JP4022032B2 - アクチュエータ、及び、アクチュエータの制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータ、及び、アクチュエータの制御方法に関し、特に、大きい外力を受けるピストンを固定的に位置制御する油圧ポンプを駆動する電気モータの消費電力を削減することができるアクチュエータ、及び、アクチュエータの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気油圧アクチュエータは、運動物体の運動を制御するために用いられる。その運動は、移動後に位置保持される運動物体の静止動作又は静止を含む。アクチュエータの本体は、図４に示されるように、通常は油圧シリンダ１０１である。その油圧シリンダ１０１は、シリンダ本体１０２とピストン１０３とから構成されている。シリンダ本体１０２の中は、その本体壁とピストン１０３とにより２つの油室に分割され、それらの２つの油室は、油圧ポンプ１０４の吐出側と吸入側にそれぞれに接続されている。油圧ポンプ１０４は、電気モータ１０５により駆動される。ピストン１０３に同体のピストンロッド１０５は、位置センサ１０６によりその位置が検出される。位置センサ１０６が出力する位置信号１０７は、制御器１０８に入力する。制御器１０８は、指定される位置と位置信号１０７とに基づく正負の差分に応じて、電気モータ１０５の回転方向と回転数を指示して、フィードバック制御によりピストン１０３を指示される位置まで移動させる。その移動の速度は、指示される回転数速度に対応する。
【０００３】
制御器１０８に入力される駆動のためのコマンド１０９がピストン１０３の伸び方向ａに対応している場合には、制御器１０８は電気モータ１０５に伸び方向ａに対応する向きの電流を供給する。電気モータ１０５は、その向きａ対応する向きに油圧ポンプ１０４を回転駆動する。油圧ポンプ１０４の回転駆動により、油圧シリンダの油室の一方に圧油が供給される。この圧油の供給により、圧油が供給される側の油室の圧力はＰ１に上昇し、他方の油室の圧力はＰ２に降下し、圧油が供給されている限り、Ｐ１＞Ｐ２となる。この関係により、ピストン１０３は矢ａの方向に移動し、圧力がＰ２である側の油室の流出油は、油圧モータ１０４の吸入側に戻る。ピストン１０３がコマンドで指定される位置に達すると、制御器１０８は、電気モータ１０５に対する電流の供給を停止する。この電流の停止により、電気モータの回転が停止し、油圧ポンプ１０４の作動油の吐出が停止し、ピストン１０３はコマンド指定位置で停止する。このように、制御器１０８−電気モータ１０５−油圧ポンプ１０４−油圧シリンダ１０１のピストン１０３−位置センサ１０６−制御器１０８からなる循環系は、フィードバック位置制御ループを形成している。
【０００４】
ピストン１０３に大きい外力Ｆが矢で示される方向に作用すれば、ピストン１０３をコマンド指示位置に保持するためには、既述の関係式であるＰ１＞Ｐ２をそのまま保持する必要がある。この保持のために必要な差圧力ΔＰは、ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２で表される。この差圧力ΔＰは、ピストン１０３をコマンド指示位置に保持するために必要な油圧ポンプ１０４の負荷差圧力に相当する。この負荷差圧力に相当するポンプ負荷を油圧ポンプ１０４に保持させるために必要な負荷トルクが、油圧ポンプ１０４に電気モータ１０５から与えられる。このような負荷トルクの保持のために、制御器１０８はその負荷トルクに対応する電流を電気モータ１０５に供給し続けなければならない。更に、このような供給を継続して外力Ｆに耐えさせてピストン１０３をコマンド位置に停止させている間中、電気モータ１０５は、油圧ポンプ１０４と油圧シリンダ１０１との間の油路等から漏れる作動油の量に相当する量の作動油を補充するために必要な回転数を電気モータ１０５は維持し続けなければならない。
【０００５】
このように、ピストンが大きい外力を受けた状態で位置保持する間中に電気モータに多くの電流が流され続けるので、その電流消費量が多く、更に、電流消費量が多い電気モータの発熱を防止するためにその電気モータの定格容量を大きくする必要があり、更に、その電気モータに強制冷却機能を追加し、又は、外力負荷時間を制限すること等の熱対策を講じる必要がある。
【０００６】
