JP2007177437A - オープンループ式制御機械の力行・回生判別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オープンループ式制御機械においても、適切な力行・回生の判断と、力行・回生のパワー演算とを行なえるようにして、オープンループ式制御機械を効率よく動作させることができる力行・回生判別装置を提供する。
【解決手段】力行・回生判別装置19は、流体圧アクチュエータ16acの力行・回生の状態を判断する状態判断手段21と、流体圧アクチュエータ16acの駆動側圧力および戻り側圧力と、アクチュエータ作動速度より力行・回生パワーを演算するパワー演算手段22とを具備している。状態判断手段21は、操作指令値ｒの変化速度から力行・回生の状態を判断する第１の判別器23と、力行・回生パワーの正負判断により力行・回生の状態を判断する第２の判別器24と、反力が一定の場合は第１の判別器23の判断を選択するとともに、反力が変動する場合は第２の判別器24の判断を選択する優先判断回路25とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、オープンループ式制御機械の力行・回生の状態と力行・回生パワーを演算する力行・回生判別装置に関する。

フィードバック制御系での力行・回生の判断は、指令値とフィードバック値の±で判断でき、同一符号なら力行状態、異符号なら回生状態となる。この判断に基づき回生エネルギをバッテリなどの蓄電装置に回収蓄積するように制御する。

一方、オープンループ式制御機械では、操作指令に基づいて機械は動くが、フィードバック制御系のように指令値とフィードバック値とを比較せず、実際の動作状況がわからない。

また、例えば油圧ショベルのブームを下げる場合には基本的には回生動作になるが、ブームが地面などについて動かなくなると回生はできない。ブームが地面に着いた後は、力行しなければならないので、操作レバーのレバー位置だけでは、力行・回生を判断できない。

力行・回生状態の判断および力行・回生パワーが解らないと、回生エネルギをバッテリなどの蓄電装置に回収する制御ができず、システムが不安定になったり、回生エネルギを無駄に廃棄してしまうなどの問題が生じる。

オープンループ式制御機械で、操作レバーの位置(およびその変化)では、力行・回生の判断ができないので、アクチュエータの位置からポテンシャルエネルギを演算し、位置の変化で判断するなどの方法が用いられているが、位置だけでの判断では適用範囲が狭く、また位置検出器などのセンサを別途用意するなどの問題がある。

摩擦力などの反力が操作方向に拠らず一定ならば、水平方向の移動は操作指令の増減で、上下方向の移動は操作指令の方向で力行・回生判断はできる。しかし、反力が変化する場合には適用できない。

またアクチュエータパワーが解らないので、動力制御がうまく行なえず、電気機械では母線電圧(油圧機械では油圧)の大きな変動が生じ、システムが不安定となる。

これに対して、ハイブリッド建設機械の動力制御装置において、作業負荷検出部により、各電動機の入力部の電圧と電流との積を演算した後、演算結果の総和を求めることにより作業負荷の総和（要求電力の総和）Ｐ０を算出し、算出結果を電力制御部へ出力し、電力制御部は、作業負荷検出部により算出された結果を基に、力行状態（Ｐ０＞０）であるか回生状態（Ｐ０＜０）であるかを判定し、これらの状態に応じて充放電電力を制御するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３２５３７８号公報（第６頁、図２−３）

このように、各電動機の電圧と電流との積を演算して充放電電力を制御するものでは、電気式アクチュエータの作業負荷は演算できるが、油圧モータ、油圧シリンダなどの流体圧アクチュエータの作業負荷を演算することはできない。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、オープンループ式制御機械においても、適切な力行・回生の判断と、力行・回生のパワー演算とを行なえるようにして、オープンループ式制御機械を効率よく動作させることができる力行・回生判別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、流体圧アクチュエータの力行・回生の状態を判断する状態判断手段と、流体圧アクチュエータの駆動側圧力および戻り側圧力と、アクチュエータ作動速度より流体圧アクチュエータの力行・回生パワーを演算するパワー演算手段とを具備したオープンループ式制御機械の力行・回生判別装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のオープンループ式制御機械の力行・回生判別装置における状態判断手段が、操作指令値の変化速度から力行・回生の状態を判断する第１の判別器と、力行・回生パワーの正負判断により力行・回生の状態を判断する第２の判別器と、流体圧アクチュエータに抗して作用する反力が一定の場合は第１の判別器の判断を選択するとともに反力が変動する場合は第２の判別器の判断を選択する優先判断回路とを具備したものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のオープンループ式制御機械の力行・回生判別装置におけるパワー演算手段が、アクチュエータ作動速度を、操作指令値の関数で演算するものである。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか記載のオープンループ式制御機械の力行・回生判別装置におけるオープンループ式制御機械を、ハイブリッド式建設機械としたものである。

