JP2011144531A - 作業機械の駆動制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 油圧モータに供給する油量をより高精度で制御することによってエネルギ損失を抑えることができる作業機械の駆動制御装置を提供すること。
【解決手段】 油圧モータ２と電動機３とによって構造体を駆動する作業機械の駆動制御装置に、構造体の動作量を決定するリモコン弁５と、電動機３のトルクを算出する電動機トルク算出部と、油圧モータ２のトルクを算出する油圧モータトルク算出部と、前記リモコン弁５で決定した構造体の動作量に基いて、前記電動機３のトルクと前記油圧モータ２のトルクとから構造体の駆動に必要なトルクが得られるようにコントロール弁１４に開度制御信号を送る制御装置７と、この制御装置７からの開度制御信号に基いて前記コントロール弁１４に作用させるパイロット圧を減圧する電磁減圧弁１９，２０とを備えさせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、作業機械に用いられる駆動装置の制御装置に関し、詳しくは、油圧モータと電動機とによって構造体を駆動する作業機械の駆動制御装置に関する。
従来、油圧ショベル、クレーン、ホイールローダ、ブルドーザ等の動力機械類（この明細書及び特許請求の範囲の書類では、これらの動力機械類（重機）を総称して「作業機械」という）が土木・建設工事などに使用されている。例えば、油圧ショベルを例に説明すると、油圧ショベルは、下部走行体の上部に上部旋回体（構造体）が設けられ、この上部旋回体には、エンジンや運転席、バケットが先端に設けられたアーム、アームに連結されたブーム等が備えられており、大型の重量物になっている。この上部旋回体は、作業時に運転席のリモコン弁を操作することによって下部走行体の上部で旋回させられ、アーム先端のバケットによって各種作業が行われる。
このような旋回体は、旋回駆動するための駆動装置によって旋回させられており、近年、この駆動装置として、油圧モータと電動機とを備えたものが提案されている。
例えば、この種の駆動装置を備えた作業機械として、油圧モータを駆動源とする油圧ユニットと電動機を駆動源とする電動ユニットとを設け、旋回時にコントローラとインバータによって電動機を制御し、そのトルクで油圧ユニットをアシストするようにした駆動装置を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。
この作業機械では、駆動装置の定常旋回時および減速時に電動機に回生作用を行わせて回生電力を蓄電器に蓄えるようにしている。また、上記駆動装置の制御手段としては、旋回時に、旋回速度または旋回加速度が設定値以上であること、および蓄電器の蓄電量が設定値以下となったことを条件として、電動機に回生電力を発生させて蓄電器に蓄えるようにしている。そして、この作業機械では、制御手段が旋回時に要求されるトルクを求め、この要求トルクが設定値を超えたときに電動機から必要なトルクを出力するようにしている。
また、上記制御手段は、油圧モータ回路に設けられたリリーフ弁によるリリーフ時間を短縮する方向で電動機の出力トルクを制御するようにしており、これによってリリーフ弁によるエネルギ損失を抑えるようにしている。
さらに、リリーフ弁のバネ側に緩衝用のポペットを設けることによって、加速時にリリーフ弁の昇圧緩衝（ショックレス）機能を発揮させながらピークに達した後、リリーフ作動を行うようにしている。
このように、上記作業機械では、電動ユニットによって油圧ユニットをアシストすることにより、全体として必要な最大トルクを確保しながら電動ユニットのアシスト分を調整することで、必要なトルクを発生させることができるようにしている。そして、これにより省エネルギと、過剰トルクによるハンチングの発生防止を図っている。
