JP2006336843A

JP2006336843A - 作業機械の制御装置

Info

Publication number: JP2006336843A
Application number: JP2005166173A
Authority: JP
Inventors: Morihiko Matsubara; 守彦松原; Nobuaki Matoba; 信明的場
Original assignee: Caterpillar Mitsubishi Ltd; Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd; Caterpillar Mitsubishi Ltd
Priority date: 2005-06-06
Filing date: 2005-06-06
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】応答性を改善できるとともに圧力変動を抑制でき、唸り音などの耳障りな騒音の発生を防止できる作業機械の制御装置を提供する。
【解決手段】電動・発電機４に双方向式の可変容量型ポンプ・モータ６を連結し、この可変容量型ポンプ・モータ６に流体圧アクチュエータＦを接続する。可変容量型ポンプ・モータ６は、容量可変用の斜板を有し、この斜板の傾転角を制御する斜板制御器6aを備えている。この斜板制御器6aに制御器13を接続する。この制御器13は、可変容量型ポンプ・モータ６を容量可変制御することにより、流体圧アクチュエータＦの速度制御、馬力制御および圧力変動の抑制制御をするとともに、電動・発電機４の回転速度を平均的で緩やかに制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機により流体圧アクチュエータを駆動する作業機械の制御装置に関するものである。

電動機により油圧シリンダを駆動する従来の技術では、電動機で固定容量型の油圧ポンプを駆動し、電動機の回転速度制御により油圧ポンプの吐出流量を制御して、油圧シリンダの速度を制御している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１２４０６号公報（第５頁、図３）

このような電動機の回転速度制御で油圧シリンダの速度を制御する方式では、電動機と油圧ポンプの慣性モーメントが大きいため応答性が悪く、特に圧力変動などの高い周波数のハンチングを電動機の回転速度制御で抑制することが難しいとともに、頻繁に回転速度が細かく変動するため、唸り音などの耳障りな騒音が発生する場合がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、応答性を改善できるとともに圧力変動を抑制でき、唸り音などの耳障りな騒音の発生を防止できる作業機械の制御装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、電動機と、この電動機に連結されるとともに流体圧アクチュエータと閉回路により接続された可変容量型ポンプと、この可変容量型ポンプの容量可変制御により流体圧アクチュエータの少なくとも速度制御および圧力変動の抑制制御をするとともに電動機の回転速度を大略的に制御する制御器とを具備した作業機械の制御装置である。

請求項２記載の発明は、蓄電器と、この蓄電器から供給される電力により電動機として機能するとともに蓄電器に電力を供給する発電機として機能する電動・発電機と、この電動・発電機に連結され流体圧アクチュエータに作動流体を供給するポンプとして機能するとともに流体圧アクチュエータから供給された作動流体によりモータとして機能する可変容量型ポンプ・モータと、この可変容量型ポンプ・モータの容量可変制御により流体圧アクチュエータの少なくとも速度制御および圧力変動の抑制制御をするとともに電動・発電機の回転速度を大略的に制御する制御器とを具備した作業機械の制御装置である。

請求項１記載の発明によれば、電動機と可変容量型ポンプとを組合わせて、制御器が、流体圧アクチュエータの少なくとも速度制御および圧力変動の抑制制御を可変容量型ポンプの容量可変制御によりするとともに、電動機を大略的にすなわち平均的で緩やかに回転速度制御するので、安定した流体圧アクチュエータの速度制御などを実現できる。また、電動機は、緩やかに回転速度制御されるので、回転速度変動による唸り音などの耳障りな騒音を軽減できる。

請求項２記載の発明によれば、電動・発電機と可変容量型ポンプ・モータとを組合わせて、制御器が、流体圧アクチュエータの少なくとも速度制御および圧力変動の抑制制御を可変容量型ポンプ・モータの容量可変制御によりするとともに、電動・発電機を大略的にすなわち平均的で緩やかに回転速度制御するので、安定した流体圧アクチュエータの速度制御などを実現でき、また、電動・発電機は、緩やかに回転速度制御されるので、回転速度変動による唸り音などの耳障りな騒音を軽減できる。さらに、流体圧アクチュエータが自重落下動作や慣性動作により作動されたときは、その流体圧アクチュエータが有する回生エネルギを、可変容量型ポンプ・モータおよび電動・発電機を通じて蓄電器に蓄えることができ、エネルギの有効利用を図れる。

以下、本発明を図１乃至図３に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

図３は、本発明に係る作業機械としてのハイブリッド式油圧ショベルＡを示し、この油圧ショベルＡは、機体Ｂ上に、キャブＣおよび動力装置Ｄとともに作業装置Ｅが設けられ、この作業装置Ｅには、ブームシリンダなどの流体圧アクチュエータＦが設けられている。

図１は、ハイブリッド式油圧ショベルＡに搭載された余剰動力回生型の制御回路を示し、１は動力装置Ｄに設けられたエンジンであり、このエンジン１によって駆動される発電機２には、発電機２の電流を制御する発電機制御器３が接続され、さらに電動機としての電動・発電機４が、この電動・発電機４を制御する電動・発電機制御器５を介し接続されている。

