(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧ポンプ(１)と、
上記油圧ポンプ(１)を駆動する電動モータ(２)と、
上記油圧ポンプ(１)の吐出圧力を検出する圧力センサ(３)と、
上記油圧ポンプ(１)の回転速度を検出する回転速度センサ(４)と、
制御装置(５)と
を備え、
上記制御装置(５)は、
上記圧力センサ(３)が検出した上記油圧ポンプ(１)の吐出圧力に対する上記油圧ポンプ(１)の目標吐出圧力の比と、上記回転速度センサ(４)が検出した上記油圧ポンプ(１)の回転速度から求められる上記油圧ポンプ(１)の吐出流量とに基づいて、上記油圧ポンプ(１)の目標吐出圧力に対応する上記油圧ポンプ(１)の目標吐出流量を求めて、
上記油圧ポンプ(１)の吐出流量が上記油圧ポンプ(１)の目標吐出流量に近づくように、上記電動モータ(２)の回転速度を制御し、
上記油圧ポンプ(１)の目標吐出流量は、以下の式
Ｑ０＝Ｑ１・（Ｐ０／Ｐ１）１／ｎ
Ｑ０：上記油圧ポンプ(１)の目標吐出流量
Ｑ１：上記油圧ポンプ(１)の吐出流量
Ｐ０：上記油圧ポンプ(１)の目標吐出圧力
Ｐ１：上記油圧ポンプ(１)の吐出圧力
ｎ：オリフィスの特性定数(ただし、ｎは２を除く数)
で求められ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】
本発明は、例えばショベルカー、圧砕作業機、解体作業機等の油圧作業機に搭載可能な油圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、油圧装置としては、特開２００９−２１６１８２号公報（特許文献１）に開示されたものがある。この油圧装置は、油圧ポンプと、油圧ポンプを駆動する可変速モータと、油圧ポンプの吐出圧力を検出する圧力センサと、圧力センサが検出した圧力に基づいて油圧ポンプの回転速度を制御する制御装置とを備えている。
【０００３】
しかしながら、上記従来の油圧装置には、負荷の特性が変わった場合、圧力センサからの信号を用いて油圧ポンプの回転速度を制御することによって、圧力センサが検出する油圧ポンプの吐出圧力の値を一定にしようとしても、油圧ポンプの吐出圧力の収束性が悪いという問題があった。
【０００４】
また、上記従来の油圧装置には、負荷の要求流量が大きく変動した場合、圧力センサからの信号を用いて油圧ポンプの回転速度を制御することによって、油圧ポンプの吐出流量を変更しようとしても、油圧ポンプの吐出流量を目標量（要求流量）に変更するまでの時間は十分に短くないという問題があった。すなわち、上記負荷の要求流量の変動に対する応答性が不十分だという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１６１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の課題は、負荷の特性が変わっても油圧ポンプの吐出圧力を良好に制御することができ、さらに、負荷の要求流量の変動に対して俊敏に応答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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の油圧装置は、
油圧ポンプと、
上記油圧ポンプを駆動する電動モータと、
上記油圧ポンプの吐出圧力を検出する圧力センサと、
上記油圧ポンプの回転速度を検出する回転速度センサと、
制御装置と
を備え、
上記制御装置は、
上記圧力センサが検出した上記油圧ポンプの吐出圧力に対する上記油圧ポンプの目標吐出圧力の比と、上記回転速度センサが検出した上記油圧ポンプの回転速度から求められる上記油圧ポンプの吐出流量とに基づいて、上記油圧ポンプの目標吐出圧力に対応する上記油圧ポンプの目標吐出流量を求めて、
上記油圧ポンプの吐出流量が上記油圧ポンプの目標吐出流量に近づくように、上記電動モータの回転速度を制御し、
上記油圧ポンプの目標吐出流量は、以下の式
Ｑ０＝Ｑ１・（Ｐ０／Ｐ１）１／ｎ
Ｑ０：上記油圧ポンプの目標吐出流量
Ｑ１：上記油圧ポンプの吐出流量
Ｐ０：上記油圧ポンプの目標吐出圧力
Ｐ１：上記油圧ポンプの吐出圧力
ｎ：オリフィスの特性定数(ただし、ｎは２を除く数)
で求められることを特徴としている。
【０００８】
