JP2001003399A - 建設機械のアクチュエータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電動機駆動方式において、油圧制御方式の特
長である、関連した動作を行う二つのアクチュエータの
一方の負荷に応じて、この負荷を軽減させる方向に他方
のアクチュエータの速度を自動制御するという機能を働
かせる。 【解決手段】 ショベルの掘削アタッチメントにおける
アームシリンダを駆動するアームポンプ３９の吐出圧を
圧力センサ６２で検出し、ブーム用コントローラ５９か
らブーム用電動機３６に送られるブーム上げ方向の駆動
信号値をアーム負荷に応じて補正することにより、ブー
ム上げ動作を増速させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はショベル等の建設機
械において電動機により液圧ポンプを回転させて液圧ア
クチュエータを駆動するアクチュエータ制御装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ショベル等の建設機械は、エンジ
ンによって油圧ポンプを回転させ、この油圧ポンプから
吐出油によってアクチュエータを駆動する構成をとって
いる。

【０００３】このエンジン駆動方式をとる場合、ポンプ
とアクチュエータとの間にコントロールバルブ（方向制
御弁）を設け、このコントロールバルブにより、アクチ
ュエータに対して供給する油の量と方向を制御してアク
チュエータの作動する速度と方向をコントロールしてい
る。

【０００４】しかし、この方式では、油圧エネルギーを
コントロールバルブで絞り捨てる部分が多くてエネルギ
ー損失が大きく、かつ、燃費が悪くて排ガスも多い等の
問題があった。

【０００５】そこで、最近、特願平１１−９３１７８
号、特願平１１−９３２１０号に示されているように、
電動機によって油圧ポンプを駆動し、あるいは走行動作
のように電動機で直接作動させる電動機駆動方式が提案
されている。

【０００６】この電動機駆動方式の建設機械において
は、電動機の回転速度と方向を変えることによってポン
プからの油の吐出量と吐出方向を変化させ、アクチュエ
ータの作動速度と方向をコントロールするものであり、
エネルギー効率を大きく改善することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
電動機の回転速度によってアクチュエータ速度を制御す
る制御方式によると、外力（負荷）の大小に関係なく指
令した速度が得られるという特性から、従来の油圧制御
方式の特長が失われるという問題がある。この点をショ
ベルを例にとって説明する。

【０００８】ショベルは、下部走行体（通常はクロー
ラ）に上部旋回体を搭載し、この上部旋回体に、ブー
ム、アーム、バケットを備えた掘削アタッチメントを取
付けて構成される。

【０００９】油圧ショベルと称される従来のショベルに
おいては、エンジンで油圧ポンプを回転させ、その吐出
油を油圧アクチュエータ（油圧シリンダまたは油圧モー
タ）に供給してブーム起伏、アーム作動、バケット作
動、旋回、走行を行わせ、アクチュエータごとに設けら
れたコントロールバルブのブリードオフ制御によってア
クチュエータ流量（アクチュエータ速度）を制御する構
成をとっている。

【００１０】この従来の油圧ショベルの油圧回路例を図
４に示している。

【００１１】図中、１は第１油圧ポンプで、この第１油
圧ポンプによって左走行モータ２，ブームシリンダ３，
３、バケットシリンダ４が駆動され、第２ポンプ５によ
って右走行モータ６、旋回モータ７、アームシリンダ８
が駆動される。

【００１２】また、各アクチュエータごとに作動を制御
するコントロールバルブとして、左走行用、ブーム用、
バケット用、右走行用、旋回用、アーム用の各コントロ
ールバルブ９，１０，１１，１２，１３，１４が設けら
れるとともに、とくに高速作動が求められるアーム及び
ブームのためにアーム用及びブーム用増速コントロール
バルブ１５，１６が設けられている。

【００１３】この回路構成において、たとえば土を掘削
する場合、オペレータはアームを掘削方向に作動させて
バケットを土に食い込ませ、このバケット食い込み分だ
けブームを上げるように操作する。

【００１４】この場合、土が硬い等の原因によって掘削
抵抗が大きいとアームシリンダ８の圧力が上がってアー
ムの作動速度が遅くなり、場合によってはアームが停止
するため、掘削動作を続行するためにはブームの上げ速
度を速めて、バケットの食い込み量を少なくし、アーム
にかかる負荷を小さくしてやる必要がある。

