TWI789803B - 流體壓單元 - Google Patents

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横山貴裕
宮島孝幸
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日商大金工業股份有限公司
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Abstract

一種流體壓單元，包括：變流器；馬達，由該變流器控制；泵，由該馬達驅動以排出流體；偵測部，對該流體的壓力和/或流量進行偵測；控制器，基於該偵測部偵測出的偵測值對該變流器進行控制，以使該泵的壓力和/或流量變為預定值；以及抑制部，被構成為對因包含在該偵測值中的該流體的脈動頻率分量所產生的該變流器的輸出變化進行抑制。

Description

流體壓單元
本公開係關於一種流體壓單元。
已知一種技術，其在利用馬達對油壓泵進行驅動的情況下，由於油壓泵的排出量波動和馬達的轉矩漣波，因而在油壓泵的排出壓力上發生脈動（例如參見專利文獻1）。 ＜先前技術文獻＞  ＜專利文獻＞
專利文獻1：日本特開2001-90669號公報
＜發明所欲解決之問題＞
當在泵的排出壓力上發生脈動時，在基於從泵所排出的流體的壓力和/或流量的偵測值，利用變流器對用於驅動泵的馬達進行控制的情況下，從泵所排出的流體的壓力和/或流量的穩定性有時會降低。
本公開的目的在於提供一種流體壓單元，其能夠對從泵所排出的流體的壓力和/或流量的穩定性的降低進行抑制。 ＜解決問題之技術手段＞
本公開提供一種流體壓單元，包括：變流器；馬達，由該變流器控制；泵，由該馬達驅動以排出流體；偵測部，對該流體的壓力和/或流量進行偵測；控制器，基於該偵測部偵測出的偵測值對該變流器進行控制，以使該泵的壓力和/或流量變為預定值；以及抑制部，被構成為對因包含在該偵測值中的該流體的脈動頻率分量所產生的該變流器的輸出變化進行抑制。
根據該方案，能夠對從該泵所排出的流體的壓力和/或流量的穩定性的降低進行抑制。
在上述的流體壓單元中，該抑制部可以將高於該脈動頻率分量的頻率分量處的抑制量設為低於該脈動頻率分量處的抑制量。
根據該方案，能夠在高於該流體的脈動頻率的頻率區域中，對馬達和泵的響應性的降低進行抑制。
在上述的流體壓單元中，該抑制部可以是將該脈動頻率分量的頻率包含於阻帶中的帶阻濾波器。
根據該方案，能夠在阻帶以外的頻率區域中，對馬達和泵的響應性的降低進行抑制。
在上述的流體壓單元中，該帶阻濾波器可以是將該脈動頻率分量的頻率包含於阻帶中的陷波濾波器。
根據該方案，能夠在阻帶以外的頻率區域中，進一步對馬達和泵的響應性的降低進行抑制。
在上述的流體壓單元中，該阻帶可以根據該泵的旋轉數而變化。
根據該方案，即使該泵的旋轉數發生變化，亦能夠對從該泵所排出的流體的壓力和/或流量的穩定性的降低進行抑制。
在上述的流體壓單元中，該阻帶可以根據該泵的旋轉數與該泵的齒數之積而變化。
根據該方案，即使該泵的旋轉數發生變化，亦能夠對從該泵所排出的流體的壓力和/或流量的穩定性的降低精確地進行抑制。
在上述的流體壓單元中，該偵測部可以包括對該流體的壓力進行偵測的壓力感測器。
根據該方案，能夠對從該泵所排出的流體的壓力的穩定性的降低精確地進行抑制。
在上述的流體壓單元中，該偵測部可以包括對該流體的流量進行偵測的流量感測器。
根據該方案，能夠對從該泵所排出的流體的流量的穩定性的降低精確地進行抑制。
以下，對實施方式進行說明。
圖1是示出根據一個實施方式的具有流體壓單元的系統的構成示例的圖。圖1所示的系統100藉由從流體壓單元200供給的流體使致動器13進行所期望的動作。系統100包括流體壓單元200、控制閥19以及致動器13。致動器13是藉由從流體壓單元200供給的流體而進行動作的負載的一個示例。致動器13經由控制閥19而連接到流體壓單元200。
