JP2024007074A - 油圧ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】モータの最大トルクや最大回転数を超えず、指定された圧力および流量を確実に発生させることができる油圧ユニットを提供する。【解決手段】油圧ユニット１００は、油圧ポンプ１０２と、油圧ポンプのポンプ容量を変化させる電磁比例弁１１４と、油圧ポンプを駆動するモータ１０４と、油圧ポンプの吐出圧Ｐを測定する圧力センサ１１６、１１８と、油圧シリンダ１０６と、吐出圧Ｐに応じてモータの許容トルクτｍａｘおよび最大ポンプ容量ｑｍａｘを超えないようにポンプ容量ｑを計算するポンプ容量計算部１３０と、吐出圧Ｐに応じて目標圧力Ｐｄを達成する圧力制御流量Ｑｐを計算する圧力計算部１３２と、目標流量Ｑｄと圧力制御流量Ｑｐと最大流量Ｑｍａｘのうち最も小さい流量を指令流量Ｑｒとする指令流量計算部１３４と、指令流量Ｑｒとポンプ容量ｑに基づいてモータの指令回転数Ｎを計算する回転数計算部１３８とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、油圧、空圧や水圧などの流体の圧力や流量を駆動源とする油空水圧装置の圧力流体を供給する可変容量型のポンプと、ポンプを駆動するインバータ駆動式のモータとを備える油圧ユニットに関する。

油圧ユニットは、作動油の圧力調整や流量調整を行うことで各種作業を行うものであり、油圧ポンプと、油圧ポンプを駆動するインバータ駆動式のモータとを備える。油圧ポンプが可変容量型である場合には、モータによって１回転するごとの作動油の吐出量、すなわちポンプ容量を外部からの電気信号で変化させることができる。インバータ駆動式のモータは、回転数を変化させることが可能である。

油圧ユニットは、モータによって油圧ポンプを駆動し、モータの回転数を変化させることで油圧ポンプから吐出される作動油の圧力や流量を制御することにより、油圧シリンダや油圧モータなどの油圧アクチュエータを駆動する。

特許文献１には、吐出流量制御装置が記載されている。吐出流量制御装置は、可変容量型の液圧ポンプと、液圧ポンプを駆動する電動機（モータ）と、液圧ポンプおよび電動機を制御する電子制御回路とを備える。特許文献１では、誘導電動機を採用することを目的とし、誘導電動機の回転速度の追従の遅れに応じて液圧ポンプの吐出流量を大きくすることにより、吐出流量の応答性の低下を防止できるとしている。

特許文献２には、インバータ駆動油圧装置が記載されている。インバータ駆動油圧装置は、斜板式可変容量形のピストンポンプと、可変速モータと、インバータ制御装置と、圧力センサと、コントローラとを備える。ピストンポンプには圧力調整機構が内蔵されている。

特許文献２のインバータ駆動油圧装置では、圧力調整機構の圧力がカットオフ開始圧力より低い場合には「吐出圧力－回転数」の関係からモータの回転数を算出し、圧力調整機構の圧力がカットオフ開始圧力より高い場合には「トルク－回転数」の関係から回転数を算出し、回転数出力を切り換えてモータを駆動している。

特開２００２－１９５１６４号公報 特開２０１９－１８３９４４号公報

しかし特許文献１に記載の吐出流量制御装置では、吐出流量を流量指令に追従させるために誘導電動機の回転速度を最大限に上げるために、モータの出力が過剰に大きくなってしまう。特許文献２に記載のインバータ駆動油圧装置では、可変容量ポンプに内蔵された圧力調整機構によって、油圧の増加に応じてポンプ容量を減少させる。したがって、モータの最大トルクを超えないように圧力調整機構を調整する必要がある。

