JP2008094531A

JP2008094531A - マグネット作業機の制御装置

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Publication number: JP2008094531A
Application number: JP2006276466A
Authority: JP
Inventors: Morihiko Matsubara; 守彦松原; Takashi Yoneda; 敬米田; 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: 2006-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】マグネット作業機の制御装置に関し、リフティングマグネットを備えた作業機において、簡素な構成でエネルギ効率を向上させ経済性を高め、作業機としての汎用性を高める。
【解決手段】発電機及び電動機としての機能を併せ持ちエンジン６とマグネット装置７との間に介装された発電電動機９と、バッテリ８の充電率を検出する充電率検出手段１０と、発電電動機９の作動状態及びバッテリ８における充放電を制御する制御手段５とを備える。制御手段５に、エンジン６の負荷を算出するエンジン負荷算出手段１と、該充電率に基づいてエンジン目標出力を設定するエンジン目標出力設定手段２と、マグネット装置７の不使用時において該負荷が該エンジン目標出力よりも大きい場合に、発電電動機９の動力をエンジン６へ供給し、該負荷がエンジン目標出力よりも小さい場合に、発電電動機９の電力をバッテリ８へ供給する通常時制御手段３とを設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動駆動式のリフティングマグネットを装備するマグネット作業機の制御装置に関する。

従来、油圧ショベルを始めとする作業機のアームの先端に装着するアタッチメントの一つとして、リフティングマグネットが知られている。リフティングマグネットとは、強力な電磁石を内蔵した磁性体の吸着装置であり、建築物の解体現場や産業廃棄物処理場でのスクラップ処理作業における鉄の選別，移動，車両への積み込み等に用いられている。一般に、リフティングマグネットの電磁石の電源となる発電機は、アタッチメント側ではなく作業機側に予め設けられている。このようなリフティングマグネット及び発電機を備えた作業機は、マグネット作業機（又はマグネット仕様車，マグネット仕様機）と呼ばれている。

ところで、マグネット作業機における発電機の出力は、その発電機からリフティングマグネットへ供給される電圧及び電流の大きさを変化させなければ、理論上一定の大きさとなる。つまり、エンジンに対する発電機の負荷は変化しないはずである。しかし、実際のリフティングマグネットにおいては、電磁石内部のコイルの抵抗値が温度上昇とともに増加するため、コイル温度が低い運転開始時に過渡的なピーク電流が流れ、その後コイル自体の温度上昇に応じて徐々に電流値が小さくなる。つまり、時間経過とともに発電機の出力が変動するため、エンジンに対する発電機の負荷を安定化させることが難しい。

上記の課題に対し、特許文献１に記載の技術では、エンジン及び発電機を備えたスクラップ作業機において、発電機の出力を交流・直流変換するとともに平準化してバッテリへ充電するインバータと、バッテリに充電された電力をリフティングマグネットへ供給するコントローラとを備えた構成が開示されている。つまり、発電機とリフティングマグネットとの間の電気回路上にインバータ，バッテリ及びコントローラを介装することによって発電機の出力を均し、エンジンへの負荷変動を抑制できるようになっている。
特開２００５−１７７５号公報

ところで、リフティングマグネットは、上述の通り作業機のアタッチメントの一つとして装着されるものであり、例えば、作業内容に応じてバケットやブレーカといった様々なアタッチメントに交換できるようになっている。
しかしながら、特許文献１に記載されたスクラップ作業機では、アタッチメントを交換した際に、発電機で発電される電力やバッテリに蓄えられた電力を利用することができず不経済である。つまり、従来のマグネット作業機は、リフティングマグネットを装備したマグネット作業専用の作業機としての利用を想定した構成となっており、他のアタッチメントを装着可能な多仕様型の作業機としての汎用性が低いという課題がある。

また、たとえアタッチメントとしてリフティングマグネットを使用し続けた場合であっても、リフティングマグネットの電磁石へ励磁電流を供給している時間より供給していない時間の方が長いと、バッテリの最大充電量を超えた電力が発電機で発電される場合があり、エネルギ効率が低下するという課題もある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、リフティングマグネットを備えた作業機において、簡素な構成でエネルギ効率を向上させ経済性を高めることができるとともに、作業機としての汎用性を高めることができるようにした、マグネット作業機の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明のマグネット作業機の制御装置は、作業機の駆動源としてのエンジンと、該作業機のアタッチメントとしての電動駆動式のマグネット装置と、該マグネット装置の駆動に係る電力を蓄電しうるバッテリとを有するマグネット作業機の制御装置であって、該エンジンの動力を該電力へと変換する発電機としての機能と、該電力を該動力へと変換する電動機としての機能とを併せ持ち、該エンジンと該マグネット装置との間に介装された発電電動機と、該バッテリの充電率を検出する充電率検出手段と、該発電電動機の作動状態及び該バッテリにおける充放電を制御する制御手段とを備え、該制御手段が、該エンジンへ作用する負荷を算出するエンジン負荷算出手段と、該充電率検出手段で検出された該充電率に基づいて、該エンジンの目標出力を設定するエンジン目標出力設定手段と、該マグネット装置の不使用時において、該エンジン負荷算出手段で算出された該負荷が該エンジン目標出力設定手段で設定された該エンジンの目標出力よりも大きい場合に、該発電電動機を電動機として作動させるとともに該発電電動機の動力を該エンジンへ供給し、該負荷が該エンジンの目標出力よりも小さい場合に、該発電電動機を発電機として作動させるとともに該発電電動機の該電力を該バッテリへ供給する通常時制御手段とを備えてなることを特徴としている。