請求項１記載の発明によれば、状態判断手段により、流体圧アクチュエータの力行・回生の状態を判断するとともに、パワー演算手段により、流体圧アクチュエータの駆動側圧力および戻り側圧力と、アクチュエータ作動速度から、力行・回生のパワーを演算するので、オープンループ式制御機械を効率よく動作させるための状況判断を的確にできる。

請求項２記載の発明によれば、流体圧アクチュエータに抗して作用する反力が一定の場合は第１の判別器により力行・回生の状態を適切に判断できるとともに、反力が変動する場合は第２の判別器により力行・回生の状態を適切に判断できる。

請求項３記載の発明によれば、操作指令値の関数でアクチュエータ作動速度を演算するので、速度センサや流量計などを必要とせず、安価な速度演算システムを構成できる。

請求項４記載の発明によれば、オープンループ式のハイブリッド式建設機械においても、力行・回生のパワーを正確に演算して、そのハイブリッド式建設機械を効率よく動作させることができる。

以下、本発明を、図１乃至図４に示された一実施の形態、図５に示された他の実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

図４に示されるように、作業機械１は、走行モータ2mにより駆動される履帯を有する下部走行体２に対して、旋回モータ3mにより回動される上部旋回体３が設けられ、この上部旋回体３に作業装置５が搭載され、この作業装置５は、上部旋回体３に対しブームシリンダ6cにより上下方向に回動されるブーム６が軸支され、このブーム６にスティックシリンダ7cにより回動されるスティック７が軸支され、このスティック７の先端にバケットシリンダ8cにより回動されるバケット８が軸支されている。

図２は、上記作業機械１に搭載されたオープンループ式制御システムを示し、エネルギ蓄積装置11に動力制御部12が接続され、この動力制御部12に母線などのパワーライン13を介して動力制御部14が接続され、この動力制御部14に駆動機械15が接続され、この駆動機械15にアクチュエータ16が接続され、このアクチュエータ16に負荷Ｌが接続されている。

エネルギ蓄積装置11は、電気式ではバッテリであり、流体圧式ではアキュムレータである。動力制御部12，14は、電気式ではコンバータまたはインバータであり、流体圧式では制御弁である。

アクチュエータ16は、電気式では走行モータ2m、旋回モータ3mなどが電動機／発電機であり、力行時は電動機として機能するとともに回生時は発電機として機能し、流体圧式では、図１に示されるように駆動・回収部としての流体圧ポンプ／モータ16pmと、可動部としての例えば走行モータ2m、旋回モータ3m、ブームシリンダ6c、スティックシリンダ7cまたはバケットシリンダ8cなどの流体圧モータ・シリンダ16mcとにより構成される流体圧アクチュエータ16acであり、駆動・回収部としての流体圧ポンプ／モータ16pmは、力行時は流体圧ポンプとして機能するとともに回生時は流体圧モータとして機能する。なお、駆動機械15は、アクチュエータ16が電気式の場合はこの電気式アクチュエータと一般に区別されないが、流体圧式の場合は電動機／発電機となる。

作業機械を操作するジョイスティックレバーなどの操作器17が、コントローラなどのシステム制御器18に接続され、このシステム制御器18により動力制御部14、駆動機械15およびアクチュエータ16が制御される。システム制御器18に接続された力行・回生判別装置19は、動力制御部12および動力制御部14に接続され、力行・回生の判断および力行・回生のパワー演算を行なって、動力制御部12，14を制御する。

図１に示されるように、力行・回生判別装置19は、流体圧ポンプ／モータ16pmと、走行モータ2m、旋回モータ3m、ブームシリンダ6c、スティックシリンダ7cまたはバケットシリンダ8cなどの流体圧モータ・シリンダ16mcとを総称した流体圧アクチュエータ16acの力行・回生の状態を判断する状態判断手段21と、流体圧アクチュエータ16acの力行・回生パワーを演算するパワー演算手段22とを具備している。

状態判断手段21は、操作レバーなどの操作器17から入力された操作指令値ｒの変化速度から力行・回生の状態を判断する第１の判別器23と、力行・回生パワーの正負判断により力行・回生の状態を判断する第２の判別器24と、流体圧アクチュエータ16acに抗して作用する反力が一定であるか否かにより、第１の判別器23の判断を選択するか第２の判別器24の判断を選択するかを決定する優先判断回路25とを具備している。