なお、他の先行技術として、油圧アクチュエータと電動・発電機の駆動力を合成する駆動力合成機構を有するハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械に、制動時に発生するエネルギを有効に活用するために連通弁（バイパス弁）を設けて、旋回体の慣性エネルギを電動・発電機で電気エネルギとして効率良く回生しようとしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
また、他の先行技術として、油圧アクチュエータの両ポートの差圧を検出し、この差圧に関連させて、油圧アクチュエータに併設された電動・発電機に対してトルク指令を行うようにしたハイブリッド型建設機械もある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５−２９０８８２号公報 特開２００８−２９１５２２号公報 特開２００８−６３８８８号公報
ところで、作業機械における構造体の動作としては、例えば、油圧ショベルにおける土砂の掘削積込み作業等のように、上部旋回体を急激に加速、減速する作業が多い。そのため、上記したような大型の重量物で慣性体である上部旋回体を所望の速度で旋回させるために、リモコン弁を速く、且つ大きく操作することが多い。
しかしながら、上記特許文献１の作業機械では、リモコン弁の二次圧を直接コントロール弁のパイロットポートに作用させて流量制御しているため、旋回操作時の大きなリモコン弁の操作による旋回加速時にはコントロール弁が大きく開き、油圧ポンプからの吐出圧油のすべてが油圧モータ回路に流入する。そして、この流入油は、上記したように油圧モータ回路に昇圧緩衝機能を有するリリーフ弁を用いたとしても、慣性体である上部旋回体が所望の旋回速度に達するまではその一部が油圧モータを駆動する動力として使用されるだけで残りはリリーフ弁からリリーフされるため、これによってエネルギ利用効率が低下する。このようなエネルギ利用効率の低下は、エネルギ消費量が増大する旋回加速時に大きなエネルギ損失が発生するので顕著である。このようなエネルギ利用効率の低下は、旋回体以外の構造体を加速駆動する駆動装置においても同様に生じる。
また、制御手段は、旋回時に要求されるトルクが要求値を超えた場合に限り、電動機から必要なトルクを出力する構成となっているため、比較的小さいトルクが連続して必要とされるような運用条件では、電動機が作動する時間が充分に確保できない場合があり得る。したがって、蓄電した電気エネルギを充分に活用できない状況が生じる可能性がある。
さらに、ブレーキ時にコントロール弁が閉じられると油圧モータ回路が閉回路となり、電動機で減速トルクをアシストしたとしても油圧トルクが発生してリリーフ弁が作動するので、減速時の慣性エネルギを電気エネルギとして効率良く回収することができない。
なお、上記特許文献２に記載の発明においても、上記特許文献１と同様にリモコン弁の二次圧を直接コントロール弁のパイロットポートに作用させているため、リモコン弁の操作時に多くの圧油がコントロール弁に供給され、旋回体が所望の速度に達して油圧モータが所定トルクとなるまでは多くの圧油がリリーフ弁からリリーフされてエネルギ損失を生じる。
また、上記特許文献３に記載の発明においては、油圧モータの圧油供給口と排出口とにおける圧力を検出して、発電・電動機の動作制御をすることについて記載されているが、その圧力を利用して油圧モータに圧油を供給する詳細な制御方法については何ら記載されていない。
そこで、本発明は、油圧モータに供給する油量をより高精度で制御することによってエネルギ損失を抑えることができる作業機械の駆動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に、本発明は、油圧ポンプからの圧油をコントロール弁で流量制御して油圧モータ回路を介して供給する油圧モータと、該油圧モータと協動する電動機とによって構造体を駆動する作業機械の駆動制御装置であって、前記構造体の動作量を決定するリモコン弁と、前記電動機のトルクを算出する電動機トルク算出部と、前記油圧モータのトルクを算出する油圧モータトルク算出部と、前記リモコン弁で決定した構造体の動作量に基いて、前記電動機のトルクと前記油圧モータのトルクとから構造体の駆動に必要なトルクが得られるように前記コントロール弁に開度制御信号を送る制御装置と、該制御装置からの開度制御信号に基いて前記コントロール弁に作用させるパイロット圧を減圧する電磁減圧弁とを備えている。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「構造体の動作量」は、例えば、構造体が旋回体であれば、その旋回体の旋回方向、旋回速度、旋回角度等を含む旋回体の旋回動作量をいい、直線移動する構造体であれば、移動方向、移動速度等を含む移動動作量をいう。
