JP4893401B2

JP4893401B2 - インバータ駆動液圧装置

Info

Publication number: JP4893401B2
Application number: JP2007074088A
Authority: JP
Inventors: 光生久保
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2027-03-22
Also published as: JP2008232045A

Description

本発明は、液圧装置に関し、さらに詳細には圧力液体を供給する可変容量形液圧ポンプを電動モータにより駆動するインバータ駆動液圧装置に関する。

従来、この種のインバータ駆動液圧装置は、特許文献１に示すように、吐出圧力に基づく油圧制御によって吐出量可変要素の位置を機械的に制御する圧力調整機構を有する可変容量形油圧ポンプを、可変速モータで駆動し、この可変速モータの回転速度をインバータ装置で制御することで省エネを図っている。前記可変容量形油圧ポンプの吐出圧力を検出し、検出した吐出圧力と予め設定された回転数条件とに基づいて、コントローラが可変速モータの回転数指令を作成して、インバータに指令することにより可変速モータの回転数制御を行うものであり、コントローラに予め設定される回転数条件は、特許文献１の図４に例示されるようなアクチュエータ側が要求する作動油の流量の変化に合わせて、図５のように吐出圧力と回転数の関係を定めている。

そして、吐出圧力が可変容量形油圧ポンプのカットオフ開始圧力より低い場合には、検出した吐出圧力と予め回転数条件に基づいて流量制御系で行われる可変速モータの回転数制御によって吐出流量が制御される。吐出圧力がカットオフ開始圧力以上の場合には、吐出圧力に基づいて機械的にポンプ容量が小さくなる圧力調整機構により吐出流量と吐出圧力が制御され、このときの可変速モータの回転数は、その吐出圧力を安定して維持できるだけの予め設定された回転数条件に基づいて制御されるため、省エネルギーの運転が可能となっている。
さらに、より省エネ効果を高めるためには、ポンプのカットオフ開始圧力からカットオフ圧力までの間についても、圧力上昇に応じてモータの回転数を減少させる回転数条件とすればよいことが記載されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１７２３０２号公報

しかしながら、特許文献１は、可変容量形油圧ポンプの圧力調整機構による圧力制御が働いている領域で、可変速モータによる流量制御も同時に行うことになり、それぞれの制御機能が干渉して、振動（ハンチング）状態を引き起こす危険性がある。
例えば、吐出圧力が上昇した場合、圧力調整機構でポンプ容量を小さくして流量を減らすように制御が働くと同時に、回転数条件による回転数制御でも回転数を下げて流量を減らす制御が働くことになる。本来、独立の制御に他方の制御が加わることで、本来よりも過剰な流量の低下を招き、圧力が低下する。圧力が低下すると、圧力調整機構と回転数制御の両方で流量を増やす制御が働き、圧力が上昇する。このようにして、ポンプの圧力調整機構とモータの回転数制御が振動（ハンチング）状態を引き起こすことになる。

さらに、カットオフ開始圧力からカットオフ圧力までの圧力幅（オーバーライド）が大きい図９のようなＰＱ特性のポンプ、つまり、圧力調整機構による吐出圧力（Ｐ）に対する流量（Ｑ）の変化が小さい場合には、回転数条件が図１０のように吐出圧力（Ｐ）の変化（ΔＰ）に対する回転数（Ｎ）の変化（ΔＮ）も小さいため、ハンチングの危険性は小さい。
しかし、工作機械のクランプやチャックで用いられるポンプのＰＱ特性としては、図１１のようなシャープカットオフ特性のＰＱ特性が望ましいが、この場合は圧力調整機構による流量変化が大きいのに加えて、回転数条件が図１２のようになり、小さな圧力の変化幅（ΔＰ）に対して回転数の変化（ΔＮ）も大きいため、二つの制御機能によるハンチングが避けられない。
インバータ装置は高周波のノイズを出すことはよく知られており、インバータを使用する省エネユニットでは、ノイズは避けられない。圧力は電気信号で検出しているが、圧力センサ信号にノイズが乗り検出圧力値がわずかに変化した場合にも回転数を大きく変化させてしまうため、これが原因でハンチングを引き起こすこともある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、ハンチングの起きにくい制御が可能なインバータ駆動液圧装置を提供するものである。

上記の課題を達成するために、請求項１記載の発明は、圧力調整機構を有する可変容量形油圧ポンプと、
前記可変容量形油圧ポンプを駆動する可変速モータと、
前記可変速モータを駆動するインバータ装置と、
前記可変容量形油圧ポンプの吐出圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段により検出された検出圧力と、
前記インバータ装置から得られる検出トルクと予め設定した回転数条件とから回転数を算出し、該インバータ装置に指令するコントローラと、
を備え、
前記上記コントローラは、前記検出圧力と前記予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数と、前記インバータ装置から得られる検出トルクと前記予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数とを、前記検出圧力が予め設定したポンプカットオフ開始圧力値よりも低い場合には、該検出圧力と予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数を出力し、前記検出圧力が前記ポンプカットオフ開始圧力値よりも高い場合には、前記インバータ装置から得られる検出トルクと予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数を出力することを特徴とする。
本発明によれば、トルク変動に対する回転数変動が小さくなり、ハンチングが抑えられる。