このような電力消費量の削減が望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、電力消費量の削減が可能であるアクチュエータ、及び、アクチュエータの制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００９】
本発明によるアクチュエータは、循環流体圧回路系と、第１位置制御系と、第２位置制御系とを含み、その循環流体圧回路系は、流体圧ポンプ（１）と、流体圧ポンプ（１）とで閉じた流路を形成するアクチュエータ（２）とを備え、その第１位置制御系は、アクチュエータ（２）の第１動作部分（４）と、第１動作部分（４）の位置を検出する位置センサ（９）と、制御器（１２）と、制御器（１２）により制御されて駆動され流体圧ポンプ（１）を駆動する電気モータ（７）とから形成される閉じた制御系であり、その第２位置制御系は、位置センサ（９）が出力する検出位置信号（１１）と制御器に入力される指示位置信号（１３）とが一致する際に流体圧ポンプ（１）の吐出容量を可変する第２動作部分（１５）を低吐出容量方向に移動させる系である。
【００１０】
指示位置に保持されている第１動作部分（４）に外力（Ｆ）が作用した時、第１動作部分（４）をその位置に保持するためには、その外力（Ｆ）に対抗するために、電気モータ（７）に電流を供給し続ける必要がある。この場合、流体圧ポンプ（１）は、低吐出容量化されていて、流体圧ポンプ（１）に必要な負荷トルクは小さくてすむので、電気モータ（７）に流す電流量は少なくてよい。
【００１１】
第２位置制御系は、第２動作部分（１５）と、第２動作部分（１５）の位置を検出する他の位置センサ（１８）と、制御器（１２）と、制御器（１２）により制御されて駆動され第２動作部分（１５）を駆動する他の電気モータ（１６）とから形成される閉じた制御系として適正に構成され得る。第２動作部分（１５）と他の電気モータ（１６）との間に減速機が介設されていることが好ましい。
【００１２】
その第２位置制御系は、アクチュエータ（２）の両端面の流体圧力の差に基づいて第２動作部分（１５）を低吐出容量方向に移動させる制御系である。指示位置に保持されている第１動作部分（４）に外力（Ｆ）が作用した時、第１動作部分（４）をその位置に保持するためには、その外力（Ｆ）に対抗するために、電気モータ（７）に電流を供給し続ける必要がある。この場合、流体圧ポンプ（１）は、低吐出容量化されていて、流体圧ポンプ（１）に必要な負荷トルクは小さくてすむので、電気モータ（７）に流す電流量は少なくてよい。外力の大きさに追随して適正な電力消費の削減が可能である。
【００１３】
本発明によるアクチュエータの制御方法は、下記ステップ：アクチュエータ（２）の動作体（４）を指示位置にフィードバック制御により保持すること、動作体（４）を流体圧ポンプ（１）により駆動すること、流体圧ポンプ（１）を電気モータ（７）により駆動すること、指示位置に保持されているアクチュエータ（２）に外力が作用した時、流体圧ポンプ（１）を低吐出容量化することとから構成されている。外力が付与されたことを制御器が判断し、アクチュエータは適正な速さでその制御が実行され得る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図に一致対応して、本発明によるアクチュエータの実施の形態は、油圧シリンダが油圧ポンプともに設けられている。その油圧ポンプ１は、図１に示されるように、その油圧シリンダ２に配管３を介して接続している。油圧シリンダ２は、シリンダ本体２Ａとピストン４とから構成されている。シリンダ本体２Ａの中は、その本体壁とピストン４とにより、２つの油室５，６に分割されている。油室５，６は、油圧ポンプ１の吐出側と吸入側にそれぞれに接続されている。油圧ポンプ１の吐出側と吸入側は、油圧ポンプ１の回転方向の相違によって入れ替わる。油圧ポンプ１は、これが回転するための回転軸（図示されず）を備えている。
【００１５】
油圧ポンプ１は、電気モータ７により駆動される。ピストンロッド８が、ピストン４に同体に取り付けられている。ピストンロッド８は、その位置が位置センサ９により検出される。位置センサ９が出力する位置信号１１は、制御器１２に入力する。制御器１２には、コマンド信号１３が入力される。制御器１２は、コマンド信号１３により指定される指定位置と位置信号１１とに基づく正負の差分に対応する制御電流１４を電気モータ７に供給する。制御電流１４は、電気モータ７の回転方向と回転数速度（単位時間当たりの回転数）に関する物理情報（電流の方向と電流量）を含んでいる。
