JP7132524B2 - 流体圧ユニット - Google Patents

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Description

本開示は、流体圧ユニットに関する。
モータで油圧ポンプを駆動する場合、油圧ポンプの吐出量変動とモータのトルクリプルに起因して、油圧ポンプの吐出圧力に脈動が生じることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１－９０６６９号公報
ポンプの吐出圧力に脈動が生じているときに、ポンプから吐出される流体の圧力又は／及び流量の検出値に基づいて、ポンプを駆動するモータをインバータにより制御する場合、ポンプから吐出される流体の圧力又は／及び流量の安定性が低下することがある。
本開示は、ポンプから吐出される流体の圧力又は／及び流量の安定性の低下を抑制可能な流体圧ユニットを提供する。
本開示は、
インバータと、
前記インバータによって制御されるモータと、
前記モータにより駆動されて流体を吐出するポンプと、
前記流体の圧力又は／及び流量を検出する検出部と、
前記検出部による検出値に基づいて、前記ポンプの圧力又は／及び流量が所定の値となるように前記インバータを制御するコントローラと、
前記検出値に含まれる前記流体の脈動周波数成分により生ずる前記インバータの出力変化を抑制するように構成された抑制部と、を備える、流体圧ユニットを提供する。
この構成によれば、前記ポンプから吐出される流体の圧力又は／及び流量の安定性の低下を抑制できる。
上記の流体圧ユニットにおいて、
前記抑制部は、前記脈動周波数成分での抑制量に比べて、前記脈動周波数成分よりも高い周波数成分での抑制量を低くしてもよい。
この構成によれば、前記流体の脈動の周波数よりも高い周波数領域において、モータ及びポンプの応答性の低下を抑制できる。
上記の流体圧ユニットにおいて、
前記抑制部は、前記脈動周波数成分の周波数を阻止帯域に含むバンドストップフィルタでもよい。
この構成によれば、阻止帯域以外の周波数領域において、モータ及びポンプの応答性の低下を抑制できる。
上記の流体圧ユニットにおいて、
前記バンドストップフィルタは、前記脈動周波数成分の周波数を阻止帯域に含むノッチフィルタでもよい。
この構成によれば、阻止帯域以外の周波数領域において、モータ及びポンプの応答性の低下を更に抑制できる。
上記の流体圧ユニットにおいて、
前記阻止帯域は、前記ポンプの回転数に応じて変化してもよい。
この構成によれば、前記ポンプの回転数が変化しても、前記ポンプから吐出される流体の圧力又は／及び流量の安定性の低下を抑制できる。
上記の流体圧ユニットにおいて、
前記阻止帯域は、前記ポンプの回転数と前記ポンプの歯数との積に応じて変化してもよい。
この構成によれば、前記ポンプの回転数が変化しても、前記ポンプから吐出される流体の圧力又は／及び流量の安定性の低下を精度良く抑制できる。
上記の流体圧ユニットにおいて、
前記検出部は、前記流体の圧力を検出する圧力センサを含んでもよい。
この構成によれば、前記ポンプから吐出される流体の圧力の安定性の低下を精度良く抑制できる。
上記の流体圧ユニットにおいて、
前記検出部は、前記流体の流量を検出する流量センサを含んでもよい。
この構成によれば、前記ポンプから吐出される流体の流量の安定性の低下を精度良く抑制できる。
一実施形態における流体圧ユニットを備えるシステムの構成例を示す図である。 ポンプの吐出圧力の脈動を打ち消すようにインバータを制御する場合に安定した圧力波形を例示する図である。 ポンプの吐出圧力の脈動を打ち消すようにインバータを制御する場合に不安定な圧力波形を例示する図である。 検出値に含まれる流体の脈動周波数成分により生ずるインバータの出力変化の一例を示す図である。 検出値に含まれる流体の脈動周波数成分により生ずるインバータの出力変化が抑制された場合の一例を示す図である。 検出値に含まれる流体の脈動周波数成分により生ずるインバータの出力変化が抑制された場合の圧力波形を例示する図である。 流体圧ユニットの第１構成例を示す図である。 圧力－流量マップの一例を示す図である。 流体圧ユニットの第２構成例を示す図である。