このように特許文献１、２は、モータの最大トルクや最大回転数を超えないようにすることは可能であるものの、安全性を考慮して、本来は出力可能であった圧力や流量より余裕を見て（安全率を大きく取って）制限する必要があった。また、指定された圧力や流量を正確に出力することも困難であるという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑み、モータの最大トルクや最大回転数を超えず、指定された圧力および流量を確実に発生させることができる油圧ユニットを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる油圧ユニットの代表的な構成は、可変容量型の油圧ポンプと、油圧ポンプのポンプ容量を変化させる電磁比例弁と、油圧ポンプを駆動するインバータ駆動式のモータと、油圧ポンプの吐出圧Ｐを測定可能な圧力センサと、油圧ポンプにより駆動される油圧アクチュエータと、電磁比例弁およびモータへの指令を出力し、目標圧力Ｐｄおよび目標流量Ｑｄを入力可能な油圧コントローラとを備え、油圧コントローラは、吐出圧Ｐに応じて、モータの許容トルクτｍａｘおよび最大ポンプ容量ｑｍａｘを超えないように、ポンプ容量ｑを計算するポンプ容量計算部と、吐出圧Ｐに応じて、目標圧力Ｐｄを達成するための圧力制御流量Ｑｐを計算する圧力計算部と、目標流量Ｑｄと、圧力制御流量Ｑｐと、油圧ポンプが吐出可能な最大流量Ｑｍａｘとのうち、最も小さい流量を指令流量Ｑｒとして選択する指令流量計算部と、指令流量Ｑｒとポンプ容量ｑとに基づいて、モータの指令回転数Ｎを計算する回転数計算部とを備えることを特徴とする。

上記構成では、油圧コントローラは、入力された目標流量Ｑｄ、目標圧力Ｐｄを達成するための圧力制御流量Ｑｐ、油圧ポンプが吐出可能な最大流量Ｑｍａｘのうち、最も小さい流量を指令流量Ｑｒとして選択し、選択された指令流量Ｑｒを達成するようにモータの指令回転数Ｎを計算する。そしてモータは、指令回転数Ｎで駆動される。これにより、モータの最大トルク（許容トルク）を発揮しつつ、最大トルクや最大回転数を超えることなく、指令された圧力および流量を確実に発生させることができる。

上記の指令流量計算部は、目標流量Ｑｄが入力されない場合、目標流量Ｑｄを無限大とみなして、圧力制御流量Ｑｐと最大流量Ｑｍａｘとのうち、小さい方の流量を指令流量Ｑｒとして選択し、回転数計算部は、選択された指令流量Ｑｒを達成するように、モータの指令回転数Ｎを計算するとよい。

これにより、目標流量Ｑｄが入力されない場合、圧力制御流量Ｑｐと最大流量Ｑｍａｘの小さい方の流量を達成するように、モータの指令回転数Ｎを計算し、小さい方の流量を発生させることができる。このため、目標流量Ｑｄが入力されない場合であっても、圧力制御流量Ｑｐが最大流量Ｑｍａｘよりも小さければ、圧力制御流量Ｑｐを発生させることで、目標圧力Ｐｄを達成することができる。

上記の指令流量計算部は、目標圧力Ｐｄが入力されない場合、圧力制御流量Ｑｐを無限大とみなして、目標流量Ｑｄと最大流量Ｑｍａｘとのうち、小さい方の流量を指令流量Ｑｒとして選択し、回転数計算部は、選択された指令流量Ｑｒを達成するように、モータの指令回転数Ｎを計算するとよい。

これにより、目標圧力Ｐｄが入力されない場合、目標流量Ｑｄと最大流量Ｑｍａｘの小さい方の流量を達成するように、モータの指令回転数Ｎを計算し、小さい方の流量を発生させることができる。このため、目標圧力Ｐｄが入力されない場合であっても、目標流量Ｑｄが最大流量Ｑｍａｘよりも小さければ、目標流量Ｑｄを達成することができる。

本発明によれば、モータの最大トルクや最大回転数を超えず、指定された圧力および流量を確実に発生させることができる油圧ユニットを提供することができる。

油圧の定馬力曲線を示す図である。 本発明の実施形態における油圧ユニットを説明する図である。 図２の油圧ユニットの動作を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、油圧の定馬力曲線を示す図である。以下、可変容量型の油圧ポンプと、油圧ポンプを駆動するインバータ駆動式のモータとを備えた一般的な油圧ユニットに適用される、油圧の定馬力曲線を導出する過程を説明する。

まず、可変容量型の油圧ポンプから出力されるエネルギーＥｐは、以下の式（１）に示すように、油圧ポンプが発生可能な流量Ｑおよび圧力Ｐの積となる。
Ｅｐ＝ＰＱ （１）

つぎに、インバータ駆動式のモータが発生させ、油圧ポンプを駆動したエネルギーＥｍは、以下の式（２）に示すように、モータの発生トルクτと回転数Ｎの積に効率ηを乗じたものである。
Ｅｍ＝τＮ×η （２）