【００１５】ここで、第１ポンプ１の流量の余剰分は同
コントロールバルブ１０のブリードオフ通路を通って下
流に流れ、この下流に位置するアーム用増速コントロー
ルバルブ１５を通って、アーム用コントロールバルブ１
４を通る第２ポンプ５の流量と合流し、アームシリンダ
８のヘッド側（伸長側）に流入する。

【００１６】従って、上記のようにアームの掘削抵抗が
高くなってアームシリンダ８のヘッド側圧力が高くなる
と、第１ポンプ１の圧力も上昇するため、ブームシリン
ダ３，３のヘッド側に流入する流量も増加してブームシ
リンダの作動速度が増加する。

【００１７】この結果、アームの掘削抵抗が大きい場合
にブームの上昇速度が自動的に増加し、掘削作業を行い
易いシステムとなっている。

【００１８】これと同様の機能は、バケットの底面を地
面に押し当てて表面をならす「地均し」の作業時にも働
く。

【００１９】これに対し、電動機駆動方式をとると、こ
のような特定のアクチュエータの負荷に応じて、この負
荷を軽減する方向に他のアクチュエータの速度が自動制
御される、という油圧制御方式の特長が失われる弊害が
生じる。

【００２０】そこで本発明は、油圧制御方式の持つ特長
を電動機駆動方式にも生かすことができる建設機械のア
クチュエータ制御装置を提供するものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、互い
に関連して作動する複数の液圧アクチュエータを備え、
この各液圧アクチュエータの液圧源である液圧ポンプが
別々の電動機によって駆動される建設機械において、上
記各液圧アクチュエータの作動速度を指令する操作手段
と、その操作手段からの速度指令信号に基づいてアクチ
ュエータの作動速度を制御する速度制御手段と、上記各
液圧アクチュエータのうちの特定のアクチュエータに作
用する負荷を検出する負荷検出手段とを備え、上記速度
制御手段は、この負荷検出手段によって検出された負荷
に応じて、他のアクチュエータがこの負荷を軽減する方
向に速度制御されるように、この他のアクチュエータに
対する上記操作手段からの速度指令信号に補正を加える
ように構成されたものである。

【００２２】請求項２の発明は、請求項１の構成におい
て、互いに関連して作動する液圧アクチュエータとし
て、ショベルにおける掘削アタッチメントのアームを駆
動するアームシリンダ、ブームを駆動するブームシリン
ダがそれぞれ用いられ、負荷検出手段は上記アームシリ
ンダに作用する負荷を検出し、速度制御手段は、検出さ
れる負荷に応じて上記ブームシリンダがブーム上げ方向
について増速されるように操作手段からの速度指令信号
に補正を加えるように構成されたものである。

【００２３】請求項３の発明は、請求項２の構成におい
て、速度制御手段は、操作手段からの速度指令信号に基
づいてブーム用電動機の回転速度を制御し、かつ、負荷
検出手段によって検出される負荷に応じて上記速度指令
信号に補正を加えるように構成されたものである。

【００２４】請求項４の発明は、請求項２の構成におい
て、液圧ポンプとして、レギュータにより傾転角が設定
されて吐出量が制御される可変容量型ポンプが用いら
れ、速度制御手段は、操作手段からの速度指令信号に基
づいて上記レギュータを介してポンプ吐出量を制御し、
かつ、負荷検出手段によって検出される負荷に応じて上
記速度指令信号に補正を加えるように構成されたもので
ある。

【００２５】請求項５の発明は、請求項１乃至４のいず
れかの構成において、負荷検出手段が、液圧ポンプの吐
出圧力を検出するように構成されたものである。

【００２６】請求項６の発明は、請求項１乃至４のいず
れかの構成において、負荷検出手段が、電動機の電流値
を検出するように構成されたものである。

【００２７】上記構成によると、電動機駆動方式をとり
ながら、油圧制御方式の特長である、関連した動作を行
う二つのアクチュエータの一方（特定アクチュエータ）
の負荷に応じて、この負荷を軽減させる方向に他方のア
クチュエータの速度を自動制御するという機能を働かせ
ることができる。

