合、ステップＳＰ１で、制御切替指令が位置であるか推力であるか判断される。制御切替指令が位置であると判断されると、ステップＳＰ２に進み、制御切替指令が推力であると判断されると、推力制御モードへ進む。

ステップＳＰ２で、油圧シリンダ５が停止状態か否かが判断される。油圧シリンダ５が停止状態であると判断されると、ステップＳＰ１１に進み、油圧シリンダ５が停止状態でないと判断されると、ステップＳＰ３に進む。ステップＳＰ３では、出力軸５ａの現在位置（位置検出信号）が読み込まれ、ステップＳＰ４では、位置指令値が読み込まれる。

次いで、ステップＳＰ５で、出力軸５ａの現在位置が前進端または後退端であるか否かが判断される。出力軸５ａの現在位置が前進端または後退端であると判断されると、ステップＳＰ１１に進み、出力軸５ａの現在位置が前進端または後退端でないと判断されると、ステップＳＰ６に進む。

次いで、ステップＳＰ６で、圧力センサ７，８の油圧検出信号またはロードセル９の推力検出信号が上限値に達しているか否かが判断される。圧力センサ７，８の油圧検出信号またはロードセル９の推力検出信号が上限値に達していると判断されると、ステップＳＰ１１に進み、圧力センサ７，８の油圧検出信号またはロードセル９の推力検出信号が上限値に達していないと判断されると、ステップＳＰ７に進む。

次いで、ステップＳＰ７で、位置指令値と現在位置（位置検出信号）より、周波数指令値が求められる。ここでは、ＰＩＤ（比例・積分・微分）動作の演算処理により周波数指令値が算出される。次いで、ステップＳＰ８で、ステップＳＰ７で求めた周波数指令値に基づいて、コントローラ１１から方向制御弁４に前進指令または後退指令が出力される。

次いで、ステップＳＰ９で、コントローラ１１からインバータ１０に周波数指令値が出力される。次いで、ステップＳＰ１０で、コントローラ１１からインバータ１０に位置制御モードにおけるトルク指令値が出力され、位置制御モードが終了し、ステップＳＰ１に戻る。

一方、油圧シリンダ５が停止状態であるなどの判断で進んだステップＳＰ１１では、コントローラ１１から方向制御弁４が中立になる信号が出力される。次いで、ステップＳＰ１２で、コントローラ１１からインバータ１０に周波数指令値が０（ゼロ）の信号が出力され、その後ステップＳＰ１０に進み、位置制御モードが終了し、ステップＳＰ１に戻る。

次に、図３に示すように、推力制御モードの場合、ステップＳＰ２１で、制御切替指令が位置であるか推力であるか判断される。制御切替指令が推力であると判断されると、ステップＳＰ２２に進み、制御切替指令が位置であると判断されると、位置制御モードへ進む。

ステップＳＰ２２で、油圧シリンダ５が停止状態か否かが判断される。油圧シリンダ５が停止状態であると判断されると、ステップＳＰ３１に進み、油圧シリンダ５が停止状態でないと判断されると、ステップＳＰ２３に進む。ステップＳＰ２３では、出力軸５ａの現在位置（位置検出信号）が読み込まれ、ステップＳＰ２４では、推力指令値が読み込まれる。

次いで、ステップＳＰ２５で、出力軸５ａの現在位置が前進端または後退端であるか否かが判断される。出力軸５ａの現在位置が前進端または後退端であると判断されると、ステップＳＰ３１に進み、出力軸５ａの現在位置が前進端または後退端でないと判断されると、ステップＳＰ２６に進む。

次いで、ステップＳＰ２６で、圧力センサ７，８の油圧検出信号またはロードセル９の推力検出信号が上限値に達しているか否かが判断される。圧力センサ７，８の油圧検出信号またはロードセル９の推力検出信号が上限値に達していると判断されると、ステップＳＰ３１に進み、圧力センサ７，８の油圧検出信号またはロードセル９の推力検出信号が上限値に達していないと判断されると、ステップＳＰ２７に進む。

次いで、ステップＳＰ２７で、推力指令値と現在の推力値（油圧検出信号または推力検出信号）より、周波数指令値が求められる。ここでは、ＰＩＤ（比例・積分・微分）動作の演算処理により周波数指令値が算出される。次いで、ステップＳＰ２８で、ステップＳＰ２７で求めた周波数指令値に基づいて、コントローラ１１から方向制御弁４に前進指令または後退指令が出力される。

次いで、ステップＳＰ２９で、コントローラ１１からインバータ１０に周波数指令値が出力される。次いで、ステップＳＰ３０で、コントローラ１１からインバータ１０に推力制御モードにおけるトルク指令値が出力され、推力制御モードが終了し、ステップＳＰ２１に戻る。

一方、油圧シリンダ５が停止状態であるなどの判断で進んだステップＳＰ３１では、コントローラ１１から方向制御弁４が中立になる信号が出力される。次いで、ステップＳＰ３２で、コントローラ１１からインバータ１０に周波数指令値が０（ゼロ）の信号が出力され、その後ステップＳＰ３０に進み、推力制御モードが終了し、ステップＳＰ２１に戻る。

本発明に係るハイブリッドアクチュエータ１の性能は、サーボモータと双方向吐出型の油圧ポンプを使用したハイブリッドアクチュエータ、サーボ弁を使用した油圧サーボシステムと全く同じである。

また、油圧シリンダ５の出力軸５ａの推力制御に関しては、今まではサーボ弁又は電磁比例制御弁を用いる方法しかなかったが、油量制御弁や圧力制御弁を全く使用せずに三相誘導電動機２のトルク制御だけで実現することができた。

