JP2007232148A - 作業機械の油圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カットオフ制御によるエネルギー効率の改善を実現しながら、カットオフ制御による弊害である駆動力不足の問題をすべて解消し、しかも新たな設備を追加する必要をなくする。
【解決手段】ポンプ流量を制御する方式として、設定圧力(カットオフ圧力)とポンプ圧とに基づいてポンプ流量を制御する圧力フィードバック制御と、作業情報に基づいてポンプ流量を制御する通常制御のうち、流量指令値の低い方を選択して実行し、圧力フィードバック制御が選択されたときに、その選択時点から時間の経過とともに流量指令値を増加させる流量増加制御を行うように構成した。
【選択図】図７

Description

本発明は油圧ショベル等の作業機械においてポンプ流量のカットオフ制御を行う油圧制御装置に関するものである。

カットオフ制御は、回路の最高圧力を決めるリリーフ弁を備えた油圧回路において、リリーフ流量(リリーフ弁の通過流量)を少なくしてエネルギーロスを低減することを目的として行われる。

このカットオフ制御を行う技術として、
(Ｉ) 特許文献１に開示されているように、ネガティブ制御において、リリーフ弁の下流側に絞りを設け、絞りの上流側圧力が増加した場合にポンプ流量を減少させる技術(公知技術の１)、
(ＩＩ) 特許文献２に開示されているように、リリーフ弁の温度を検出し、リリーフ弁温度が上昇した場合にポンプ流量を減少させる技術(公知技術の２)、
(ＩＩＩ) 特許文献３に開示されているように、ポンプ圧が設定値以下となるように圧力フィードバック制御を行う技術(公知技術の３)
が公知である。
特開平１０−２４６２０４号公報 特開２００２−０３８５３６号公報 特開２００５−２６５００２号公報

しかし、公知技術の１によると、リリーフ弁の下流側に絞りを設けるため、この絞りによる圧力損失が発生し、システム全体からみて所期のエネルギー効率改善の効果が十分ではない。

公知技術の２によると、リリーフ弁の熱容量により、リリーフ流量の発生とリリーフ弁の温度上昇との間にタイムラグが生じ、カットオフ制御の実行が遅れるためリリーフ損失の低減効果が十分でない。また、リリーフ流量が０になった後も余熱を検出してカットオフ制御が続行されるため、アクチュエータ流量が不足し、駆動力が低下してしまう弊害が生じる。

一方、公知技術の３によると、ポンプ圧が設定値(カットオフ圧力)以下となるように圧力フィードバック制御を行うため、基本的にリリーフ流量を少なくでき、エネルギー効率の改善に効果がある。

詳しくいうと、この公知技術３では、カットオフのための圧力フィードバック制御と、作業情報に基づいてポンプ流量を制御する通常制御(ポジティブ制御、ネガティブ制御、ロードセンシング制御等)のうち流量指令値の低い方を選択し、圧力フィードバック制御が選択されることによってカットオフが行われるように構成している。

ところが、圧力フィードバック制御はリリーフ弁の設定圧よりも低い圧力を目標とすることから、同制御が選択されているかぎり、ポンプ圧が最高圧力まで上がらないため駆動力が不足し、たとえば坂道での登坂性が悪くなるという弊害が生じる。

公知技術３では、この登坂性についての対策として、車体の傾きを検出し、坂道ではカットオフ制御(圧力フィードバック制御)をオフとする構成をとっている。

しかし、この構成では、既存の回路に、車体の傾きを検出する検出手段とその配線設備を新たに追加しなければならないため、設備コストが高くなるとともに、既存の機械への適用が困難となる。

また、駆動力不足は登坂時以外の各種操作時にも起こり得るにもかかわらず、この点の対策はとられていない。

旋回を例にとると、旋回モータは旋回体の慣性の影響によってすぐには加速しないため、流入流量が流出流量よりも多くなる。これにより、回路圧力が上昇し、これを受けた圧力フィードバック制御によってポンプ流量が抑制される。

この状態が維持されると、リリーフ流量は少なくてすむ反面、旋回圧力も上がらないため、非常にゆっくりとしか旋回できなかったり、旋回できずに止まってしまったりする可能性がある。この問題は平坦地での旋回時にも起こり得るが、坂道で上り側に旋回する上り旋回時に顕著となる。

そこで本発明は、カットオフ制御によるエネルギー効率の改善を実現しながら、カットオフ制御による弊害である駆動力不足の問題をすべて解消し、しかも新たな設備を追加する必要のない作業機械の油圧制御装置を提供するものである。