これにより、リモコン弁の操作量に応じた旋回トルクが得られるように、電動機トルクと油圧モータトルクとに基いて、油圧モータの必要トルクを、制御装置によって制御する電磁減圧弁で減圧したパイロット圧油で流量制御するコントロール弁から供給する圧油流量で調整するので、リモコン弁の操作量に応じた駆動トルクを得るために必要な圧油流量を高精度でコントロール弁から油圧モータに供給し、エネルギ効率の向上を図ることができる。
また、前記電動機は、油圧モータの減速時に慣性エネルギを電気エネルギに変換する回生機能を有し、前記油圧モータに圧油を供給する油圧モータ回路は、該油圧モータの減速時に、該油圧モータの吸入ポートと排出ポートとを連通させる連通機構を備えていてもよい。このようにすれば、油圧モータの減速時に制御装置からの連通指令によって連通機構を作動させて油圧モータにブレーキトルクが発生しないようにして、電動機の回生機能によって効率的に慣性エネルギを電気エネルギに変換して回生電力として回収することができる。
さらに、前記制御装置は、前記油圧モータの減速時に、前記連通機構の開度を調整する開度調整指令を行うように構成されていてもよい。このようにすれば、油圧モータの減速時に、電動機による回生機能（回生ブレーキトルク）だけでは制動できない場合や、電動機で発生させるべきブレーキトルクが許容値を超えた場合、蓄電器の電圧、電流制御値が許容値を超えた場合等に、連通機構の開度調整によって油圧モータに不足するブレーキトルクを発生させることで減速させることができる。
また、前記連通機構は、前記油圧モータの吸入ポートと排出ポートとを連通させる電磁リリーフ弁を備えていてもよい。このようにすれば、油圧モータの減速時に回転方向に応じた電磁リリーフ弁を開放し、油圧モータの吸入ポートと排出ポートとを連通させて油圧モータの排出側において発生する圧力損失を回避し、電動機の回生作用によって慣性エネルギのほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収できる。しかも、電磁リリーフ弁のリリーフ圧制御で油圧モータにブレーキトルクを発生させて制動させることができる。
さらに、前記連通機構は、前記油圧モータの吸入ポートと排出ポートとを連通させるバイパス弁を備えていてもよい。このようにすれば、油圧モータの減速時にバイパス弁を開放し、油圧モータの吸入ポートと排出ポートとを連通させて油圧モータの排出側において発生する圧力損失を回避し、電動機の回生作用によって慣性エネルギのほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収できる。しかも、バイパス弁の開度制御で油圧モータにブレーキトルクを発生させて制動させることができる。
また、前記コントロール弁は、油圧モータの正転／逆転時における加速／減速時に開度制御を行う２つのコントロール弁を有し、該２つのコントロール弁は、前記制御装置からの制御信号に基いてパイロットポートに作用させるパイロット圧を減圧する電磁減圧弁をそれぞれ具備し、前記油圧モータ回路は、前記油圧モータの減速時に前記２つのコントロール弁によって油圧モータの排出ポートをタンク開放する時に該油圧モータの吸入ポートに油を吸引するチェック弁を具備し、前記制御装置は、前記油圧モータの減速時に前記コントロール弁をメータイン制御又はメータアウト制御するように構成されていてもよい。このようにすれば、両コントロール弁をメータイン制御とメータアウト制御とで独立制御することにより、油圧モータの減速時に回転方向に応じてコントロール弁のいずれかを開放することで排出ポートをタンク開放として油圧モータの排出側において発生する圧力損失を回避し、電動機の回生作用によって慣性エネルギのほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収することができる。しかも、メータアウト制御によるコントロール弁の開度制御で油圧モータにブレーキトルクを発生させて制動させることができ、メータイン制御により油圧モータのトルクを制御することができる。