また、請求項２記載の本発明のマグネット作業機の制御装置は、請求項１記載のマグネット作業機の制御装置において、該制御手段が、該マグネット装置の使用時において、該充電率検出手段で検出された該充電率が予め設定された所定充電率よりも大きい場合に、該発電電動機を発電機として作動させるとともに該発電電動機の該電力及び該バッテリに充電された電力を該マグネット装置へ供給し、該充電率が該所定充電率よりも小さい場合に、該発電電動機を発電機として作動させるとともに該発電電動機の該電力を該バッテリ及び該マグネット装置へ供給するマグネット作業時制御手段をさらに備えてなることを特徴としている。

本発明のマグネット作業機の制御装置（請求項１）によれば、マグネット装置の不使用時において、バッテリの充電率に基づいて設定されたエンジンの目標出力と、実際にエンジンに作用している負荷との比較によって、発電電動機の機能を切り換えることにより、エンジンの負荷を平滑化することができる。これにより、エンジンの燃費を向上させることができるとともに、エンジンの騒音を低下させることができ、さらに、エンジンからの黒煙の排出を軽減することができる。

また、発電電動機で発電された電力をエンジンの駆動力として利用することができ、エネルギ効率を上昇させることができる。
なおこれらの効果は、マグネット装置の不使用時であれば、例えばアタッチメントとしてリフティングマグネットを装着している場合だけでなく、他のアタッチメントを使用している場合であっても期待できる。つまり、アタッチメントの種類に関わらず、より経済性を高めることができ、作業機としての汎用性を高めることができる。

また、本発明のマグネット作業機の制御装置（請求項２）によれば、マグネット装置の使用時には、充電率に応じてバッテリの充放電状態を制御することにより、発電電動機のエンジンに対する負荷を軽減することができる。

以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図５は本発明の一実施形態に係るマグネット作業機の制御装置を説明するものであり、図１は本制御装置を備えた作業機の全体構成を示す側面図、図２は本制御装置の全体構成を示す模式図、図３は本制御装置における処理タスクの選択機能を示す制御ブロック図、図４は本制御装置における通常作業モード時の制御内容を説明するための制御ブロック図、図５は本制御装置におけるマグネット作業モード時の制御内容を説明するための制御ブロック図である。

［構成］
〔１．全体構成〕
本制御装置は、図１に示すマグネット作業機５１に適用されている。このマグネット作業機５１は、クローラ式の油圧走行装置を装備した下部走行体２９と、下部走行体２９の上に旋回自在に搭載された上部旋回体３０とを備えて構成される。

上部旋回体３０には、マグネット作業に係る作業装置５２やオペレータ（運転者）が搭乗するキャブ５３等が備えられている。作業装置５２は、ブーム２５，アーム２６及びリフティングマグネット（マグネット装置）７の三つの部位から構成される。これらの各部位間には油圧シリンダが設けられており、各油圧シリンダを作動させることで各部位を独立して駆動する。図１中では、ブーム２５を駆動するためのブームシリンダ２５ａ，アーム２６を駆動するためのアームシリンダ２６ａ及びリフティングマグネット７の角度を制御するためのバケットシリンダ２７ａが示されている。

本マグネット作業機５１のリフティングマグネット７は、アーム２６の先端に装着されるアタッチメントの一つとして設けられたものであり、例えば、作業内容に応じてバケットやブレーカといった様々なアタッチメントに交換できるようになっている。
また、キャブ５３の後方に配置されたエンジンルーム５４内には、本マグネット作業機５１の駆動源となるエンジン６やリフティングマグネット７の励磁のための電源となる発電電動機９等が配置されている。

〔２．油圧回路〕
続いて、本マグネット作業機５１の動力系装置について説明する。図２に示すように、本マグネット作業機５１は、エンジン６の出力軸に対して機械的に連結された二台の油圧ポンプ１９ａ，１９ｂ及び発電電動機９を備えたハイブリッド式の作業機である。
エンジン６は、一般的な内燃機関として構成されている。また、エンジン６には、その出力を制御するエンジン制御器１４が併設されている。エンジン制御器１４は、エンジン６における燃料噴射量や吸気量を調節することで、エンジン６の出力を制御する装置である。

なお、本マグネット作業機５１のキャブ５３内には、エンジン６の最大出力の大きさを作業内容等に応じた大きさに設定するためのアクセルダイヤル２１が備えられている。アクセルダイヤル２１とは、エンジン回転数の目標値を設定するためのダイヤル型スイッチである。これにより、作業内容やオペレータの好みに応じた出力が得られるように、エンジン回転数が設定される。例えば、オペレータによってアクセルダイヤル２１が操作されると、操作内容がコントローラ（制御手段）５を介してエンジン制御器１４へ伝達され、エンジン６の出力が制御される。

各油圧ポンプ１９ａ，１９ｂは、下部走行体２９の油圧走行装置や上部旋回体の油圧旋回装置，作業装置５２を油圧駆動するための容量可変型ポンプである。これらの油圧ポンプ１９ａ，１９ｂは、複数のギヤからなるポンプドライブ２０ａを介してエンジン６に接続されている。また、ポンプドライブ２０ａのギヤと歯合するギヤを備えた発電機ドライブ２０ｂがポンプドライブ２０ａに隣接して設けられており、この発電機ドライブ２０ｂを介して発電電動機９がエンジン６に接続されている。これにより、エンジン６の動力が各油圧ポンプ１９ａ，１９ｂへと等しく分配されるとともに、発電電動機９へも分配されている。

各油圧ポンプ１９ａ，１９ｂから吐出される作動油は、油圧回路上のコントロールバルブ（油圧制御弁）２４を介して上述の各油圧シリンダ２５ａ〜２７ａや油圧走行装置，油圧旋回装置の油圧モータ２８へと供給されている。また、各油圧ポンプ１９ａ，１９ｂとコントロールバルブ２４との間の油圧回路上にはそれぞれ、圧力センサ１８ａ，１８ｂが介装されている。これらの圧力センサ１８ａ，１８ｂは、各油圧ポンプ１９ａ，１９ｂから吐出される作動油の圧力（吐出圧Ｐ）を検出し、その検出した情報をコントローラ５へ入力する。

