JP2009293668A - 建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】油圧ポンプにおけるエネルギ効率を改善した建設機械を提供することを課題とする。
【解決手段】建設機械は、原動機により駆動される油圧ポンプと、作業要素を油圧駆動するための油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータへの圧油の流れを制御するコントロールバルブと、前記原動機と前記油圧ポンプとの間に配設される無段変速機と、前記原動機の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記油圧ポンプの回転数を演算するポンプ回転数演算手段と、前記機関回転数検出手段によって検出される機関回転数と、前記ポンプ回転数演算手段によって演算される回転数との比に基づき、前記無段変速機の減速比を制御する減速比制御手段とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、油圧ポンプの効率を改善した建設機械に関する。

従来より、建設機械の油圧回路で用いる圧油は、エンジン等の動力源によって駆動される油圧ポンプによって生成されている。このような油圧ポンプとしては、斜板の傾転角を調整することによって吐出流量を制御する可変容量型の油圧ポンプが用いられている（例えば、特許文献１）。
特開平０８−２９６６０２号公報

ところで、油圧ポンプの回転数はエンジンの回転数によって決まり、建設機械のエンジンは略一定の回転数で運転されため、建設機械の運転中における油圧ポンプの回転数は略一定である。

また、可変容量型の油圧ポンプでは、吐出流量の増減によらず、エネルギ損失は略一定であるため、吐出流量が比較的大きい状態ではエネルギ損失は問題になり難いが、吐出流量が比較的低い状態では吐出流量に対するエネルギ損失の割合が大きくなるため、可変容量型の油圧ポンプの効率が低下するという課題があった。

そこで、本発明は、油圧ポンプにおけるエネルギ効率を改善した建設機械を提供することを目的とする。

本発明の一局面の建設機械は、原動機により駆動される油圧ポンプと、作業要素を油圧駆動するための油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータへの圧油の流れを制御するコントロールバルブと、前記原動機と前記油圧ポンプとの間に配設される無段変速機と、前記原動機の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記油圧ポンプの回転数を演算するポンプ回転数演算手段と、前記機関回転数検出手段によって検出される機関回転数と、前記ポンプ回転数演算手段によって演算される回転数との比に基づき、前記無段変速機の減速比を制御する減速比制御手段とを備える。

また、前記ポンプ回転数演算手段は、前記原動機の出力と、前記油圧ポンプから吐出される圧油の油圧とに基づいて前記油圧ポンプの回転数を演算してもよい。

また、前記原動機の出力を演算する出力演算手段をさらに備え、前記ポンプ回転数演算手段は、前記出力演算手段によって演算される前記原動機の出力を用いて前記油圧ポンプの回転数を演算してもよい。

また、前記コントロールバルブにおける圧油の油圧を検出する油圧検出手段をさらに備え、前記減速比制御手段は、前記油圧検出手段によって検出される油圧が所定値以上の場合には、前記無段変速機の減速比が徐々に目標値に近づくように前記減速比を制御してもよい。

本発明によれば、油圧ポンプにおけるエネルギ効率を改善した建設機械を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の建設機械を適用した実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の建設機械を示す側面図である。

この建設機械の下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。また、上部旋回体３には、ブーム４、アーム５、及びバケット６と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に加えて、キャビン１０及び動力源が搭載される。

「全体構成」
図２は、実施の形態１の建設機械の構成を表すブロック図である。この図２では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を一点鎖線でそれぞれ示す。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、ともに増力機としての減速機１３の入力軸に接続されている。また、この減速機１３の出力軸には、ＣＶＴ（Continuously Variable Transmission）１００を介してメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されており、高圧油圧ライン１６には、メインポンプ１４から吐出される圧油の油圧を検出する油圧センサ１６Ａが配設されている。

コントロールバルブ１７は、実施の形態１の建設機械における油圧系の制御を行う制御装置であり、このコントロールバルブ１７には、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続される。

また、電動発電機１２には、インバータ１８を介してバッテリ１９が接続されており、また、バッテリ１９には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。

旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。

操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９がそれぞれ接続される。この圧力センサ２９には、実施の形態１の建設機械の電気系の駆動制御を行うコントローラ３０が接続されている。

このような実施の形態１の建設機械は、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド型の建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。

「各部の構成」
エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機１３の一方の入力軸に接続される。このエンジン１１の運転制御は、コントローラ３０によって行われる。このため、コントローラ３０は、エンジン１１の機関回転数を検知する。なお、エンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。

