(57)【要約】【課題】簡単な構成でアクチュエータの減速時間を一定にして主機の減速性能を均一に保つことができる油圧装置を提供する。【解決手段】油圧ポンプ６と、油圧ポンプ６を駆動するモータ５と、モータ５を駆動するインバータ１２と、モータ５の減速時の回生エネルギーを消費するための回生抵抗Ｒと、インバータ１２を制御する制御装置１１を備える。制御装置１１は、モータ５の減速時に、インバータ１２によって制御されるモータトルクと油圧ポンプ６の負荷圧によって発生するトルクとの合計が、理論上、モータ５のみで減速した場合に発電量が一定となるように回転速度に応じて算出されるモータ５の減速トルクになるように、インバータ１２を制御する。【選択図】図２
2015070668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧ポンプ(６)と、
上記油圧ポンプ(６)を駆動するモータ(５)と、
上記モータ(５)を駆動するインバータ(１２)と、
上記モータ(５)の減速時の回生エネルギーを消費するための回生抵抗(Ｒ)と、
上記インバータ(１２)を制御する制御装置(１１)と
を備え、
上記制御装置(１１)は、上記モータ(５)の減速時に、上記インバータ(１２)によって制御されるモータトルクと上記油圧ポンプ(６)の負荷圧によって発生するトルクとの合計が、上記モータ(５)のみで減速した場合に発電量が一定となるように回転速度に応じて算出される上記モータ(５)の減速トルクになるように、上記インバータ(１２)を制御することを特徴とする油圧装置。
【請求項２】
請求項１に記載の油圧装置において、
上記制御装置(１１)は、上記インバータ(１２)によって制御されるモータトルクが予め設定された上限値を超えないように、上記インバータ(１２)を制御することを特徴とする油圧装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の油圧装置において、
上記モータ(５)の現在回転速度を検出する回転速度センサ(７)を備え、
上記制御装置(１１)は、上記回転速度センサ(７)により検出された上記モータ(５)の現在回転速度に基づいて、上記モータ(５)の発電量が一定になる上記モータ(５)の減速トルクを演算する減速トルク演算部(２)を有することを特徴とする油圧装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の油圧装置において、
上記油圧ポンプ(６)の負荷圧を検出する圧力センサ(８)を備え、
上記制御装置(１１)は、上記圧力センサ(８)により検出された上記油圧ポンプ(６)の負荷圧と上記油圧ポンプ(６)のポンプ容量に基づいて、上記油圧ポンプ(６)の負荷圧によって発生するトルクを演算する負荷圧トルク演算部(９)を有することを特徴とする油圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、油圧装置に関し、詳しくは、油圧ポンプを駆動するモータの減速時に発生する回生エネルギーを回生抵抗で消費する油圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、油圧装置としては、油圧ポンプを駆動するモータの減速時に発生する回生エネルギーを回生抵抗で消費するものがある。上記油圧装置において、モータを駆動するインバータの主回路電圧値の上昇を検知して、トルクを減少させることによって、過負荷を回避することができる(例えば、特開２０１０−２５２４９４号公報(特許文献１)参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５２４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の過負荷を回避する油圧装置では、使用環境(電源状態)や運転パターンによる主回路電圧の変動によってトルクにばらつきが発生するため、主機(例えば成形機)において、油圧で作動するアクチュエータの減速時間がばらつき、主機の減速性能を均一に保てないという問題がある。主機が成形機である場合、油圧で作動するアクチュエータにより移動させる金型の減速時間がばらつくことで、金型同士がぶつかってサージ圧が生じるために金型が破損する恐れがある。
【０００５】
そこで、この発明の課題は、簡単な構成でアクチュエータの減速時間を一定にして主機の減速性能を均一に保つことができる油圧装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、この発明の油圧装置は、
油圧ポンプと、
上記油圧ポンプを駆動するモータと、
上記モータを駆動するインバータと、
上記モータの減速時の回生エネルギーを消費するための回生抵抗と、
上記インバータを制御する制御装置と
を備え、