さらに、前記油圧モータは、可変傾転油圧モータで構成されていてもよい。このようにすれば、油圧モータの減速時に油圧モータの傾転角をゼロにして流量ゼロとすることで循環しないようにしてブレーキトルクをゼロにし、電動機の回生作用によって慣性エネルギのほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収することができる。しかも、油圧モータの傾転制御によって油圧モータにブレーキトルクを発生させて制動させることもできる。
また、前記油圧ポンプは、前記コントロール弁を通過させる旋回動作に必要な油量の余剰油流量に基いて傾転制御するネガティブコントロール、又は前記コントロール弁のパイロットポート圧力差に基いて傾転制御するポジティブコントロールによって制御されるように構成されていてもよい。このようにすれば、コントロール弁の動作状態に応じて油圧ポンプの傾転を制御して、油圧モータの駆動に必要な油量に基いた吐出量に油圧ポンプを制御することができる。
さらに、前記電磁減圧弁は、逆比例型で構成されていてもよい。このようにすれば、電磁減圧弁の故障や電気的故障で電磁減圧弁が制御できなくなっても、最大制御圧がコントロール弁のパイロットポートに直接作用して油圧のみで運転をすることができる。
また、前記制御装置は、前記構造体の初期旋回加速時に、該構造体の加速に要するトルクから電動機で出力可能な駆動トルクを除き、不足分のトルクを前記油圧モータの駆動トルクで補うように前記コントロール弁の電磁減圧弁に開度制御信号を送って油圧モータを駆動制御するように構成されていてもよい。このようにすれば、慣性体である構造体の初期旋回加速時に、その構造体の加速に要するトルクを、蓄電器の電圧に基く電動機で出力可能な駆動トルクと、その電動機の駆動トルクを除いた不足分を油圧モータの駆動トルクで補うことで旋回させるように、それぞれのエネルギを演算しながら旋回制御を行うので、蓄積電気エネルギの利用効率を高くすることができる。しかも、油圧モータの圧油量は、電動機の不足分を補うトルクを出力できる量が電磁減圧弁で高精度に制御されるコントロール弁を介して供給されるため、エネルギ効率の高い運用が可能となる。
本発明によれば、リモコン弁の操作量に応じて油圧モータを駆動する圧油量が最適となるように電磁減圧弁でコントロール弁を高精度に制御することで調整するので、油圧モータで構造体を駆動するためのエネルギ効率を向上させることが可能となる。
本発明の第１実施形態に係る駆動制御装置の油圧回路図である。 図１に示す駆動制御装置の制御ブロック図である。 図１に示す駆動制御装置による旋回体の駆動シーケンス図である。 図１に示す駆動制御装置における油圧ポンプの制御方法の第１例を示す油圧回路図である。 図１に示す駆動制御装置における油圧ポンプの制御方法の第２例を示す油圧回路図である。 図１に示す駆動制御装置における油圧ポンプの制御方法の第３例を示す油圧回路図である。 本発明の第２実施形態に係る駆動制御装置の油圧回路図である。 本発明の第３実施形態に係る駆動制御装置の油圧回路図である。 図８に示す駆動制御装置における正回転時の油圧回路図であり、(a) は正回転加速時、(b) は正回転減速時の油圧回路図である。 図８に示す駆動制御装置における逆回転時の油圧回路図であり、(a) は逆回転加速時、(b) は逆回転減速時の油圧回路図である。 本発明の第４実施形態に係る駆動制御装置の油圧回路図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。以下の実施形態では、作業機械の構造体として油圧ショベルの上部旋回体を例に説明する。図１に示すように、第１実施形態に係る駆動制御装置１としては、旋回体（図示略）を油圧モータ２と電動機３との協動によって旋回駆動し、油圧モータ２の減速時には、電動機３の回生機能によって油圧モータ２の慣性エネルギ（運動エネルギ）を電気エネルギに変換して回収するように構成されている。この電動機３に回生作用を行わせて発電機とする回生機能は、公知の技術であるため、詳細な説明は省略する。