また、電動・発電機４の回転軸には、双方向式の可変容量型ポンプとしての可変容量型ポンプ・モータ６の回転軸が連結されている。この可変容量型ポンプ・モータ６は、容量可変用の斜板を有し、この斜板の傾転角を制御する斜板制御器6aを備えている。可変容量型ポンプ・モータ６の回転軸には、チャージ用ポンプ７の回転軸が接続されている。

双方向式の可変容量型ポンプ・モータ６には、吸込・吐出共用の２つのポートが設けられているが、これらのポートが、ブームシリンダなどの流体圧アクチュエータＦにそれぞれ閉回路の配管により接続されている。

これらの配管中には、流体圧アクチュエータＦの自由落下動作を防止する電磁制御弁9a，9bがそれぞれ介在され、これらの配管間には、高圧側の圧力を一定に抑えるオーバロードリリーフ弁10a，10bと、チャージ用ポンプ７に接続されたチャージ用のチェック弁11とがそれぞれ設けられている。

可変容量型ポンプ・モータ６の２つのポートには、この可変容量型ポンプ・モータ６を介して前後の圧力から差圧を検出するための圧力検出器12a，12bがそれぞれ接続されている。

これらの圧力検出器12a，12bの各圧力検出信号ラインは、制御器13の入力部に接続されている。油圧ショベルＡのキャブＣ内に運転席とともに設置された操作レバーなどの操作器14から引出された操作信号ラインも、制御器13の入力部に接続されている。

制御器13の出力部から引出された制御ラインは、電動・発電機制御器５および可変容量型ポンプ・モータ６の斜板制御器6aにそれぞれ接続されている。

発電機制御器３および電動・発電機制御器５の電力ラインは、蓄電器としてのバッテリ15に、バッテリ制御器16を介して接続されている。

図２は、ハイブリッド式油圧ショベルＡの制御器13の内容を示し、前記操作器14は、この操作器14からの操作信号に基づいて要求流量を設定する要求流量設定器17に接続されるとともに、操作器14からの操作信号に基づいて電動・発電機４の回転速度を設定する回転速度設定器18にも接続されている。この回転速度設定器18は、操作信号が小さな範囲では、一定の信号を出力する。

この回転速度設定器18は、この回転速度設定器18の信号を平滑にするフィルタ30に接続され、このフィルタ30は、前記電動・発電機制御器５に接続されている。

前記圧力検出器12aと前記圧力検出器12bは、これらの圧力検出器12a，12bにより検出された圧力の差圧を演算する減算器19に接続され、この減算器19は、この減算器19から出力された差圧の交流成分を抽出するバンドパスフィルタなどのフィルタ20に接続され、このフィルタ20は、減算器19より出力された差圧から差圧の交流成分を引いて差圧の直流成分を演算する減算器21に接続されている。

前記要求流量設定器17とこの減算器21は、これらの要求流量設定器17の出力と減算器21から出力される差圧の直流成分とを掛け算して要求動力を求める乗算器22に接続され、この乗算器22は、要求動力が規定動力を超えた場合に規定動力に補正する係数を出力する動力補正係数設定器23に接続され、この動力補正係数設定器23と前記要求流量設定器17は、要求流量設定器17の出力と動力補正係数設定器23の出力とを掛け算して要求流量を補正する乗算器24に接続されている。

前記フィルタ20の出力部は、差圧交流成分をフィードバックする圧力フィードバックゲイン設定器25に接続され、一方、前記フィルタ30の出力部は、このフィルタ30の回転速度指令からゲイン補正係数を出力するゲイン補正設定器26に接続され、圧力フィードバックゲイン設定器25およびゲイン補正設定器26は、圧力フィードバック信号に回転速度によるゲイン補正係数を掛けて圧力フィードバック信号を補正する乗算器27に接続されている。

前記乗算器24の出力部および前記フィルタ30の出力部は、乗算器24から出力される要求流量補正信号を回転速度指令で割って可変容量型ポンプ・モータ６の斜板傾転角を出力する除算器28に接続され、この除算器28および前記乗算器27は、圧力フィードバック信号をフィードバックする減算器29に接続され、この減算器29は、前記可変容量型ポンプ・モータ６の斜板制御器6aに接続されている。

次に、この実施の形態の作用・効果を説明する。

図２において、操作器14を操作すると要求流量設定器17により操作器14の操作信号に基づいて要求流量が設定される。また、回転速度設定器18で電動・発電機４の回転速度が設定される。フィルタ30で回転速度設定器18の信号が平滑化され、電動・発電機制御器５を介して電動・発電機４が制御される。

一方、減算器19で圧力検出器12aと圧力検出器12bの差圧が演算され、フィルタ20で減算器19から出力される差圧の交流成分が抽出される。

減算器21で差圧から差圧の交流成分を引いて差圧の直流成分が求められる。乗算器22で要求流量設定器17の出力と減算器21から出力される差圧の直流成分を掛け算して要求動力が求まる。動力補正係数設定器23から要求動力が規定動力を超えた場合に規定動力に補正する係数が出力され、乗算器24で要求流量設定器17の出力と動力補正係数設定器23の出力を掛け算して要求流量が補正される。