上記制御装置は、上記モータの減速時に、上記インバータによって制御されるモータトルクと上記油圧ポンプの負荷圧によって発生するトルクとの合計が、上記モータのみで減速した場合に発電量が一定となるように回転速度に応じて算出される上記モータの減速トルクになるように、上記インバータを制御することを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、モータの減速時に、インバータによって制御されるモータトルクと油圧ポンプの負荷圧によって発生するトルクとの合計が、上記モータのみで減速した場合に発電量が一定となるように回転速度に応じて算出される上記モータの減速トルクになるように、制御装置によってインバータを制御する。このモータトルクと負荷圧によるトルクとの合計はモータを減速させるトルクとして働き、この合計したトルクを、理論上、上記モータのみで減速した場合に発電量が一定となるように回転速度に応じて算出される上記モータの減速トルクにすることで、油圧ポンプの負荷圧の大小によらずに、油圧ポンプから吐出された作動油により動作するアクチュエータの減速時間を一定にすることができる。これにより、主機の減速性能を均一に保つことができる。
【０００８】
また、一実施形態の油圧装置では、
上記制御装置は、上記インバータによって制御されるモータトルクが予め設定された上限値を超えないように、上記インバータを制御する。
【０００９】
上記実施形態によれば、インバータによって制御されるモータトルクが予め設定された上限値を超えないように、インバータ制御部によりインバータを制御することによって、減速時の発電量を制限してインバータの主回路電圧の上昇を抑制することができる。
【００１０】
また、一実施形態の油圧装置では、
上記モータの現在回転速度を検出する回転速度センサを備え、
上記制御装置は、上記回転速度センサにより検出された上記モータの現在回転速度に基づいて、上記モータの発電量が一定になる上記モータの減速トルクを演算する減速トルク演算部を有する。
【００１１】
上記実施形態によれば、回転速度センサにより検出されたモータの現在回転速度に基づいて、モータの発電量が一定になるモータの減速トルクを減速トルク演算部により演算するので、主回路電圧の上昇を抑え、その条件を満たしつつ最大となる減速トルクを正確に求めることができる。
【００１２】
また、一実施形態の油圧装置では、
上記油圧ポンプの負荷圧を検出する圧力センサを備え、
上記制御装置は、上記圧力センサにより検出された上記油圧ポンプの負荷圧と上記油圧ポンプのポンプ容量に基づいて、上記油圧ポンプの負荷圧によって発生するトルクを演算する負荷圧トルク演算部を有する。
【００１３】
上記実施形態によれば、圧力センサにより検出された油圧ポンプの負荷圧と油圧ポンプのポンプ容量に基づいて、油圧ポンプの負荷圧によって発生するトルクを負荷圧トルク演算部により演算することによって、減速時の油圧ポンプの負荷圧によるトルクを正確に求めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上より明らかなように、この発明によれば、簡単な構成でアクチュエータの減速時間を一定にして主機の減速性能を均一に保つことができる油圧装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１はこの発明の実施の一形態の油圧装置のブロック図である。
【図２】図２は上記油圧装置の要部の油圧回路である。
【図３】図３は上記油圧装置を用いた成形機の断面模式図である。
【図４】図４は上記油圧装置のモータの回転速度の変化および圧力の変化を示す図である。
【図５】図５は発電量が一定になるようにモータトルクを制御したときの油圧装置のトルク指令と回転速度の変化を示す図である。
【図６】図６(a)〜(c)は上記実施の形態の油圧装置において、発電量が一定になるようにモータトルクを制御したときの回転速度と圧力とトルク指令の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の油圧装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１７】
図１はこの発明の実施の一形態の油圧装置のブロック図であり、１は速度指令演算回路、２は減速トルク演算部の一例としてのトルク指令演算回路、３はトルク制限演算回路、４はインバータ１２(図２に示す)を含む電流ループ、５はモータ、６はモータ５により駆動される油圧ポンプ、７はモータ５の回転速度を検出する回転速度センサ、８は圧力センサ、９は負荷圧トルク演算部の一例としての負荷圧トルク演算回路である。
【００１８】
上記速度指令演算回路１には、圧力指令と流量指令が入力される。また、速度指令演算回路１には、回転速度センサ７からのモータ５の回転速度を表す信号および圧力センサ８からの油圧ポンプ６の負荷圧を表す信号が入力される。また、負荷圧トルク演算回路９には、圧力センサ８からの油圧ポンプ６の負荷圧を表す信号が入力され、負荷圧によってモータに発生するトルクを演算する。そして、トルク制限演算回路３には、負荷圧トルク演算回路９により演算された負荷圧によって発生するトルクを表す信号および回転速度センサ７からのモータ５の回転速度を表す信号が入力される。