電動発電機１２は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ２０によって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は減速機１３の他方の入力軸に接続される。

減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸の各々には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸が接続される。また、出力軸にはＣＶＴ１００を介してメインポンプ１４の駆動軸が接続される。エンジン１１の負荷が大きい場合には、電動発電機１２が力行運転を行い、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸及びＣＶＴ１００を経てメインポンプ１４に伝達される。これによりエンジン１１の駆動がアシストされる。一方、エンジン１１の負荷が小さい場合は、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が回生運転による発電を行う。電動発電機１２の力行運転と回生運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。

ＣＶＴ１００は、減速機１３の出力軸とメインポンプ１４の入力軸との間に配設され、入力側（減速機１３の出力軸が接続されている側）と出力側（メインポンプ１４の入力軸が接続されている側）との減速比（入力側／出力側）を連続的に変化させることのできる動力伝達装置である。このＣＶＴ１００の減速比は、コントローラ３０によって電子的に制御される。

メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための圧油を吐出するポンプである。このメインポンプ１４は固定容量型のポンプである。固定容量型のポンプは、斜板を備えないためポンプ自体では吐出流量を制御することはできないが、斜板によるエネルギ損失が生じないポンプである。このメインポンプ１４から吐出される圧油は、コントロールバルブ１７を介して油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に供給される。

パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。この油圧操作系の構成については後述する。

コントロールバルブ１７は、高圧油圧ライン１６を介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。

インバータ１８は、電動発電機１２の力行運転に必要な電力をバッテリ１９から電動発電機１２に供給するとともに、電動発電機１２の回生運転によって発電された電力をバッテリ１９に充電するために電動発電機１２とバッテリ１９との間に設けられたインバータである。

バッテリ１９は、インバータ１８とインバータ２０との間に配設されている。これにより、電動発電機１２と旋回用電動機２１の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらか一方が回生運転を行っている際には、回生運転によって発生した回生電力を電気エネルギーとして蓄積するための電源である。

インバータ２０は、上述の如く旋回用電動機２１とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、インバータが旋回用電動機２１を力行運転している際には、必要な電力をバッテリ１９から旋回用電動機２１に供給する。また、旋回用電動機２１が回生運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力をバッテリ１９へ充電する。

旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が減速機２４にて増幅され、上部旋回体３が加減速制御され回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機２１として、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機２１にて発電される電力を増大させることができる。

なお、バッテリ１９の充放電制御は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（力行運転又は回生運転）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、コントローラ３０によって行われる。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機２１と機械的に連結することで旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１Ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転角度を検出することにより、旋回機構２の回転角度及び回転方向が導出される。

メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式スイッチにより制動／解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ３０によって行われる。

旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を減速して旋回機構２に機械的に伝達する減速機である。

旋回機構２は、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

操作装置２６は、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。

この操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。

レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。

なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダの駆動に必要な油圧をコントロールバルブに供給する。

圧力センサ２９は、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々の操作による、油圧ライン２８内の油圧の変化を検出し、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々の操作によって変化する油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。圧力センサ２９から出力される電気信号は、レバー２６Ａの操作方向（右旋回又は左旋回）と操作量を表す信号、レバー２６Ｂの操作量（ブーム４及びバケット６の操作量）を表す電気信号、及びペダル２６Ｃの操作量（下部走行体１の操作量）を表す電気信号であり、コントローラ３０に入力される。

「コントローラ３０」
コントローラ３０は、実施の形態１の建設機械の駆動制御を行う制御装置であり、速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、エンジン制御部３３、旋回駆動制御装置４０、及びＣＶＴ制御部１１０を含む。このコントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、旋回駆動制御装置４０、及びＣＶＴ制御部１１０は、コントローラ３０のＣＰＵが内部メモリに格納される駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

速度指令変換部３１は、圧力センサ２９から入力される信号を速度指令に変換する演算処理部である。これにより、レバー２６Ａの操作量は、旋回用電動機２１を回転駆動させるための速度指令(rad/s)に変換される。この速度指令は、駆動制御装置３２及び旋回駆動制御装置４０に入力される。なお、この速度指令変換部３１で用いる変換特性については、図３を用いて説明する。