また、上記旋回体の旋回方向及び旋回速度等の動作量を決定するリモコン弁５が設けられている。このリモコン弁５は、旋回体の旋回方向を決定する傾倒ハンドル４を有しており、この傾倒ハンドル４を傾倒する方向、角度、及び速度等によって旋回体の旋回方向及び速度が決定される。リモコン弁５には、操作量に応じた二次圧を検出する圧力センサ６が設けられ、この圧力センサ６で検出された左右ポートの差圧が、旋回体を回転させるための速度指令（回転数指令）として制御装置７に入力されるようになっている。正の信号を正回転とすると、負の信号は逆回転となる。
一方、上記油圧モータ２は、油圧ポンプ１０で吐出される圧油によって駆動されており、油圧ポンプ１０から圧油を吸入・排出する油圧モータ回路１１に接続されている。この油圧モータ回路１１は、油圧モータ２の吸入ポートと排出ポートとに接続された油路１２，１３がコントロール弁１４を介して接続されており、このコントロール弁１４によって油圧モータ回路１１に供給される圧油流量が制御されている。油圧モータ２の吸入ポートと排出ポートは、回転方向によって逆になる。
また、この油圧モータ回路１１の油路１２，１３の間には、油圧モータ２の減速時にこれらの油路１２，１３を連通させることで油圧モータ２の排出側において発生する損失を回避する連通機構たる電磁リリーフ弁１５，１６が設けられている。この電磁リリーフ弁１５，１６は、油圧モータ２の正回転、及び逆回転時に圧油が流れる方向が異なるので、油路１２，１３のそれぞれの方向に向けて設けられている。
そして、上記コントロール弁１４による圧油量を制御するために、このコントロール弁１４のパイロットポート１７，１８（旋回セクション）に電磁減圧弁１９，２０が設置されている。この電磁減圧弁１９，２０には、一次圧として上記リモコン弁５の二次圧が導かれている。この例の電磁減圧弁１９，２０は、逆比例型が用いられている。
この電磁減圧弁１９，２０によるコントロール弁１４の制御は、上記リモコン弁５の操作量に基いた圧油量が油圧モータ２に供給されるように、制御装置７からの開度制御信号に基いて行われる。この制御装置７による電磁減圧弁１９，２０の開度制御は、上記リモコン弁５の操作量に基いて、リモコン弁５から供給されるパイロット圧油（一次圧）を電磁減圧弁１９，２０で減圧したパイロット圧でコントロール弁１４を制御することによって行われる。このように、電磁減圧弁１９，２０で減圧するようにしたパイロット圧でコントロール弁１４の開度制御を行うことにより、油圧ポンプ１０から油圧モータ２に供給される圧油量が高精度で制御される。制御装置７による制御の詳細は、後述する。
また、上記油路１２，１３の間には、通常使用時の圧力を超えた場合にタンク２１へ圧油を逃すように作動するリリーフ弁２２と、油路１２，１３内の油の循環時に油量が減るとタンク２１から油を吸引するチェック弁２３，２４とが設けられている。
さらに、上記油圧モータ２の吸入ポートと排出ポートには圧力センサ２５，２６がそれぞれ設けられており、これらの圧力センサ２５，２６で検出された圧力の差圧がトルクフィードバックとして制御装置７に入力されている。この油圧モータ２の吸入および排出ポートの差圧により、制御装置７内で油圧モータ２の発生トルクが推定される（負の信号の場合は、逆トルク）。