【００１９】
また、図２は上記油圧装置の要部の油圧回路を示している。図２に示すコントローラ１０は、制御装置１１とインバータ１２とを有する。この制御装置１１は、図１に示す速度指令演算回路１とトルク指令演算回路２とトルク制限演算回路３と負荷圧トルク演算回路９とを有する。
【００２０】
また、油圧ポンプ６の吐出側に配設された圧力センサ８は、モータ５により駆動される油圧ポンプ６の負荷圧を検出する。この圧力センサ８により検出された油圧ポンプ６の負荷圧と、回転速度センサ７により検出されたモータ５の回転速度に基づいて、制御装置１１はインバータ１２を制御する。
【００２１】
また、インバータ１２を含む電流ループ４には、モータ５の減速時の回生エネルギーを消費するための回生抵抗Ｒが設けられている。ここで、モータ５で回生電力が発生したときに回生電流を回生抵抗Ｒに流す回生回路の構成は、一般的な構成を含むいかなる回路構成でもよいので説明を省略する。
【００２２】
誘導モータなどのイナーシャの大きいモータでは、イナーシャの小さいサーボモータなどに比べて同じ減速時間であっても、次の(式１)に示すように大きなモータトルクが必要となる。そのとき、(式２)に示すように、減速時のモータの発電量が大きくなり、主回路電圧が上昇してコンデンサを破損したり、インバータの保護回路が働いて停止したりしてしまう。
モータトルク[N・m]＝２π／６０×回転速度[min-1]
×イナーシャ[kg・m2]／減速時間[sec]  …… (式１)
発電量[kW]＝モータトルク[N・m]×回転速度[min-1]／９５４９  ……  (式２)
ただし、９５４９は、６０×１０００／２πで演算される定数。
【００２３】
単純な速度制御であれば、減速時間を長く設定することでモータトルクを抑えて主回路電圧の上昇を抑えることができるが、発電量が小さくなる低速の場合でもモータトルクは抑えられ、減速時間は長くなってしまう。
【００２４】
これに対して、速度制御であってもモータトルクに制限値を設けることよって、インバータの主回路電圧の上昇を抑えることができるが、同様にモータの発電量が小さい低速のときにもモータトルクが抑制されるため、減速時間が長くなる。
【００２５】
そこで、減速時のモータの発電量が一定になるように、次の(式３)で表されるモータトルクＴcを制御することにより、インバータの主回路電圧の上昇を抑え、かつ、その条件を満たす最大のトルクを発生させて減速時間を短縮することが考えられる。
モータトルクＴc[N・m]＝発電量[kW](一定)／回転速度[min-1]×９５４９ … (式３)
【００２６】
図５は発電量が一定になるようにモータトルクを制御したときの油圧装置のトルク指令と回転速度の変化を示す。図５において、横軸は時間[ms]を表し、縦軸はトルク指令[0.1%]と回転速度[min-1]を表す。
【００２７】
しかしながら、上述の発電量が一定になるようにモータトルクＴcの制御を行うとき、トルクが制限されて一時的にトルク制御となり、油圧回路で発生する負荷圧にばらつきがあると、負荷圧の作用も含めたモータの減速トルクが変化し、減速時間にばらつきが生じる。すなわち、以下の(式４)のとおり、モータトルクＴmと油圧ポンプの負荷圧(油圧)によって発生するトルクＴpの合計が、モータを減速させるトルクＴとして働くため、油圧ポンプの負荷圧の大小によってモータの減速時間にばらつきが発生する。
Ｔ ＝ Ｔm ＋ Ｔp    ……  (式４)
Ｔ ： モータを減速させるトルク
Ｔm： インバータによって制御されるモータトルク
Ｔp： 油圧ポンプの負荷圧によって発生するトルク
【００２８】
ここで、油圧ポンプの負荷圧Ｐによって発生するトルクＴpは、
Ｔp ＝ Ｐ[MPa] × Ｑ[cm3/rev] × 機械効率[%]／２π
Ｐ ： 油圧ポンプの負荷圧
Ｑ ： 油圧ポンプのポンプ容量
で表される。
【００２９】
図３は上記油圧装置を用いた成形機の断面模式図を示している。この成形機は、図３に示すように、固定盤２０と、固定盤２０上に固定された油圧シリンダ２１と、油圧シリンダ２１のピストン２２の先端に取り付けられた金型２３と、固定盤２０上に固定された金型２４とを備えている。
【００３０】
上記コントローラ１０(図２に示す)により制御された油圧装置からの作動油が油圧シリンダ２１に供給されて、ピストン２２が左右に移動する。
【００３１】
上記成形機において、金型２３と金型２４が離間している状態からピストン２２を突出させることによって、金型２３を金型２４に向かって移動させて金型２３,金型２４を閉じるとき、モータ５の回転速度と圧力は、図４(a),(b)に示すように変化する。
【００３２】
図４(a),(b)では、まず、Ａ区間で油圧シリンダ２１のピストン２２が高速で移動する。
次に、B区間で減速開始位置に到達したことを位置センサ(図示せず)で検出し、減速を行う。
次に、C区間で、金型２３が金型２４に接触する手前で減速を完了し、低速で金型２３を移動する。
次に、D区間で、金型２３,２４が接触して圧力が上昇する。