請求項２記載の発明において、前記インバータ装置から得られるモータ負荷情報と予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数は、モータ負荷が大きな場合に高く、モータ負荷が小さな場合に低くなるようにしているので、モータトルク（モータ負荷）が大きな場合に回転数を高くして流量を確保し、モータトルクが小さい場合には回転数を低くして必要な分だけの流量を確保して省エネを図ることができるので、好適である。

本発明は、ハンチングの起きにくい制御が可能なインバータ駆動液圧装置を提供することができる。

本発明に係るインバータ駆動液圧装置について、好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら、以下、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るインバータ駆動液圧装置１０の全体ブロック図を示す。図１に示すようにインバータ駆動液圧装置１０は、基本的には可変容量形油圧ポンプである斜板式可変容量形ピストンポンプ（以下、可変ポンプという）１１と、可変速モータ１２と、インバータ制御装置１３と、圧力検出手段である圧力センサー１４と、コントローラ１５とで主に構成されている。
可変ポンプ１１には圧力調整機構１６が内蔵されており、該可変ポンプ１１の吐出圧力がばね部材１７の弾発力により付勢されて圧力調整ねじ１８で設定された圧力より若干低い圧力、すなわちカットオフ開始圧力に達すると吐出圧力で制御され、吐出流量は圧力調整機構１６によって機械的に制御されるようになっている。
図２に示すように、コントローラ１５は、ＲＯＭ２1と、ＲＡＭ２２と、ＣＰＵ２３と、アナログ信号入力部２４、２５と、アナログ信号出力部２６とを、備える。

コントローラ１５においては、ＲＯＭ２１に記憶されて図３に示すプログラムに従ってＣＰＵ２３が圧力センサー１４により検出された検出圧力信号２７を読み取るアナログ信号入力部２４及びインバータ制御装置１３により検出された可変速モータ１２の検出トルク（モータトルク）信号２８を読み取るアナログ信号入力部２５と、検出圧力信号２７、検出トルク信号２８とを読み取り回転数指令を算出してアナログ信号出力部２６を介して回転数指令信号２９を出力する。

ここで、コントローラ１５がインバータ制御装置１３から得られる検出トルクと予め設定した回転数条件とから、アクチュエータ側が要求する作動油の流量変化に合わせた回転数指令を算出することができる根拠について説明する。
一般にポンプの吐出圧力Ｐとポンプ容量ｑ及びポンプ軸トルクＴの関係は、式（１）で表される。

Ｐ×ｑ＝２π・Ｔ・ηｍ（１）
ここで、Ｐ：吐出圧力、ｑ：ポンプ容量、Ｔ：ポンプ軸トルク（モータ軸トルク）、
ηｍ：ポンプの機械効率を表す。
また、ポンプ回転数をＮ、容積効率をηｖとすると、ポンプの吐出流量Ｑは式（２）で表せる。

Ｑ＝ｑ・Ｎ・ηｖ／１０００（２）
一方、可変ポンプ１１の吐出圧力をＰ及び吐出流量をＱとすると、該可変ポンプ１１のＰＱ特性は、図４のように示される。
図４において、可変ポンプ１１の吐出圧力Ｐがポンプカットオフ開始圧力Ｐ_Ｃより低い領域Ａの範囲では、該可変ポンプ１１の可変機構は作動せずポンプ容量ｑは一定である。
よって、（1）式より、吐出圧力Ｐとポンプ軸トルクＴは比例することが容易に諒解されよう。すなわち、Ｐ∝Ｔの関係にある。

また、図４において可変ポンプ１１の吐出圧力Ｐがポンプカットオフ開始圧力Ｐ_Ｃより高い領域Ｂの範囲では、該可変ポンプ１１の可変機構は作動して吐出圧力Ｐによってポンプ容量ｑを減少させ、吐出圧力Ｐを略一定に保つように制御される。これによれば、図４のＰＱ特性の領域Ｂの範囲において、Ｂa側では流量が多く、逆にＢｂ側では流量はほとんど要らない。
ここで、領域Ｂの範囲では、吐出圧力Ｐは略一定とみなせるので、図５に示すように、（１）式よりポンプ容量ｑとポンプ軸トルクＴは比例することが理解できる。
すなわち、ｑ∝Ｔの関係にある。
図５から判ることは、領域Ｂの範囲では、流量が必要なＢａ側ではトルクは大きく、逆に流量がほとんど要らないＢｂ側ではトルクは小さくなる。
また、図５において、横軸に示すポンプ容量ｑと縦軸に示すポンプ軸トルクＴとの座標軸を入れ替えて領域Ｂの範囲についてのみプロットとすると、図６のように表示することができる。
このことから、領域Ｂの範囲では検出トルクの情報により、必要な流量の判断ができることが判る。
つまり、モータトルク（モータ負荷）が大きな場合には回転数を高くして流量を確保し、モータトルクが小さい場合には回転数を低くして必要な分だけの流量を確保して省エネを図ることができる。