駆動制御装置３２は、電動発電機１２の運転制御（力行運転又は回生運転の切り替え）、及び、バッテリ１９の充放電制御を行うための制御装置である。この駆動制御装置３２は、エンジン１１の負荷の状態とバッテリ１９の充電状態に応じて、電動発電機１２の力行運転と回生運転を切り替える。駆動制御装置３２は、電動発電機１２の力行運転と回生運転を切り替えることにより、インバータ１８を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

エンジン制御部３３は、エンジン１１の運転制御を行う制御部である。建設機械のエンジン１１は、キャビン１０内の運転席の近傍に配設されるスロットルボリュームによって機関回転数が設定される。このため、エンジン制御部３３は、スロットルボリュームによって設定される機関回転数を目標値としてエンジン１１の駆動制御を行う。なお、エンジン１１の実際の機関回転数は、エンジン制御部３３によって検知される。

ＣＶＴ制御部１１０は、メインポンプ１４の回転数ｎを演算し、また、エンジン１１の機関回転数ｎｅと、メインポンプ１４の回転数ｎとの比をＣＶＴ１００の減速比ｋとして演算し、演算した減速比ｋを用いてＣＶＴ１００の減速比の制御を行う。この制御の詳細については後述する。

「操作量／速度指令の変換特性」
図３は、実施の形態１の建設機械の速度指令変換部３１において操作レバー２６Ａの操作量を速度指令（上部旋回体３を旋回させるために旋回用電動機２１を回転させるための速度指令）に変換する変換特性を示す図である。

ここで、図３に示す変換特性は、旋回用電動機２１を停止状態から駆動させる際の特性であり、操作レバー２６Ａの操作量に応じて、不感帯領域、零速度指令領域（左旋回用及び右旋回用）、左方向旋回駆動領域、及び右方向旋回駆動領域の５つの領域に区分される。

ここで、実施の形態１の建設機械の制御系では、旋回用電動機２１の回転軸２１ａが反時計回りに回転する回転方向を「正転」と称し、正転方向の駆動を表す制御量に正の符号を付す。一方、旋回用電動機２１の回転軸２１ａが時計回りに回転する回転方向を「逆転」と称し、逆転方向の駆動を表す制御量に負の符号を付す。正転は、上部旋回体３の右方向への旋回に対応し、逆転は、上部旋回体の左方向への旋回に対応する。

「不感帯領域」
この変換特性に示すように、不感帯領域は、レバー２６Ａの中立点付近に設けられている。この不感帯領域では、速度指令変換部３１から速度指令は出力されず、旋回駆動制御装置４０による旋回用電動機２１の駆動制御は行われない。また、不感帯領域では、メカニカルブレーキ２３によって旋回用電動機２１が機械的に停止された状態となる。

従って、レバー２６Ａの操作量が不感帯領域内にある間は、メカニカルブレーキ２３によって旋回用電動機２１が機械的に停止され、これにより、上部旋回体３が機械的に停止された状態となる。

「零速度指令領域」
零速度指令領域は、レバー２６Ａの操作方向における不感帯領域の両外側に設けられている。この零速度指令領域は、不感帯領域における上部旋回体３の停止状態と、左右方向の旋回駆動領域における旋回状態とを切り替える際に操作性を良くするために設けられる緩衝領域である。

操作レバー２６Ａの操作量がこの零速度指令領域の範囲内にあるときは、速度指令変換部３１から零速度指令が出力され、メカニカルブレーキ２３は解除された状態となる。

ここで、零速度指令とは、上部旋回体３の旋回速度を零にするために、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転速度を零にするための速度指令であり、後述するＰＩ(Proportional Integral)制御では、回転軸２１Ａの回転速度を零に近づけるための目標値として用いられる。

なお、メカニカルブレーキ２３の制動（オン）／解除（オフ）の切り替えは、不感帯領域と零速度指令領域の境界においてコントローラ３０内の旋回駆動制御装置４０によって行われる。

従って、レバー２６Ａの操作量が零速度指令領域内にある間は、メカニカルブレーキ２３は解除され、零速度指令により、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａは停止状態に保持される。これにより、上部旋回体３は旋回駆動されずに停止状態に保持される。

「左方向旋回駆動領域」
左方向旋回駆動領域は、上部旋回体３を左方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部３１から出力される領域である。

この領域内では、レバー２６Ａの操作量に応じて、速度指令の絶対値が増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置４０で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機２１が駆動され、この結果、上部旋回体３が左方向に旋回駆動される。