そうして、Ｅ区間で型締めが完了する。
【００３３】
このとき、速度制御であれば負荷圧を加味して速度の変化量を一定に制御することができるが、上述のようにモータトルクを制御する場合には負荷圧などの外的要因により速度の変化量を一定に制御できない。
【００３４】
すなわち、機体差よって生じるホース径の違いや油温の変化などの油圧回路上の要因により、負荷圧の大きさにばらつきが発生する。その負荷圧はモータの減速トルクに影響するため、モータ５の減速時間は一定とはならない。一方で、一般的に減速開始位置は位置センサで設定されるが、モータ５の減速時間がばらつくと、ピストン２２すなわち金型２３の移動速度が十分に減速される前に金型２４にぶつかって、サージ圧が発生して金型が破損する恐れがある。
【００３５】
そこで、この発明の実施の形態の油圧装置では、モータトルクＴmと負荷圧によって発生するトルクＴpの合算が理論上のモータトルクＴc(減速トルク)になるように制御する。すなわち、図１,図２に示す油圧装置では、圧力センサ８により検出された油圧ポンプ６の負荷圧によって発生するトルクＴpを負荷圧トルク演算回路９により演算すると共に、上記(式３)によってモータ５の発電量が一定になるようにしたときのモータトルクＴc(減速トルク)をトルク指令演算回路２(減速トルク演算部)により演算し、上記(式４)を満たすように、制御装置１１によりインバータ１２を制御することによりモータトルクＴm(＝Ｔc−Ｔp)を制御する。これにより、負荷圧によらずモータ５の減速時間を一定に制御することができる。
【００３６】
この実施の形態の油圧装置を図３に示す成形機に用いることによって、負荷圧によらずモータ５の減速時間を一定にすることで、金型２３が金型２４にぶつからないようにでき、金型の破損を防止することができる。
【００３７】
上記構成の油圧装置によれば、油圧回路要因による油圧ポンプ６の負荷圧にばらつきがあっても、減速時間が一定となり、成形機(主機)の減速性能を均一に保つことができる。また、成形機(主機)の良好な繰り返し再現性が得られる。
【００３８】
また、上記インバータ１２によって制御されるモータトルクＴmが予め設定された上限値を超えないように、トルク制限演算回路３によりモータトルクを制限することによって、減速時の発電量を制限してインバータ１２の主回路電圧の上昇を抑制することができる。
【００３９】
また、上記回転速度センサ７により検出されたモータ５の現在回転速度に基づいて、減速時の発電量が一定となるモータトルクＴcを減速トルク演算部９により演算するので、主回路電圧の上昇を抑え、その条件を満たしつつ最大となるモータトルクＴc(減速トルク)を正確に求めることができる。
【００４０】
また、上記圧力センサ８により検出された油圧ポンプ６の負荷圧Ｐと油圧ポンプ６のポンプ容量Ｑに基づいて、油圧ポンプ６の負荷圧Ｐによって発生するトルクＴpを負荷圧トルク演算回路９により演算することによって、減速時の油圧ポンプ６の負荷圧によるトルクＴpを正確に求めることができる。
【００４１】
図６(a)〜(c)は上記実施の形態の油圧装置において、発電量が一定になるようにモータトルクを制御したときの負荷圧の大小による回転速度と圧力とトルク指令の変化を示している。図６(a)〜(c)において、横軸は時間[任意目盛]、縦軸は回転速度,圧力,トルク指令[任意目盛]である。ここで、図６(a)の圧力は負荷圧に等しい。
【００４２】
図６(c)に示すように、モータ５の回転速度は、減速開始から減速終了までの減速区間で徐々に低下する。このとき、図６(a)の実線は圧力(負荷圧:小)が低い場合を示し、図６(a)の点線は圧力(負荷圧:大)が高い場合を示している。また、図６(b)の実線は負荷圧が小さいときのトルク指令を示し、図６(b)の点線は負荷圧が大きいときのトルク指令を示している。図６(b)では、負荷圧が小さい場合に比べて負荷圧が大きくなるほど、減速時のトルク指令の絶対値が小さくなる(図６(b)の点線)。それにより、負荷圧を含めたモータ５の減速トルクは負荷圧によらず同じとなり、そのためモータ５の回転速度も負荷圧によらず同じとなる(図６(c))。
【００４３】
上記実施の形態では、この発明の油圧装置を成形機に用いたが、他の作業機械にこの発明の油圧装置を適用してもよい。
【００４４】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…速度指令演算回路
２…トルク指令演算回路
３…トルク制限演算回路
４…電流ループ
５…モータ
６…油圧ポンプ
７…回転速度センサ
８…圧力センサ
９…負荷圧トルク演算回路
１０…コントローラ
１１…制御装置
１２…インバータ
２０…固定盤
２１…油圧シリンダ
２２…ピストン
２３…金型
２４…金型
Ｒ…回生抵抗
【図１】
2015070668.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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