【００１６】
油圧ポンプ１は、可変吐出容量型ポンプである。可変吐出容量型ポンプは、その回転軸に同じトルクが与えられる場合に吐出容量が可変に制御される。その可変制御のために、油圧ポンプ１は可変容量機構を備えている。そのような可変容量機構としては、慣用的に斜板機構のような容量可変用動体１５が知られている。容量可変用動体１５は、容量可変用電動機１６により減速機１７を介して駆動される。
【００１７】
容量可変用動体１５の位置例えば回転角度は、その容量可変用動体１５の位置を検出する容量可変用動体位置センサ１８により検出される。容量可変用動体位置センサ１８は、容量可変用動体１５の位置に対応する容量可変用動体位置信号１９を出力する。容量可変用動体位置信号１９は、制御器１２に入力する。制御器１２は、位置信号１１に基づいて、容量可変用電動機１６に供給する電流量を制御する。
【００１８】
制御器１２に入力される駆動のためのコマンド信号１３がピストン４の伸び方向ａに対応している場合には、制御器１２は電気モータ７に伸び方向ａに対応する向きの電流を供給する。電気モータ７は、その向きａに対応する向きに油圧ポンプ１を回転駆動する。油圧ポンプ１の回転駆動により、油圧シリンダ２の油室６に圧油が供給される。この圧油の供給により、圧油が供給される側の油室６の圧力はＰ１に上昇し、他方の油室５の圧力はＰ２に降下し、圧油が供給されている限り、Ｐ１＞Ｐ２である。
【００１９】
この関係により、ピストン４は矢ａの方向に移動し、圧力がＰ１である側の油室５の流出油は、油圧モータ１の吸入側に配管３を介して還流して戻る。ピストン４がそのコマンドで指定される指定位置に達すると、制御器１２は、電気モータ７に対する電流の供給を停止する。この電流の停止により、電気モータの回転が停止し、油圧ポンプ１の作動油の吐出が停止し、ピストン４はコマンド指定位置で停止しその位置が保持される。このように、制御器１２−電気モータ７−油圧ポンプ１−油圧シリンダ２のピストン４−位置センサ９−制御器１２からなる循環系は、フィードバックピストン位置制御ループを形成している。
【００２０】
このような位置制御により、ピストン４の位置が保持されると、位置信号１１とコマンド信号１３とが一致し又は概ね一致する。このような一致があると、制御器１２は、容量可変用動体位置センサ１８が出力している容量可変用動体位置信号１９に基づいて、容量可変用動体１５の位置を制御して油圧ポンプ１の吐出容量を制御するための容量可変用動体位置制御用電流２２を容量可変用電動機１６に供給する。容量可変用動体位置制御用電流２２を受ける油圧ポンプ１は、容量可変用動体１５を低吐出容量方向に駆動する。この駆動により、油圧ポンプ１は低吐出化される。
【００２１】
このように、制御器１２−容量可変用電動機１６−容量可変用動体１５−位置センサ１８−制御器１２からなる循環系は、容量可変用動体位置制御ループを形成している。コマンド信号１３は、容量可変用動体１５の適正な低吐出容量位置を指定する信号を含み、又は、そのような低吐出容量位置は、制御器に記憶された方式又は数表により、又は、圧力Ｐ１，Ｐ２、モータ７の電流、位置センサ９、容量可変用動体位置センサ１８の信号等からあるアルゴリズムによって制御される。このように、容量可変用動体位置制御ループは、容量可変用動体１５を低吐出容量位置に保持する制御を実行する。
【００２２】
ピストン４に大きい外力Ｆが矢で示される方向に作用すれば、ピストン４をコマンド指示位置に保持するためには、既述の関係式であるＰ１＞Ｐ２をそのまま保持する必要がある。この保持のために必要な差圧力ΔＰは、ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２で表され既述の従来のアクチュエータのΔＰに同じである。この差圧力ΔＰは、ピストン４をコマンド指示位置に保持するために必要な油圧ポンプ１の負荷差圧力に相当する。この負荷差圧力に相当するポンプ負荷を油圧ポンプ１に保持させるために必要な負荷トルクが、油圧ポンプ１に電気モータ７から与えられる。このような負荷トルクの保持のために、制御器１２はその負荷トルクに対応する電流を電気モータ７に供給し続ける。
【００２３】