流體壓單元200利用由變流器17控制的馬達10來驅動泵11，並將槽12內的流體供給至缸體等致動器13。在流體為油的情況下，流體壓單元亦稱為油壓單元。流體不限於油等液體，亦可以是氣體。
流體壓單元200包括變流器17、馬達10、泵11、槽12、壓力感測器16、控制器20以及抑制部33。
變流器17根據從控制器20供給的指令（控制信號）來控制馬達10。變流器17是用於對向馬達10供給的供給電力進行調整的電路，例如具有用於輸出三相交流電流的三相橋式電路。
馬達10是由變流器17控制的同步電動機，並且由從變流器17輸出的交流電流驅動。
泵11被由變流器17所控制的馬達10驅動以排出流體。例如，泵11經由吸入路徑14從槽12中吸出流體並對其進行壓縮，並且經由排出路徑15和控制閥19將壓縮後的流體排出至致動器13。從致動器13輸出的流體經由控制閥19和回程路徑9返回至槽12。
在圖1所示的示例中，排出路徑15包括用於使從泵11排出的流體通過的排出管15b、15c、15d、15e。經由流體壓單元200側的排出管15b、15c的排出路徑與經由致動器13側的排出管15d、15e的排出路徑在連接點15a處彼此連接。另一方面，回程路徑9包括用於使從致動器13輸出的流體通過的回程管9a、9b。
例如，排出管15b、15c的剛性例如高於排出管15d、15e。作為一個示例，排出管15d、15e是由橡膠或樹脂等彈性體形成的軟管，排出管15b、15c是由剛性高於彈性體的金屬塊形成的管。回程路徑9（回程管9a、9b）可以是與排出路徑15相同的材質，也可以是與排出路徑15不同的材質。
壓力感測器16是對從泵11排出的流體的壓力進行偵測的偵測部的一個示例，並且將所偵測出的流體的壓力（以下亦稱為偵測壓力Pd）輸出。壓力感測器16對流過排出路徑15的流體的壓力進行偵測，在此示例中，經由排出管15c對從泵11向排出路徑15的排出管15b排出的流體的壓力進行偵測。
控制器20基於由壓力感測器16偵測出的壓力偵測值（在圖1所示的示例中，為偵測壓力Pd），輸出用於對變流器17進行控制的指令，以使從泵11排出的流體的壓力（排出壓力Po）變為預定值。例如，控制器20基於由壓力感測器16偵測出的壓力偵測值，使變流器17進行動作以對馬達10進行控制，從而使泵11的排出壓力Po變為目標壓力。目標壓力例如藉由從控制器20的外部供給的壓力指令來指定。另外，將經由排出路徑15而來自泵11的致動器13的輸入端處的壓力稱為負載壓力Pa。
然而，當利用馬達10對泵進行驅動時，由於泵11的排出壓力Po因泵11的驅動而發生脈動，因此有時會在壓力感測器16的壓力偵測值中包含流體的壓力脈動頻率分量。在此情況下，若控制器20基於壓力感測器16的壓力偵測值對變流器17進行控制，則有時會因壓力偵測值中包含的壓力脈動頻率分量，使得泵11的排出壓力Po的穩定性降低。
例如，控制器20藉由基於壓力感測器16的壓力偵測值，來執行對變流器17進行控制的方法（脈動補償方法）以消除排出壓力Po的脈動，從而如圖2所示，能夠對排出壓力Po和負載壓力Pa的脈動進行抑制。然而，在脈動補償方法中，若排出壓力Po的脈動的頻帶較高，則控制器20針對變流器17的控制頻帶會不足，從而如圖3所示，排出壓力Po和負載壓力Pa有時會變得不穩定。例如，若控制器20以消除控制頻帶以上的脈動的方式對變流器17進行控制，則從控制器20向變流器17供給的指令（控制信號）有時會振動，並且排出壓力Po和負載壓力Pa有時會震盪（hunting）。