なお、上部旋回体３の旋回速度をある一定以下に制限するために、左方向旋回駆動領域における速度指令値は、絶対値が所定の値で制限される。

「右方向旋回駆動領域」
右方向旋回駆動領域は、上部旋回体３を右方向に旋回させるための速度指令が速度指令変換部３１から出力される領域である。

この領域内では、レバー２６Ａの操作量に応じて、速度指令の絶対値が増大するように設定されている。この速度指令に基づいて旋回駆動制御装置４０で駆動指令が演算され、この駆動指令によって旋回用電動機２１が駆動され、この結果、上部旋回体３が右方向に旋回駆動される。

なお、左方向旋回駆動領域と同様に、右方向旋回駆動領域における速度指令値は、絶対値が所定の値で制限される。

「旋回駆動制御装置４０」
図４は、実施の形態１の建設機械の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。

旋回駆動制御装置４０は、インバータ２０を介して旋回用電動機２１の駆動制御を行うための制御装置であり、旋回用電動機２１を駆動するための駆動指令を生成する駆動指令生成部５０、及び主制御部６０を含む。

駆動指令生成部５０には、レバー２６Ａの操作量に応じて速度指令変換部３１から出力される速度指令が入力され、この駆動指令生成部５０は速度指令に基づき駆動指令を生成する。駆動指令生成部５０から出力される駆動指令はインバータ２０に入力され、このインバータ２０によって旋回用電動機２１がＰＷＭ制御信号により交流駆動される。

主制御部６０は、旋回駆動制御装置４０の制御処理に必要な周辺処理を行う制御部である。具体的な処理内容については、関連箇所においてその都度説明する。

なお、旋回駆動制御装置４０は、操作レバー２６Ａの操作量に応じて、旋回用電動機２１を駆動制御する際に、力行運転と回生運転の切り替え制御を行うと共に、インバータ２０を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

「駆動指令生成部５０」
駆動指令生成部５０は、減算器５１、ＰＩ制御部５２、トルク制限部５３、トルク制限部５４、減算器５５、ＰＩ制御部５６、電流変換部５７、及び旋回動作検出部５８を含む。この駆動指令生成部５０の減算器５１には、レバー２６Ａの操作量に応じた旋回駆動用の速度指令(rad/s)が入力される。

減算器５１は、レバー２６Ａの操作量に応じた速度指令の値（以下、速度指令値）から、旋回動作検出部５８によって検出される旋回用電動機２１の回転速度(rad/s)を減算して偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５２において、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

ＰＩ制御部５２は、減算器５１から入力される偏差に基づき、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるように（すなわち、この偏差を小さくするように）ＰＩ制御を行い、そのために必要なトルク電流指令を演算する。生成されたトルク電流指令は、トルク制限部５３に入力される。

トルク制限部５３は、レバー２６Ａの操作量に応じてトルク電流指令の値（以下、トルク電流指令値）を制限する処理を行う。この制限処理は、レバー２６Ａの操作量に応じてトルク電流指令値の許容値が緩やかに増大する制限特性に基づいて行われる。このようなトルク電流指令値の制限は、ＰＩ制御部５２によって演算されるトルク電流指令値が急激に増大すると制御性が悪化するため、これを抑制するために行われる。

この制限特性は、レバー２６Ａの操作量の増大に伴ってトルク電流指令値の許容値（の絶対値）を緩やかに増大させる特性を有し、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向を制限するための特性を有するものである。制限特性を表すデータは、主制御部６０の内部メモリに格納されており、主制御部６０のＣＰＵによって読み出され、トルク制限部５３に入力される。

トルク制限部５４は、トルク制限部５３から入力されるトルク電流指令によって生じるトルクが旋回用電動機２１の許容最大トルク値以下となるように、トルク制限部５３から入力されるトルク電流指令値を制限する。このトルク電流指令値の制限は、トルク制限部５３と同様に、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向の回転に対して行われる。

ここで、トルク制限部５４においてトルク電流指令値を制限するための上限値（右旋回用の最大値）及び下限値（左旋回用の最小値）は、このトルク制限部５４によってトルク電流指令値の制限が行われても、バケット６が積み上げられた土砂等に触れて旋回用電動機２１の負荷が大きい状態でも、旋回用電動機２１を駆動させるための駆動トルクを発生できるような値に設定されている。なお、トルク電流指令値を制限するための特性を表すデータは、主制御部６０の内部メモリに格納されており、主制御部６０のＣＰＵによって読み出され、トルク制限部５４に入力される。