【００２８】具体的には、請求項２のように、ショベル
による掘削時に、アームの負荷が大きくなったときにブ
ームを上げ方向に速く作動させてアーム負荷を軽減し、
掘削動作をスムースに行わせることができる。

【００２９】この場合、請求項３では電動機の回転速度
を制御することによってアクチュエータ速度を制御す方
式をとる機械において、また請求項４ではポンプ吐出量
を制御することによってアクチュエータ速度を制御する
方式をとる機械においてそれぞれ上記機能が働く。

【００３０】また、アクチュエータ負荷が、請求項５で
はポンプの吐出圧力を通じて、請求項６では電動機の電
流値を通じてそれぞれ検出される。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図１〜図３に
よって説明する。

【００３２】この実施形態では、本発明の好適例である
ショベルを適用対象として例にとっている。

【００３３】図１にショベル全体の概略構成と機器配
置、図２に駆動・制御系のブロック構成をそれぞれを示
している。

【００３４】両図において、２１は下部走行体、２２は
上部旋回体、２３は上部旋回体２２の前部に装着された
掘削アタッチメントである。

【００３５】下部走行体２１は、左右のクローラフレー
ム２４及びクローラ２５（いずれも片側のみ図示）から
成り、両側クローラ２５が、図２に示す左右の走行用電
動機２６，２７及び同減速機２８，２９により個別に回
転駆動されて走行する。

【００３６】上部旋回体２２の旋回フレーム３０には、
動力源としてのエンジン３１と、このエンジン３１によ
って駆動される発電機３２と、バッテリ３３が設置され
るほか、旋回用電動機３４と、同減速機３５と、ブーム
用電動機３６と、このブーム用電動機３６により回転駆
動されるブームポンプ３７と、アーム用電動機３８と、
このアーム用電動機３８により回転駆動されるアームポ
ンプと、バケット用電動機４０と、このバケット用電動
機４０により回転駆動されるバケットポンプ４１が設置
されている。

【００３７】掘削アタッチメント２３は、ブーム４２
と、ブームポンプ３７からの圧油により伸縮作動してブ
ーム４２を起伏させるブームシリンダ４３と、アーム４
４と、このアーム４４を回動させるアームシリンダ４５
と、バケット４６と、このバケット４６を作動させるバ
ケットシリンダ４７とを具備している。

【００３８】図２に示すように、発電機３１と、各電動
機２６，２７，３４，３６，３８，４０及びバッテリ３
３との間にインバータ４８…が設けられ、このインバー
タ４８…により、 発電機３２で作られた交流電力が直流に変換されて
バッテリ３３に蓄えられ、 ショベル作動に伴う回生作用によって各電動機２
６，２７，３４，３６，３８，４０に発生した交流電力
が直流に変換されてバッテリ３３に蓄えられ（回生充電
作用）、 バッテリ３３の蓄電力が交流に変換されて各電動機
２６，２７，３４，３６，３８，４０に供給される（放
電作用）。

【００３９】なお、インバータ４８には、図示しないが
切換手段が設けられ、オペレータの操作により、あるい
は負荷状況に応じて自動で、上記充放電作用の切換が行
われる。

【００４０】また、各電動機ごとに、レバー操作によっ
て作動速度を指令する操作手段としての左走行用、右走
行用、旋回用、ブーム用、アーム用、バケット用の各操
作部（たとえばポテンショメータ）５０，５１，５２，
５３，５４，５５と、この操作部５０〜５５からの速度
指令信号に基づいて電動機２６，２７，３４，３６，３
８，４０の作動速度を制御するコントローラ５６，５
７，５８，５９，６０，６１が設けられている。

【００４１】さらに、アームポンプ３９の吐出圧を検出
する圧力センサ６２が設けられ、同ポンプ吐出圧を通じ
てアーム負荷が検出される。

【００４２】この圧力センサ６２によって検出された圧
力（アーム負荷）信号はブーム用コントローラ５３に送
られ、図１の掘削アタッチメント２３による掘削作業時
に、このコントローラ５３からブーム用電動機３６に送
られる駆動信号が、アーム負荷に応じてブーム上げ増速
方向に補正される。