このように、本発明に係るハイブリッドアクチュエータ１は、サーボモータや双方向吐出型の油圧ポンプを必要とせず、汎用の市販品である三相誘導電動機２や油圧ポンプ３などを利用して構成することができるので、コストを削減することができる。

次に、複数（本実施の形態では３台とする）の油圧シリンダを順次駆動する本発明に係るハイブリッドアクチュエータ２１は、図４に示すように、一台の三相誘導電動機２２、一台の一方向吐出型の油圧ポンプ２３、３個の方向制御弁２４、３台の油圧シリンダ２５、３個の位置センサ（リニアスケール）２６、３個の圧力センサ２７、インバータ３０、コントローラ３１、オイルタンク３２、オイルフィルタ３３、一個のストップ弁３５などを備えている。なお、図４では方向制御弁２４とストップ弁３５の信号線は省略している。

３個の圧力センサ２７は、夫々推力を必要とする側のポートに設置されている。推力を検出するためには、圧力センサ２７の替わりに、３台の油圧シリンダ２５の夫々の出力軸２５ａの先端に取り付けて駆動対象物（不図示）に対する出力軸２５ａの推力を検出するロードセルを設けることができる。

また、３個の方向制御弁２４は、夫々対応する油圧シリンダ２５について前進、後退、停止の動作を制御する。この場合、図１に示すハイブリッドアクチュエータ１の方向制御弁４のように、Ｐポート及びＴポートが中立位置で接続されているものではなく、図４に示す方向制御弁２４のように、Ｐポート及びＴポートが中立位置でストップ状態のものが必要である。

ハイブリッドアクチュエータ２１では、３台の油圧シリンダ２５を順番に駆動させるが、全ての油圧シリンダ２５を停止させる場合には、３個の方向制御弁２４を全て中立位置にすると同時に、ストップ弁３５を開状態にする。そうすれば、万一三相誘導電動機２２が回転し続けていても油圧ポンプ２３から吐出された作動油はストップ弁３５を経由してオイルタンク３２に戻るので不具合は生じない。

ハイブリッドアクチュエータ２１の３台の油圧シリンダ２５に対する位置制御及び推力制御については、図１に示すハイブリッドアクチュエータ１と同様なので説明は省略する。

以上の図示例にあっては油圧アクチュエータとして油圧シリンダを例にとって説明したが、油圧シリンダの代わりに油圧モータを組み込んでもよい。この場合には、油圧モータの出力軸の回転位置（回転角）と出力トルクをロータエンコーダ（角位置センサ）と圧力センサで検出することになる。

本発明によれば、汎用の市販品である三相誘導電動機や油圧ポンプなどを利用してコストを削減し、サーボモータと双方向吐出型の油圧ポンプを使用した従来のハイブリッドアクチュエータと同様な性能を発揮する誘導電動機駆動型のハイブリッドアクチュエータを提供することができる。

１，２１…ハイブリッドアクチュエータ、２，２２…三相誘導電動機、３，２３…一方向吐出型の油圧ポンプ、４，２４…方向制御弁、５，２５…油圧シリンダ、５ａ，２５ａ…出力軸、６，２６…位置センサ（リニアスケール）、７…前進側圧力センサ、８…後退側圧力センサ、９…ロードセル、１０，３０…インバータ、１１，３１…コントローラ、１２，３２…オイルタンク、１３，３３…オイルフィルタ、１４…駆動対象物、２７…圧力センサ、３５…ストップ弁。

Claims

油圧アクチュエータの出力軸の位置、速度及び推力が制御されるハイブリッドアクチュエータであって、誘導電動機と、この誘導電動機により回転して作動油を吐出する一方向吐出型の油圧ポンプと、この一方向吐出型の油圧ポンプが吐出する作動油の流れ方向を制御する方向制御弁と、この方向制御弁で正方向または逆方向の流れにされた作動油で駆動される油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータの出力軸の位置を検出する位置センサと、前記油圧アクチュエータ内の油圧を検出する圧力センサと、前記位置センサの検出信号及び前記圧力センサの検出信号に基づいて前記誘導電動機のトルク及び回転速度を制御するコントローラを備えることを特徴とするハイブリッドアクチュエータ。
請求項１に記載のハイブリッドアクチュエータにおいて、前記圧力センサの替わりに、前記油圧アクチュエータの出力軸に取り付けて駆動対象物に対する出力軸の推力を検出するロードセルを設けることを特徴とするハイブリッドアクチュエータ。
複数の油圧アクチュエータの出力軸の位置、速度及び推力が制御されるハイブリッドアクチュエータであって、一台の誘導電動機と、この一台の誘導電動機により回転して作動油を吐出する一台の一方向吐出型の油圧ポンプと、この一台の一方向吐出型の油圧ポンプが吐出する作動油の流れ方向を制御する複数の方向制御弁と、この複数の方向制御弁で正方向または逆方向の流れにされた作動油で駆動される複数の油圧アクチュエータと、この複数の油圧アクチュエータの夫々の出力軸の位置を検出する位置センサと、前記複数の油圧アクチュエータ内の夫々の油圧を検出する圧力センサと、前記位置センサの検出信号及び前記圧力センサの検出信号に基づいて前記一台の誘導電動機のトルク及び回転速度を制御するコントローラを備えることを特徴とするハイブリッドアクチュエータ。
請求項３に記載のハイブリッドアクチュエータにおいて、前記圧力センサの替わりに、前記複数の油圧アクチュエータの夫々の出力軸に取り付けて駆動対象物に対する出力軸の推力を検出するロードセルを設けることを特徴とするハイブリッドアクチュエータ。