各油圧ポンプ１９ａ，１９ｂから吐出される作動油の流量は、各油圧ポンプ１９ａ，１９ｂに内装されている斜板の傾転角θを調節するための電磁比例弁１５によって制御されている。各油圧ポンプ１９ａ，１９ｂの傾転角θは、各油圧ポンプ１９ａ，１９ｂのレギュレータに固設された斜板角センサ１７ａ，１７ｂによって検出され、コントローラ５へ入力されている。

また、油圧回路上の各油圧シリンダ２５ａ〜２７ａ及び各油圧モータ２８の作動量は、コントロールバルブ２４で制御されている。なお、コントロールバルブ２４は、ステム（流量制御スプール）の位置を複数の位置に切り替えて作動油の流通方向及び流量を可変制御できるスプール弁の集合体として構成されている。

〔３．電気回路〕
発電電動機９は、エンジン６の動力を電力へ変換する発電機（ジェネレータ）としての機能と、その電力をエンジン６のアシスト駆動力へ変換する電動機（モータ）としての機能とを兼ね備えている。例えば、発電機として機能する場合には、エンジン６の動力により回転子を回転させて発電を行い、バッテリ８へ充電する。また、電動機として機能する場合には、バッテリ８の電力を利用して回転子を回転させ、エンジン６の駆動力に補助的な駆動力を付加する。なお、エンジン６が停止している場合には、発電電動機９による駆動力を利用してエンジン６を始動させることも可能である。

図２に示すように、バッテリ８と発電電動機９との間の電気回路上には、発電電動機制御盤１１が介装されている。この発電電動機制御盤１１は、発電電動機９で発電された交流電流を直流電流へと変換し、あるいは逆に、直流電流を交流電流へと変換するための電力変換装置である。なお、発電電動機制御盤１１の内部には、直流電流を交流電流へ変換する変換回路と、交流電流を直流電流へ変換する変換回路とが設けられている。

例えば、発電電動機９を発電機として機能させたい場合には、発電電動機制御盤１１において、エンジン６の動力によって発電された交流電流を直流電流に変換してバッテリ８側へ供給する。また一方、発電電動機９を電動機として機能させたい場合には、バッテリ８側からの直流電流を任意の周波数の交流電流に変換して、発電電動機９へ供給する。
発電電動機９の回転角速度は、供給される交流電流の周波数を変更することで制御可能である。なお、バッテリ８にはその充電率SOC（State Of Charge；最大充電圧に対する充電圧の百分率）を検出するバッテリ電圧計１０が併設されている。ここで検出された充電率SOCは、コントローラ５へと入力されている。

バッテリ８と発電電動機制御盤１１との間の電気回路上には、バッテリ８に充電又は放電させるためのバッテリ制御盤１３が設けられている。このバッテリ制御盤１３の内部には、図示しない充電用回路と放電用回路とが設けられており、これらの回路を切り換えることによってバッテリ８での充電又は放電を制御するようになっている。
さらに、図２に示すように、この電気回路上には、発電電動機制御盤１１とバッテリ制御盤１３との間の電気回路に対して並列にリフティングマグネット（以下単にマグネットという）７が接続されている。マグネット７には電磁石が内蔵されており、この電磁石への通電により強力な磁界を生じさせて、磁性体を磁着するものである。なお、発電電動機制御盤１１とマグネット７との間の電気回路上には、マグネット制御盤１２が介装されている。このマグネット制御盤１２は、発電電動機制御盤１１側からマグネット７への電力供給を断接制御する機能を有している。

発電電動機制御盤１１とマグネット制御盤１２との間の電気回路上には、回路電圧Ｅを検出するマグネット電圧計１６が介装されている。なお、マグネット電圧計１６で検出された回路電圧Ｅは、マグネット７の使用時においてマグネット７へ供給される電圧と等しい。

〔４．作業モード〕
なお、本マグネット作業機５１は、複数の制御モードで作動しうるようになっている。例えば、マグネット７を使用してスクラップ処理作業における鉄の選別作業や移動作業を実施する場合には、オペレータによってマグネット作業モードが選択されるようになっている。このマグネット作業モードは、オペレータの操作に応じてマグネット７の励磁，非励磁を制御することができる作業モードである。

一方、アタッチメントをマグネット７からバケットへ交換した場合やマグネット作業を行わないような場合には、オペレータによって通常作業モードが選択される。この通常作業モードでは、マグネット７が不使用状態となる。
このような作業モードの選択やマグネット７の励磁状態を制御するためのスイッチとして、本マグネット作業機５１のキャブ５３内には、マグネットモードスイッチ２２及びマグネット操作スイッチ２３が設けられている。これらのマグネットモードスイッチ２２及びマグネット操作スイッチ２３は、ともにＯＮ位置とＯＦＦ位置とに切り換え操作が可能な二位置スイッチである。これらのスイッチ２２，２３の操作情報は、コントローラ５へ入力されて、作業モードの切り換えやマグネット７の制御に用いられる。

〔５．コントローラ〕
コントローラ５は、発電電動機制御盤１１，マグネット制御盤１２，バッテリ制御盤１３，エンジン制御器１４及び電磁比例弁１５の各動作を制御する電子制御装置である。前述の通り、コントローラ５には、バッテリ電圧計１０で検出された充電率SOC，マグネット電圧計１６で検出された回路電圧Ｅ，斜板角センサ１７ａ，１７ｂで検出された傾転角θ，圧力センサ１８ａ，１８ｂで検出された吐出圧Ｐ，アクセルダイヤル２１の操作位置情報，マグネットモードスイッチ２２の操作位置情報及びマグネット操作スイッチ２３の操作位置情報が入力されるようになっている。