請求項１の発明は、油圧ポンプと、この油圧ポンプを駆動源とする油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータに対する油の給排を制御するコントロールバルブと、回路の最高圧力を設定するリリーフ弁と、制御手段とを具備し、この制御手段は、
(ｉ) ポンプ流量の制御方式として、カットオフ圧力としての設定圧力とポンプ圧とに基づいてポンプ流量を制御する圧力フィードバック制御と、作業情報に基づいてポンプ流量を制御する通常制御のうち、流量指令値の低い方を選択し、
(ｉｉ) 上記圧力フィードバック制御が選択されたときに、その選択時点から時間の経過とともに流量指令値を増加させる流量増加制御を行う
ように構成されたものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、制御手段は、圧力フィードバック制御が選択されたときに、流量増加制御として制御ゲインを時間の経過とともに小さくするように構成されたものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、制御手段は、圧力フィードバック制御が選択されたときに、流量増加制御として設定圧力を時間の経過とともに高くするように構成されたものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、制御手段は、圧力フィードバック制御が選択された後、通常制御の流量指令値が低位として選択されたときに流量増加制御をリセットするように構成されたものである。

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、制御手段は、圧力フィードバック制御における流量増加制御のオン・オフを選択し得るように構成されたものである。

請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかの構成において、制御手段はモード切換手段を備え、このモード切換手段により、制御モードを、流量増加制御を伴わない圧力フィードバック制御と通常制御のうちから流量指令値の低位選択を行う省エネモードと、流量増加制御を伴う圧力フィードバック制御と通常制御のうちから流量指令の低位選択を行う省エネハイモードと、圧力フィードバック制御をオフとして通常制御のみを行うハイパワーモードのうちから選択し得るように構成されたものである。

本発明によると、ポンプ圧と設定圧力とに基づいてポンプ流量を指令するカットオフのための圧力フィードバック制御と、作業情報に基づいてポンプ流量を指令する通常制御のうち、流量指令値の低い方を選択して実行する構成を前提として、圧力フィードバック制御が選択されたときに、その選択時点から時間の経過とともに流量指令値を増加させる流量増加制御(請求項２では制御ゲインを小さくし、請求項３では設定圧力を高くする制御)を行う構成としたから、最初はリリーフ流量を抑えてエネルギー効率を改善し、最終的には圧力を高めて駆動力(坂道での登坂力や旋回力)を高めることができる。

つまり、エネルギー効率の改善と駆動力のバランスをとることができ、カットオフ本来の目的を達成しながら、カットオフ制御による弊害である駆動力不足の問題をすべて解消することができる。

しかも、上記制御は、制御手段プログラムによって実行できるため、公知技術の３のように車体の傾きを検出するセンサとその配線設備といった新たな設備を追加する必要がなく、コストが安くてすむとともに既存の機械にも容易に適用することができる。

なお、上記通常制御としてはポジティブ制御、ネガティブ制御、ＰＱ制御、ロードセンシング制御等を用いることができる。

ところで、上記流量増加制御が解除されない(流量指令値が大きい)状態でリモコン弁１３が中立に戻された後、再度操作されると、通常制御(たとえばポジティブ制御)による流量指令値が選択されるため、リリーフ流量低減機能を発揮できない。

この点、請求項４の発明によると、圧力フィードバック制御による流量指令値の選択がなくなった時点(通常制御が選択された時点)で流量増加制御をリセットするため、再操作時に改めて流量指令値の低い圧力フィードバック制御が選択される。これにより、リリーフ流量低減効果を確保することができる。

また、請求項５の発明によると、圧力フィードバック制御でも、流量増加制御付きのものとそうでないもののうちから選択できるため、リリーフ量低減を狙うかバランスを求めるかの選択が可能となる。

一方、請求項６の発明によると、制御モードを、
(ａ) 流量増加制御を伴わない圧力フィードバック制御と通常制御のうちから流量指令値の低位選択を行う省エネモード、
(ｂ) 流量増加制御を伴う圧力フィードバック制御と通常制御のうちから流量指令の低位選択を行う省エネハイモード、
(ｃ) 圧力フィードバック制御をオフとして通常制御のみを行うハイパワーモード
のうちから選択し得るように構成したから、狙いに応じた制御が可能となる。

図１は本発明の実施形態にかかる作業機械(たとえば油圧ショベル)の油圧回路構成、図２は制御手段としてのコントローラの内部構成をそれぞれ示す図である。

図１において、１は油圧源としての可変容量式の油圧ポンプ、２は同ポンプ１の吐出量(ポンプ流量)を制御するレギュレータ、３は油圧アクチュエータの一例としての油圧モータ、４はこの油圧モータ３に対する油の給排を制御する油圧パイロット式のコントロールバルブ、５は回路の最高圧力を設定するリリーフ弁である。

