JP4635282B2 - 自律形インバータ駆動油圧ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータで可変速モータを駆動して油圧ポンプを駆動する油圧ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、油圧ユニットとしては、油圧ポンプを駆動するサーボモータを、アクチュエータの動作に応じて、圧力制御時には、外部（主機側）から入力された圧力指令信号と、圧力センサが検出した油圧ポンプの吐出圧力を表す圧力信号との偏差を表す圧力制御信号で制御する一方、流量制御時には、外部から入力された流量指令信号と、回転センサが検出した流量に相当するサーボモータの回転速度信号との偏差を表す流量制御信号で制御するようにしたものがある（特開平５−１９６００１号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の油圧ユニットでは、外部から圧力指令信号と流量指令信号を入力するために、入力信号線が必要であるため、油圧ユニットの回りがこの入力信号線と電源線とで煩雑になるという問題があった。
【０００４】
そこで、この発明の課題は、外部から入力信号線を接続する必要のない油圧ユニットを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
【０００７】
【０００８】
【０００９】
この発明の自律形インバータ駆動油圧ユニットは、
油圧ポンプと、
この油圧ポンプを駆動する可変速モータと、
この可変速モータを駆動するインバータと、
この油圧ポンプの負荷を検出する負荷センサと、
上記可変速モータまたは油圧ポンプの回転速度を検出する回転センサと、
上記油圧ポンプから吐出される流体の圧力および流量が、予め定められた目標圧力−流量特性線上の圧力および流量となるように、上記負荷センサと回転センサとの出力に基づいて、インバータに制御信号を出力するコントローラと、
上記コントローラに、電圧を降下させて直流電力を供給するコントローラ用電源回路と、
外部の交流電源から交流電力を受けて、上記インバータと上記コントローラ用電源回路とに直流電力を供給するコンバータと
を備え、
上記目標圧力−流量特性線は、最大流量直線と、最大馬力曲線または擬似最大馬力線と、最高圧力直線とからなり、
上記コントローラは、上記負荷センサと回転センサとの出力と上記目標圧力−流量特性線とに基づいて目標馬力を演算する目標馬力演算部と、上記負荷センサと回転センサとの出力に基づいて現在馬力を演算する現在馬力演算部と、上記目標馬力と現在馬力とを比較してインバータに制御信号を出力する比較部とを有し、
上記目標馬力演算部は、
上記最大流量直線と最大馬力曲線との交点と原点とを結ぶ第１直線と、最大馬力直線と最高圧力直線との交点と原点とを結ぶ第２直線とを記憶していて、縦軸と最大流量直線と第１直線とによって囲まれた第１領域と、第１直線，第２直線と最大馬力曲線とによって囲まれた第２領域と、第２直線と最高圧力直線と横軸とによって囲まれた第３領域とを定義しており、
上記目標馬力演算部は、
上記回転センサから入力された現在回転速度と、負荷センサから入力された現在圧力を表す信号とを受けて、この現在流量と現在圧力で表される現在の運転状態を表す点が、上記第１、第２及び第３領域のどの領域に属するかを演算によって識別できるようになっており、
上記目標馬力演算部は、
上記現在の運転状態を表す点が、第１領域に属するときには、最大設定流量×現在圧力＝目標馬力とし、現在の運転状態を表す点が、第２領域に属するときには、最大設定馬力＝目標馬力とし、また、現在の運転状態を表す点が、第３領域に属するときには、最高設定圧力×現在流量＝目標馬力とし、このようにして求めた目標馬力を比較部に入力する
ことを特徴としている。
【００１０】
上記構成によれば、上記コントローラの目標馬力演算部は、外部から指令信号を受けることなく、上記負荷センサと回転センサとの出力と上記目標圧力−流量特性線とに基づいて目標馬力を演算する。一方、上記現在馬力演算部は、負荷センサと回転センサとの出力に基づいて現在馬力を演算する。そして、上記比較部は、上記目標馬力と現在馬力とを比較してインバータに、現在馬力が目標馬力になるように、制御信号を出力する。このようにすることによって、簡単に、油圧ポンプから吐出される流体の流量および圧力が目標圧力−流量特性線上の値になる。