以下、実施形態を説明する。
図１は、一実施形態における流体圧ユニットを備えるシステムの構成例を示す図である。図１に示すシステム１００は、流体圧ユニット２００から供給される流体によってアクチュエータ１３に所望の動作をさせる。システム１００は、流体圧ユニット２００、制御バルブ１９及びアクチュエータ１３を備える。アクチュエータ１３は、流体圧ユニット２００から供給される流体によって動作する負荷の一例である。アクチュエータ１３は、制御バルブ１９を介して、流体圧ユニット２００に接続される。
流体圧ユニット２００は、インバータ１７によって制御されるモータ１０によりポンプ１１を駆動し、タンク１２内の流体をシリンダなどのアクチュエータ１３に供給する。流体が油の場合、流体圧ユニットは、油圧ユニットとも称される。流体は、油などの液体に限られず、気体でもよい。
流体圧ユニット２００は、インバータ１７、モータ１０、ポンプ１１、タンク１２、圧力センサ１６、コントローラ２０及び抑制部３３を備える。
インバータ１７は、コントローラ２０から供給される指令（制御信号）に従って、モータ１０を制御する。インバータ１７は、モータ１０への供給電力を調整する回路であり、例えば、三相交流電流を出力する三相ブリッジ回路を有する。
モータ１０は、インバータ１７によって制御される同期電動機であり、インバータ１７から出力される交流電流により駆動される。
ポンプ１１は、インバータ１７によって制御されるモータ１０により駆動されて流体を吐出する。例えば、ポンプ１１は、タンク１２から吸入路１４を介して流体を吸い出して圧縮し、圧縮した流体を吐出路１５及び制御バルブ１９を経由してアクチュエータ１３に吐出する。アクチュエータ１３から出力される流体は、制御バルブ１９及び帰還路９を経由して、タンク１２に戻る。
図１に示す例では、吐出路１５は、ポンプ１１から吐出された流体が通る吐出管１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅを含む。流体圧ユニット２００側の吐出管１５ｂ，１５ｃを経由する吐出路と、アクチュエータ１３側の吐出管１５ｄ，１５ｅを経由する吐出路とは、接続点１５ａで互いに接続される。一方、帰還路９は、アクチュエータ１３から出力された流体が通る帰還管９ａ，９ｂを含む。
吐出管１５ｂ，１５ｃは、例えば、剛性が吐出管１５ｄ，１５ｅよりも高い。一例として、吐出管１５ｄ，１５ｅは、ゴムや樹脂等の弾性体により形成されたホースであり、吐出管１５ｂ，１５ｃは、弾性体よりも剛性が高い金属ブロックで形成された管である。帰還路９（帰還管９ａ，９ｂ）は、吐出路１５と同じ材質でも異なる材質でもよい。
圧力センサ１６は、ポンプ１１から吐出された流体の圧力を検出する検出部の一例であり、検出された流体の圧力（以下、検出圧力Ｐｄとも称する）を出力する。圧力センサ１６は、吐出路１５に流れる流体の圧力を検出し、この例では、ポンプ１１から吐出路１５の吐出管１５ｂに吐出された流体の圧力を吐出管１５ｃを介して検出する。
コントローラ２０は、圧力センサ１６による圧力検出値（図１に示す例では、検出圧力Ｐｄ）に基づいて、ポンプ１１から吐出される流体の圧力（吐出圧力Ｐｏ）が所定の値となるようにインバータ１７を制御する指令を出力する。例えば、コントローラ２０は、圧力センサ１６による圧力検出値に基づいて、ポンプ１１の吐出圧力Ｐｏが目標圧力となるように、インバータ１７を動作させて、モータ１０を制御する。目標圧力は、例えば、コントローラ２０の外部から供給される圧力指令により指定される。また、ポンプ１１から吐出路１５を経由してアクチュエータ１３の入力端での圧力を負荷圧力Ｐａという。
ところで、モータ１０でポンプを駆動するとき、ポンプ１１の吐出圧力Ｐｏがポンプ１１の駆動により脈動することによって、圧力センサ１６による圧力検出値に、流体の圧力脈動周波数成分が含まれる場合がある。この場合、コントローラ２０が圧力センサ１６による圧力検出値に基づいてインバータ１７を制御すると、圧力検出値に含まれる圧力脈動周波数成分によって、ポンプ１１の吐出圧力Ｐｏの安定性が低下することがある。