優先判断回路25は、例えば上部旋回体３を旋回駆動する旋回モータ3mなどのように、流体圧アクチュエータ16acに抗して作用する摩擦力などの反力が一定の場合は、第１の判別器23の判断を選択するとともに、例えば作業装置５のブームシリンダ6cなどのフロント作業機系シリンダのように、流体圧アクチュエータ16acに抗して作用する掘削抵抗力などの反力が変動する場合は、第２の判別器24の判断を選択する機能を有する。

第１の判別器23は、操作器17による操作指令値ｒの正負（アクチュエータ作動方向）を判断するとともに、操作指令値ｒ（アクチュエータ作動速度）を微分して操作指令値ｒの変化速度dr/dtすなわちアクチュエータ加速度または減速度を演算して、その正負を判断し、dr/dtが正のときは、操作指令値ｒが増大する方向（アクチュエータ加速指令状態）であるので力行と判断するとともに、dr/dtが負のときは、操作指令値ｒが減少する方向（アクチュエータ減速指令状態）であるので回生と判断する。

この第１の判別器23でなされた操作指令値ｒの正負判断は、第２の判別器24に送られる。

この第２の判別器24は、駆動力と反力との差からオープンループ式制御機械の力行・回生パワーを演算するパワー演算部分26と、その力行・回生パワーの正負から力行・回生の状態を判断する状態判断部分27とを具備している。

第２の判別器24のパワー演算部分26は、アクチュエータ16が油圧モータ、油圧シリンダなどの流体圧アクチュエータ16acである場合、操作指令値ｒが正のときに作動流体が供給される側を入口とするとともに作動流体が排出される側を出口として、駆動側圧力センサ28により検出された駆動側圧力Ｐ1と、戻り側圧力センサ29により検出された戻り側圧力Ｐ2と、これらの圧力Ｐ1，Ｐ2を受けるアクチュエータ可動部（例えばピストン）の受圧面積Ｓ1，Ｓ2（既知の定数）とから、駆動力Ｐ1・Ｓ1および反力Ｐ2・Ｓ2を演算でき、さらに速度演算器30により、アクチュエータ作動速度Ｆを求めることができるので、駆動力による仕事率Ｐ1・Ｓ1・Ｆと、反力による仕事率Ｐ2・Ｓ2・Ｆとの差より、力行・回生パワーを演算することが可能となる。

アクチュエータ作動速度Ｆを求めるには、アクチュエータ位置検出器により検出されたアクチュエータ位置を微分して速度を求める方法、アクチュエータ作動流体の流量を用いる方法、操作指令値ｒを機器特性Ｋで補正する方法などがある。

この操作指令値ｒを機器特性Ｋ（このＫはｒの関数）で補正する方法は、図１に示されるように、Ｆ＝ｒ・Ｋで表わされ、位置検出器や流量計などのセンサがなくても、操作指令値ｒからアクチュエータ作動速度を容易に演算することが可能である。

したがって、第１の判別器23で操作指令値ｒが正であると判断したときの流体圧アクチュエータ16acの力行・回生パワーは、第２の判別器24のパワー演算部分26により、
Ｐower＝（Ｐ1・Ｓ1−Ｐ2・Ｓ2）・Ｆで求めることができ、また、第１の判別器23で操作指令値ｒが負であると判断したときの流体圧アクチュエータ16acの力行・回生パワーは、第２の判別器24のパワー演算部分26により、
Ｐower＝（−Ｐ1・Ｓ1＋Ｐ2・Ｓ2）・Ｆで求めることができる。

このとき、第２の判別器24の状態判断部分27は、パワー演算部分26の演算により求めた力行・回生パワーＰowerが正のときは、力行の状態であると判断し、負のときは、回生の状態であると判断する。

さらに、この第２の判別器24は、機器効率がｎであれば、
パワー要求値Ｐower^＊＝Ｐower・ｎ、またはＰower・１／ｎを演算して、そのパワー要求値Ｐower^＊を動力制御部12，14に出力する。

このようにして、アクチュエータ両側の圧力Ｐ1，Ｐ2と、操作指令値ｒの経時変化を検出することで、力行・回生判別装置19から動力制御部12，14に出力される力行・回生の判断と、力行・回生のパワー要求値Ｐower^＊の演算とを行なうことができる。