また、上記電動機３は、この電動機３を駆動するための電力を蓄える蓄電器２７と上記制御装置７を介して接続されている。この蓄電器２７は、制御装置７を介して電動機３との間で電力の授受を行うようになっており、旋回体を回転駆動するために油圧モータ２が加速する時には、油圧モータ２と協動する電動機３へ電力を供給するよう放電し、油圧モータ２が減速する時には、油圧モータ２を制動するよう電動機３に回生作用を生じさせて得た回生電力が蓄電される。このように、上記制御装置７は、油圧モータ２の加速時においては、油圧モータ２と協動する電動機３へ回転指令を出し、油圧モータ２の減速時においては、油圧モータ２を制動するよう電動機３に回生指令を行うようになっている。
さらに、上記電動機３には回転センサ２８が設けられており、この回転センサ２８によって検出された回転数が速度フィードバックとして上記制御装置７に入力されている。この速度フィードバックにより、制御装置７内でリモコン弁５からの速度指令（回転数指令）と実回転数の差から加速度が求められる。
そして、上記制御装置７は、リモコン弁５の差圧信号に基く速度指令（回転数信号）、油圧モータ２の差圧信号に基くトルクフィードバック（トルク信号）、及び電動機３の回転数信号に基く速度フィードバック（実回転数）と、上記リモコン弁５の操作量とに基いて、電動機３と油圧モータ２とで決められたトルクが得られるように、電動機３を回転させるとともに、電動機３のトルク不足分を補うように電磁減圧弁１９，２０へ開度制御信号を送り、コントロール弁１４を介して圧油を供給して油圧モータ２を回転させる。
つまり、油圧モータ２は、リモコン弁５の操作量に基いた旋回駆動トルクから電動機３によるトルクを除いた不足分が得られるように、コントロール弁１４に設置された電磁減圧弁１９，２０のソレノイド電流が制御装置７からの開度制御信号に基いて制御され、この電磁減圧弁１９，２０で開度制御されるコントロール弁１４を介して供給される圧油によって駆動される。
この制御装置７によるコントロール弁１４の電磁減圧弁１９，２０を制御する方法としては、リモコン弁５が操作されて加速と判断した際には、蓄電器２７に電動機３の運転が可能な電気エネルギが蓄積されている場合は、この電気エネルギで優先的に電動機３を駆動し、トルクが不足する分が上記したように制御されるコントロール弁１４を介して供給する圧油で駆動される油圧モータ２によって補われる。この期間、電磁リリーフ弁１５，１６は作動しないことを基本とするが、コントロール弁１４の圧力制御性能を補うために補助的に使用してもよい。
しかも、コントロール弁１４の開度制御を電磁減圧弁１９，２０によって高精度で行うことにより、電動機３によるトルクと油圧モータ２によるトルクとの配分を高精度で変更することが可能となり、例えば、蓄電器２７の蓄積エネルギが規定値以下になると、電動機３のトルクを徐々に滅少させると同時に油圧モータ２のトルクを増加させて、電動機３から油圧モータ２への切り替えをショックレスでスムーズに行うことができる。
一方、リモコン弁５が操作されて減速と判断した際には、電動機３に回生作用を行わせて慣性エネルギを電気エネルギに変換した回生電力を蓄電器２７に蓄える。このときブレーキ側の電磁リリーフ弁１５又は１６はアンロードにして作動油を循環させる。
また、電動機３ですべての慣性エネルギが回収できないと判断した場合（電動機３で発生させるべきブレーキトルクが許容値を超えた場合、蓄電器２７の電圧、電流制御値が許容値を超えた場合等）、ブレーキ側電磁リリーフ弁１５又は１６の設定圧力を調整して油路１２，１３内の抵抗を増やすことにより、不足するブレーキトルクを油圧モータ２で発生させることができる。この電動機３と油圧モータ２のトルク配分は、最もエネルギ利用率が良好となる比率に予め設定しておき、電動機３と油圧モータ２のトルクに関連する状態変化（蓄電器２７の蓄積エネルギが既定値以下など）に応じて変動させ、電動機３と油圧モータ２の合計トルクが、必要な旋回駆動トルクとなるようにする。
このように、リモコン弁５からのパイロット圧油を、制御装置７からの指令に基いて制御される電磁減圧弁１９，２０に供給し、制御装置７からの開度制御信号に基いてこの電磁減圧弁１９，２０で減圧したパイロット圧でコントロール弁１４の開度制御を行うので、油圧モータ２への流量制御が高精度で可能となり、通常運転時にはリリーフ弁２２から油圧ポンプ１０の圧油を排出することがなくなり、エネルギ効率の向上を図ることができる。