例えば、コントローラ２０が、圧力センサ１６による圧力検出値に基づいて、吐出圧力Ｐｏの脈動を打ち消すようにインバータ１７を制御する方法（脈動補償方法）を実行することで、図２に示すように、吐出圧力Ｐｏ及び負荷圧力Ｐａの脈動を抑制できる。しかしながら、脈動補償方法では、吐出圧力Ｐｏの脈動の周波数帯域が高くなると、コントローラ２０によるインバータ１７の制御帯域が不足して、図３に示すように、吐出圧力Ｐｏ及び負荷圧力Ｐａが不安定になる場合がある。例えば、コントローラ２０が制御帯域以上の脈動を打ち消すようにインバータ１７を制御すると、コントローラ２０からインバータ１７に供給される指令（制御信号）が振動し、吐出圧力Ｐｏ及び負荷圧力Ｐａがハンチングする場合がある。
図１に示す一実施形態における流体圧ユニット２００は、圧力センサ１６による圧力検出値に含まれる流体の圧力脈動周波数成分により生ずるインバータ１７の出力変化を抑制するように構成された抑制部３３を備える。抑制部３３によれば、圧力センサ１６による圧力検出値に含まれる流体の圧力脈動周波数成分により生ずるインバータ１７の出力変化が抑制されるので、ポンプ１１の吐出圧力Ｐｏ及び負荷圧力Ｐａの安定性の低下を抑制できる。
図４は、検出値に含まれる流体の脈動周波数成分により生ずるインバータの出力変化の一例を示す図である。コントローラ２０が圧力センサ１６による圧力検出値に基づいてインバータ１７を制御する場合、圧力センサ１６による圧力検出値に含まれる流体の圧力脈動周波数成分が、インバータ１７から出力される交流電流に重畳することがある。図４は、圧力センサ１６による圧力検出値に含まれる流体の圧力脈動周波数成分が、インバータ１７から出力される一相分の交流電流ｉｕに重畳している波形を例示する。インバータ１７から出力される他の相の交流電流（例えば、交流電流ｉｖ，ｉｗ）にも、同様の圧力脈動周波数成分が重畳する。
図１に示す抑制部３３は、圧力センサ１６による圧力検出値に含まれる流体の圧力脈動周波数成分により生ずるインバータ１７の出力交流電流の変化を抑制するので、図５に示すように、出力交流電流に重畳する圧力脈動周波数成分を抑制できる。吐出圧力Ｐｏの脈動を打ち消すようにインバータ１７は制御されないので、図６に示すように、吐出圧力Ｐｏには脈動が僅かに残る場合がある。しかしながら、接続点１５ａからアクチュエータ１３までの吐出路で圧力の脈動が減衰するので、アクチュエータ１３の入力端での負荷圧力Ｐａは、略一定になる。
抑制部３３は、圧力センサ１６による圧力検出値に含まれる流体の圧力脈動周波数成分での抑制量に比べて、当該圧力脈動周波数成分よりも高い周波数成分での抑制量を低くしてもよい。この構成によれば、流体の圧力脈動周波数よりも高い周波数領域において、モータ１０及びポンプ１１の応答性の低下を抑制できる。例えば、モータ１０及びポンプ１１の急峻な動作が阻害されることを抑制できる。
抑制部３３は、圧力センサ１６による圧力検出値に含まれる流体の圧力脈動周波数成分の周波数を阻止帯域に含むバンドストップフィルタでもよい。この構成によれば、阻止帯域以外の周波数領域において、モータ１０及びポンプ１１の応答性の低下を抑制できる。
バンドストップフィルタは、圧力センサ１６による圧力検出値に含まれる流体の圧力脈動周波数成分の周波数を阻止帯域に含むノッチフィルタでもよい。ノッチフィルタは、阻止帯域以外の周波数領域の信号が減衰しにくいので、阻止帯域以外の周波数領域において、モータ１０及びポンプ１１の応答性の低下を更に抑制できる。
バンドパスフィルタ又はノッチフィルタの阻止帯域は、ポンプ１１の回転数に応じて変化してもよい。この構成によれば、ポンプ１１の回転数が変化しても、その回転数に応じた適切な阻止帯域に調整されるので、ポンプ１１の吐出圧力Ｐｏの安定性の低下を抑制できる。
阻止帯域は、ポンプ１１の回転数とポンプ１１の歯数との積に応じて変化してもよい。この構成によれば、ポンプ１１の回転数が変化しても、ポンプ１１の吐出圧力Ｐｏの安定性の低下を精度良く抑制できる。