また、図２に示すように、このコントローラ５はその内部に、機能部位として、エンジン負荷算出部（エンジン負荷算出手段）１，エンジン目標出力設定部（エンジン目標出力設定手段）２，通常時制御部（通常時制御手段）３及びマグネット作業時制御部（マグネット作業時制御手段）４を備えて構成されている。
エンジン負荷算出部１は、各油圧ポンプ１９ａ，１９ｂの吐出圧Ｐ及び傾転角θに基づいて、エンジン６へ作用する負荷を検出する機能部位であり、また、エンジン目標出力設定部２は、アクセルダイヤルの操作位置及びバッテリ８の充電率SOCに基づいて、エンジン６の目標出力を設定する機能部位である。

また、通常時制御部３は、マグネット７の不使用時、すなわち、通常作業モード時における制御を司る機能部位であり、マグネット作業時制御部４は、マグネット７の使用時、すなわち、マグネット作業モード時における制御を司る機能部位である。
作業モードは本コントローラ５の内部で選択される。図３に模式的に示すように、コントローラ５へ入力されたマグネットモードスイッチ２２の操作位置がＯＮ位置である場合には、マグネット作業機５１における作業モードとして「マグネット作業モード」が選択され、マグネット作業時制御部４による制御が実施される。一方、マグネットモードスイッチ２２の操作位置がＯＦＦ位置である場合には、マグネット作業機５１における作業モードとして「通常作業モード」が選択され、通常時制御部３による制御が実施される。なお、本実施形態では、エンジン負荷算出部１及びエンジン目標出力設定部２が、通常時制御部３での制御下で機能する。

なお、図３に示すように、「通常制御モード」が選択された場合には、コントローラ５がマグネット制御盤１２を制御して、マグネット７への電気回路を切断（ＯＦＦ）せしめるようになっている。これにより、通常作業モードではマグネット７への電力供給が遮断される。一方、「マグネット作業モード」が選択された場合、さらにマグネット操作スイッチ２３の操作位置がＯＮ位置である場合にのみ、マグネット制御盤１２を制御してマグネット７への電気回路を接合（ＯＮ）せしめるようになっている。つまり、マグネット作業モードであっても、マグネット操作スイッチ２３の操作位置がＯＦＦ位置である場合には、マグネット７への電力供給が遮断されたままとなっている。
これらの各作業モードにおける制御内容について、以下に詳述する。

〔５−１．通常時制御部〕
図４に通常時制御部３での制御内容を表す制御ブロック図を示す。通常時制御部３は、乗算器３１ａ，３１ｂ，加算器３２，ポンプトルク設定器３３，減算器３４，３６，電動駆動トルク設定器３５ａ，最大充電電流設定器３５ｂ，最大放電電流設定器３５ｃ，変換器３７，リミッタ３８ａ，３８ｂ，絶対値変換器３９及び最小値選択器４０ａ，４０ｂを備えて構成される。

〔Ａ．負荷トルクの算出〕
また、通常時制御部３の内部において、乗算器３１ａ，３１ｂ及び加算器３２は、前述のエンジン負荷算出部１を構成しており、ポンプトルク設定器３３，減算器３４及び電動駆動トルク設定器３５ａは、エンジン目標出力設定部２を構成している。
乗算器３１ａ，３１ｂは、各油圧ポンプ１７ａ，１７ｂの負荷トルクＴ_Lを算出するものであり、ここでは、圧力センサ１８ａ，１８ｂから入力される吐出圧Ｐと斜板角センサ１７ａ，１７ｂから入力される傾斜角θとが乗算される。乗算器３１ａでは油圧ポンプ１７ａの負荷トルクが算出され、乗算器３１ｂでは油圧ポンプ１７ｂの負荷トルクが算出される。これらの負荷トルクは、加算器３２で合算されて、全ポンプの負荷トルクＴ_Lが算出される。ここで得られた全油圧ポンプ１７ａ，１７ｂの負荷トルクＴ_Lは、減算器３６へ入力される。

〔Ｂ．充電率に応じたエンジン制御〕
ポンプトルク設定器３３は、アクセルダイヤル２１の操作位置に応じて全ポンプの最大トルクＴ_MAXを設定するものである。つまり、アクセルダイヤル２１によって設定されるエンジン回転数に応じてエンジン６が出力しうる最大トルクが定まるため、それに応じて全油圧ポンプ１７ａ，１７ｂの合計の最大能力としてのトルクＴ_MAXが設定されている。ここで設定された全ポンプの最大トルクＴ_MAXは減算器３４へ入力されるとともに、電磁比例弁１５へ入力されて、各油圧ポンプ１７ａ，１７ｂの出力制御が実施される。なお、全ポンプの最大トルクＴ_MAXの値は、図４中にグラフで示すように、アクセルダイヤル２１の操作位置に対応しているエンジン回転数が高回転であるほど、大きく設定されている。

一方、電動駆動トルク設定器３５ａは、バッテリ電圧計１０で検出されたバッテリ８の充電率SOCに基づいて、発電又は電動によって発電電動機９が出力しうる最大駆動トルクＴ_MGを設定する。なお、図４中にグラフで示すように、充電率SOCが０％の場合には最大駆動トルクＴ_MGは０に設定され、充電率SOCが増加するに連れて最大駆動トルクＴ_MGも大きく設定される。また、充電率SOCが予め設定された所定値ｃ₁以上である場合には、最大駆動トルクＴ_MGの最大値がクリップされている。ここで設定された最大駆動トルクＴ_MGは、減算器３４へ入力される。