圖1所示的根據一個實施方式的流體壓單元200包括抑制部33，抑制部33被構成為對因包含在壓力感測器16的壓力偵測值中的流體的壓力脈動頻率分量所產生的變流器17的輸出變化進行抑制。利用抑制部33，由於因包含在壓力感測器16的壓力偵測值中的流體的壓力脈動頻率分量所產生的變流器17的輸出變化被抑制，因此能夠對泵11的排出壓力Po和負載壓力Pa的穩定性的降低進行抑制。
圖4是示出因偵測值中包含的流體的脈動頻率成分所產生的變流器的輸出變化的一個示例的圖。在控制器20基於壓力感測器16的壓力偵測值對變流器17進行控制的情況下，壓力感測器16的壓力偵測值中包含的流體的壓力脈動頻率分量有時會疊加在從變流器17輸出的交流電流上。圖4示例性地示出了壓力感測器16的壓力偵測值中包含的流體的壓力脈動頻率分量疊加在從變流器17輸出的一個相份的交流電流iu上的波形。在從變流器17輸出的另一個相的交流電流（例如交流電流iv、iw）上亦疊加有同樣的壓力脈動頻率分量。
由於圖1所示的抑制部33對因壓力感測器16的壓力偵測值中包含的流體的壓力脈動頻率分量所產生的變流器17的輸出交流電流的變化進行抑制，因此如圖5所示，能夠對在輸出交流電流上疊加的壓力脈動頻率分量進行抑制。由於未以消除排出壓力Po的脈動的方式對變流器17進行控制，因此如圖6所示，有時會在排出壓力Po中殘留有微少的脈動。然而，由於壓力的脈動在從連接點15a到致動器13的排出路徑中衰減，因此致動器13的輸入端處的負載壓力Pa為大致恆定。
抑制部33可以將高於壓力感測器16的壓力偵測值中包含的流體的壓力脈動頻率分量的頻率分量處的抑制量設為低於該壓力脈動頻率分量處的抑制量。根據該方案，能夠在高於流體的壓力脈動頻率的頻率區域中，對馬達10和泵11的響應性的降低進行抑制。例如，能夠對馬達10和泵11的急劇的動作受到阻礙的情況進行抑制。
抑制部33可以是將壓力感測器16的壓力偵測值中包含的流體的壓力脈動頻率分量的頻率包含於阻帶中的帶阻濾波器。根據該方案，能夠在阻帶以外的頻率區域中，對馬達10和泵11的響應性的降低進行抑制。
帶阻濾波器可以是將壓力感測器16的壓力偵測值中包含的流體的壓力脈動頻率分量的頻率包含於阻帶中的陷波濾波器（notch filter）。由於阻帶以外的頻率區域的信號難以衰減，因此陷波濾波器能夠在阻帶以外的頻率區域中，進一步對馬達10和泵11的響應性的降低進行抑制。
帶阻濾波器或陷波濾波器的阻帶可以根據泵11的旋轉數而變化。根據該方案，即使該泵11的旋轉數發生變化，由於調整為與該旋轉數相應的適當的阻帶，因此亦能夠對泵11的排出壓力Po的穩定性的降低進行抑制。
阻帶可以根據泵11的旋轉數與泵11的齒數之積而變化。根據該方案，即使泵11的旋轉數發生變化，亦能夠對泵11的排出壓力Po的穩定性的降低精確地進行抑制。
泵11的齒數一般為約9~10片以上。例如，在泵11為容積式泵的情況下，在排出壓力Po中產生與泵11的旋轉數和泵11的齒數的乘積相應的脈動。圖4示例性地示出了在泵11的齒數為13片的情況下，5~100[Hz]×13[片]的脈動頻率疊加在變流器17的輸出交流電流上的波形。
需要說明的是，抑制部33可以藉由硬體、或硬體與軟體的協同而構成。
圖7是示出流體壓單元的第一構成示例的圖。關於針對圖7所示的構成之中的與圖1所示的構成同樣的構成的說明，藉由援引上述說明，因而省略該說明。圖7所示的流體壓單元200A可以包括速度感測器18。速度感測器18對馬達10的速度進行偵測，並將偵測出的速度ωd輸出。
控制器20具有陷波濾波器32，該陷波濾波器32將偵測出的壓力Pd中包含的脈動頻率分量的頻率包含於阻帶中。陷波濾波器32根據由速度感測器18偵測出的速度ωd，使阻帶（陷波頻率）變化。或者，陷波濾波器32根據後述的指令速度ω*(更優選為指令速度ω*的單位時間前的舊速度ω^)，使阻帶(陷波頻率)變化。根據該些方案，由於陷波濾波器32能夠將阻帶調整為包含根據泵11的旋轉數而變化的脈動頻率分量的頻率，因此能夠對從泵11排出的流體的壓力和/或流量的穩定性的降低進行抑制。