図２に示すように、上記駆動制御装置１における制御ブロック図としては、リモコン弁５の傾倒方向と操作量から、速度指令演算３０によって速度が演算される。この速度は、電動機３に設けられた回転センサ２８からの速度フィードバックとの差から必要な加速度が加速度演算３１によって演算され、その加速度の加速トルクが加速トルク演算３２によって演算される。
一方、蓄電器２７の電圧が蓄電器電圧検出３３によって検出され、その電圧と上記加速トルク演算３２で演算された全体のトルクなどに基いて、電動機トルク算出３４によって電動機３で出力可能なトルクが算出される。この算出された電動機３で出力可能なトルクは、上記加速トルク演算３２で演算された全体のトルクから減算され、この減算されたトルクが油圧モータ２に必要なトルクとして算出される。なお、油圧モータ２に必要なトルクに制限が必要な場合（例えば、油圧モータ２の吸入ポート圧をある値以上にしたい場合など）は、全体トルクから逆に油圧モータ２に必要なトルクを減算して電動機３で出力すべきトルクを算出してもよい。
そして、油圧モータ２の制御としては、この油圧モータ２に必要なトルクに対して差圧指令演算３５がなされ、この差圧指令に対して、油圧モータ２の吸入・排出ポートにおける圧力を検出する圧力センサ２５，２６からの差圧フィードバックと比較された後、圧力制御３６によって電磁減圧弁１９，２０に制御信号が出力されて、コントロール弁１４（後述する第４実施形態では、可変傾転油圧モータの傾転）のスプールが制御される。これにより、油圧モータ２が電動機３で出力できるトルクを除いた分のトルクを出力するように駆動される。
一方、電動機３の制御としては、上記電動機トルク算出３４で算出されたトルクを出力するように電流指令演算３７で電流が演算され、この演算結果に対して電動機３に供給される電流フィードバックが比較された後、電流制御３８によって制御された電流で電力変換器３９が制御されて、電動機３が駆動されるようになっている。この電動機３の駆動は、回転センサ２８によって検出されて、上記速度フィードバックとして速度指令演算３０の演算結果にフィードバックされる。
次に、図３に基いて、上記駆動制御装置１による動作シーケンスの一例を説明する。この動作シーケンスとしては、リモコン弁５による速度指令と、旋回体の速度実績、電動機３の発生トルク、油圧モータ２によるアシストトルク、及びこれら電動機３と油圧モータ２とによる合計トルクとを、横軸を時間軸にして示している。
図示する例では、リモコン弁５を一方に傾倒することで速度実績で示すように旋回体を一方向に「加速」・「定速」で旋回させた後、リモコン弁５を中立に戻して「減速」させた後、他方に傾倒させて旋回体を逆方向に「加速」・「定速」・「減速」で旋回させる例を示している。
上記リモコン弁５を操作して図示する上向き（一方へ旋回）の速度指令が出されると、慣性体である旋回体を回転させるためのトルクとして、電動機３を予め決められたトルクで回転させることで蓄電器２７は放電され、この電動機３によるトルクの不足分を補うように油圧モータ２が駆動される。これにより、これら電動機トルクと油圧モータトルクとの合計トルクによって、慣性体である旋回体を旋回開始時に加速させるための大きな合成トルクが得られるように駆動される。つまり、停止状態の旋回体を旋回させる開始時に、最大の省エネルギ効果が得られるように電動機３の出力を利用し、その不足分を油圧モータ２で補うようにしている。そして、定速旋回時には小さな旋回トルクを油圧モータ２のみによって得るような運転とし、減速時には電動機３の回生作用によって慣性エネルギのほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収して蓄電器２７に蓄電している。
図では、この動作後、逆方向に向けてリモコン弁５を操作した時も示しているが、向きが逆のトルクを発生させる他は上記作用と同一であるため、その説明は省略する。