減算器３４は、ポンプトルク設定器３３で設定された全ポンプの最大トルクＴ_MAXから電動駆動トルク設定器３５ａ設定された最大駆動トルクＴ_MGを減算して、エンジン６の駆動トルクＴ_Eを算出するものである。つまりここでは、バッテリ８の電力アシストの利用を考慮した場合における、エンジン６が負担すべきトルク（全ポンプに作用する負荷トルクがこれ以上大きくならなければトルク不足にはならないと考えられるトルク）の大きさが算出されている。ここで算出されたエンジン６の駆動トルクＴ_Eは、減算器３６へ入力されるとともに、エンジン制御器１４へと入力されて、エンジン６の出力制御が実施される。

〔Ｃ．エンジン駆動トルクの余裕・不足の算定〕
ここまでの過程では、エンジン負荷算出部１では全ポンプの負荷トルクＴ_Lが算出され、一方、エンジン目標出力設定部２ではエンジン６の駆動トルクＴ_Eが算出される。これらの演算結果に基づき、減算器３６は、全ポンプの負荷トルクＴ_Lからエンジン６の駆動トルクＴ_Eを減算して、発電電動機９の要求トルクＴ_Rを算出する。つまりここでは、実際にエンジン６に作用している負荷トルクＴ_Lから、エンジン６の制御目標となる駆動トルクＴ_Eを差し引くことで、エンジン６の出力（トルク）の余裕の大きさが算出されている。ここで算出された要求トルクＴ_Rは、変換器３７において、そのトルクの大きさに対応する電流値Ｉ_Rに変換されて、リミッタ３８ａ，３８ｂへ入力される。

リミッタ３８ａは、入力された電流値Ｉ_Rのうちの負の成分を抽出する（正の成分をカットする）フィルタを備えており、一方、リミッタ３８ｂは、入力された電流値Ｉ_Rのうちの正の成分を抽出する（負の成分をカットする）フィルタを備えている。
ここで、変換器３７から入力された電流値Ｉ_Rが負である場合には、駆動トルクＴ_Eよりも負荷トルクＴ_Lの方が小さいことになり、エンジン６の駆動トルクＴ_Eに余裕があることになる。これは、余裕分のトルクを利用して発電電動機９で発電できることを意味する。したがって、リミッタ３８ａからの出力は、エンジン６の駆動トルクＴ_Eの余裕分に対応する。

一方、変換器３７から入力された電流値Ｉ_Rが正である場合には、駆動トルクＴ_Eよりも負荷トルクＴ_Lの方が大きいことになり、エンジン６の駆動トルクＴ_Eではトルクが不足していることになる。これは、発電電動機９を電動機駆動させて不足分のトルクを補充すべきであることを意味する。したがって、リミッタ３８ｂからの出力は、エンジン６の駆動トルクＴ_Eの不足分に対応する。

各リミッタ３８ａ，３８ｂからの出力は各々、最小値選択器４０ａ，４０ｂへと入力される。なお、リミッタ３８ａの出力は負の値であるため、演算の便宜上、絶対値変換器３９を通してその出力の大きさのみが最小値選択器４０ａへ入力されている。

〔Ｄ．充電率に応じたバッテリの充電・放電制御〕
また、本通常時制御部３では、上記のようなエンジン６の駆動トルクＴ_Eの余裕又は不足分に基づく発電電動機９及びバッテリ８の制御においても、充電率SOCに応じてその制御量が設定されている。

まず、最大充電電流設定器３５ｂは、充電率SOCに基づいて、バッテリ８へ供給される最大充電電流Ｉ_Cの大きさを設定する。ここでは、図４中のグラフに示すように、充電率SOCが低いときには、最大充電電流Ｉ_Cは大きく設定されるが、充電率SOCが予め設定された所定値ｃ₂以上のときには最大充電電流Ｉ_Cが小さく設定され、充電率SOCが100％のときに最大充電電流Ｉ_Cが０に設定される。つまり、バッテリ８が十分に充電されている場合には、必要以上に大きな電流値がバッテリ８側へ供給されない。ここで設定された最大充電電流Ｉ_Cは、最小値選択器４０ａへと入力される。

一方、最大放電電流設定器３５ｃは、充電率SOCに基づいて、バッテリ８から発電電動機９へ供給される最大放電電流Ｉ_Dの大きさを設定する。ここでは、図４中のグラフに示すように、充電率SOCが０％のときに最大放電電流Ｉ_Dが０に設定され、充電率SOCが増加するに連れて最大放電電流Ｉ_Dも大きく設定され、充電率が予め設定された所定値ｃ₃以上のときには最大放電電流Ｉ_Dの最大値がクリップされる。つまり、バッテリ８の残量が少ない場合には、放電量を抑制するようになっている。ここで設定された最大放電電流Ｉ_Dは、最小値選択器４０ｂへと入力される。

最小値選択器４０ａは、絶対値変換器３９を介して入力されたリミッタ３８ａの出力の絶対値｜Ｉ_R｜と最大充電電流設定器３５ｂから入力された最大充電電流Ｉ_Cとを比較して小さい方の値を選択し、充電電流指令値Ｉ_COとして発電電動機制御盤１１及びバッテリ制御盤１３へと出力する。
このような制御により、発電電動機９においてエンジン６の余剰動力で発電された交流電流が、発電電動機制御盤１１において充電電流指令値Ｉ_COに応じた直流電流へと変換される。また、バッテリ制御盤１３では充電用回路が選択され、バッテリ８が充電される。

一方、最小値選択器４０ｂは、リミッタ３８ｂの出力Ｉ_Rと最大放電電流設定器３５ｃから入力された放電電流指令値Ｉ_Dとを比較して小さい方の値を選択し、放電電流指令値Ｉ_DOとして発電電動機制御盤１１及びバッテリ制御盤１３へと出力する。
このような制御により、バッテリ制御盤１３では放電用回路が選択され、バッテリ８から放電電流指令値Ｉ_Dに応じた直流電流が放電される。また、発電電動機制御盤１１において直流電流が交流電流に変換され、発電電動機９が電動機として機能してエンジン６の不足動力が補充される。