上記構成によれば、上記制御装置は、圧力センサが検出した油圧ポンプの吐出圧力に対する油圧ポンプの目標吐出圧力の比と、回転速度センサが検出した油圧ポンプの回転速度から求められる油圧ポンプの吐出流量とに基づいて、油圧ポンプの目標吐出圧力に対応する油圧ポンプの目標吐出流量を求めて、油圧ポンプの吐出流量が油圧ポンプの目標吐出流量に近づくように、電動モータの回転速度を制御する。その結果、負荷の特性が変わっても油圧ポンプの吐出圧力を良好に制御することができ、さらに、負荷の要求流量の変動に対して俊敏に応答できる。すなわち、上記油圧ポンプの吐出圧力の収束性を向上させることができ、応答速度を短縮できる。
【０００９】
【００１０】
また、上記油圧ポンプの目標吐出流量を上記式で求めるので、油圧ポンプの吐出圧力の収束性を確実に向上させることができ、応答速度を確実に短縮できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の油圧装置によれば、制御装置が、圧力センサが検出した油圧ポンプの吐出圧力に対する油圧ポンプの目標吐出圧力の比と、回転速度センサが検出した油圧ポンプの回転速度から求められる油圧ポンプの吐出流量とに基づいて、油圧ポンプの目標吐出圧力に対応する油圧ポンプの目標吐出流量を求めて、油圧ポンプの吐出流量が油圧ポンプの目標吐出流量に近づくように、電動モータの回転速度を制御するので、油圧ポンプの吐出圧力の収束性を向上させることができ、応答速度を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明の一実施形態の油圧装置の要部のブロック図である。
【図２】図２はショベルカーの油圧回路の概略を示すブロック図である。
【図３】図３は本発明の一実施形態の電動モータの回転速度制御を説明するためのフローチャートである。
【図４】図４は従来の油圧装置の応答特性を示すグラフである。
【図５】図５は従来の油圧装置の応答特性を示すグラフである。
【図６】図６は従来の油圧装置の応答特性を示すグラフである。
【図７】図７は従来の油圧装置の応答特性を示すグラフである。
【図８】図８は上記実施形態の油圧装置の応答特性を示すグラフである。
【図９】図９は上記実施形態の油圧装置の応答特性を示すグラフである。
【図１０】図１０は上記実施形態の油圧装置の応答特性を示すグラフである。
【図１１】図１１は上記実施形態の油圧装置の応答特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本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。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態の油圧装置の要部のブロック図である。
【００１５】
上記油圧装置は、ショベルカーに搭載されており、タンク１０６内の作動油を吸い込んで吐出する例えば固定容量型油圧ポンプであるパイロットポンプ１と、パイロットポンプ１を駆動する電動モータ２と、パイロットポンプ１の吐出圧力を検出する圧力センサ３と、パイロットポンプ１の回転速度を検出する回転速度センサ４と、電動モータ２を制御する制御装置５とを備えている。なお、パイロットポンプ１は本発明の油圧ポンプの一例である。
【００１６】
また、図示しないが、上記ショベルカーには、パイロットポンプ１の目標吐出圧力の設定値を記憶する記憶装置も搭載している。
【００１７】
図２は、上記ショベルカーの油圧回路の概略を示すブロック図である。
【００１８】
上記ショベルカーは本体部１０１を備えている。この本体部１０１は、旋回体１１１と、一端部が旋回体１１１に回動可能に連結されたブーム１１２と、一端部がブーム１１２の他端部に回動可能に連結されたアーム１１３と、アーム１１３の他端部に回動可能に連結されたバケット１１４とを有している。そして、本体部１０１には、例えば可変容量型油圧ポンプである主ポンプ１０５がコントロールバルブ１０２を介して接続されている。
【００１９】
上記主ポンプ１０５は、タンク１０６内の作動油を吸い込み、コントロールバルブ１０２へ向けて吐出する。このコントロールバルブ１０２は、主ポンプ１０５から供給される作動油の流路を切り換え、作動油を本体部１０１へ流したり、タンク１０６へ流したりする。
【００２０】
上記コントロールバルブ１０２とパイロットポンプ１との間には右手用操作レバー１０３および左手用操作レバー１０４を設けている。この右手用操作レバー１０３および左手用操作レバー１０４は、パイロットポンプ１による１次パイロット圧を受け、２次パイロット圧を生成する。
【００２１】