ポンプ１１の歯数は、一般に、９～１０数枚程度である。例えば、ポンプ１１が容積型ポンプの場合、ポンプ１１の回転数とポンプ１１の歯数との積に応じた脈動が吐出圧力Ｐｏに発生する。図４は、ポンプ１１の歯数が１３枚の場合において、５～１００［Ｈｚ］×１３［枚］の脈動周波数がインバータ１７の出力交流電流に重畳している波形を例示する。
なお、抑制部３３は、ハードウェア、又はハードウェアとソフトウェアとの協働により、構成されてもよい。
図７は、流体圧ユニットの第１構成例を示す図である。図７に示す構成のうち図１に示す構成と同様の構成についての説明は、上述の説明を援用することで、省略する。図７に示す流体圧ユニット２００Ａは、速度センサ１８を備えてもよい。速度センサ１８は、モータ１０の速度を検出し、検出された速度ωｄを出力する。
コントローラ２０は、検出された圧力Ｐｄに含まれる脈動周波数成分の周波数を阻止帯域に含むノッチフィルタ３２を有する。ノッチフィルタ３２は、速度センサ１８により検出された速度ωｄに応じて、阻止帯域（ノッチ周波数）を変化させる。あるいは、ノッチフィルタ３２は、後述の指令速度ω＊（より好ましくは、指令速度ω＊の単位時間前の旧速度ω＾）に応じて、阻止帯域（ノッチ周波数）を変化させる。これらのような構成によれば、ノッチフィルタ３２は、ポンプ１１の回転数に応じて変化する脈動周波数成分を含む周波数に阻止帯域を調整できるので、ポンプ１１から吐出される流体の圧力又は／及び流量の安定性の低下を抑制できる。
コントローラ２０は、圧力センサ１６で検出された圧力Ｐｄと、速度センサ１８で検出された速度ωｄに基づいて算出された流量Ｑｄと、目標圧力－目標流量－馬力制限からなるマップ（ＰＱマップともいう）２１とに基づいて、モータ１０を駆動するインバータ１７の動作を制御する。コントローラ２０により算出される流量Ｑｄは、ポンプ１１から吐出路１５に吐出された流体の流量Ｑの推定値を表す。
コントローラ２０は、検出速度ωｄ［１／ｓ］とポンプ１１の容積ｑ［ｍ３］とを乗算器３１により乗算することで、流量Ｑｄ［ｍ３／ｓ］を算出する。ポンプ１１の容積ｑは、不変なので、固定値である。コントローラ２０は、外部から供給される目標圧力Ｐｒと乗算器３１で算出された流量Ｑｄとに基づいてＰＱマップ２１から目標馬力Ｒｒを導出する。一方、コントローラ２０は、圧力センサ１６で検出された圧力Ｐｄと乗算器３１で算出された流量Ｑｄとを乗算器２３により乗算することによって、検出馬力Ｒｄ（＝Ｐｄ×Ｑｄ）を導出する。コントローラ２０は、減算器２２によって、目標馬力Ｒｒと検出馬力Ｒｄとの誤差Ｒｅ（＝Ｒｒ－Ｒｄ）を導出する。コントローラ２０は、誤差Ｒｅをゼロに近づける指令速度ω＊をＰＩＤ制御により導出するＰＩＤ制御部２４を有する（ＰＩＤにおいて、Ｐは、比例、Ｉは、積分、Ｄは、微分を表す）。指令速度ω＊は、ＰＩ制御により導出されてもよい。
コントローラ２０は、指令速度ω＊を不図示の遅延器により遅延させることによって、単位時間（例えば、制御周期）前の旧速度ω＾を算出し、旧速度ω＾［１／ｓ］とポンプ１１の容積ｑ［ｍ３］とを乗算器３１により乗算することで、流量Ｑｄ［ｍ３／ｓ］を算出してもよい。
コントローラ２０は、指令速度ω＊に基づいて、モータ１０を駆動するインバータ１７を動作させる指令電圧Ｖｒを設定する電圧設定部２９を有する。
コントローラ２０が備えるＰＩＤ制御部２４などの各部の機能は、メモリに読み出し可能に記憶されたプログラムによって、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit））が動作することにより実現される。
図８は、圧力－流量マップの一例を示す図である。ＰＱマップ２１は、最大設定流量Ｑ０に対応する最大流量直線と、最大馬力制限Ｌ０に対応する曲線からなる最大馬力曲線と、最高設定圧力Ｐ０に対応する最高圧力直線とから構成される。流量Ｑは、モータ１０の回転速度ω（回転数）とポンプ１１の容積ｑとの積に相当するので、回転速度ωと等価である。
コントローラ２０は、圧力センサ１６で検出された圧力Ｐｄと、検出速度ωｄ又は指令速度ω＊に基づいて算出された流量Ｑｄとが、ＰＱマップ２１内の設定圧力Ｐｎ－設定流量Ｑｎ－設定馬力曲線Ｌｎからなるライン上で動作するように、モータ１０を駆動するインバータ１７を動作させる。
