JPH05202902A

JPH05202902A - 駆動力補助装置

Info

Publication number: JPH05202902A
Application number: JP1224492A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Nakao; 裕利中尾
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokimec Inc
Priority date: 1992-01-27
Filing date: 1992-01-27
Publication date: 1993-08-10

Abstract

(57)【要約】【目的】負荷装置を駆動する電気駆動手段の駆動力不
足を補うと共に、減速行程での負荷の慣性エネルギを回
収して次の加速行程でそれを放出できるようにして、消
費エネルギの節約を計る。【構成】負荷装置１とそれを駆動する電気駆動手段で
あるサーボモータ４との間に、正負両方向に容量可変範
囲を有する可変容量形油圧アクチュエータである油圧モ
ータ５を配置し、そのヨーク５ａの傾斜角による容量変
化を電気信号に比例してフィードバック制御するように
すると共に、減速時に上記容量変化が負側になった際
に、可変容量形油圧モータ５によって発生される油圧力
を回収するためのアキュムレータ１３と切換弁１２によ
る蓄圧手段を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、慣性重量を含む負荷
装置を駆動するための可変容量形油圧アクチュエータを
用いた電動機（サーボモータ）等の電気駆動手段のトル
ク補助装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】負荷装置を回転駆動するための動力源と
しては、電動機（モータ）や油圧モータ等を使用するの
が一般的であるが、慣性重量を含む負荷装置の速度もし
くは位置を高精度に制御するのに適した動力源として
は、電気−油圧パルスモータがある。

【０００３】これは、電気パルスの指令に従って油圧モ
ータの出力を出す機構であり、種々の形式のものがある
がその代表的な例として、電気パルスモータによるＡ−
Ｄ変換部と、そのパルスモータの回転を減速する減速歯
車部と、その減速された回転によってスプールが駆動さ
れるサーボ弁とそれを介して圧油が供給される油圧モー
タ（例えばアキシャルピストンモータ）と加え合わせ点
とからなるサーボ機構部とによって構成される電気−油
圧パルスモータがある。

【０００４】この電気−油圧パルスモータは、パルス信
号によって電気パルスモータがそのパルス数に応じた角
度だけ回転すると、それに応じてサーボ弁のスプールが
減速回転され、その回転角度と油圧モータの回転角度が
等しくなるまで油圧モータ出力軸を回転させ、負荷を精
度よく回転駆動することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の負荷駆動源では、慣性負荷を加速するのに用い
たエネルギを、負荷の減速時には圧力損失による熱エネ
ルギとして無駄に放散していた。すなわち、負荷装置の
慣性モーメントをＩとして、角速度ω(rad/sec）迄加速
するのに必要なエネルギ(１／２)Ｉω²（ジュール）が
減速時に消費されることになる。一般には、平均定常負
荷動力Ｗ1（ワット)が存在するため、単位時間ｔ1 の消
費動力（Ｗｔ）は次の数１で表わされる。なお、数１に
おけるＮは単位時間内に負荷装置を加速する回数であ
る。

【０００６】

【数１】Ｗｔ＝Ｗ1＋Ｎ・(１／２)Ｉω²／ｔ1 （ワット）Ｗｔ・ｔ1 ＝Ｗ1・ｔ1＋(Ｎ／２)Ｉω²（ジュール）

【０００７】この発明は上記の点に着目してなされたも
のであり、慣性重量を含む負荷装置を駆動する電気−油
圧式動力源において、減速行程における慣性エネルギを
回収して、次の加速行程でそれを放出できるようにし
て、消費エネルギの節約を計ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するため、負荷装置とそれを駆動する電気駆動手段
との間に正負両方向に容量可変範囲を有する可変容量形
油圧アクチュエータを配置し、その容量変化を電気信号
に応じてフィードバック制御する手段と、減速時に前記
容量変化が負側になった際に前記可変容量形油圧アクチ
ュエータによって発生される油圧力を回収する蓄圧手段
とを設けた駆動力補助装置を提供するものである。

【０００９】

【作用】この発明による駆動力補助装置は、慣性重量を
含む負荷装置を駆動する電動機等の電気駆動手段で不足
する駆動力を油圧アクチュエータの出力トルクで補助す
る。その油圧アクチュエータとして可変容量形油圧アク
チュエータを使用し、且つその容量可変範囲を負側まで
拡大して油圧ポンプとして動作可能にしたので、減速行
程においてポンプ作用をなし、それによって発生される
油圧力を蓄圧手段によって回収する。