なお、コントロールバルブ４と油圧モータ３とを結ぶ両側管路６,７間にポートリリーフ弁８,８及びメークアップ用チェック弁９,９が設けられている。Ｔはタンクである。

ポンプ油が吐出されるポンプライン１０にポンプ圧センサ１１が設けられ、ポンプ圧(リリーフ弁５の上流側圧力)がこのポンプ圧センサ１１で検出されてコントローラ１２に送られる。

また、コントロールバルブ４を操作するリモコン弁１３の両側パイロットライン１４,１５にそれぞれパイロット圧センサ１６,１６が設けられ、同センサ１６,１６からの信号(パイロット圧信号)もコントローラ１２に送られる。

さらに、コントローラ１２にはモード切換スイッチ１７が接続され、同スイッチ１７によって制御モードが切換えられる。この点は後に詳述する。

コントローラ１２は、図２に示すようにポンプ圧信号やパイロット圧信号を取り込む入力部１８と、取り込んだポンプ圧に基づいて圧力フィードバック、ポジティブ、ＰＱの各制御方式によるポンプ流量指令値(以下、単に流量指令値という)を出力する第1、第２、第３各指令部１９,２０,２１と、各流量指令値を比較して最も流量指令値が小さい制御方式を選択(低位選択)する選択部２２と、選択された制御方式による流量指令値をレギュレータ２に出力する出力部２３と、各種プログラムやデータを記憶しておくためのメモリ２４とを備えている。

各制御方式の内容を説明する。

圧力フィードバック制御においては、図３に示すようにフィードバックループ２５、制御ゲイン要素２６、飽和要素２７、油圧ポンプ1及び油圧回路２８から成るフィードバック回路が用いられる。

コントローラ１２の第1指令部１９は、検出されたポンプ圧Ｐｐをフィードバックループ２５を通して設定圧力(カットオフ圧力)と比較することで偏差を計算し、この偏差に対して制御ゲイン要素２６で制御ゲインを加えた後、飽和要素２７を用いて油圧ポンプ１に対する流量指令値Ｑ２を決定する。

一方、通常制御の一つであるポジティブ制御においては、図４に示すパイロット圧ＰＩと流量指令値Ｑ１の関係(ポジティブ制御マップ)から流量指令値Ｑ１を求める。図例ではパイロット圧ＰＩ1〜ＰＩ２の範囲では比例したポンプ流量Ｑ1１〜Ｑ１２が計算される。

もう一つの通常制御であるＰＱ制御においては、図５に示すポンプ圧Ｐｐと流量指令値Ｑ３の関係(ＰＱ制御マップ)を用いてポンプ圧Ｐｐに対する流量指令値Ｑ３を求める。図例ではポンプ圧Ｐｐ1〜Ｐｐ２の範囲ではそれに反比例した流量指令値Ｑ３１〜Ｑ３２が計算される。

ここで、圧力フィードバック制御と通常制御の違いを明らかにする意味で、たとえば旋回時の圧力と応答の関係について図６によって説明する。ここでは圧力フィードバック制御とポジティブ制御とを比較している。

図６の一番上に示すようにパイロット圧をステップ的にフルまで上昇させた場合、図６の上から三番目の左に示すようにポジティブ制御では流量指令値Ｑ１がステップ的に最大流量となり、ポンプ流量Ｑｐも最大値となる。

ところが、旋回モータは旋回体の慣性の影響によってすぐには増速しないため、流入流量が流出流量よりも多くなる結果、ポンプ圧がリリーフ圧まで上昇し、図６の一番下の左に示すようにリリーフ流量Ｑｒが多くなる。

これに対し、圧力フィードバック制御によると、上記ポンプ圧の上昇によって図６の上から三番目の右側に示すように流量指令値Ｑ２が最小値まで減少し、この結果、図６一番下の右側に示すようにリリーフ流量Ｑrもポジティブ制御の場合と比較して遥かに少なくなる。すなわち、リリーフ損失が最小限に小さくてすみ、省エネとなる。

なお、ＰＱ制御は、掘削作業のような負荷が大きな場合にポンプ流量をカットする制御であり、通常の空中での旋回時には流量指令値は最大流量となる。

そこで、この実施形態においては、ポジティブ、圧力フィードバック、ＰＱの各制御方式のうち、流量指令値Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３が最も小さいものを選択し、実行することとしている。従って、ポンプ圧が高まったときには圧力フィードバック制御が選択される。