【００４３】この点の作用を次に詳述する。

【００４４】たとえば、前記したようにアーム４４を掘
削方向に作動させ、バケット４６を土に食い込ませる掘
削動作を行っているときに、土が硬い場合等、掘削抵抗
が大きいとアームシリンダ４５の圧力が上がってアーム
４４の作動速度が遅くなり、場合によってはアーム４４
が停止する。

【００４５】ここで、掘削動作を続行するためには、ブ
ーム４２の上げ速度を速めてバケット４１の食い込み量
を少なくし、アーム４４にかかる負荷を小さくしてやる
必要がある。

【００４６】この場合、アームシリンダ４５の圧力上昇
に伴ってアームポンプ３９の吐出圧力も上昇するため、
このポンプ圧を計測することによってアーム負荷を検出
することができる。

【００４７】この実施形態では、このポンプ圧が圧力セ
ンサ６２で検出され、ブーム用操作部５３のブーム上げ
操作量に応じてブーム用コントローラ５９からブーム用
電動機３６に送られる駆動信号が、この圧力値（アーム
負荷）に応じて増速方向に補正される。

【００４８】具体的には、たとえばアーム負荷の関数で
係数θを決めておき、操作量によって決まる基本指令値
ＩＢ０に対して、アーム負荷に応じた補正値ΔＩＢ０
（＝ＩＢ０×θ）を付加した値ＩＢ０′、すなわち、 ＩＢ０′＝ＩＢ０＋ΔＩＢ０ ＝ＩＢ０＋（θ×ＩＢ０） を補正指令値としてブーム用電動機３６に駆動信号とし
て出力する。

【００４９】これにより、ブーム用電動機３６が基本指
令値の場合よりも増速されてポンプ吐出量が増加し、図
３に示すように操作量／ポンプ吐出量の特性が実線から
破線にシフトして、従来の油圧制御方式で得られた、ア
ーム負荷に応じてブーム上げ速度が自動的に増加すると
いう操作性の良い特性が得られる。

【００５０】他の実施形態 （１）上記実施形態では、アームポンプ３９のポンプ圧
を通じてアーム負荷を検出するようにしたが、アーム負
荷はアーム用電動機３８の電流値にも表れるため、この
電動機電流値をインバータ４８内等で計測してもよい。

【００５１】（２）上記実施形態では、アーム負荷の増
加時にブーム用電動機３６を増速させてポンプ吐出量を
増加（ブーム上げ動作を増速）させるようにしたが、ブ
ームポンプ３７を可変容量型とし、これを制御するポン
プレギュータに対するポンプ傾転角の指令信号値に補正
を加えてブーム動作を増速するようにしてもよい。

【００５２】（３）上記実施形態では、掘削時のアーム
負荷に応じてブーム４２を上げ動作させる場合の制御を
例にとったが、バケット４６を地面に押し当てて表面を
均す「地均し」の作業時にも、同様にアーム負荷が増加
するため、この場合にも本発明を適用してブーム４２の
上げ動作を増速させるようにしてもよい。

【００５３】あるいは、旋回とブーム、アームとバケッ
ト、ブームとバケットの関係についても同様の制御方式
をとることができる。

【００５４】さらに本発明は、ショベル以外の他の建設
機械においても、上記同様の状況を呈するアクチュエー
タ間の動作を制御する場合に広く適用することができ
る。

【００５５】（４）本発明は油圧ポンプ、油圧アクチュ
エータを用いる建設機械に限らず、水圧ポンプ、水圧ア
クチュエータを用いる建設機械にも適用することができ
る。

【００５６】

【発明の効果】上記のように本発明によるときは、互い
に関連して作動する複数の液圧アクチュエータのうちの
特定のアクチュエータに作用する負荷を検出し、この負
荷に応じて、他のアクチュエータがこの負荷を軽減する
方向に速度制御されるように、この他のアクチュエータ
に対する操作手段からの速度指令信号に補正を加えるよ
うに構成したから、請求項３の発明によると電動機の回
転速度を制御することによってアクチュエータ速度を制
御す方式をとる機械において、また請求項４の発明によ
るとポンプ吐出量を制御することによってアクチュエー
タ速度を制御する方式をとる機械において、電動機駆動
方式をとりながら、油圧制御方式の特長である、関連し
た動作を行う二つのアクチュエータの一方（特定アクチ
ュエータ）の負荷に応じて、この負荷を軽減させる方向
に他方のアクチュエータの速度を自動制御するという機
能を働かせることができる。