なお、駆動機械15が電動機／発電機などの電気式アクチュエータである場合は、図１に示されたパワー演算手段22は、第２の判別器24のパワー演算部分26が異なるものとなるが、操作方向、電流値、電圧、力率（交流）により、力行・回生パワーを正確に演算できる。このときの電気式アクチュエータの力行・回生パワーＰower＝±電流×電圧×（力率）となる。そして、力行・回生パワーと操作方向との符号が一致するか否かにより力行か回生かを判断する。

次に、この実施の形態の作用を、図３に示されたフローチャートを参照しながら説明する。

（ステップ１）
第１の判別器23により、操作器17による操作指令値ｒの正負（アクチュエータ作動方向）を判断する。

（ステップ２）
操作指令値ｒを微分して操作指令値ｒの変化速度すなわちアクチュエータ加速度または減速度を演算して、その正負を判断し、dr/dtが正のときは、操作指令値ｒが増大する方向（アクチュエータ加速指令状態）であるので力行と判断するとともに、dr/dtが負のときは、操作指令値ｒが減少する方向（アクチュエータ減速指令状態）であるので回生と判断する。

（ステップ３）
速度演算器30により、操作指令値ｒを機器特性Ｋ（このＫはｒの関数）で補正して、アクチュエータ作動速度Ｆ＝ｒ・Ｋを演算するとともに、駆動側圧力センサ28および戻り側圧力センサ29により、流体圧アクチュエータ16acの駆動側圧力Ｐ1と、戻り側圧力Ｐ2とを検出する。

（ステップ４）
第１の判別器23で操作指令値ｒが正であると判断したときは、流体圧アクチュエータ16acの力行・回生パワーは、第２の判別器24のパワー演算部分26により、
Ｐower＝（Ｐ1・Ｓ1−Ｐ2・Ｓ2）・Ｆで演算し、操作指令値ｒが負であると判断したときは、
Ｐower＝（−Ｐ1・Ｓ1＋Ｐ2・Ｓ2）・Ｆで演算し、これらのＰowerと機器効率ｎからパワー要求値Ｐower^＊を演算する。

（ステップ５）
力行・回生パワーＰowerが正のときは力行の状態であると判断し、また、力行・回生パワーＰowerが負のときは回生の状態であると判断する。

（ステップ６）
優先判断回路25により、反力が一定であるか否かを判断する。

（ステップ７）
流体圧アクチュエータ16acが例えば旋回モータ3mであるなどの、反力が水平方向に作用する一定の場合は、第１の判別器23の判断を選択し、操作指令値ｒの変化速度dr/dtの正負による力行・回生の状態判断と、パワー要求値Ｐower^＊とを動力制御部12，14に出力する。

（ステップ８）
流体圧アクチュエータ16acが例えばブームシリンダ6cであるなどの、反力が状況に応じて変動する場合は、第２の判別器24の判断を優先させ、力行・回生パワーの正負による力行・回生の状態判断と、パワー要求値Ｐower^＊とを動力制御部12，14に出力する。

次に、この実施の形態の効果を説明する。

状態判断手段21の第１の判別器23または第２の判別器24の状態判断部分27により、流体圧アクチュエータ16acの力行・回生の状態を判断するとともに、パワー演算手段22により、流体圧アクチュエータ16acの駆動側圧力Ｐ1および戻り側圧力Ｐ2と、アクチュエータ作動速度Ｆから、力行・回生のパワーを演算するので、オープンループ式制御機械を効率よく動作させるための状況判断を的確にできる。

流体圧アクチュエータ16acに抗して作用する反力が一定の場合は第１の判別器23により力行・回生の状態を適切に判断できるとともに、反力が変動する場合は第２の判別器24の状態判断部分27により力行・回生の状態を適切に判断できる。

図１に示された速度演算方法は、操作器17の操作量によって決まる操作指令値ｒの関数でアクチュエータ作動速度Ｆを演算することから、速度センサや流量計などを必要とせず、既存の操作量センサのみで安価な速度演算システムを構成できる。すなわち、アクチュエータ位置を検出する位置センサ、アクチュエータ速度を検出する速度センサ、流量計などの新たな検出器を追加しなくてもよいので、既存の機械に対し制御装置のみの改良で対応でき、コストがかからないとともに、適用範囲が広く、油圧ショベルなどの建設機械以外のオープンループ式制御機械にも適用できる。

要するに、オープンループ式制御機械において、力行・回生の判断と、力行・回生パワーの演算の両方ができる力行・回生判別装置19を提供でき、これにより、汎用的にエネルギの供給と回収が可能な動力制御システムを構築できる。