その保持のために必要とされる油圧ポンプ１の負荷トルクは、容量可変用動体１５の動作体の回転軸からの有効半径Ｒと油圧ポンプ１の吐出容量Ｖ（／ｔ）の積であるＲＶに対応する。Ｒは一定であるので、Ｖが小さければ、油圧ポンプ１に必要な負荷トルクは小さい。油圧ポンプ１の負荷トルクが小さければ、電気モータ７の負荷トルクは小さくてすむ。従って、制御電流１４は少なくてすむ。ピストン４は、大きい外力Ｆを受けた時から瞬間後にはコマンド指示位置の近傍にあるので、油室６が油圧ポンプ１から低吐出容量の圧油の供給を受けてコマンド指示位置に速やかに保持される。そのコマンド位置にピストン４を保持するために必要な制御電流１４は少なくてよい。
【００２４】
結果的に、熱対策が軽減され得る電気モータ７はその軽量化・小型化が可能であり、強制冷却機能を備えなくてすむ。更には、外力負荷保持時間の制限を緩和することができる。
【００２５】
図２は、本発明による実施の他の形態を示している。油圧シリンダ２の構成は、既述の実施の形態のそれに同じであり、制御器１２−電気モータ７−油圧ポンプ１−油圧シリンダ２のピストン４−位置センサ９−制御器１２からなる循環系も既述のそれに同じである。
【００２６】
油圧ポンプ１は、可変容量型である点で、既述の実施の形態の油圧ポンプ１に同じであるが、本実施の形態の油圧ポンプ１は、両吐出型圧力補償機能を備えた可変容量型である。両吐出型圧力補償機能を備えた点で既述の実施の形態と異なっている。両側の配管３，３の間は、シャトル弁３１で繋がっている。油圧ポンプ１の圧力補償機能（図示されず）とシャトル弁３１とは、油路３２により接続されている。
【００２７】
その圧力補償機能は、図３に示されている。図３の横軸は、圧力差ΔＰである。規定された圧力差ΔＰ３より圧力差が増加すると、油圧ポンプ１の圧力補償機能により吐出流量が圧力に応じて減少する。圧力差が規定した圧力ΔＰ４に達すると、吐出流量は、零になる。ここで、”Δ”は、油圧ポンプ１の吐出側と吸入側の差圧力である。シャトル弁３１は、油室５の圧力又は油室６の圧力とのうちの高い方の圧力をパイロット圧力として圧力補償機能の機構に導く。なお、吐出流量−圧力差の関係である勾配は、要求に応じて適正に設定され得る。
【００２８】
大きな外力Ｆに耐えてピストン４の位置を保持するために圧力補償機能が動作して、吐出流量が低減される。圧力補償機能にかかる圧力は、シャトル弁３１により両側の油路３，３の圧力のうちの高い方の圧力が油路３２を介して提供される。Ｐ１＞Ｐ２である場合、圧力補償機能へ供給される圧力は、Ｐ１である。外力 F の存在により、その外力に相当する差圧力ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）が発生した際、圧力補償機能への差圧力がΔＰ５であれば、油圧ポンプ１の流量−圧力の特性曲線が図３に示されるように、吐出流量は点Ａで示されている。点Ａの吐出流量は、Ｑａである。
【００２９】
油圧ポンプ１の容量可変用動体である斜板は、吐出量Ｑａに対応した小さい斜板角位置まで移動する。このように斜板が低斜板角位置に自ら移動し、油圧ポンプ１が吐出する吐出量は低吐出量化され、先の実施の形態と同じく、電気モータ７の低トルク化が実現する。
【００３０】
先の実施の形態では、無負荷時にも斜板１５を電動機で制御することができて、無負荷時にも油圧ポンプ１の零吐出化が可能であり、負荷の全範囲で省電力化が可能になっている。後の実施の形態では、シリンダ２のピストン４の両側の差圧に基づいて発生する油圧ポンプ１の圧力補償機能の差圧（例示：ΔＰ５）によって斜板１５が動作して低吐出化が実現し、油圧ポンプ１の消費電力が大きくなる高負荷時に適正に省電力化が可能である。なお、圧力補償機能付き油圧ポンプの斜板１５を電動化することは本発明から排除されない。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によるアクチュエータ、及び、アクチュエータの制御方法は、電力消費量の削減が効果的に適正である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるアクチュエータの実施の形態を示す電気的且つ機械的回路図である。
【図２】図２は、本発明によるアクチュエータの実施の他の形態を示す電気的且つ機械的回路図である。
【図３】図３は、圧力差と吐出容量の関係を示すグラフである。