控制器20基於由壓力感測器16偵測出的壓力Pd、基於由速度感測器18偵測出的速度ωd所計算出的流量Qd、以及由目標壓力－目標流量－馬力限制構成的圖（亦稱為PQ圖)21，對用於驅動馬達10的變流器17的動作進行控制。由控制器20計算出的流量Qd表示從泵11排出到排出路徑15的流體的流量Q的估計值。
控制器20藉由利用乘法器31將偵測速度ωd[1/s]與泵11的容積q[m 3]進行乘法計算，從而計算流量Qd[m 3/s]。由於泵11的容積q是不變的，因此其為固定值。控制器20基於從外部供給的目標壓力Pr和由乘法器31計算出的流量Qd，從PQ圖21中導出目標馬力Rr。另一方面，控制器20藉由利用乘法器23將由壓力感測器16偵測出的壓力Pd與由乘法器31計算出的流量Qd進行乘法計算，從而導出偵測馬力Rd(=Pd×Qd)。控制器20利用減法器22，導出目標馬力Rr與偵測馬力Rd之間的誤差Re(=Rr-Rd)。控制器20具有PID控制部24，該PID控制部24藉由PID控制來導出用於使誤差Re接近於零的指令速度ω*（在PID中，P表示比例，I表示積分，D表示微分）。指令速度ω*可以藉由PI控制而導出。
控制器20可以藉由利用未圖式的延遲器使指令速度ω*延遲，從而計算單位時間（例如控制週期）前的舊速度ω^，並且藉由利用乘法器31將舊速度ω^[1/s]與泵11的容積q[m 3]進行乘法計算，從而計算流量Qd[m 3/s]。
控制器20具有電壓設定部29，該電壓設定部29基於指令速度ω*對用於使驅動馬達10的變流器17進行動作的指令電壓Vr進行設定。
控制器20所具有的PID控制部24等的各部的功能藉由利用以可讀取的方式記憶於記憶體中的程式，使處理器（例如，CPU（Central Processing Unit：中央處理單元））進行動作來實現。
圖8是示出壓力－流量圖的一個示例的圖。PQ圖21由與最大設定流量Q0對應的最大流量直線、由與最大馬力限制L0對應的曲線構成的最大馬力曲線、以及與最高設定壓力P0對應的最高壓力直線構成。由於流量Q相當於馬達10的旋轉速度ω(旋轉數)與泵11的容積q的乘積，因此與旋轉速度ω等價。
控制器20以使由壓力感測器16偵測出的壓力Pd、以及基於偵測速度ωd或指令速度ω*計算出的流量Qd在PQ圖21內的由設定壓力Pn－設定流量Qn－設定馬力曲線Ln構成的線上進行動作的方式，使用於驅動馬達10的變流器17進行動作。
圖9是示出流體壓單元的第二構成示例的圖。關於針對圖9所示的構成之中的與圖1、圖7所示的構成同樣的構成的說明，藉由援引上述說明，因而省略該說明。圖9所示的流體壓單元200B可以包括流量感測器8。流量感測器8是用於對從泵11向排出路徑15排出的流體的流量Q進行偵測的偵測部的一個示例，並且將偵測出的流體的流量Qd(以下亦稱為偵測流量Qd)輸出。雖然流量感測器8例如對流過排出路徑15的排出管15b的流體的流量Q進行偵測，但是亦可以對流過排出管15d或排出管15e的流體的流量Q進行偵測。控制器20藉由利用除法器34將偵測流量Qd[m 3/s]除以容積q[m 3]，從而計算偵測速度ωd[1/s]。
控制器20具有陷波濾波器32，該陷波濾波器32將偵測出的壓力Pd中包含的脈動頻率分量的頻率包含於阻帶中。陷波濾波器32根據由控制器20的除法器34偵測出的速度ωd，使阻帶（陷波頻率）變化。根據該方案，由於陷波濾波器32能夠將阻帶調整為包含根據泵11的旋轉數而變化的脈動頻率分量的頻率，因此能夠對從泵11排出的流體的壓力和/或流量的穩定性的降低進行抑制。