次に、図５に基づき、本発明をハイブリッド式油圧ショベルなどのハイブリッド式建設機械に適用した実施の形態を説明する。なお、図２に示された実施の形態と同様の部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。

すなわち、図５は、２種以上の動力源31，32を有するパラレルハイブリッド構成のシステムを示し、各サブシステムへの動力供給（または回収）を、エンジンなどの第１動力源31と、バッテリなどのエネルギ蓄積装置11とコンバータなどの動力制御部12とで構成された電気エネルギ蓄積方式の第２動力源32とで、トータル的に協調して制御するシステムである。

第１動力源31は、動力伝達装置33を介して電動機などの駆動機械15に機械的に接続されているとともに、油圧装置（油圧ポンプ−油圧シリンダ・モータ）16oに機械的に接続される。第２動力源32の動力制御部12は、これらの駆動機械15を制御するインバータなどの動力制御部14にパワーライン13を介し接続され、また他の油圧装置（油圧ポンプ−油圧シリンダ・モータ）16aまたは負荷Ｌに機械的に接続された電動機などの駆動機械15a，15bを制御するインバータなどの動力制御部14a，14bに、パワーライン13を介しそれぞれ接続されている。

また、作業機械を操作するジョイスティックレバーなどの操作器17が、コントローラなどのシステム制御器18に接続され、このシステム制御器18により動力制御部14，14a，14bの制御および油圧装置16o，16aの制御（例えば流体圧ポンプ／モータ16pmの容積制御、方向切換制御）がなされる。さらに、システム制御器18に接続された力行・回生判別装置19は、動力制御部12および動力制御部14，14a，14bに接続され、力行・回生の判断および力行・回生のパワー演算を行なって、これらの動力制御部12，14，14a，14bを制御する。

そして、図５に示された力行・回生判別装置19は、図１に示されたものと同様であるので、適切な力行・回生の判断と、力行・回生のパワー演算とを行なうことにより、オープンループ式のハイブリッド式建設機械を効率よく動作させるための状況判断を的確にできる。

以上のように、オープンループ式制御機械で、運転状態によって反力が変化し、その反力の予測が難しい例えば油圧ショベルのブーム系などに力行・回生を判断する方法を確立でき、操作信号の変化(または方向)と、駆動力と反力の差の両方から、回生エネルギを有効に回収蓄積することができるとともに、力行・回生状態を判断することに加えて、そのパワーも演算することで、エネルギ蓄積装置11へのエネルギ回収(放出)を安定して行なうことを可能にする力行・回生判別装置19を提供できる。

なお、本発明は、建設機械に限定されるものではなく、使用状態が不定の他のオープンループ式制御機械にも汎用的に使用でき、その力行・回生制御が可能になる。

本発明に係るオープンループ式制御機械の力行・回生判別装置の一実施の形態を示すブロック図である。 同上判別装置を備えたオープンループ式制御システムを示すブロック図である。 同上判別装置の作用を示すフローチャートである。 同上判別装置を搭載した作業機械の側面図である。 同上判別装置を備えたオープンループ式制御システムの他の実施の形態を示すブロック図である。

符号の説明

16ac 流体圧アクチュエータ
21 状態判断手段
22 パワー演算手段
23 第１の判別器
24 第２の判別器
25 優先判断回路
ｒ 操作指令値

Claims (4)

1. 流体圧アクチュエータの力行・回生の状態を判断する状態判断手段と、
   流体圧アクチュエータの駆動側圧力および戻り側圧力と、アクチュエータ作動速度より流体圧アクチュエータの力行・回生パワーを演算するパワー演算手段と
   を具備したことを特徴とするオープンループ式制御機械の力行・回生判別装置。
2. 状態判断手段は、
   操作指令値の変化速度から力行・回生の状態を判断する第１の判別器と、
   力行・回生パワーの正負判断により力行・回生の状態を判断する第２の判別器と、
   流体圧アクチュエータに抗して作用する反力が一定の場合は第１の判別器の判断を選択するとともに反力が変動する場合は第２の判別器の判断を選択する優先判断回路と
   を具備したことを特徴とする請求項１記載のオープンループ式制御機械の力行・回生判別装置。
3. パワー演算手段は、アクチュエータ作動速度を、操作指令値の関数で演算する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のオープンループ式制御機械の力行・回生判別装置。
4. オープンループ式制御機械は、ハイブリッド式建設機械である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のオープンループ式制御機械の力行・回生判別装置。

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