【００１１】
請求項２の発明の自律形インバータ駆動油圧ユニットは、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の自律形インバータ駆動油圧ユニットにおいて、上記負荷センサは上記可変速モータに流れる電流を検出する電流センサであることを特徴としている。
【００１２】
上記構成によれば、上記負荷センサは可変速モータに流れる電流を検出する電流センサであるから、簡単に、油圧ポンプの吐出圧力を検出できる。
【００１３】
請求項３の発明の自律形インバータ駆動油圧ユニットは、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の自律形インバータ駆動油圧ユニットにおいて、上記負荷センサは油圧ポンプの吐出ラインの圧力を検出する圧力センサであることを特徴としている。
【００１４】
上記構成によれば、上記負荷センサは油圧ポンプの吐出ラインの圧力を検出する圧力センサであるから、直接に、油圧ポンプの吐出ラインの圧力を正確に検出することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１６】
図１に示すように、この自律形インバータ駆動油圧ユニットＪは、例えばギアポンプ、トロコイドポンプ、ベーンポンプ、ピストンポンプ等の固定容量形油圧ポンプ１を例えばスイッチトリラクタンスモータ、埋め込み磁石形モータ（ＩＰＭ）等の可変速モータ２で駆動し、この可変速モータ２をインバータ３で駆動している。上記固定容量形油圧ポンプ１の吐出流量に相当する可変速モータ２の回転速度を回転センサ６で検出し、固定容量形油圧ポンプ１の吐出ラインの流体の圧力を負荷センサの一例としての圧力センサ６で検出している。上記インバータ３は、上記回転センサ５および圧力センサ６の出力を受けるコントローラ１１からの制御信号によって、図示しないトランジスタのスイッチングを制御して、可変速モータ２を介して固定容量形油圧ポンプ１の回転数を制御している。このコントローラ１１には、この自律形インバータ駆動油圧ユニットＪの外部からの流量指令信号や圧力指令信号を入力していなくて、上記回転センサ５および圧力センサ６の出力に基づいて、後記するように、自律的に固定容量形油圧ポンプ１の流量および圧力を制御するようにしている。
【００１７】
一方、交流電源（商用電源）１５からの電源線を電源接続端子１６に接続して、コンバータ１７に交流電力を供給している。このコンバータ１７から出力された平滑化された直流電力をインバータ３に供給すると共に、コントローラ用電源回路１８に供給している。このコントローラ用電源回路１８は、電圧を例えば５Ｖに降下させて、コントローラ１１に低電圧の直流電力を供給している。上記コンバータ１７とコントローラ用電源回路１８とで電源装置を構成している。
【００１８】
上記コントローラ１は、マイクロコンピュータからなり、設定手段の一例としての設定スイッチ２１，２２，２３と、目標馬力演算部２５と、現在馬力演算部２６と、比較部２７と、補償演算部２８とを有する。上記設定スイッチ２１，２２，２３は、夫々、最高設定圧力、最大設定流量、最大設定馬力を目標馬力演算部２５の図示しない記憶部に予め入力する。上記目標馬力演算部２５は、上記最高設定圧力、最大設定流量、最大設定馬力に基づいて、図２に示す目標圧力−流量特性線（に相当する情報）を作成して、記憶部に記憶する。この目標圧力−流量特性線は、図２に示すように、上記最大設定流量に対応する最大流量直線ＭＶと、上記最大設定馬力に対応する双曲線からなる最大馬力曲線ＭＨＰと、上記最高設定圧力に対応する最高圧力直線ＭＰとからなる。また、上記目標馬力演算部２５は、最大流量直線ＭＶと最大馬力曲線ＭＨＰとの交点Ｓと原点Ｏとを結ぶ直線ＳＯと、最大馬力直線ＭＨＰと最高圧力直線ＭＰとの交点Ｔと原点Ｏとを結ぶ直線ＴＯとを記憶していて、縦軸（流量軸）と最大流量直線ＭＶと直線ＳＯとによって囲まれた領域ａと、直線ＳＯ，ＴＯと最大馬力曲線ＭＨＰとによって囲まれた領域ｂと、直線ＴＯと最高圧力直線ＭＰと横軸（圧力軸）とによって囲まれた領域ｃとを定義している。さらに、上記目標馬力演算部２５は、上記回転センサ５から入力された回転速度、つまり、現在流量を表す信号と、圧力センサ６から入力された現在圧力を表す信号とを受けて、この現在流量と現在圧力で表される図２上の点、つまり、現在の運転状態を表す点（現在圧力，現在流量）が、上記領域ａ，ｂ，ｃのどの領域に属するかを演算によって識別できるようになっている。この演算は、領域ａ，ｂ，ｃの境界を定める直線あるいは曲線に対してその点（現在圧力，現在流量）がどちらにあるかを定める演算であって、上記直線あるいは曲線の式に上記点の座標（現在圧力，現在流量）を代入して正負を見るものである。