減算器５５は、トルク制限部５４から入力されるトルク電流指令値から、電流変換部５７の出力値を減算して得る偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５６及び電流変換部５７を含むフィードバックループにおいて、電流変換部５７から出力される旋回用電動機２１の駆動トルクを、トルク制限部５４を介して入力されるトルク電流指令値（目標値）によって表されるトルクに近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

ＰＩ制御部５６は、減算器５５から入力される偏差に基づき、この偏差を小さくするようにＰＩ制御を行い、インバータ２０に送る最終的な駆動指令となる電圧指令を生成する。インバータ２０は、ＰＩ制御部５６から入力される電圧指令に基づき、旋回用電動機２１をＰＷＭ駆動する。

電流変換部５７は、旋回用電動機２１のモータ電流を検出し、これをトルク電流指令に相当する値に変換し、減算器５５に入力する。

旋回動作検出部５８は、レゾルバ２２によって検出される旋回用電動機２１の回転位置の変化（すなわち上部旋回体３の旋回）を検出するとともに、回転位置の時間的な変化から旋回用電動機２１の回転速度を微分演算によって導出する。導出された回転速度を表すデータは、減算器５１及び主制御部６０に入力される。

このような構成の駆動指令生成部５０において、速度指令変換部３１から入力される速度指令に基づき、旋回用電動機２１を駆動するためのトルク電流指令が生成され、上部旋回体３が所望の位置まで旋回される。

図５は、実施の形態１の建設機械のコントローラ３０によるＣＶＴ１００の減速比の設定処理の手順を示す図である。この制御処理は、コントローラ３０のＣＶＴ制御部１１０によって実行される処理であり、１０ミリ秒毎に繰り返し実行される処理である。ＣＶＴ制御部１１０は、エンジン１１の機関回転数ｎｅ（ｒｐｍ）と出力Ｎ（ｋＷ）の関係（出力特性）を表すマップを有しており、機関回転数ｎｅに基づいてエンジン１１の出力Ｎを演算する。このマップは、コントローラ３０内のメモリに格納されている。

建設機械の運転開始によって制御処理が開始されると、まず、ＣＶＴ制御部１１０は、油圧センサ１６Ａで検出される油圧Ｐを表す情報を取り込む（ステップＳ１）。

次いで、ＣＶＴ制御部１１０は、エンジン制御部３３で検知される機関回転数ｎｅを取り込む（ステップＳ２）。

さらに、ＣＶＴ制御部１１０は、コントローラ３０内のメモリに格納されているマップを用いてステップＳ２で取り込んだ機関回転数ｎｅにおける出力Ｎを演算する（ステップＳ３）。

次いで、ＣＶＴ制御部１１０は、ステップＳ１で取り込んだ油圧ＰとステップＳ３で演算した出力Ｎを用いてメインポンプ１４の回転数ｎを演算する（ステップＳ４）。このメインポンプ１４の回転数ｎ（ｒｐｍ）の演算は、次式（１）を用いて行われる。

ｎ＝６０×１０^３×η×Ｎ／（ｑ×Ｐ）・・・（１）
ここで、ηはメインポンプ１４の効率、Ｎはエンジン１１の機関回転数ｎｅにおける出力（ｋＷ）、ｑはメインポンプ１４の押し退け容量（ｃｍ^３／ｒｅｖ）、Ｐは油圧センサ１６Ａで検出される油圧（ＭＰａ）である。なお、η及びｑは既知の値であり、ηは、例えば、η＝０．８である。また、ｑはメインポンプ１４の容量によって定まる値である。

さらに、ＣＶＴ制御部１１０は、ステップＳ４で演算したメインポンプ１４の回転数ｎと、機関回転数ｎｅとを用いてＣＶＴ１００の減速比ｋを演算する（ステップＳ５）。この演算は、次式（２）を用いて行われる。

ｋ＝ｎｅ／ｎ・・・（２）
次いで、ＣＶＴ制御部１１０は、ステップＳ５で演算した減速比ｋがＣＶＴ１００の最小減速比ｋ１以上かつ最大減速比ｋ２以下であるか否かを判定する（ステップＳ６）。演算された減速比ｋがＣＶＴ１００の減速比が取り得る範囲内の値であるか否かを判定するためである。