そしてエネルギー保存則より、Ｅｍ＝Ｅｐであるため、以下の式（３）が成立する。
τＮ×η＝ＰＱ （３）

さらにモータが発生可能な最大トルク（許容トルク）をτｍａｘ、最大回転数をＮｍａｘとし、これらを上記の式（３）に代入すると、油圧ポンプの圧力Ｐは、以下の式（４）で示される。
Ｐ＝（τｍａｘＮｍａｘ×η）／Ｑ （４）

この式（４）に示すＰ－Ｑの曲線が、図１に示す油圧の定馬力曲線である。本発明では、油圧ユニットにおいて、定馬力曲線を考慮しつつ、モータの最大トルク（許容トルク）や最大回転数を超えず、指定された圧力および流量を確実に発生させることができる構成を採用した。以下、具体的に説明する。

図２は、本発明の実施形態における油圧ユニット１００を説明する図である。油圧ユニット１００は、可変容量型の油圧ポンプ１０２と、油圧ポンプ１０２を駆動するインバータ駆動式のモータ１０４と、油圧ポンプ１０２により駆動される油圧アクチュエータとしての油圧シリンダ１０６とを備える。油圧シリンダ１０６は、ポート１０８に作動油が供給されると、ロッド１１０が押し出され、ポート１１２に作動油が供給されると、ロッド１１０が戻されるように駆動する。

油圧ユニット１００はさらに、電磁比例弁１１４と、圧力センサ１１６、１１８と、モータコントローラ１２０と、電磁比例弁１１４を駆動するアンプ１２２と、油圧コントローラ１２４とを備える。電磁比例弁１１４は、アンプ１２２から出力されるソレノイド電流に応じた制御圧力を生成し、油圧ポンプ１０２のポンプ容量を変化させる。

圧力センサ１１６、１１８は、ポート１０８、１１２に接続される油圧ポンプ１０２の油路１２６、１２８にそれぞれ取り付けられていて、油圧ポンプ１０２の吐出圧Ｐを測定可能となっている。モータコントローラ１２０は、モータ１０４の回転数を制御する。

油圧コントローラ１２４は、ポンプ容量計算部１３０と、圧力計算部１３２と、指令流量計算部１３４と、記憶部１３６と、回転数計算部１３８とを備える。油圧コントローラ１２４は、電磁比例弁１１４およびモータ１０４への指令を出力し、指令された圧力である目標圧力Ｐｄおよび指令された流量である目標流量Ｑｄが入力可能となっている。さらに油圧コントローラ１２４には、作動油の流れる方向に合わせて圧力センサ１１６、１１８のいずれかの測定値である吐出圧Ｐが入力される。

図３は、図２の油圧ユニット１００の動作を示すフローチャートである。油圧ユニット１００では、まず、ポンプ容量計算部１３０が、以下の式（５）に示すように、油圧ポンプ１０２の吐出圧Ｐと、油圧ポンプ１０２の効率ηと、モータ１０４の許容トルクτｍａｘとに基づいて、ポンプ容量ｑτを計算する（ステップＳ１００）。なおポンプ容量ｑτは、モータ１０４によって１回転するごとの作動油の吐出量である。
ｑτ＝（τｍａｘ×η）／Ｐ （５）

ポンプ容量ｑτは、式（５）に示すように吐出圧Ｐに反比例している。このため、ポンプ容量計算部１３０は、吐出圧Ｐに応じて、モータ１０４の許容トルクτｍａｘを超えないように、定馬力曲線（図１参照）に則って、ポンプ容量ｑτを計算していることになる。

またポンプ容量ｑτは、吐出圧Ｐが小さくなるに従い、急激に大きくなる。しかしポンプ容量ｑτの上限は、油圧ポンプ１０２の構造により制限され、その最大値が最大ポンプ容量ｑｍａｘとされる。この最大ポンプ容量ｑｍａｘは、記憶部１３６に記憶されている。

さらにポンプ容量計算部１３０は、記憶部１３６から最大ポンプ容量ｑｍａｘを読み出し、ポンプ容量ｑτと最大ポンプ容量ｑｍａｘとのうち、小さい方を指令ポンプ容量ｑとして選択する（ステップＳ１０２）。なお指令ポンプ容量ｑは、通常はポンプ容量ｑτと同義であるが、ポンプ容量ｑτが最大ポンプ容量ｑｍａｘを超える場合にはあらかじめ最大ポンプ容量ｑｍａｘにクロップした値である。