【００１９】
さらにまた、上記目標馬力演算部２５は、
図２において現在流量と現在圧力で表される現在の運転状態を表す点（現在圧力，現在流量）が、上記領域ａに属するときには、
目標馬力＝最大設定流量ＭＶ×現在圧力
とし、
また、図２において現在流量と現在圧力で表される現在の運転状態を表す点（現在圧力，現在流量）が、領域ｂに属するときには、
目標馬力＝最大設定馬力
とし、
また、図２において現在流量と現在圧力で表される現在の運転状態を表す点（現在圧力，現在流量）が、領域ｃに属するときには、
目標馬力＝最高設定圧力ＭＰ×現在流量
として、各領域ａ，ｂ，ｃにおける目標馬力を演算して、比較部２７に出力する。
【００２０】
一方、上記現在馬力演算部２６は、回転センサ５から受けた信号の表す可変速モータ２の回転速度、つまり、現在流量と、圧力センサ６から受けた信号の表す現在圧力との積である現在馬力を求めて、この現在馬力（＝現在流量×現在圧力）を比較部２７に出力する。この比較部２７は、上記目標馬力と現在馬力との偏差を求めて、この偏差を表す制御信号を補償演算部２８に出力する。この補償演算部２８では、上記制御信号に、例えば、ＰＩ（比例積分）演算等の補償演算を行って、インバータ３に出力して、可変速モータ２の回転速度を制御して、現在馬力が目標馬力に一致するようにしている。すなわち、固定容量形油圧ポンプ１から出力される流体の圧力および流量を表す点（現在圧力，現在流量）が、図２に示す目標圧力−流量特性線の上に載るように、外部から指令圧力信号および指令流量信号を受けることなく、現在圧力および現在流量に基づいて、自律的な制御をするようになっている。
【００２１】
上記構成の自律形インバータ駆動油圧ユニットにおいて、今、回転センサ５で検出した現在流量と、圧力センサ６で検出して現在圧力で表される現在の運転状態を表す点（現在圧力，現在流量）が、図２の領域ａに属するときには、目標馬力演算部２５は、最大設定流量ＭＶ×現在圧力＝目標馬力とする。また、目標馬力演算部２５は、現在の運転状態を表す点（現在圧力，現在流量）が、図２の領域ｂに属するときには、最大設定馬力＝目標馬力とし、また、現在の運転状態を表す点（現在圧力，現在流量）が、図２の領域ｃに属するときには、最高設定圧力ＭＰ×現在流量＝目標馬力とする。目標馬力演算部２５は、このようにして求めた目標馬力を比較部２７に入力する。この比較部２７は、この目標馬力と現在馬力演算部２６から受けた現在馬力との偏差を求めて、この偏差を表す制御信号を補償演算部２８を介してインバータ３に入力して、可変速モータ２の回転数を制御して、現在馬力が目標馬力に一致するようにする。したがって、固定容量形油圧ポンプ１から出力される流体の圧力および流量を表す点（現在圧力，現在流量）が、図２に示す目標圧力−流量特性線の上に載る。
【００２２】
このように、この自律形インバータ駆動油圧ユニットは、外部から指令圧力信号および指令流量信号を受けることなく、現在圧力および現在流量に基づいて、固定容量形油圧ポンプ１から出力される流体の圧力および流量を表す点（現在圧力，現在流量）が、図２に示す目標圧力−流量特性線の上に載るように、自律的な制御を行うのである。したがって、この自律形インバータ駆動油圧ユニットは、指令圧力信号および指令流量信号のための入力信号線を接続する必要がなくて、周りの配線が簡単になる。
【００２３】
また、例えば、図２の領域ｃの保圧時においては、縦軸（流量軸）に略平行な最高圧力線ＭＰ上の点の小流量を固定容量形油圧ポンプ１が吐出するように、コントローラ１１はインバータ３を介して可変速モータ２を低速で回転させて、少ない吐出流量の状態で、圧力を最高設定圧力ＭＰに保持する。したがって、可変速モータ２および固定容量形油圧ポンプ１は必要以上の回転速度で回転することがなくなって、ロス馬力が少なくて省エネルギーを達成でき、かつ、騒音を低減できる。一方、図２の領域ａで示す大きな流量を必要とするが圧力を必要としないときには、横軸（圧力軸）に略平行な最大流量直線ＭＶ上の点の小さな圧力に固定容量形油圧ポンプ１の吐出圧力がなるように、コントローラ１１はインバータ３を介して可変速モータ２を回転させる。したがって、可変速モータ２および固定容量形油圧ポンプ１は必要以上の回転速度で回転することがなくなって、ロス馬力が少なくて省エネルギーを達成でき、かつ、騒音を低減できる。また、最大馬力を必要とするときには、最大馬力曲線ＭＨＰ上の値になるように、コントローラ１１はインバータ３を介して可変速モータ２を回転させる。