ところが、圧力フィードバック制御は、リリーフ弁の設定圧よりも低い値(カットオフ圧力)を目標とすることから、同制御が選択されているかぎり、ポンプ圧が最高圧力まで上がらないため駆動力が不足し、登坂性等が悪くなるという弊害が生じる。

また、上記旋回時にも、圧力フィードバック制御によってポンプ流量が抑制され、この状態が維持されると、リリーフ流量は少なくてすむ反面、旋回圧力も上がらないため、とくに上り旋回時に非常にゆっくりとしか旋回できなかったり、旋回できずに止まってしまったりする可能性がある。

そこでこの実施形態では、カットオフ制御によるエネルギー効率の改善を実現しながら、カットオフ制御による弊害である駆動力不足の問題をすべて解消し得る構成をとっている。

図７はコントローラ１２の動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１ａ,Ｓ１ｂでパイロット圧及びポンプ圧が取り込まれると、ステップＳ２ａ,Ｓ２ｂ,Ｓ２ｃでそれぞれポジティブ、圧力フィードバック、ＰＱ各制御での流量指令値Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３が求められる。

そして、ステップＳ３で、図２中の選択部２２により各流量指令値Ｑ１〜Ｑ３のうち最も小さいもの(最小流量指令値を示す制御方式)が選択されるとともに、ステップＳ４でこの選択された時点が検出される。

この後、ステップＳ５で流量指令値の最終値が決定され、図２中の出力部２３から図１中のレギュレータ２に最終値に基づく流量指令信号が出力される。

ここで、ステップＳ３において圧力フィードバック制御が選択された場合、選択時点からの時間の経過とともに流量指令値を増加させる流量増加制御が行われる。

この流量増加制御は、具体的には、図３の圧力フィードバック回路において、選択時点を起点として時間の経過とともに、ある時間関数に基づいて制御ゲイン要素２６のゲインを小さくするか(図８参照)、圧力設定値を大きくする(図９参照)ことによって行われる。

この流量増加制御を伴う圧力フィードバック制御により、図１０に示すように時間の経過とともにポンプ流量Ｑｐが増加し、リリーフ流量Ｑrも増加する。そして、一定時間後には低位選択作用によって他の流量指令値Ｑ１またはＱ３が選択されることになり、リリーフ流量Ｑrの最大値はＱr３となる。

従って、この制御を行うことにより、時間の経過とともにカットオフ本来の省エネ効果は減少する半面、ポンプ圧が高まるため駆動力が大きくなる。このため、坂道での登坂力や旋回力を高めることができ、たとえば上り旋回時に旋回速度が極端に低くなったり旋回できずに止まってしまったりするおそれがなくなる。

つまり、エネルギー効率の改善と駆動力確保のバランスをとることができ、カットオフ本来の目的を達成しながら、カットオフ制御(圧力フィードバック制御)による弊害である駆動力不足の問題をすべて解消することができる。

しかも、上記制御は、コントローラ１２の内部でのプログラムによって実行できるため、公知技術の３のように車体の傾きを検出するセンサとその配線設備といった新たな設備を追加する必要がなく、コストが安くてすむとともに既存の機械にも容易に適用することができる。

なお、流量増加制御において、流量指令値Ｑ２の増加の仕方は、得ようとする特性等に応じて種々選択することができる。たとえば、ポンプ流量指令値Ｑ２の増加の傾きを大小複数種類に変えてもよい。

ところで、上記流量増加制御が解除されない(流量指令値が大きい)状態でリモコン弁１３が中立に戻された後、再度操作されると、この時点でポジティブ制御による流量指令値が選択されるため、リリーフ流量低減機能を発揮できない。

そこでこの実施形態では、図７のフローにおいて圧力フィードバック制御による流量指令値Ｑ２の選択がなくなった時点(ポジティブ制御が選択された時点)で流量増加制御をリセットする構成をとっている。

これにより、リモコン弁１３が中立に戻された後、再操作されたときに、改めて流量指令値の低い圧力フィードバック制御が選択され、図１０に示す制御が行われるため、リリーフ流量低減効果を確保することができる。

次に、モード切換機能について図１１によって説明する。

図１中のコントローラ１２には、省エネロウ、省エネハイ、ハイパワーの三つのモードが用意され、図１中のモード切換スイッチ１７によってモードが選択される。

省エネロウモードが選択されると、ポジティブ、圧力フィードバック、ＰＱ各制御の低位選択が行われる。

この省エネロウモードでは、流量増加制御は働かず、基本的な圧力フィードバック制御のみが働くように設定されている。従って、圧力フィードバック制御が選択された場合、リリーフ流量の最大値はＱr２に抑制され、省エネ効果が得られる。