〔５−２．マグネット作業時制御部〕
図５にマグネット作業時制御部４での制御内容を表す制御ブロック図を示す。マグネット作業時制御部４は、ポンプトルク設定器４１，発電電流設定器４２，切換器４３，電圧設定器４４，減算器４５，制御器４６，最大充電電流設定器４７ａ，最大放電電流設定器４７ｂ，リミッタ４８ａ，４８ｂ，絶対値変換器４９及び最小値選択器５０ａ，５０ｂを備えて構成される。

〔Ａ．エンジン・油圧ポンプ制御〕
ポンプトルク設定器４１は、アクセルダイヤル２１の操作位置に応じて全ポンプの最大トルクＴ_MAXを設定するものである。つまりここでは、前述のポンプトルク設定器３３における制御内容と同様に、アクセルダイヤル２１によって設定されるエンジン回転数に応じてエンジン６が出力しうる最大トルクを設定する。ここで設定された全ポンプの最大トルクＴ_MAXは、エンジン制御器１４及び電磁比例弁１５へ入力されて、エンジン６及び各油圧ポンプ１７ａ，１７ｂの出力制御が実施される。

〔Ｂ．アクセルダイヤルに応じた発電制御〕
発電電流設定器４２は、アクセルダイヤル２１の操作位置に応じて発電設定電流値Ｉ_Gを設定する。発電設定電流値Ｉ_Gの値は、図４中にグラフで示すように、アクセルダイヤル２１の操作位置に対応しているエンジン回転数が高回転であるほど大きく設定される。ここで設定された発電設定電流値Ｉ_Gは、切換器４３へ入力される。

また、切換器４３では、マグネット操作スイッチ２３がＯＮ操作されている場合に、発電電流設定器４２から入力された発電設定電流値Ｉ_Gを発電電動機制御盤１１へと出力する。つまり、マグネットモードスイッチ２２がＯＮ操作された状態であって、マグネット操作スイッチ２３もＯＮ操作されている場合（すなわち、マグネット７が励磁されているとき）には、発電電動機９で発電された交流電流が、発電電動機制御盤１１において発電設定電流値Ｉ_Gに応じた直流電流へと変換される。

これにより、アクセルダイヤル２１の操作位置に応じた一定の電力がマグネット７へ供給されることになる。なお、マグネット操作スイッチ２３がＯＦＦ操作された状態では、切換器４３が発電電流設定器４２からの入力を最小値選択器５０ａからの入力へと切り換えるようになっている。この最小値選択器５０ａについては後述する。

〔Ｃ．マグネット電圧の余裕・不足の算定〕
電圧設定器４４は、マグネット７を励磁するための電圧として、所定の設定電圧Ｅ_Sを設定するものである。また、減算器４５は、電圧設定器４４に設定された設定電圧Ｅ_Sからマグネット電圧計１６から入力された回路電圧Ｅを減算し、制御器４６へ入力する。つまりここでは、回路電圧Ｅの余裕の大きさが算出されている。また、制御器４６は、減算器４５からの入力にＰＩ制御演算等の信号処理を施すとともに、電圧値を電流値Ｉ_Rに変換して、各リミッタ４８ａ，４８ｂへ入力する。

リミッタ４８ａは、入力された電流値Ｉ_Rのうちの負の成分を抽出するフィルタを備えており、一方、リミッタ４８ｂは、入力された電流値Ｉ_Rのうちの正の成分を抽出するフィルタを備えている。
ここで、制御器４６から入力された電流値Ｉ_Rが負である場合には、回路電圧Ｅに余裕があることになる。これは、余裕分の電力を利用してバッテリ８へ充電できることを意味する。したがって、リミッタ４８ａからの出力は、回路電圧Ｅの余裕分に対応する。

一方、制御器４６から入力された電流値Ｉ_Rが正である場合には、回路電圧Ｅが不足していることになる。これは、バッテリ８に蓄えられている電力を放電させて不足分の回路電圧Ｅを補充すべきであることを意味する。したがって、リミッタ４８ｂからの出力は、回路電圧Ｅの不足分に対応する。
各リミッタ４８ａ，４８ｂからの出力は各々、最小値選択器５０ａ，５０ｂへと入力される。なお、リミッタ４８ａの出力は負の値であるため、演算の便宜上、絶対値変換器４９を通してその出力の大きさのみが最小値選択器５０ａへ入力されている。

〔Ｄ．充電率に応じたバッテリの充電・放電制御〕
さらに、本マグネット作業時制御部４においても、通常時制御部３と同様に、充電率SOCに応じて発電電動機９及びバッテリ８の制御量が設定される。
まず、最大充電電流設定器４７ａは、充電率SOCに基づいて、バッテリ８へ供給される最大充電電流Ｉ_Cの大きさを設定する。ここでは、図５中のグラフに示すように、充電率SOCが低いときには、最大充電電流Ｉ_Cは大きく設定されるが、充電率SOCが予め設定された所定値ｃ₄以上のときには最大充電電流Ｉ_Cが小さく設定され、充電率SOCが100％のときに最大充電電流Ｉ_Cが０に設定される。つまり、バッテリ８が十分に充電されている場合には、必要以上に大きな電流値がバッテリ８側へ供給されない。ここで設定された最大充電電流Ｉ_Cは、最小値選択器５０ａへと入力される。