図３によりコントローラ１５のプログラムについて説明する。インバータ駆動液圧装置１０を作動後、ステップ１で圧力センサー１４により検出された検出圧力信号２７と、インバータ制御装置１３により検出された検出トルク信号２８とを、読み込む。
ステップ２で可変ポンプ１１のポンプカットオフ開始圧力Ｐｃと吐出圧力Ｐとを比較し、吐出圧力Ｐがポンプカットオフ開始圧力Ｐｃより大きい場合、すなわち、「ＹＥＳ」の場合にはＲＯＭ２１に設定された回転数条件「トルク−回転数」から検出トルクＴに対応する回転数指令を算出し、該回転数指令を回転数指令信号２９としてインバータ制御装置１３に出力し、以下ステップ１から作動を繰り返す。
一方、吐出圧力Ｐがポンプカットオフ開始圧力Ｐｃより小さい場合、すなわち、「ＮＯ」の場合にはＲＯＭ２１に設定された回転数条件「吐出圧力−回転数」から検出圧力Ｐに対応する回転数指令を算出し、該回転数指令信号２９をインバータ制御装置１３に出力し、以下、ステップ１から作動を繰り返す。
ここで、より最適な回転数条件の設定の手順について説明する。検出圧力がポンプカットオフ開始圧力Ｐｃより低い場合は、図３の「吐出圧力−回転数」の回転数条件から回転数を算出し、ポンプカットオフ開始圧力Ｐｃより高い場合は、図３の「トルク−回転数」の回転数条件から回転数を算出するが、検出圧力がポンプカットオフ開始圧力Ｐｃのときには、どちらの条件で回転数を求めても同じ回転数になるようにすることで、切り換え時の回転数の変動がない連続的な回転数の切り換えができる。より具体的には、図３のプログラムにおける回転数条件「吐出圧力−回転数」おけるポンプカットオフ開始圧力Ｐｃ時の回転数と、吐出圧力がポンプカットオフ開始圧力Ｐｃ時の検出トルクＴに対して回転数条件「トルク−回転数」から求められる回転数が同じになるように、回転数条件「吐出圧力−回転数」と回転数条件「トルク−回転数」を決める。

以上、説明したように本発明によれば、検出圧力と予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数と、インバータ装置から得られる検出トルクと予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数とを切り換えて出力することにより、ハンチングの起きにくい制御が可能なインバータ駆動液圧装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るインバータ駆動液圧装置を示す全体ブロック図である。図１のコントローラの構成図である。図２のコントローラのプログラムである。図１の可変ポンプの吐出圧力Ｐと流量Ｑとの関係を示す線図である。ポンプ容量ｑとポンプ軸トルクＴが比例する状態を示す説明図である。図５のポンプ容量ｑとポンプ軸トルクＴとの座標軸を入れ替えた線図である。図３に示す回転数条件「吐出圧力―回転数」の詳細図である。図３に示す回転数条件「トルク―回転数」の詳細図である。特許文献１におけるカットオフ開始圧力からカットオフ圧力までの圧力幅（オーバーライド）が大きいポンプのＰＱ特性の状態を示す補足線図である。特許文献１における吐出圧力Ｐの変化（ΔＰ）と回転数Ｎの変化（ΔＮ）との関係を示す補足説明図である。工作機械のクランプやチャックで用いられるポンプのＰＱ特性の状態を示す線図である。図１１の吐出圧力Ｐの変化（ΔＰ）と回転数Ｎの変化（ΔＮ）との関係を示す補足説明図である。

符号の説明

１０インバータ駆動液圧装置１１斜板式可変容量形ピストンポンプ
１２可変速モータ１３インバータ制御装置
１４圧力センサー１５コントローラ
１６圧力調整機機構２１ＲＯＭ
２２ＲＡＭ２３ＣＰＵ
２４、２５アナログ信号入力部２６アナログ信号出力部

Claims

圧力調整機構を有する可変容量形油圧ポンプと、
前記可変容量形油圧ポンプを駆動する可変速モータと、
前記可変速モータを駆動するインバータ装置と、
前記可変容量形油圧ポンプの吐出圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段により検出された検出圧力と、
前記インバータ装置から得られる検出トルクと予め設定した回転数条件とから回転数を算出し、該インバータ装置に指令するコントローラと、
を備え、
前記上記コントローラは、前記検出圧力と前記予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数と、前記インバータ装置から得られる検出トルクと前記予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数とを、前記検出圧力が予め設定したポンプカットオフ開始圧力値よりも低い場合には、該検出圧力と予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数を出力し、前記検出圧力が前記ポンプカットオフ開始圧力値よりも高い場合には、前記インバータ装置から得られる検出トルクと予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数を出力することを特徴とするインバータ駆動液圧装置。
請求項１記載のインバータ駆動液圧装置において、
前記インバータ装置から得られる検出トルクと予め設定した回転数条件との関係から算出した回転数は、モータ負荷が大きな場合に高く、モータ負荷が小さな場合に低くなることを特徴とするインバータ駆動液圧装置。