【００１０】したがって、前述の数１に示した減速時に
消費される慣性エネルギの大部分を回収し、次行程の加
速時にそれを放出して利用することができ、極めて省エ
ネルギ性に優れた動力源となる。また、可変容量形油圧
アクチュエータの容量変化を電気信号に比例してフィー
ドバック制御することにより高精度に出力トルクを制御
し、負荷装置の速度もしくは位置を高精度で制御するこ
とができる。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて具
体的に説明する。図１及び図２はこの発明の一実施例を
示す駆動力補助装置を用いた慣性負荷駆動装置の構成図
であり、本来は１つの図であるが、スペースの関係上主
として機構及び油圧回路部を図１とし、電気回路部を図
２として分割して示しており、両図における〜のそ
れぞれ同一番号の信号線が互いに接続される。

【００１２】図１において、１はフライホイール等の慣
性重量を含む負荷装置で、軸受３に支持された駆動軸２
を介して電気駆動手段であるサーボモータ４によって回
転駆動される。この負荷装置１とサーボモータ４との間
の駆動軸２上に、正負両方向に容量可変範囲を有する可
変容量形油圧アクチュエータである油圧モータ５を配置
しており、サーボモータ４で不足する駆動力（トルク）
を油圧モータ５の出力トルクで補助する。

【００１３】油圧モータ５は、容量可変要素であるヨー
ク（斜板）５ａと、駆動軸２を中心に環状に配列されて
それぞれ先端部がヨーク５ａに回動可能に係着された多
数のピストン５ｂとを備えており、ヨーク５ａの傾斜角
度によって容量が可変し、それに応じて出力トルク（回
転力）も変化する。

【００１４】そのヨーク５ａは、スプリング６とシリン
ダ７の力のバランス点Ｑの移動によって、駆動軸２の軸
線Ｌ上の点Ｐを中心に不作動の水平（軸線Ｌに直交す
る）位置から正負両方向へ回動する。図では正方向に回
動した傾斜状態を実線で、負方向に回動した傾斜状態を
破線で示している。そして、このヨーク５ａの傾斜角度
を容量フィードバックセンサ８によって検出する。シリ
ンダ７は、電磁アクチュエータ９によってスプール１０
ａの位置が制御されるサーボ弁１０によつて供給油圧が
制御され、ピストン位置を可変してヨーク５ａを回動さ
せ、その傾斜角を変える。

【００１５】油圧モータ５の低圧側はタンク１１に接続
され、高圧側はチエック弁付きの三位置電磁切換弁（以
下単に「切換弁」と称す）１２を介して蓄圧器であるア
キャムレータ１３とさらにチェック弁１４を介してサブ
ポンプ１５に接続される。その高圧側の油圧回路１８と
タンク１１の間には、安全のためのリリーフ弁１６と、
高圧側が負圧になった場合にのみタンク１１から油を補
給するためのチェック弁１７も介挿している。この油圧
ポンプ５の高圧側の油圧回路１８の油圧を圧力計１９に
よって常時計測する。また、サーボ弁１０のＰポートに
は、アキュムレータ１３及びサブポンプ１５から油圧回
路２０を介して常時圧油を供給している。

【００１６】切換弁１２は、信号ａ，ｂによって切換制
御され、信号ａ，ｂが共にローレベル（“Ｌ”）のとき
は図示の中立位置ではアキュムレータ１３及びサブポン
プ１５側の油圧回路２０と油圧モータ５側の油圧回路１
８とをブロックしているが、信号ａがハイレベル
（“Ｈ”）になると、図で下側の位置となって内蔵のチ
ェック弁１２ａを介して両油圧回路を接続する。それに
よつて、サブポンプ１５及び（又は）アキュムレータ１
３から油圧モータ５に圧油を供給する。

【００１７】また、信号ｂがハイレベル（“Ｈ”）にな
ると、図で上側の位置となって内蔵のチェック弁１２ｂ
を介して両油圧回路を接続する。それによつて、油圧モ
ータ５側の油圧回路１８の圧力がアキュムレータ１３の
圧力より高ければ、それをアキュムレータ１３に蓄圧す
る。その際、チェック弁１４は閉じ、サブポンプ１５へ
の圧油の逆流を阻止する。なお、油圧回路２０を別の回
路に接続して、複数の装置を並列に動作させることも可
能である。

【００１８】次に図２は、この図１におけるサーボモー
タ４及び油圧モータ５等を駆動制御して、負荷装置１の
回転速度を制御するための回路である。２１は正逆転切
換回路で、常閉接点Ｓ１を有する回路と、反転アンプ２
２と常開接点Ｓ２との直列回路とを並列に設けており、
正転指令の場合には、図示のとうり常閉接点Ｓ１が閉じ
常開接点Ｓ２が開いていて、入力端子２２入力される速
度指令Ａ（０〜５ｖ）をそのまま速度指令Ｂとして出力
する。