雖然以上對實施方式進行了說明，但是應當理解，在不脫離申請專利範圍的宗旨和範圍的情況下，可以對形態或細節進行各種改變。可以進行與其他實施方式的一部分或全部的組合或替換等各種變形和改進。
例如，控制器20可以基於流量感測器8的流量偵測值，以使泵的壓力和/或流量變為預定值的方式對變流器進行控制。其原因在於，控制器20能夠使用排出路徑15的管路阻力，根據由流量感測器8偵測出的流量來計算流體的壓力。
本國際申請係主張基於2020年7月3日申請的日本發明專利申請案第2020-115853號的優先權，該日本發明專利申請案第2020-115853號的全部內容係藉由參照而併入本國際申請中。
8:流量感測器 9:回程路徑 10:馬達 11:泵 12:槽 13:致動器 14:吸入路徑 15:排出路徑 16:壓力感測器 17:變流器 18:速度感測器 19:控制閥 20:控制器 32:陷波濾波器 33:抑制部 100:系統 200,200A,200B:流體壓單元
圖1是示出根據一個實施方式的具有流體壓單元的系統的構成示例的圖。 圖2是示例性地示出在以消除泵的排出壓力的脈動的方式對變流器進行控制的情況下穩定的壓力波形的圖。 圖3是示例性地示出在以消除泵的排出壓力的脈動的方式對變流器進行控制的情況下不穩定的壓力波形的圖。 圖4是示出因偵測值中包含的流體的脈動頻率成分所產生的變流器的輸出變化的一個示例的圖。 圖5是示出因偵測值中包含的流體的脈動頻率成分所產生的變流器的輸出變化被抑制的情況下的一個示例的圖。 圖6是示例性地示出因偵測值中包含的流體的脈動頻率成分所產生的變流器的輸出變化被抑制的情況下的壓力波形的圖。 圖7是示出流體壓單元的第一構成示例的圖。 圖8是示出壓力－流量圖的一個示例的圖。 圖9是示出流體壓單元的第二構成示例的圖。
9:回程路徑
9a,9b:回程管
10:馬達
11:泵
12:槽
13:致動器
14:吸入路徑
15:排出路徑
15a:連接點
15b,15c,15d,15e:排出管
16:壓力感測器
17:變流器
19:控制閥
20:控制器
33:抑制部
100:系統
200:流體壓單元
Pa:負載壓力
Pd:偵測壓力
Po:排出壓力

Claims (10)

  1. 一種流體壓單元，包括：變流器；馬達，由該變流器控制；泵，由該馬達驅動以排出流體；偵測部，對該流體的壓力和/或流量進行偵測；控制器，基於該偵測部偵測出的偵測值對該變流器進行控制，以使該泵的壓力和/或流量變為預定值；以及抑制部，被構成為藉由包含在該偵測值中的該流體的壓力和/或流量的脈動頻率分量，對重疊於該變流器的輸出交流電流且較上述輸出交流電流之頻率更高的脈動成分進行抑制。
  2. 如請求項1之流體壓單元，其中，該抑制部將高於該脈動頻率分量的頻率分量處的抑制量設為低於該脈動頻率分量處的抑制量。
  3. 如請求項2之流體壓單元，其中，該抑制部是將該脈動頻率分量的頻率包含於阻帶中的帶阻濾波器。
  4. 如請求項3之流體壓單元，其中，該帶阻濾波器是將該脈動頻率分量的頻率包含於阻帶中的陷波濾波器。
  5. 如請求項3之流體壓單元，其中，該阻帶根據該泵的旋轉數而變化。
  6. 如請求項4之流體壓單元，其中，該阻帶根據該泵的旋轉數而變化。
  7. 如請求項5之流體壓單元，其中，該阻帶根據該泵的旋轉數與該泵的齒數之積而變化。
  8. 如請求項6之流體壓單元，其中，該阻帶根據該泵的旋轉數與該泵的齒數之積而變化。
  9. 如請求項1至8中任一項之流體壓單元，其中，該偵測部包括對該流體的壓力進行偵測的壓力感測器。
  10. 如請求項1至8中任一項之流體壓單元，其中，該偵測部包括對該流體的流量進行偵測的流量感測器。
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