図９は、流体圧ユニットの第２構成例を示す図である。図９に示す構成のうち図１，７に示す構成と同様の構成についての説明は、上述の説明を援用することで、省略する。図９に示す流体圧ユニット２００Ｂは、流量センサ８を備える。流量センサ８は、ポンプ１１から吐出路１５に吐出される流体の流量Ｑを検出する検出部の一例であり、検出された流体の流量Ｑｄ（以下、検出流量Ｑｄとも称する）を出力する。流量センサ８は、例えば、吐出路１５の吐出管１５ｂに流れる流体の流量Ｑを検出するが、吐出管１５ｄ又は吐出管１５ｅに流れる流体の流量Ｑを検出してもよい。コントローラ２０は、検出流量Ｑｄ［ｍ３／ｓ］を容積ｑ［ｍ３］で除算器３４により除算することで、検出速度ωｄ［１／ｓ］を算出する。
コントローラ２０は、検出された圧力Ｐｄに含まれる脈動周波数成分の周波数を阻止帯域に含むノッチフィルタ３２を有する。ノッチフィルタ３２は、コントローラ２０の除算器３４により検出された速度ωｄに応じて、阻止帯域（ノッチ周波数）を変化させる。この構成によれば、ノッチフィルタ３２は、ポンプ１１の回転数に応じて変化する脈動周波数成分を含む周波数に阻止帯域を調整できるので、ポンプ１１から吐出される流体の圧力又は／及び流量の安定性の低下を抑制できる。
以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。
例えば、コントローラ２０は、流量センサ８による流量検出値に基づいて、ポンプ１１の圧力又は／及び流量が所定の値となるようにインバータを制御してもよい。コントローラ２０は、吐出路１５の管路抵抗を用いて、流量センサ８により検出された流量から流体の圧力を算出できるからである。
８ 流量センサ
９ 帰還路
１０ モータ
１１ ポンプ
１２ タンク
１３ アクチュエータ
１４ 吸入路
１５ 吐出路
１６ 圧力センサ
１７ インバータ
１８ 速度センサ
１９ 制御バルブ
２０ コントローラ
３２ ノッチフィルタ
３３ 抑制部
１００ システム
２００，２００Ａ，２００Ｂ 流体圧ユニット

Claims (8)

  1. インバータと、
    前記インバータによって制御されるモータと、
    前記モータにより駆動されて流体を吐出するポンプと、
    前記流体の圧力又は／及び流量を検出する検出部と、
    前記検出部による検出値に基づいて、前記ポンプの圧力又は／及び流量が所定の値となるように前記インバータを制御するコントローラと、
    前記検出値に含まれる前記流体の脈動周波数成分により前記インバータの出力交流電流に重畳し且つ前記出力交流電流よりも周波数が高い脈動成分を抑制するように構成された抑制部と、を備える、流体圧ユニット。
  2. 前記抑制部は、前記脈動周波数成分での抑制量に比べて、前記脈動周波数成分よりも高い周波数成分での抑制量を低くする、請求項１に記載の流体圧ユニット。
  3. 前記抑制部は、前記脈動周波数成分の周波数を阻止帯域に含むバンドストップフィルタである、請求項２に記載の流体圧ユニット。
  4. 前記バンドストップフィルタは、前記脈動周波数成分の周波数を阻止帯域に含むノッチフィルタである、請求項３に記載の流体圧ユニット。
  5. 前記阻止帯域は、前記ポンプの回転数に応じて変化する、請求項３又は４に記載の流体圧ユニット。
  6. 前記阻止帯域は、前記ポンプの回転数と前記ポンプの歯数との積に応じて変化する、請求項５に記載の流体圧ユニット。
  7. 前記検出部は、前記流体の圧力を検出する圧力センサを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の流体圧ユニット。
  8. 前記検出部は、前記流体の流量を検出する流量センサを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の流体圧ユニット。
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