一方、最大放電電流設定器４７ｂは、充電率SOCに基づいて、バッテリ８からマグネット７へ供給される最大放電電流Ｉ_Dの大きさを設定する。ここでは、図５中のグラフに示すように、充電率SOCが０％のときに最大放電電流Ｉ_Dが０に設定され、充電率SOCが増加するに連れて最大放電電流Ｉ_Dも大きく設定され、充電率が予め設定された所定値ｃ₅以上のときには最大放電電流Ｉ_Dの最大値がクリップされている。つまり、バッテリ８の残量が少ない場合には、放電量を抑制する。ここで設定された最大放電電流Ｉ_Dは、最小値選択器５０ｂへと入力される。

最小値選択器５０ａは、絶対値変換器４９を介して入力されたリミッタ４８ａの出力の絶対値｜Ｉ_R｜と最大充電電流設定器４７ａから入力された最大充電電流Ｉ_Cとを比較して小さい方の値を選択し、充電電流指令値Ｉ_COとして切換器４３及びバッテリ制御盤１３へと出力する。
このような制御により、マグネットモードスイッチ２２がＯＦＦ操作された状態では、発電電動機９においてエンジン６の余剰動力で発電された交流電流が、発電電動機制御盤１１において充電電流指令値Ｉ_COに応じた直流電流へと変換される。また、バッテリ制御盤１３では充電用回路が選択され、バッテリ８が充電される。

一方、最小値選択器５０ｂは、リミッタ４８ｂの出力Ｉ_Rと最大放電電流設定器４７ｂから入力された放電電流指令値Ｉ_Dとを比較して小さい方の値を選択し、放電電流指令値Ｉ_DOとしてバッテリ制御盤１３へと出力する。
このような制御により、バッテリ制御盤１３では放電用回路が選択され、バッテリ８から放電電流指令値Ｉ_Dに応じた直流電流が放電される。これにより、マグネット７側へ供給される電力が補充され、回路電圧Ｅが上昇する。

［作用・効果］
〔１．通常作業モード時〕
続いて、本制御装置による通常作業モード時の制御動作を説明する。
オペレータによりマグネットモードスイッチ２２がＯＦＦ位置へ操作されると、コントローラ５において「通常作業モード」が選択され、通常時制御部３による制御が開始される。

通常時制御部３では、エンジン負荷算出部１において全油圧ポンプ１７ａ，１７ｂの負荷トルクＴ_Lが算出されるとともに、エンジン目標出力設定部２においてバッテリ８の充電率SOCに応じてエンジン６の駆動トルクＴ_Eが算出される。エンジン６は、ここで算出された駆動トルクＴ_Eを目標トルクとしてその出力が制御されることになる。一方、全ポンプの負荷トルクＴ_Lからエンジン６の駆動トルクＴ_Eが減算されて、エンジン６のトルクの余裕の大きさが要求トルクＴ_Rとして算出される。つまり、バッテリ８の充電率SOCに基づいて設定されたエンジン６の目標出力の大きさと、実際にエンジンに作用している負荷の大きさとが比較される。

ここで、エンジン６のトルクが不足している場合には、バッテリ８から直流電流が放電され、発電電動機９が電動機として機能してエンジン６の不足動力が補充される。また、エンジン６のトルクに余裕がある場合には、発電電動機９が発電機として機能し、エンジン６の余剰動力で発電された交流電流が直流電流へと変換され、バッテリ８が充電される。

このように、マグネット７の不使用時には、エンジン動力の過不足に応じてバッテリ８の電力が充電され、あるいは、エンジン６のパワーアシストがなされる。そのため、エンジン６の負荷を平滑化することができ、燃費を向上させることができる。また、エンジン６に対する負荷変動が穏やかになるため、エンジン騒音を低減させることができる。さらに、エンジン６からの黒煙の排出量を抑えることができる。

なお、ここでいうマグネット７の不使用時とは、アタッチメントとしてマグネット７がアーム２６の先端に装着されている状態での不使用時だけでなく、マグネット７を取り外した（他のアタッチメントに交換した）状態の不使用時も含まれている。つまり、アタッチメントを交換した際であっても、発電電動機９で発電された電力をバッテリ８へ充電することができるとともに、その充電された電力をエンジン６の補助動力として再利用することが可能である。したがって、マグネット作業専用の作業機としてだけでなく、多仕様型の作業機としての汎用性を向上させることができる。

このように、本実施形態に係るマグネット作業機５１の制御装置によれば、アタッチメントの種類や装着状態に関わらず、エネルギ効率を高めることができる。

〔２．マグネット作業モード時〕
次に、本制御装置によるマグネット作業モード時の制御動作を説明する。
オペレータによりマグネットモードスイッチ２２がＯＮ位置へ操作されると、コントローラ５において「マグネット作業モード」が選択され、マグネット作業時制御部４による制御が開始される。

マグネット作業モード下において、マグネット操作スイッチ２３がＯＮ操作されると、アクセルダイヤル２１の操作位置に応じた一定の電力がマグネット７へ供給され、マグネット７が励磁される。このとき、マグネット電圧計１６で検出される回路電圧Ｅが所定の設定電圧Ｅ_Sに満たない場合には、バッテリ８に蓄えられている電力が放電され、不足分の回路電圧Ｅが補充される。一方、所定の設定電圧Ｅ_Sよりも回路電圧Ｅが大きい場合には、余裕分の電力がバッテリ８へと充電される。

このように、マグネット７の使用時には、マグネット７における抵抗値変動に伴う出力変動がバッテリ８の電力によって均されるため、発電電動機９及びエンジン６の負荷を平滑化することができる。したがって、マグネット７の不使用時と同様に、燃費を向上させることができる。また、エンジン６に対する負荷変動が穏やかになるため、エンジン騒音を低減させることができる。さらに、エンジン６からの黒煙の排出量を抑えることができる。