【００１９】逆転指令の場合には、常閉接点Ｓ１が開い
て常開接点Ｓ２が閉じ、速度指令Ａを反転アンプ２１で
極性反転して０〜−５ｖの速度指令Ｂとして出力する。
すなわち、この正逆転切換回路２１は、入力される正の
速度指令Ａ（０〜５ｖ）を、回転方向に応じた極性の速
度指令Ｂ（０〜±５ｖ）にして出力する。

【００２０】一方、この速度指令Ｂを入力する入力端子
２４とサーボモータ４との間に、Ｆ／Ｖ変換器２５，プ
リアンプ２６，補償アンプ２７，及びパワーアンプ２８
によるサーボループを構成している。Ｆ／Ｖ変換器２５
は、サーボモータ４に設けられたパルスジェネレータＰ
Ｇによって駆動軸２の回転速度に応じた周波数で発生さ
れるパルス信号を入力し、それを周波数／電圧変換して
駆動軸２の回転速度に応じた電圧信号をフィードバック
信号として出力する。

【００２１】そして、入力端子２４から入力する速度指
令ＢとＦ／Ｖ変換器２５から出力されるフィードバック
信号との差をとって、その誤差分をプリアンプ２６に入
力させ、その出力を補償アンプ２７で補償してトルク指
令とし、そのトルク指令に応じてパワーアンプ２８がサ
ーボモータ４に駆動電流を流し、駆動軸２を速度指令Ｂ
の極性及び大きさに応じた方向及び速度で回転させるよ
うに制御する。

【００２２】しかし、小型のサーボモータ４で負荷装置
１を加速するとき、負荷装置１の慣性重量が大きい場合
には充分なトルクが発生しないため、上記サーボループ
の最終段（パワーアンプ２８の入力）のトルク指令は大
きな値になるが、これを駆動力補助装置の指令値として
用いる。

【００２３】駆動力補助装置の油圧モータ５は、その容
量が電気信号による容量（傾斜角）指令値に対して比例
的に変化するように、サーボ弁１０によって制御される
が、このときのサーボ弁１０に対する指令値は、容量フ
ィードバックセンサ８により、容量を補償する値となる
ように、プリアンプ３０及び補償・パワーアンプ３１，
電磁アクチュエータ９，及び容量フィードバックセンサ
８によって、フィードバック制御回路であるサーボルー
プが組まれている。

【００２４】ところで、油圧モータ５の駆動軸２に対す
るトルクＴは、供給される圧力をＰとヨーク５ａの傾き
によって決まる容量をＶとの積に比例する。すなわち、
Ｔ∝Ｐ・Ｖとなる。したがって、圧力（油圧回路１８
内の油圧）が略一定であれば、トルクＴは容量Ｖに比例
するため、前述のトルク指令を容量（斜板角）指令とし
て受け渡すものとする。容量Ｖ×圧力Ｐは、負荷装置１
の慣性エネルギ＋α（油圧モータ５の損失分）とする。

【００２５】しかし、この実施例ではアキュムレータ１
３を用いているので、油圧回路１８内の油圧はアキュム
レータ１３のチャージ圧に依存するため、一定ではない
場合が考えられる。そのため、油圧回路１８の回路圧を
圧力計１９によつて測定してフィードバックし、除算回
路２９によつて補償アンプ２７から出力されるトルク指
令をフィードバツクされた実回路圧値で除すことによ
り、正確な容量指令に変換することができる。このよう
にすることによつて、油圧モータ５の回転トルクを高精
度に制御することが可能になる。そして、サーボモータ
４で不足する駆動力を油圧モータ５で補助することがで
きる。

【００２６】さらに、この実施例では図１に示した切換
弁１２を切り換え制御するために、正逆転切換回路２１
と同様な正逆転切換回路３２と、不感帯付きの切換信号
発生回路３４とを設けている。正逆転切換回路２１は、
常閉接点Ｓ３を有する回路と、反転アンプ３３と常開接
点Ｓ４との直列回路とを並列に設けており、正転指令の
場合には図示のとうり常閉接点Ｓ３が閉じ常開接点Ｓ４
が開いていて、入力されるトルク指令をそのまま出力
し、逆転指令の場合には常閉接点Ｓ３が開いて常開接点
Ｓ４が閉じ、トルク指令を反転アンプ３３で極性反転し
て出力する。

【００２７】切換信号発生回路３４は、入力されるトル
ク指令（電圧信号）を０.１ｖの比較電圧ＡＰと比較す
るコンパレータ３５と、−０.１ｖの比較電圧ＢＰと比
較するコンパレータ３６と、インバータ３７とからなり
る。入力が−０.１ｖ〜０.１ｖの間では出力信号ａ，
ｂが共に“Ｌ”になるように不感帯を設けて、切換弁１
２がハンチングしてバタ付くのを防止している。