ＣＶＴ制御部１１０は、ステップＳ５で演算した減速比ｋがＣＶＴ１００の最小減速比ｋ１以上かつ最大減速比ｋ２以下である場合は、ＣＶＴ１００の減速比をステップＳ５で演算した減速比ｋに設定する（ステップＳ７Ａ）。

一方、ステップＳ５で演算した減速比ｋがＣＶＴ１００の最小減速比ｋ１以上かつ最大減速比ｋ２以下でない場合は、ＣＶＴ１００の減速比をｋ１又はｋ２に設定する（ステップＳ７Ｂ）。具体的には、ステップＳ５で演算した減速比ｋがＣＶＴ１００の最小減速比ｋ１未満である場合は、ＣＶＴ制御部１１０は、ＣＶＴ１００の減速比をｋ１に設定する。また、ステップＳ５で演算した減速比ｋがＣＶＴ１００の最大減速比ｋ２より大きいときは、ＣＶＴ制御部１１０は、ＣＶＴ１００の減速比をｋ２に設定する。

ここで、エンジン１１の機関回転数ｎｅが一定であると仮定すると、建設機械の油圧操作系の負荷が大きいときは、メインポンプ１４の圧力Ｐが上昇するため、（１）式より演算されるメインポンプ１４の回転数ｎは低くなり、これにより、（２）式より演算される減速比ｋは大きくなる。減速比ｋが大きくなると、ＣＶＴ１００の出力軸の回転数が低下するため、メインポンプ１４の回転速度は低下し、吐出流量は低減する。

一方、同様にエンジン１１の機関回転数ｎｅが一定であると仮定した場合に、建設機械の油圧操作系の負荷が小さいときは、メインポンプ１４の圧力Ｐが低下するため、（１）式より演算されるメインポンプ１４の回転数ｎは高くなり、これにより、（２）式より演算される減速比ｋは小さくなる。減速比ｋが小さくなると、ＣＶＴ１００の出力軸の回転数が上昇するため、メインポンプ１４の回転速度は上昇し、吐出流量は増大する。

なお、コントローラ３０は、圧力センサ２９を通じて入力されるパイロット圧に基づいて、いずれの作業要素も操作されることなく建設機械の負荷が小さくなっていることを検知した場合は、吐出流量を増大させる必要がないため、減速比を大きく設定する。

以上で、実施の形態１の建設機械によるＣＶＴ１００の減速比の設定処理が終了する。この処理は、建設機械の運転中に１０ミリ秒毎に繰り返し実行される。

このように、実施の形態１の建設機械によれば、ＣＶＴ１００の減速比を建設機械の作業状態に応じて設定し、これにより固定容量型のメインポンプ１４の吐出流量を制御しているので、従来のように可変容量型のメインポンプで傾転角を制御する場合と同様の吐出流量の制御を実現しつつ、可変容量型のメインポンプのような斜板におけるエネルギ損失は生じないため、特に吐出流量が少ない状態において、メインポンプ１４におけるエネルギ損失を低減することができる。

なお、ステップＳ３でエンジン１１の出力Ｎを演算する際に、エンジン１１の運転状態を表すパラメータを用いて出力Ｎを演算してもよい。例えば、エンジン１１がディーゼルターボエンジンである場合には、大気圧、ターボのブースト圧、及び水温等のパラメータを用いると出力Ｎをより正確に求めることができ、より最適な減速機の演算が可能となる結果、吐出流量の制御をより正確に行うことができる。

［実施の形態２］
図６は、実施の形態２の建設機械のコントローラ３０によるＣＶＴ１００の減速比の設定処理の手順を示す図である。実施の形態２の建設機械は、建設機械にかかっている負荷の大きさによってＣＶＴ１００の減速比の設定の仕方が変わる点が実施の形態１の建設機械と異なる。

建設機械の運転開始によって制御処理が開始されると、まず、ＣＶＴ制御部１１０は、油圧センサ１６Ａで検出される油圧Ｐを表す情報を取り込む（ステップＳ１０）。

次いで、ＣＶＴ制御部１１０は、油圧Ｐが最大許容油圧の５０％以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。このように急激に負荷が増大した場合にはエンジンの負荷を軽減させるために、吐出流量を減少させる。