フィルタ20から出力される差圧に圧力フィードバックゲイン設定器25でゲインが乗じられる。ゲイン補正設定器26でフィルタ30から出力される回転速度指令に基づきゲイン補正係数が出力され、乗算器27で圧力フィードバック信号に前記の回転速度によるゲイン補正係数を掛け合わされ圧力フィードバック信号が補正される。

除算器28で乗算器24から出力される要求流量を回転速度指令値で除してポンプ・モータの斜板傾転角が出力され、減算器29で圧力フィードバック信号をフィードバックされ、斜板制御器6aに出力され可変容量型ポンプ・モータ６が制御される。

ここで、操作信号の変動に対する回転速度設定信号の変動が少ない特性を有する回転速度設定器18、平滑用のフィルタ30、電動・発電機制御器５、電動・発電機４の制御系により、電動・発電機４は比較的緩やかに制御される。

また、要求流量設定器17、乗算器24、除算器28、減算器29、斜板制御器6aの制御系により、急激な流体圧アクチュエータ速度制御は、可変容量型ポンプ・モータ６の斜板制御器6aで制御される。

さらに、減算器21、乗算器22、動力補正係数設定器23、乗算器24、除算器28、減算器29、斜板制御器6aの制御系により、馬力は、可変容量型ポンプ・モータ６の斜板制御器6aで制御される。

加えて、減算器19、フィルタ20、圧力フィードバックゲイン設定器25、乗算器27、減算器29、斜板制御器6aの制御系により、圧力変動は、可変容量型ポンプ・モータ６の斜板制御器6aで抑制される。

このように、ハイブリッド式油圧ショベルＡにおいて、電動・発電機４と可変容量型ポンプ・モータ６とを組み合わせ、流体圧アクチュエータＦの速度制御、馬力制御および圧力変動の抑制制御を可変容量型ポンプ・モータ６の斜板制御で行い、電動・発電機４は大略的に、すなわち平均的で緩やかに回転速度制御する。

すなわち、電動・発電機４は比較的緩やかに制御され、一方、高い応答性を必要とする急激なアクチュエータ速度制御、馬力制御および圧力変動の抑制制御は、可変容量型ポンプ・モータ６の斜板制御器6aで行われる。

これによって、安定した流体圧アクチュエータＦの速度制御および動力制御を実現できる。また、電動・発電機４は、大略的に回転速度制御されるので、回転速度変動による唸り音などの耳障りな騒音を大幅に軽減できる。

さらに、流体圧アクチュエータＦが自重落下動作や慣性動作により作動されたときは、その流体圧アクチュエータＦが有する余剰動力を、流体圧アクチュエータＦから供給された作動流体により流体圧モータとして機能する可変容量型ポンプ・モータ６と、バッテリ15に電力を供給する発電機として機能する電動・発電機４とを通じて回生させてバッテリ15に蓄えることができ、エネルギの有効利用を図れる。

なお、本発明は、油圧ショベル以外の他の作業機械にも利用可能であるとともに、図１に示されたような余剰動力回生型のハイブリッド式油圧ショベルＡに限られるものではなく、非回生型の作業機械にも利用可能である。

すなわち、前記電動・発電機４に替えて単なる電動機を用い、可変容量型ポンプ・モータ６に替えて単なる可変容量型ポンプを用いたものにも適用できる。この場合、制御器13は、単なる可変容量型ポンプを容量可変制御することにより、流体圧アクチュエータＦの速度制御、馬力制御および圧力変動の抑制制御をするとともに、単なる電動機の回転速度を大略的にすなわち平均的で緩やかに制御することになる。その作用効果は、図１および図２に示されたものと同様であるから、説明を省略する。

本発明に係る作業機械の制御装置の一実施の形態を示す回路図である。同上制御装置における制御器の制御ブロックを示すブロック図である。同上制御装置を備えた作業機械の側面図である。

符号の説明

Ｆ流体圧アクチュエータ
４電動機としての電動・発電機
６可変容量型ポンプとしての可変容量型ポンプ・モータ
13 制御器
15 蓄電器としてのバッテリ

Claims

電動機と、
この電動機に連結されるとともに流体圧アクチュエータと閉回路により接続された可変容量型ポンプと、
この可変容量型ポンプの容量可変制御により流体圧アクチュエータの少なくとも速度制御および圧力変動の抑制制御をするとともに電動機の回転速度を大略的に制御する制御器と
を具備したことを特徴とする作業機械の制御装置。
蓄電器と、
この蓄電器から供給される電力により電動機として機能するとともに蓄電器に電力を供給する発電機として機能する電動・発電機と、
この電動・発電機に連結され流体圧アクチュエータに作動流体を供給するポンプとして機能するとともに流体圧アクチュエータから供給された作動流体によりモータとして機能する可変容量型ポンプ・モータと、
この可変容量型ポンプ・モータの容量可変制御により流体圧アクチュエータの少なくとも速度制御および圧力変動の抑制制御をするとともに電動・発電機の回転速度を大略的に制御する制御器と
を具備したことを特徴とする作業機械の制御装置。