このようにして、ポンプ容量計算部１３０は、吐出圧Ｐに応じて、許容トルクτｍａｘおよび最大ポンプ容量ｑｍａｘを超えないように、指令ポンプ容量ｑを計算する。

そしてポンプ容量計算部１３０は、指令ポンプ容量ｑになるように、図２に示すアンプ１２２を介して、電磁比例弁１１４にソレノイド電流を印加する。電磁比例弁１１４は、ソレノイド電流に応じた制御圧力を生成し、油圧ポンプ１０２の指令ポンプ容量ｑを達成する。

さらにポンプ容量計算部１３０は、指令ポンプ容量ｑに応じた電気信号を回転数計算部１３８に出力する。

つぎに油圧ユニット１００では、油圧シリンダ１０６に負荷がある場合（ステップＳ１０４、Ｙｅｓ）、圧力計算部１３２が、以下の式（６）に示すようにフィードバック構造を利用して、目標圧力Ｐｄと吐出圧Ｐとの差異を比例微分積分制御で圧力制御流量Ｑｐを計算し、これを指令流量計算部１３４に出力する（ステップＳ１０６）。つまり、圧力計算部１３２は、吐出圧Ｐに応じて、目標圧力Ｐｄを達成するための圧力制御流量Ｑｐを計算している。

記憶部１３６は、油圧ポンプ１０２の最大ポンプ容量ｑｍａｘに加え、モータ１０４の回転数の上限である最大回転数Ｎｍａｘと、油圧ポンプ１０２が吐出可能な最大流量Ｑｍａｘとを記憶している。最大流量Ｑｍａｘは、以下の式（７）に示すように、最大ポンプ容量ｑｍａｘと最大回転数Ｎｍａｘとの積となる。
Ｑｍａｘ＝ｑｍａｘ×Ｎｍａｘ （７）

続いて指令流量計算部１３４は、記憶部１３６から最大流量Ｑｍａｘを読み出し、以下の式（８）に示すように、入力された目標流量Ｑｄと、圧力制御流量Ｑｐと、最大流量Ｑｍａｘとのうち、最も小さい流量を指令流量Ｑｒとして選択する（ステップＳ１０８）。さらに指令流量計算部１３４は、指令流量Ｑｒを回転数計算部１３８に出力する。
Ｑｒ＝ｍｉｎ（Ｑｐ，Ｑｄ，Ｑｍａｘ） （８）

一方、ステップＳ１０４で油圧シリンダ１０６に負荷がない場合（Ｎｏ）、指令流量計算部１３４は、目標流量Ｑｄと最大流量Ｑｍａｘとのうち、小さい方を指令流量Ｑｒとして選択する（ステップＳ１１０）。

ここで、ステップＳ１０８、１１０で選択された指令流量Ｑｒを達成するためには、指令流量Ｑｒと、指令ポンプ容量ｑと、モータ１０４の指令回転数Ｎとに基づく以下の式（９）が成立する必要がある。
Ｑｒ＝ｑ×Ｎ （９）

そこで回転数計算部１３８は、式（９）を変形した以下の式（１０）に示すように、指令流量Ｑｒを指令ポンプ容量ｑで達成するモータ１０４の指令回転数Ｎを計算し、これをモータコントローラ１２０に出力する（ステップＳ１１２）。そしてモータコントローラ１２０は、指令流量Ｑｒを達成するように、モータ１０４を指令回転数Ｎで駆動する（ステップＳ１１４）。
Ｎ＝Ｑｒ／ｑ （１０）

このように油圧ユニット１００では、油圧シリンダ１０６に負荷がある場合、目標圧力Ｐｄを達成するための制御を行い、油圧シリンダ１０６に負荷がない場合、目標流量Ｑｄを達成するための制御を行う。これにより、油圧ユニット１００によれば、モータ１０４の許容トルクτｍａｘを発揮しつつ、許容トルクτｍａｘや最大回転数Ｎｍａｘを超えることなく、目標圧力Ｐｄおよび目標流量Ｑｄを確実に発生させることができる。

また油圧ユニット１００では、吐出圧Ｐに応じてポンプ容量ｑτを連続的に変化させることで、モータ１０４の発生トルクを、許容トルクτｍａｘを超えないように抑制することができる。また、ポンプ容量ｑτを極端に制限することがないため、発生トルクを過剰に抑制せずに、目標流量Ｑｄや目標圧力Ｐｄを発生させることができる。さらにモータ１０４の回転数による制御を行うため、目標流量Ｑｄや目標圧力Ｐｄを高い精度で達成することができ、さらに応答性も良い。