これに対し、省エネハイモードでは流量増加制御が働くように設定され、低位選択によって圧力フィードバック制御が選択されると、図１０に示すように省エネと駆動力のバランスを持った制御が行われる。

一方、ハイパワーモードが選択されると、圧力フィードバック制御がオフとされ、ポジティブ、ＰＱ両制御の二者間での低位選択が行われる。この結果、圧力が上昇し、もっぱら加速性、坂道での登坂性が高い制御が行われる。

このように、圧力フィードバック制御でも、流量増加制御付きのもの(省エネハイモード)と流量増加制御のないもの(省エネロウモード)うちから選択できるため、いいかえれば圧力フィードバック制御について流量増加制御をオン／オフ選択し得る構成としているため、リリーフ量低減を狙うかバランスを求めるかの選択が可能となる。

また、これにハイパワーモードを加えたことによって選択肢を広げ、作業の内容等に応じた狙い通りの制御が可能となる。

ところで、上記実施形態では通常制御としてポジティブ制御とＰＱ制御を例示したが、他の制御方式(ネガティブ制御、ロードセンシング制御等)を用いてもよいし、その数も限定されない。

本発明の実施形態にかかる作業機械の油圧回路図である。 コントローラの構成を示す図である。 圧力フィードバック制御の説明図である。 ポジティブ制御におけるパイロット圧と流量指令値の関係を示す図である。 ＰＱ制御におけるポンプ圧と流量指令値の関係を示す図である。 ポジティブ、圧力フィードバック両制御による圧力と流量の応答を示す図である。 実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。 実施形態において制御ゲインを時間の経過とともに減少させる状況を示す図である。 実施形態において設定圧力値を時間の経過とともに上昇させる状況を示す図である。 実施形態の流量増加制御による圧力と流量の応答を示す図である。 実施形態のモード切換作用を説明するための図である。

符号の説明

１ 油圧ポンプ
２ レギュレータ
３ 油圧モータ
４ コントロールバルブ
５ リリーフ弁
１１ ポンプ圧センサ
１２ コントローラ(制御手段)
１３ リモコン弁
１６ パイロット圧センサ
１７ モード切換スイッチ(モード切換手段)
１８ コントローラの入力部
１９ 同第１指令部
２０ 同第２指令部
２１ 同第３指令部
２２ 同選択部
２３ 同出力部
２５ 圧力フィードバック制御のフィードバックループ
２６ 制御ゲイン要素

Claims (6)

1. 油圧ポンプと、この油圧ポンプを駆動源とする油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータに対する油の給排を制御するコントロールバルブと、回路の最高圧力を設定するリリーフ弁と、制御手段とを具備し、この制御手段は、
   (ｉ) ポンプ流量の制御方式として、カットオフ圧力としての設定圧力とポンプ圧とに基づいてポンプ流量を制御する圧力フィードバック制御と、作業情報に基づいてポンプ流量を制御する通常制御のうち、流量指令値の低い方を選択し、
   (ｉｉ) 上記圧力フィードバック制御が選択されたときに、その選択時点から時間の経過とともに流量指令値を増加させる流量増加制御を行う
   ように構成されたことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
2. 制御手段は、圧力フィードバック制御が選択されたときに、流量増加制御として制御ゲインを時間の経過とともに小さくするように構成されたことを特徴とする請求項1記載の作業機械の油圧制御装置。
3. 制御手段は、圧力フィードバック制御が選択されたときに、流量増加制御として設定圧力を時間の経過とともに高くするように構成されたことを特徴とする請求項1または２記載の作業機械の油圧制御装置。
4. 制御手段は、圧力フィードバック制御が選択された後、通常制御の流量指令値が低位として選択されたときに流量増加制御をリセットするように構成されたことを特徴とする請求項1乃至３のいずれか1項に記載の作業機械の油圧制御装置。
5. 制御手段は、圧力フィードバック制御における流量増加制御のオン・オフを選択し得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1項に記載の作業機械の油圧制御装置。
6. 制御手段はモード切換手段を備え、このモード切換手段により、制御モードを、流量増加制御を伴わない圧力フィードバック制御と通常制御のうちから流量指令値の低位選択を行う省エネモードと、流量増加制御を伴う圧力フィードバック制御と通常制御のうちから流量指令の低位選択を行う省エネハイモードと、圧力フィードバック制御をオフとして通常制御のみを行うハイパワーモードのうちから選択し得るように構成されたことを特徴とする請求項1乃至５のいずれか1項に記載の作業機械の油圧制御装置。

Images