【００２４】
上記実施の形態では、コントローラ１１の目標馬力演算部２５で、図２の領域ａ，ｂ，ｃのどの領域に現在の運転状態を表す点（現在圧力，現在流量）があるかによって、上記目標圧力−流量特性線に基づいて目標馬力を演算して、比較部２７からインバータ３に上記目標馬力と現在馬力との偏差を表す制御信号を出力して、現在馬力が目標馬力になるようにしているので、簡単に、固定容量形油圧ポンプ１から吐出される流体の流量および圧力を表す点（現在圧力，現在流量）が目標圧力−流量特性線上の値になるようにすることができる。
【００２５】
さらに、この実施の形態では、電源装置をコンバータ１７とコントローラ用電源回路１８とによって構成しているので、電源接続端子１６に交流電源（商用電源）１５の電源線を接続するだけで、指令信号のための入力信号線を接続することなく、コントローラ１１およびインバータ３に電力を供給できて、固定容量形油圧ポンプ１から吐出される流体の圧力および流量を、現在圧力および現在流量に基づいて、自律的に、図２の目標圧力−流量特性線上の値にすることができる。したがって、自律形インバータ駆動油圧ユニットＪの回りに入力信号線がなくなって、回りがすっきりする。
【００２６】
上記実施の形態では、目標圧力−流量特性線は、最大流量直線と最大馬力曲線と最高圧力直線とからなるが、最大馬力曲線に代えて斜線あるいは折れ線からなる擬似最大馬力線を用いてもよい。また、上記目標圧力−流量特性線は、動作上最も好ましい任意の曲線あるいは折れ線であってもよい。
【００２７】
また、上記実施の形態では、現在圧力と現在流量が、目標圧力−流量特性線上の値にするために、領域ａ，ｂ，ｃごとに目標馬力を求めているが、現在の運転状態を表す点（現在圧力，現在流量）と目標圧力−流量特性線との最短距離を求め、この最短距離となる目標圧力−流量特性線上の点の圧力と流量との積を目標馬力としてもよい。
【００２８】
さらに、上記実施の形態では、負荷センサとして圧力センサ６を用いたが、この圧力センサ６に代えて、可変速モータ２の電流を検出する図示しない電流センサを用いてもよい。この電流センサは、可変容量型固定容量形油圧ポンプ１の吐出流体の圧力を、その圧力に相当する値を有する電流を介して簡単に検出できる。
【００２９】
また、上記実施の形態では、設定スイッチ２１，２２，２３を用いて、最高設定圧力、最大設定流量、最大設定馬力を設定するようにしたが、ＥＥＰＲＯＭあるいはフラッシュメモリを用いて、これらに最高設定圧力、最大設定流量、最大設定馬力を出荷後あるいは出荷前に書き込むようにしてもよい。
【００３０】
また、上記実施の形態では、目標馬力と現在馬力との偏差を求めて、制御信号を得るようにしているが、目標圧力と現在圧力との偏差と、目標流量と現在流量との偏差とに基づいて、制御信号を得るようにしてもよい。
【００３１】
また、上記実施の形態では、交流電源（商用電源）１５を用いているから、電源装置にコンバータ１７を設けていたが、直流電源（バッテリ）を用いる場合には、コンバータ１７は不用である。
【００３２】
また、上記実施の形態では、固定容量形油圧ポンプを用いたが、流量の上限値が変更できる可変容量形油圧ポンプを用いてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
【００３４】
【００３５】
この発明の自律形インバータ駆動油圧ユニットによれば、コントローラの目標馬力演算部が、外部から指令信号を受けることなく、負荷センサと回転センサとの出力と目標圧力−流量特性線とに基づいて目標馬力を演算する一方、現在馬力演算部が、負荷センサと回転センサとの出力に基づいて現在馬力を演算すると共に、比較部が、上記目標馬力と現在馬力とを比較して、現在馬力が目標馬力になるように、インバータに制御信号を出力するので、簡単に、油圧ポンプから吐出される流体の流量および圧力が目標圧力−流量特性線上の値になるようにすることができる。
【００３６】