さらに油圧ユニット１００において、目標流量Ｑｄが入力されない場合、指令流量計算部１３４は、上記の式（８）で目標流量Ｑｄを無限大とみなして（Ｑｄ＝∞）、圧力制御流量Ｑｐと最大流量Ｑｍａｘの小さい方を指令流量Ｑｒとして選択する。

したがって油圧ユニット１００は、目標流量Ｑｄが入力されない場合であっても、モータ１０４が指令流量Ｑｒを達成する指令回転数Ｎで駆動されることにより、圧力制御流量Ｑｐが最大流量Ｑｍａｘよりも小さければ、圧力制御流量Ｑｐを発生させることで、目標圧力Ｐｄを達成することができる。

さらに油圧ユニット１００において、目標圧力Ｐｄが入力されない場合、上記の式（６）で圧力制御流量Ｑｐが定まらないため、指令流量計算部１３４は、上記の式（８）で圧力制御流量Ｑｐを無限大とみなして（Ｑｐ＝∞）、目標流量Ｑｄと最大流量Ｑｍａｘの小さい方を指令流量Ｑｒとして選択する。

したがって油圧ユニット１００は、目標圧力Ｐｄが入力されない場合であっても、モータ１０４が指令流量Ｑｒを達成する指令回転数Ｎで駆動されることにより、目標流量Ｑｄが最大流量Ｑｍａｘよりも小さければ、目標流量Ｑｄを達成することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、油圧、空圧や水圧などの流体の圧力や流量を駆動源とする油空水圧装置の圧力流体を供給する可変容量型のポンプと、ポンプを駆動するインバータ駆動式のモータとを備える油圧ユニットとして利用することができる。

１００…油圧ユニット、１０２…油圧ポンプ、１０４…モータ、１０６…油圧シリンダ、１０８、１１２…ポート、１１０…ロッド、１１４…電磁比例弁、１１６、１１８…圧力センサ、１２０…モータコントローラ、１２２…アンプ、１２４…油圧コントローラ、１２６、１２８…油路、１３０…ポンプ容量計算部、１３２…圧力計算部、１３４…指令流量計算部、１３６…記憶部、１３８…回転数計算部

Claims (3)

1. 可変容量型の油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプのポンプ容量を変化させる電磁比例弁と、
   前記油圧ポンプを駆動するインバータ駆動式のモータと、
   前記油圧ポンプの吐出圧Ｐを測定可能な圧力センサと、
   前記油圧ポンプにより駆動される油圧アクチュエータと、
   前記電磁比例弁および前記モータへの指令を出力し、目標圧力Ｐｄおよび目標流量Ｑｄを入力可能な油圧コントローラとを備え、
   前記油圧コントローラは、
   前記吐出圧Ｐに応じて、前記モータの許容トルクτｍａｘおよび最大ポンプ容量ｑｍａｘを超えないように、前記ポンプ容量を計算するポンプ容量計算部と、
   前記吐出圧Ｐに応じて、前記目標圧力Ｐｄを達成するための圧力制御流量Ｑｐを計算する圧力計算部と、
   前記目標流量Ｑｄと、前記圧力制御流量Ｑｐと、前記油圧ポンプが吐出可能な最大流量Ｑｍａｘとのうち、最も小さい流量を指令流量Ｑｒとして選択する指令流量計算部と、
   前記指令流量Ｑｒと前記ポンプ容量ｑとに基づいて、前記モータの指令回転数Ｎを計算する回転数計算部とを備えることを特徴とする油圧ユニット。
2. 前記指令流量計算部は、前記目標流量Ｑｄが入力されない場合、前記目標流量Ｑｄを無限大とみなして、前記圧力制御流量Ｑｐと前記最大流量Ｑｍａｘとのうち、小さい方の流量を指令流量Ｑｒとして選択し、
   前記回転数計算部は、選択された前記指令流量Ｑｒを達成するように、前記モータの指令回転数Ｎを計算することを特徴とする請求項１に記載の油圧ユニット。
3. 前記指令流量計算部は、前記目標圧力Ｐｄが入力されない場合、前記圧力制御流量Ｑｐを無限大とみなして、前記目標流量Ｑｄと前記最大流量Ｑｍａｘとのうち、小さい方の流量を指令流量Ｑｒとして選択し、
   前記回転数計算部は、選択された前記指令流量Ｑｒを達成するように、前記モータの指令回転数Ｎを計算することを特徴とする請求項１に記載の油圧ユニット。

Images