上記右手用操作レバー１０３は、ブーム１１２を上げるためのブーム上げパイロット圧を生成するパイロットバルブ１２１と、ブーム１１２を下げるためのブーム下げパイロット圧を生成するパイロットバルブ１２２と、バケット１１４に掘削動作を行わせるためのバケット掘削パイロット圧を生成するパイロットバルブ１２３と、バケット１１４に排土動作を行わせるためのバケット排土パイロット圧を生成するパイロットバルブ１２４とを有している。また、ユーザが右手用操作レバー１０３を操作すると、この右手用操作レバー１０３の操作量を示す信号が右手用操作レバー１０３から制御装置５へ出力される。
【００２２】
上記左手用操作レバー１０４は、アーム１１３を押すためのアーム押しパイロット圧を生成するパイロットバルブ１３１と、アーム１１３を引くためのアーム引きパイロット圧を生成するパイロットバルブ１３２と、旋回体１１１を右回転させるための旋回右回転パイロット圧を生成するパイロットバルブ１３３と、旋回体１１１を左回転させるための旋回左回転パイロット圧を生成するパイロットバルブ１３４とを有している。また、ユーザが左手用操作レバー１０４を操作すると、この左手用操作レバー１０４の操作量を示す信号が右手用操作レバー１０３から制御装置５へ出力される。
【００２３】
以下、上記油圧装置の制御方式について説明する。
【００２４】
上記制御方式は、
0005345594.tif 000002
Ｐ：パイロットポンプ１の吐出圧力
ｃ：流出係数
Ｑ：パイロットポンプ１の吐出流量
Ａ：オリフィスの断面積（複合システムの場合、システム全体の等価オリフィス断面積）
ｎ：オリフィスの特性を示す値
の関係を用いて、現在のパイロットポンプ１の吐出圧力・吐出流量から、パイロットポンプ１の目標回転速度を推定し、この目標回転速度が得られるように電動モータ２を制御することで、オリフィスの断面積、流出係数に関わらず、良好な圧力制御を実現するものである。なお、上記式１の関係を用いる手法は、負荷が純粋なオリフィスの特性（ｎ＝２）を示さない場合についても、ｎの値を変更することで、オリフィスの特性を近似できれば、使用できる。
【００２５】
より詳しく説明すると、ある時点におけるパイロットポンプ１の吐出圧力をＰ１とし、この時点におけるパイロットポンプ１の回転速度から近似計算（容積効率を考慮しても、しなくても良い）されたパイロットポンプ１の吐出流量をＱ１とした場合、下記式２が成立する。ここで、パイロットポンプ１の目標吐出圧力Ｐ０と、目標吐出圧力Ｐ０のときのパイロットポンプ１の吐出流量Ｑ０との間には、微小時間でｃ，Ａは変化しないとした場合、下記式３が成立する。
0005345594.tif 000003
0005345594.tif 000004
【００２６】
上記式２，式３からｃ，Ａを消去すると、
0005345594.tif 000005
となる。さらに、上記式４をＱ０について整理すると、
0005345594.tif 000006
【００２７】
この式５によって、Ｐ１、Ｑ１およびＰ０からＱ０が求まる。この求めたＱ０と、パイロットポンプ１の容積ｑと、上記時点の電動モータ２の回転速度Ｖ１とから、電動モータ２の目標回転速度Ｖ０を計算することができる。
【００２８】
すなわち、上記制御装置５は、圧力センサ３が検出したパイロットポンプ１の吐出圧力と、パイロットポンプ１の目標吐出圧力と、回転速度センサ４が検出したパイロットポンプ１の回転速度から求められるパイロットポンプ１の吐出流量とを、上記式５に代入することによって、パイロットポンプ１の目標吐出圧力に対応するパイロットポンプ１の目標吐出流量を求めて、パイロットポンプ１の吐出流量がパイロットポンプ１の目標吐出流量に近づくように、電動モータ２の回転速度を制御する。
【００２９】
図３は、上記制御装置５による電動モータ２の回転速度制御を説明するためのフローチャートである。この回転速度制御は、予め設定された周期で行われる。
【００３０】
まず、ステップＳ１で、上記記憶装置から、パイロットポンプ１の目標吐出圧力の設定値を読み出す。
【００３１】
次に、ステップＳ２で、圧力センサ３によってパイロットポンプ１の吐出圧力を検出する。
【００３２】
次に、ステップＳ３で、回転速度センサ４によってパイロットポンプ１の回転速度を検出する。
【００３３】
次に、ステップＳ４で、回転速度センサ４によって検出したパイロットポンプ１の回転速度を用いて、パイロットポンプ１の吐出流量を算出する。
【００３４】
次に、ステップＳ５で、パイロットポンプ１の吐出圧力と、パイロットポンプ１の吐出流量と、パイロットポンプ１の目標吐出圧力の設定値とを、上記式５に入れて、パイロットポンプ１の目標吐出圧力に対応するパイロットポンプ１の目標吐出流量を算出する。