【００５７】具体的には、請求項２の発明によるとショ
ベルによる掘削時に、アームの負荷が大きくなったとき
にブームを上げ方向に速く作動させてアーム負荷を軽減
し、掘削動作をスムースに行わせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるショベルの全体概略構成と
機器配置を示す側面図である。

【図２】同ショベルの駆動・制御系のブロック構成図で
ある。

【図３】同ショベルにおける操作量とポンプ吐出量の関
係を示す図である。

【図４】従来の技術とその問題点を説明するための油圧
回路図である。

【符号の説明】

４３ 互いに関連して作動する複数のアクチュエータの
一つとしてのブームシリンダ ４５ 特定アクチュエータとしてのアームシリンダ ３７ ブームポンプ ３６ ブーム用電動機 ５９ ブーム用コントローラ（速度制御手段） ５３ 操作手段としての操作部 ６２ 負荷検出手段としての圧力センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2D003 AA01 AB03 AB05 AB07 BA05 BB01 CA02 CA10 DA04 DB02 DB08 3H089 AA46 BB17 BB19 CC11 DA02 DA06 DA14 DB03 DB47 DB49 FF07 GG02 JJ01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに関連して作動する複数の液圧アク
   チュエータを備え、この各液圧アクチュエータの液圧源
   である液圧ポンプが別々の電動機によって駆動される建
   設機械において、上記各液圧アクチュエータの作動速度
   を指令する操作手段と、その操作手段からの速度指令信
   号に基づいてアクチュエータの作動速度を制御する速度
   制御手段と、上記各液圧アクチュエータのうちの特定の
   アクチュエータに作用する負荷を検出する負荷検出手段
   とを備え、上記速度制御手段は、この負荷検出手段によ
   って検出された負荷に応じて、他のアクチュエータがこ
   の負荷を軽減する方向に速度制御されるように、この他
   のアクチュエータに対する上記操作手段からの速度指令
   信号に補正を加えるように構成されたことを特徴とする
   建設機械のアクチュエータ制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の建設機械のアクチュエー
   タ制御装置において、互いに関連して作動する液圧アク
   チュエータとして、ショベルにおける掘削アタッチメン
   トのアームを駆動するアームシリンダ、ブームを駆動す
   るブームシリンダがそれぞれ用いられ、負荷検出手段は
   上記アームシリンダに作用する負荷を検出し、速度制御
   手段は、検出される負荷に応じて上記ブームシリンダが
   ブーム上げ方向について増速されるように操作手段から
   の速度指令信号に補正を加えるように構成されたことを
   特徴とする建設機械のアクチュエータ制御装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の建設機械のアクチュエー
   タ制御装置において、速度制御手段は、操作手段からの
   速度指令信号に基づいてブーム用電動機の回転速度を制
   御し、かつ、負荷検出手段によって検出される負荷に応
   じて上記速度指令信号に補正を加えるように構成された
   ことを特徴とする建設機械のアクチュエータ制御装置。
4. 【請求項４】 請求項２記載の建設機械のアクチュエー
   タ制御装置において、液圧ポンプとして、レギュータに
   より傾転角が設定されて吐出量が制御される可変容量型
   ポンプが用いられ、速度制御手段は、操作手段からの速
   度指令信号に基づいて上記レギュータを介してポンプ吐
   出量を制御し、かつ、負荷検出手段によって検出される
   負荷に応じて上記速度指令信号に補正を加えるように構
   成されたことを特徴とする建設機械のアクチュエータ制
   御装置。
5. 【請求項５】 負荷検出手段が、液圧ポンプの吐出圧力
   を検出するように構成されたことを特徴とする請求項１
   乃至４のいずれかに記載の建設機械のアクチュエータ制
   御装置。
6. 【請求項６】 負荷検出手段が、電動機の電流値を検出
   するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４
   のいずれかに記載の建設機械のアクチュエータ制御装
   置。