【図４】図４は、公知の位置制御を示す電気的且つ機械的回路図である。
【符号の説明】
１…流体圧ポンプ
２…アクチュエータ
４…第１動作部分
７…電気モータ
９…位置センサ
１１…検出位置信号
１２…制御器
１３…指示位置信号
１５…第２動作部分
１６…他の電気モータ
１８…他の位置センサ
Ｆ…外力

Claims (3)

1. 循環流体圧回路系と、
   第１位置制御系とを含み、
   前記循環流体圧回路系は、
   流体圧ポンプと、
   前記流体圧ポンプとで閉じた流路を形成する流体圧シリンダとを備え、
   前記流体圧シリンダは、第１動作部分としてのピストンを備え、前記流体圧ポンプが駆動されることにより前記第１動作部分は移動し、
   前記第１位置制御系は、前記流体圧シリンダの前記第１動作部分と、前記第１動作部分の位置を検出する位置センサと、前記流体圧ポンプを駆動する電気モータと、前記電気モータを駆動する制御器とから形成される閉じた制御系であり、
   前記制御器は、入力コマンドに応答して前記位置センサにより検出される前記第１動作部分の位置に基づいて前記電気モータに第１電流を供給して前記電気モータを駆動し、前記電気モータは、前記入力コマンドで指定される保持位置に前記第１動作部分が移動するように、前記流体圧ポンプを駆動し、前記第１動作部分が前記保持位置に達したとき、前記制御器は前記電気モータへの前記第１電流の供給を停止し、
   前記制御器は、前記第１動作部分を前記保持位置に保持するように前記第１位置センサにより検出される前記第１動作部分の位置に基づいて前記電気モータに第２電流を供給して前記電気モータを駆動し、前記第１動作部分を前記保持位置に保持し、
   さらに、前記流体圧ポンプに備わる圧力補償機構を備え、
   前記圧力補償機構は、前記流体圧ポンプの吐出側の圧力と吸入側の圧力の高い方の圧力に基づいて前記流体圧ポンプの吐出容量が所定値になるように前記流体圧ポンプに設けられた容量可変動体を駆動し、前記容量可変動体の位置を低吐出方向に駆動する
   アクチュエータ。
2. 循環流体圧回路系と、
   第１位置制御系とを含み、
   前記循環流体圧回路系は、
   流体圧ポンプと、
   前記流体圧ポンプとで閉じた流路を形成する流体圧シリンダとを備え、
   前記流体圧シリンダは、第１動作部分としてのピストンを備え、前記流体圧ポンプが駆動されることにより前記第１動作部分は移動し、
   前記第１位置制御系は、前記流体圧シリンダの前記第１動作部分と、前記第１動作部分の位置を検出する第１位置センサと、前記流体圧ポンプを駆動する第１電気モータと、前記第１電気モータを駆動する制御器とから形成される閉じた制御系であり、
   前記制御器は、入力コマンドに応答して前記第１位置センサにより検出される前記第１動作部分の位置に基づいて前記第１電気モータに第１電流を供給して前記第１電気モータを駆動し、前記第１電気モータは、前記入力コマンドで指定される保持位置に前記第１動作部分が移動するように、前記流体圧ポンプを駆動し、前記第１動作部分が前記保持位置に達したとき、前記制御器は前記第１電気モータへの前記第１電流の供給を停止し、
   前記制御器は、前記第１動作部分を前記保持位置に保持するように前記第１位置センサにより検出される前記第１動作部分の位置に基づいて前記第１電気モータに第２電流を供給して前記第１電気モータを駆動し、前記第１動作部分を前記保持位置に保持し、
   さらに、第２位置制御系を含み、
   前記第２位置制御系は、前記流体圧ポンプに設けられた容量可変動体と、前記容量可変動体を駆動する第２電気モータと、前記容量可変動体の位置を検出する第２位置センサと、前記流体圧ポンプの吐出容量が所定値になるように、前記入力コマンドに応答して前記第２位置センサにより検出される前記容量可変動体の位置に基づいて前記第２電気モータを駆動する前記制御器とから形成される閉じた系であり、前記入力コマンドで指定される前記保持位置と前記第１位置センサにより検出される前記第１動作部分の位置とが概ね一致した時に、前記容量可変動体の位置を低吐出方向に駆動する
   アクチュエータ。
3. 請求項２において、
   前記容量可変動体と前記第２電気モータとの間に減速機が介設されている
   アクチュエータ。

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