ＣＶＴ制御部１１０は、油圧Ｐが最大許容油圧の５０％以上であると判定した場合は、エンジン制御部３３で検知される機関回転数ｎｅを取り込む（ステップＳ１２）。

さらに、ＣＶＴ制御部１１０は、コントローラ３０内のメモリに格納されているマップを用いてステップＳ２で取り込んだ機関回転数ｎｅにおける出力Ｎを導出する（ステップＳ１３）。

次いで、ＣＶＴ制御部１１０は、ステップＳ１で取り込んだ油圧ＰとステップＳ１３で導出した出力Ｎを用いてメインポンプ１４の回転数ｎを演算する（ステップＳ１４）。このメインポンプ１４の回転数ｎ（ｒｐｍ）の演算は、実施の形態１と同様に式（１）を用いて行われる。

さらに、ＣＶＴ制御部１１０は、ステップＳ１４で演算したメインポンプ１４の回転数ｎと、機関回転数ｎｅとを用いてＣＶＴ１００の減速比ｋ（目標値）を演算する（ステップＳ１５）。この演算は、実施の形態１と同様に式（２）を用いて行われる。

次いで、ＣＶＴ制御部１１０は、減速比を最大に設定する（ステップＳ１６）。このように急激に負荷が増大した場合にはエンジンの負荷を軽減させるために、吐出流量を減少させる。

さらに、ＣＶＴ制御部１１０は、減速比が所定の減速比ｋ３以上であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。減速比ｋ３は、例えば最大減速比の７５％程度に設定される。減速比がある程度高い状態であるか否かを判定するためである。

また、ステップＳ１７において、減速比が所定の減速比ｋ３以上であると判定した場合（Ｓ１７でＹＥＳ）は、ＣＶＴ制御部１１０は、ＣＶＴ１００の減速比を現在の減速比ｋｐから所定値ｋ２だけ減じた減速比（ｋｐ−ｋ２）に設定する（ステップＳ１８Ｂ）。

次いで、ＣＶＴ制御部１１０は、減速比がステップＳ１５で演算した値ｋ（目標値）と同一であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。減速比がｋ３以上の値から目標値ｋまで低下したか否かを判定するためである。

ＣＶＴ制御部１１０は、ステップＳ２０で減速比がステップＳ１５で演算した値ｋ（目標値）と同一であると判定した場合は、ステップＳ１０にリターンし、すべての処理を繰り返し実行する。

なお、ステップＳ１１において、油圧Ｐが最大許容油圧の５０％未満である（ステップＳ１１でＮｏ）、すなわち急負荷ではないと判定した場合は、ＣＶＴ制御部１１０は、手順を図５のステップＳ２に進める。

また、ＣＶＴ制御部１１０は、減速比が所定の減速比ｋ３未満である（Ｓ１７でＮｏ）と判定した場合は、エンジン１１の現在の機関回転数ｎｅと機関回転数の目標値ｎｅ＊との偏差（ｎｅ＊−ｎｅ）が所定値ｎ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ１８Ａ）。ここで、機関回転数の目標値ｎｅ＊はキャビン１０内のスロットルボリュームによって設定される値であり、所定値ｎ１は、例えば５０（ｒｐｍ）に設定される。

ＣＶＴ制御部１１０は、エンジン１１の現在の機関回転数ｎｅと機関回転数の目標値ｎｅ＊との偏差（ｎｅ＊−ｎｅ）が所定値ｎ１以下である（すなわち、偏差が小さい）と判定した場合（ステップＳ１８ＡでＹＥＳ）は、ＣＶＴ１００の減速比を現在の減速比ｋｐから所定値ｋ４だけ減じた減速比（ｋｐ−ｋ４）に設定する（ステップＳ１９）。所定値ｋ４は、図６に示す処理手順が繰り返し実行される際に一回の処理で減じる減少分であり、例えば、０．０６に設定される。このステップＳ１９が終了するとＣＶＴ制御部１１０は、手順をステップＳ２０に進める。

また、ステップＳ１８Ａにおいて、エンジン１１の現在の機関回転数ｎｅと機関回転数の目標値ｎｅ＊との偏差（ｎｅ＊−ｎｅ）が所定値ｎ１より大きい（ステップＳ１８ＡでＮｏ）と判定した場合は、ＣＶＴ制御部１１０は、手順をステップＳ２０に進める。