【００３５】
最後に、ステップＳ６で、パイロットポンプ１の吐出流量がパイロットポンプ１の目標吐出流量に近づくように、電動モータ２の回転速度を制御する。
【００３６】
このように、上記電動モータ２の回転速度を制御することによって、右手用操作レバー１０３および左手用操作レバー１０４の特性が変わっても、油圧ポンプの吐出圧力の値を一定にし易く、さらに、右手用操作レバー１０３または左手用操作レバー１０４に送るべき作動油の流量が変動しても、この変動に対して十分に短時間で応答できる。
【００３７】
上記オリフィスの特性を示す値ｎが２のときの従来の圧力ＰＩ制御系について示す。従来の圧力ＰＩ制御系で、オリフィス断面積があるＡ１のときに応答特性が最適となるように調整した場合、オリフィス断面積がＡ１からＡ１＋ΔＡに変化して、さらに、Ａ１＋ΔＡからＡ１に変化したとき、電動モータ２の回転速度と時間との関係は図４に示すようになると共に、パイロットポンプ１の吐出圧力と時間との関係は図５に示すようになる。この図４，図５では応答特性が良好であるが、オリフィス断面積がＡ２（Ａ１の２分の１）になった場合、図６，図７に示すように、応答特性が非常に悪くなってしまう。この場合、応答特性を改善するためには、補償器の係数を状況に応じて変更することが必要となり制御系が複雑になりかつ調整にも時間を要することになる。
【００３８】
これに対して、本実施形態において、オリフィス断面積がＡ１のときに応答特性が最適となるように調整した場合、オリフィス断面積がＡ１からＡ１＋ΔＡに変化して、さらに、Ａ１＋ΔＡからＡ１に変化したとき、電動モータ２の回転速度と時間との関係は図８に示すようになると共に、パイロットポンプ１の吐出圧力と時間との関係は図９に示すようになる。そして、オリフィス断面積をＡ１からＡ２（Ａ１の２分の１）に変更した場合、オリフィス断面積がＡ２からＡ２＋ΔＡに変化して、さらに、Ａ２＋ΔＡからＡ２に変化したとき、電動モータ２の回転速度と時間との関係は図１０に示すようになると共に、パイロットポンプ１の吐出圧力と時間との関係は図１１に示すようになる。この図８〜図１１から明らかなように、本実施形態では、オリフィス断面積がＡ１，Ａ２のどちらであっても、良好な応答特性が得られる。ここで、制御に使用した累乗係数（オリフィスの特性を示す値）ｎを２とし、実際の系をｎ＝１．９として制御系に推定誤差が生じるものとした。
【００３９】
また、上記従来の圧力ＰＩ制御系の応答速度は０．１３秒であったが、本実施形態の応答速度は０．０６秒であった。
【００４０】
上記実施形態では、パイロットポンプ１の吐出流量をパイロットポンプ１の目標吐出流量に近づけるための信号が電動モータ２の制御系に直接入力されるようにしてもよいし、あるいは、収束性の改善のため、上記信号がＰＩ補償器を介して電動モータ２の制御系に直接入力されるようにしてもよいし、あるいは、応答速度の改善のため、上記信号がＰＩＤ補償器を介して電動モータ２の制御系に入力されるようにしてもよい。
【００４１】
本発明は、パイロットポンプ１を駆動する電動モータ２の回転速度制御以外にも、例えば、主ポンプ１０５を駆動するエンジンの回転速度制御に用いてもよい。すなわち、本発明は、パイロットポンプ１を駆動する電動モータ２の回転速度制御に限定されるものではない。
【００４２】
また、本発明は、ショベルカー以外にも、例えば、クレーン、ブルドーザ、杭打ち機などに適用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１…パイロットポンプ
２…電動モータ
３…圧力センサ
４…回転速度センサ
５…制御装置
１０１…本体部
１０２…コントロールバルブ
１０３…右手用操作レバー
１０４…左手用操作レバー
１０５…主ポンプ
１０６…タンク
１１１…旋回体
１１２…ブーム
１１３…アーム
１１４…バケット
１２１〜１２４，１３１〜１３４…バケット
【図１】
0005345594.tif 000007
【図２】
0005345594.tif 000008
【図３】
0005345594.tif 000009
【図４】
0005345594.tif 000010
【図５】
0005345594.tif 000011
【図６】
0005345594.tif 000012
【図７】
0005345594.tif 000013
【図８】
0005345594.tif 000014
【図９】
0005345594.tif 000015
【図１０】
0005345594.tif 000016
【図１１】
0005345594.tif 000017