また、発電電動機９での発電が一定でエンジン６に急激な負荷が加わらないので、マグネット７と他の油圧装置（例えば、ブームシリンダ２５ａやアームシリンダ２６ａ等）とを同時に操作して連動させたとしても過負荷とならず、操作性を向上させることができる。

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

例えば、図４及び図５中に示されたグラフは、各々のパラメータの対応関係の一例を示すものである。したがって、これらの代わりに所望の関数を用いて各種設定を行う構成としてもよい。
また、上述の実施形態のパワートレーンは、エンジン６に対し、ポンプドライブ２０ａ及び発電機ドライブ２０ｂを介して発電電動機９及び各油圧ポンプ１９ａ，１９ｂが並列に接続されているが、本発明の適用対象はこれに限らず、あらゆるパラレル型のハイブリッド型パワートレーンに適用することができる。

なお、上述の実施形態では、通常作業モード及びマグネット作業モードの二種類の作業モードを備えたマグネット作業機５１が示されているが、他の様々な作業モードを併せ持つ作業機にも適用が可能である。

なお、上述の実施形態における変換器３７から出力される電流値Ｉ_Rが０である場合、すなわち、実際にエンジン６に作用している負荷トルクＴ_Lとエンジン６の制御目標となる駆動トルクＴ_Eとが等しい場合には、最小値選択器４０ａ，４０ｂから発電電動機制御盤１１及びバッテリ制御盤１３へと出力される充電電流指令値Ｉ_CO及び放電電流指令値Ｉ_DOが何れも０となる。

したがってこの場合には、発電電動機９が実質的には作動していない（発電量が０の状態で発電機として作動していると見なすこともでき、あるいは、充電量が０の状態で充電機として作動していると見なすこともできる）。なお、負荷トルクＴ_Lと駆動トルクＴ_Eとの差が大きいほど、発電電動機９の作動によって生成される電力又は動力も大きくなる。

同様に、上述の実施形態における制御器４６から出力される電流値Ｉ_Rが０である場合、すなわち、マグネット電圧計１６から入力された回路電圧Ｅと電圧設定器４４に設定された設定電圧Ｅ_Sとが等しい場合には、最小値選択器５０ａ，５０ｂから切換器４３，バッテリ制御盤１３へと出力される充電電流指令値Ｉ_CO及び放電電流指令値Ｉ_DOが何れも０となる。

したがってこの場合においても、発電電動機９は実質的に作動していない（発電量が０の状態で発電機として作動していると見なすこともできる）。なお、回路電圧Ｅと設定電圧Ｅ_Sとの差が大きいほど、発電電動機９の作動によって生成される電力も大きくなる。

本発明の一実施形態としてのマグネット作業機の制御装置の全体構成を示す側面図である。本制御装置の全体構成を示す模式図である。本制御装置における処理タスクの選択機能を示す制御ブロック図である。本制御装置における通常作業モード時の制御内容を説明するための制御ブロック図である。本制御装置におけるマグネット作業モード時の制御内容を説明するための制御ブロック図である。

符号の説明

１エンジン負荷算出部（エンジン負荷算出手段）
２エンジン目標出力設定部（エンジン目標出力設定手段）
３通常時制御部（通常時制御手段）
４マグネット作業時制御部（マグネット作業時制御手段）
５コントローラ（制御手段）
６エンジン
７リフティングマグネット（マグネット装置）
８バッテリ
９発電電動機
１０バッテリ電圧計（充電率検出手段）
１１発電電動機制御盤
１２マグネット制御盤
１３バッテリ制御盤
１４エンジン制御器
１５電磁比例弁
１６マグネット電圧計
１７ａ，１７ｂ斜板角センサ
１８ａ，１８ｂ圧力センサ
１９ａ，１９ｂ油圧ポンプ
２０ａポンプドライブ
２０ｂ発電機ドライブ
２１アクセルダイヤル
２２マグネットモードスイッチ
２３マグネット操作スイッチ
５１マグネット作業機

Claims

作業機の駆動源としてのエンジンと、該作業機のアタッチメントとしての電動駆動式のマグネット装置と、該マグネット装置の駆動に係る電力を蓄電しうるバッテリとを有するマグネット作業機の制御装置であって、
該エンジンの動力を該電力へと変換する発電機としての機能と、該電力を該動力へと変換する電動機としての機能とを併せ持ち、該エンジンと該マグネット装置との間に介装された発電電動機と、
該バッテリの充電率を検出する充電率検出手段と、
該発電電動機の作動状態及び該バッテリにおける充放電を制御する制御手段とを備え、
該制御手段が、
該エンジンへ作用する負荷を算出するエンジン負荷算出手段と、
該充電率検出手段で検出された該充電率に基づいて、該エンジンの目標出力を設定するエンジン目標出力設定手段と、
該マグネット装置の不使用時において、該エンジン負荷算出手段で算出された該負荷が該エンジン目標出力設定手段で設定された該エンジンの目標出力よりも大きい場合に、該発電電動機を電動機として作動させるとともに該発電電動機の動力を該エンジンへ供給し、該負荷が該エンジンの目標出力よりも小さい場合に、該発電電動機を発電機として作動させるとともに該発電電動機の該電力を該バッテリへ供給する通常時制御手段とを備えてなる
ことを特徴とする、マグネット作業機の制御装置。
該制御手段が、
該マグネット装置の使用時において、該充電率検出手段で検出された該充電率が予め設定された所定充電率よりも大きい場合に、該発電電動機を発電機として作動させるとともに該発電電動機の該電力及び該バッテリに充電された電力を該マグネット装置へ供給し、該充電率が該所定充電率よりも小さい場合に、該発電電動機を発電機として作動させるとともに該発電電動機の該電力を該バッテリ及び該マグネット装置へ供給するマグネット作業時制御手段をさらに備えてなる
ことを特徴とする、請求項１記載のマグネット作業機の制御装置。