また、ステップＳ２０において、減速比がステップＳ１５で演算した値ｋ（目標値）と同一でない（減速比が目標値ｋまで低下していない）と判定した場合は、所定時間ｔだけ待機する（ステップＳ２１）。この所定時間は、例えば、１０ミリ秒に設定される。１０ミリ秒待機することにより、エンジン１１の出力Ｎが変化することを待つためである。ステップＳ２１が終了すると、ステップＳ１７にリターンし、ステップＳ１８Ａ、Ｓ１８Ｂ以下の処理を繰り返し実行する。

以上、実施の形態２の建設機械によれば、建設機械が急激に大きな負荷を受けるようになった場合には、ＣＶＴ１００の減速比を最大に設定することにより、メインポンプ１４から吐出される圧油の出力を最小にすることができるので、エンジンの回転数低下を防止できるとともに、実施の形態１の建設機械と同様に、従来のように可変容量型のメインポンプで傾転角を制御する場合と同様の吐出流量の制御を実現しつつ、可変容量型のメインポンプのような斜板におけるエネルギ損失は生じないため、特に吐出流量が少ない状態において、メインポンプ１４におけるエネルギ損失を低減することができる。

以上では、ハイブリッド型の建設機械を用いて説明したが、本実施の形態の建設機械は、バイブリッド型に限定されるものではなく、すべての作業要素が油圧駆動される建設機械であってもよい。

以上では、旋回用電動機２１がインバータ２０によってＰＷＭ駆動される交流モータであり、その回転速度を検出するために、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５８を用いる形態について説明したが、旋回用電動機２１は直流モータであってもよい。この場合は、インバータ２０、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５８が不要となり、回転速度としては直流モータのタコジェネレータで検出される値を用いればよい。

また、以上では、トルク電流指令の演算にＰＩ制御を用いる形態について説明したが、これに代えて、ロバスト制御、適応制御、比例制御、積分制御等を用いてもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態の建設機械について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態１の建設機械を示す側面図である。 実施の形態１の建設機械の構成を表すブロック図である。 実施の形態１の建設機械の速度指令変換部３１において操作レバー２６Ａの操作量を速度指令（上部旋回体３を旋回させるために旋回用電動機２１を回転させるための速度指令）に変換する変換特性を示す図である。 実施の形態１の建設機械の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。 実施の形態１の建設機械のコントローラ３０によるＣＶＴ１００の減速比の設定処理の手順を示す図である。 実施の形態２の建設機械のコントローラ３０によるＣＶＴ１００の減速比の設定処理の手順を示す図である。

符号の説明

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 走行機構
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１ エンジン
１２ 電動発電機
１３ 減速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８ インバータ
１９ バッテリ
２０ インバータ
２１ 旋回用電動機
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回減速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
３１ 速度指令変換部
３２ 駆動制御装置
４０ 旋回駆動制御装置
５０ 駆動指令生成部
５１ 減算器
５２ ＰＩ制御部
５３ トルク制限部
５４ トルク制限部
５５ 減算器
５６ ＰＩ制御部
５７ 電流変換部
５８ 旋回動作検出部
６０ 主制御部
１００ ＣＶＴ
１１０ ＣＶＴ制御部

Claims (4)

1. 原動機により駆動される油圧ポンプと、
   作業要素を油圧駆動するための油圧アクチュエータと、
   前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータへの圧油の流れを制御するコントロールバルブと、
   前記原動機と前記油圧ポンプとの間に配設される無段変速機と、
   前記原動機の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、
   前記油圧ポンプの回転数を演算するポンプ回転数演算手段と、
   前記機関回転数検出手段によって検出される機関回転数と、前記ポンプ回転数演算手段によって演算される回転数との比に基づき、前記無段変速機の減速比を制御する減速比制御手段と
   を備える、建設機械。
2. 前記ポンプ回転数演算手段は、前記原動機の出力と、前記油圧ポンプから吐出される圧油の油圧とに基づいて前記油圧ポンプの回転数を演算する、請求項１に記載の建設機械。
3. 前記原動機の出力を演算する出力演算手段をさらに備え、前記ポンプ回転数演算手段は、前記出力演算手段によって演算される前記原動機の出力を用いて前記油圧ポンプの回転数を演算する、請求項２に記載の建設機械。
4. 前記コントロールバルブにおける圧油の油圧を検出する油圧検出手段をさらに備え、前記減速比制御手段は、前記油圧検出手段によって検出される油圧が所定値以上の場合には、前記無段変速機の減速比が徐々に目標値に近づくように前記減速比を制御する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の建設機械。

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