【００２８】そして、トルク指令は正転加速時には正の
値、逆転加速時には負の値になるが、正逆転切換回路面
３２の出力はいずれも正の値になり、それが０.１ｖ以
上になるとコンパレータ３５の出力が“Ｈ”から“Ｌ”
に反転し、インバータ３７によって反転された信号ａが
“Ｈ”になる。このとき、コンパレータ３６の出力であ
る信号ｂは“Ｌ”のままであるから、切換弁１２は内蔵
のチェック弁１２ａによって油圧回路１８と２０を接続
するように切り換わる。それによつて、サブポンプ１５
及び（又は）アキュムレータ１３から油圧モータ５に圧
油を供給する。

【００２９】これに対し、正転減速時にはトルク指令が
負の値に、逆転減速時にはトルク指令が正の値になる
が、正逆転切換回路３２の出力はいずれも負の値にな
り、それが−０.１ｖ以下になると、コンパレータ３６
の出力信号ｂが“Ｌ”から“Ｈ”に反転し、コンパレー
タ３５の出力は“Ｈ”のままでインバータ３７の出力信
号ａは“Ｌ”のままであるから、切換弁１２は内蔵のチ
ェック弁１２ｂによって油圧回路１８と２０を接続する
ように切り換わる。

【００３０】このとき油圧モータ５はそのヨーク５ａが
負の傾斜角になるように回動制御され、負荷装置１の慣
性回転力によって回転されてポンプとして作用し、油圧
回路１８に吐出圧を出力するが、それを切換弁１２のチ
ェック弁１２ｂを通してアキュムレータ１３に蓄圧（チ
ャージ）する。したがって、負荷装置１の慣性による動
力エネルギを減速時に回収してアキュムレータ１３に蓄
えることができる。

【００３１】このアキュムレータ１３に回収したエネル
ギは、次の加速工程で切換弁１２が再びチェック弁１２
ａ側に切り換った際に放出（ディスチャージ）して、油
圧モータ５に供給し、有効に利用することができる。す
なわち、切換弁１２はアキュムレータ１３のチャージ／
ディスチャージを切り換える作用をなす。

【００３２】図３は、油圧モータ５のヨーク５ａの傾斜
角を可変させる機構の他の例を示す図であり、図１に示
した実施例におけるスプリング６とシリンダ７に代え
て、一対のシリンダ７Ａ，７Ｂを対向させて設け、その
両シリンダ７Ａ，７Ｂのピストンとヨーク５ａとを連結
してヨーク５ａを回動させるようにし、その両シリンダ
７Ａ，７Ｂを電磁アクチュエータ９によりスプールが移
動されるサーボ弁１０′によって制御するようにしたも
のである。このようにした方が、前述の実施例よりも精
度よくヨーク５ａの角度を制御でき、油圧モータ５の容
量及びそれに比例する出力トルクをより高精度に制御す
ることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
る駆動力補助装置を使用すれば、小型のサーボモータ等
の電気駆動手段では発生できなかった大トルクを発生で
きるばかりか、慣性重量の大きな負荷装置を駆動する場
合には、その減速時の動力回収機能によって高い省エネ
ルギ性を有する動力源を実現できる。それによって、大
型のサーボモータ等の電気駆動手段を使用する必要がな
くなり、コストダウンを図ることができ、省エネルギ性
によってランニングコストも大幅に低減できるばかり
か、発熱量の低下により冷却装置の大幅な削減も可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す駆動力補助装置を用
いた慣性負荷駆動装置の機構及び油圧回路部の構成図で
ある。

【図２】同じくその電気回路部の構成図である。

【図３】図１における油圧モータ５のヨーク５ａの傾斜
角を可変させる機構の他の例を示す構成図である

【符号の説明】

１負荷装置２駆動軸３軸受４サーボモータ
（電気駆動手段）５可変容量形油圧アクチュエータ（油圧モータ）５ａヨーク（容量可変要素）５ｂピストン６スプリング７，７Ａ，７Ｂシ
リンダ８容量フィードバックセンサ９電磁アクチュエ
ータ１０，１０′ サーボ弁１１タンク１２切換弁１３アキュムレー
タ１４チェック弁１５サブポンプ１６リリーフ弁１８油圧ポンプ側
の油圧回路１９圧力計２０アキュムレー
タ側の油圧回路２１正逆転切換回路２３速度指令Ａ入
力端子２４速度指令Ｂ入力端子２５Ｆ／Ｖ変換器２６，３０プリアンプ２７補償アンプ２８パワーアンプ２９除算回路３１補償・パワーアンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】負荷装置とそれを駆動する電気駆動手段
との間に正負両方向に容量可変範囲を有する可変容量形
油圧アクチュエータを配置し、その容量変化を電気信号
に応じてフィードバック制御する手段と、減速時に前記
容量変化が負側になった際に前記可変容量形油圧アクチ
ュエータによって発生される油圧力を回収する蓄圧手段
とを設けたことを特徴とする電動機のトルク補助装置。