請求項２の発明の自律形インバータ駆動油圧ユニットによれば、負荷センサは可変速モータに流れる電流を検出する電流センサであるので、簡単に、油圧ポンプの吐出圧力を検出できる。
【００３７】
請求項３の発明の自律形インバータ駆動油圧ユニットによれば、負荷センサは油圧ポンプの吐出ラインの圧力を検出する圧力センサであるので、直接に、油圧ポンプの吐出ラインの圧力を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態の自律形インバータ駆動油圧ユニットのブロック図である。
【図２】 目標圧力−流量特性線図である。
【符号の説明】
１ 固定容量形油圧ポンプ
２ 可変速モータ
３ インバータ
５ 回転センサ
６ 圧力センサ
１１ コントローラ
１７ コンバータ
１８ コントローラ用電源回路
２５ 目標馬力演算部
２６ 現在馬力演算部
２７ 比較部

Claims (3)

1. 油圧ポンプ（１）と、
   この油圧ポンプ（１）を駆動する可変速モータ（２）と、
   この可変速モータ（２）を駆動するインバータ（３）と、
   この油圧ポンプ（１）の負荷を検出する負荷センサ（６）と、
   上記可変速モータ（２）または油圧ポンプ（１）の回転速度を検出する回転センサ（５）と、
   上記油圧ポンプ（１）から吐出される流体の圧力および流量が、予め定められた目標圧力−流量特性線上の圧力および流量となるように、上記負荷センサ（６）と回転センサ（５）との出力に基づいて、インバータ（３）に制御信号を出力するコントローラ（１１）と、
   上記コントローラ（１１）に、電圧を降下させて直流電力を供給するコントローラ用電源回路（１８）と、
   外部の交流電源（１５）から交流電力を受けて、上記インバータ（３）と上記コントローラ用電源回路（１８）とに直流電力を供給するコンバータ（１７）と
   を備え、
   上記目標圧力−流量特性線は、最大流量直線（ＭＶ）と、最大馬力曲線（ＭＨＰ）または擬似最大馬力線と、最高圧力直線（ＭＰ）とからなり、
   上記コントローラ（１１）は、上記負荷センサ（６）と回転センサ（５）との出力と上記目標圧力−流量特性線とに基づいて目標馬力を演算する目標馬力演算部（２５）と、上記負荷センサ（６）と回転センサ（５）との出力に基づいて現在馬力を演算する現在馬力演算部（２６）と、上記目標馬力と現在馬力とを比較してインバータ（３）に制御信号を出力する比較部（２７）とを有し、
   上記目標馬力演算部（２５）は、
   上記最大流量直線（ＭＶ）と最大馬力曲線（ＭＨ）との交点（Ｓ）と原点（Ｏ）とを結ぶ第１直線（ＳＯ）と、最大馬力直線（ＭＨＰ）と最高圧力直線（ＭＰ）との交点（Ｔ）と原点（Ｏ）とを結ぶ第２直線（ＴＯ）とを記憶していて、縦軸と最大流量直線（ＭＶ）と第１直線（ＳＯ）とによって囲まれた第１領域（ａ）と、第１直線（ＳＯ），第２直線（ＴＯ）と最大馬力曲線（ＭＨＰ）とによって囲まれた第２領域（ｂ）と、第２直線（ＴＯ）と最高圧力直線（ＭＰ）と横軸とによって囲まれた第３領域（ｃ）とを定義しており、
   上記目標馬力演算部（２５）は、
   上記回転センサ（５）から入力された現在回転速度と、負荷センサ（６）から入力された現在圧力を表す信号とを受けて、この現在流量と現在圧力で表される現在の運転状態を表す点が、上記第１、第２及び第３領域（ａ，ｂ，ｃ）のどの領域に属するかを演算によって識別できるようになっており、
   上記目標馬力演算部（２５）は、
   上記現在の運転状態を表す点が、第１領域（ａ）に属するときには、最大設定流量（ＭＶ）×現在圧力＝目標馬力とし、現在の運転状態を表す点が、第２領域（ｂ）に属するときには、最大設定馬力＝目標馬力とし、また、現在の運転状態を表す点が、第３領域（ｃ）に属するときには、最高設定圧力（ＭＰ）×現在流量＝目標馬力とし、このようにして求めた目標馬力を比較部に入力する
   ことを特徴とする自律形インバータ駆動油圧ユニット。
2. 請求項１に記載の自律形インバータ駆動油圧ユニットにおいて、上記負荷センサは上記可変速モータ（２）に流れる電流を検出する電流センサであることを特徴とする自律形インバータ駆動油圧ユニット。
3. 請求項１に記載の自律形インバータ駆動油圧ユニットにおいて、上記負荷センサ（６）は上記油圧ポンプ（１）の吐出ラインの圧力を検出する圧力センサ（６）であることを特徴とする自律形インバータ駆動油圧ユニット。

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