このように、上記第１実施形態に係る駆動制御装置１によれば、リモコン弁５の操作量に基いた全トルクに対し、電動機３によって発生させることができるトルクの不足分を油圧モータ２で発生させるようにしており、この油圧モータ２を駆動する圧油量は、最適となるように電磁減圧弁１９，２０で減圧したパイロット圧でコントロール弁１４を高精度で制御することで調整するので、電動機３と油圧モータ２とによって旋回体を駆動するためのエネルギ効率を向上させることが可能となる。しかも、蓄電器２７の電圧を監視し、電動機３に供給できるエネルギを演算しながら旋回制御を行うので、蓄積エネルギの利用効率を向上させることができる。
また、油圧モータ２の減速時には、電磁リリーフ弁１５又は１６を開放することによって油圧モータ２の排出側において発生する圧力損失を回避し、旋回体の慣性エネルギのほぼ全量を電動機３の回生作用による電気エネルギとして回収することができるので、エネルギ効率の良い駆動制御装置１の運用ができる。
さらに、旋回体の停止時に、この種の油圧駆動による油の圧縮効果等によって生じる揺れ戻りが起こらないように、上記電動機３の回転数を観測して停止時に電動機３のトルクを制御することで乗り心地を改善することもできる。また、電動機３と油圧モータ２のトルクを個別に制御するので、旋回フィーリングの設定も自由にできる。
その上、上記実施形態では、コントロール弁１４のパイロットポート１７，１８を制御する電磁減圧弁１９，２０を逆比例型にすることで、電磁減圧弁１９，２０の故障や電気的故障で電磁減圧弁１９，２０が制御できなくなった場合にはリモコン弁５の二次圧が直接コントロール弁１４のパイロットポート１７，１８に作用するようにして、油圧のみでも旋回運転が可能な信頼性の高い駆動制御装置１としている。
次に、上記駆動制御装置１において、上記油圧ポンプ１０の傾転制御を同時に行うことで油圧ポンプ１０の駆動系で更なる省エネルギ効果を得るようにした構成の一例を説明する。以下に説明する油圧ポンプ１０の制御方法は、使用条件等に応じて適宜選択すればよい。
図４に示す例は、上記油圧ポンプ１０の制御として、オープンセンタ・ネガティブコントロール制御の例である。この場合、油圧モータ２の旋回動作に必要な油量をコントロール弁１４に通過させ、センタバイパスから吐出されてタンク２１へ流出される余剰油の流量に基づいて油圧ポンプ１０の斜板を傾動させてポンプ流量が制御される。これにより、油圧ポンプ１０の傾転を、油圧モータ２の駆動に必要な流量だけを供給するように制御するので、エネルギ効率が良く、エネルギ損失をさらに少なくして省エネルギ効果を得ることができる。
また、図５に示す例は、オープンセンタ・ポジティブコントロール制御の例である。この場合、コントロール弁１４の両方のパイロットポート１７，１８に作用するパイロット圧を高圧選択し、その高圧側の圧に基いて油圧ポンプ１０の斜板を傾動させてポンプ流量を制御する。これによっても、油圧ポンプ１０の傾転を、リモコン弁の操作から得られる速度指令に応じた流量だけを供給するように制御するので、エネルギ効率が良く、エネルギ損失をさらに少なくして省エネルギ効果を得ることができる。さらに、図６に示す例のように、電磁減圧弁１９，２０からのパイロット圧を圧力センサ２９で検出し、その高圧側の圧に基いて制御装置７から電気的に油圧ポンプ１０の傾転制御を行う電気ポジティブコントロール制御で油量をより細かく制御すれば、より優れた省エネルギ効果を得ることもできる。
図７は、第２実施形態に係る駆動制御装置４０であり、上述した第１実施形態における連通機構たる電磁リリーフ弁１５，１６の代わりにバイパス弁４１を用いた例である。なお、上述した第１実施形態の駆動制御装置１とは、このバイパス弁４１が異なるのみであるため、同一の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、上記油圧モータ回路１１の油路１２，１３の間に連通機構たるバイパス弁４１が設けられており、このバイパス弁４１を上述した制御装置７によって開度制御するようにしている。制御装置７による制御は、上述した第１実施形態と同様に、リモコン弁５の差圧信号に基く速度指令、油圧モータ２の吸入ポートと排出ポートとにおける差圧信号に基くトルクフィードバック、電動機３の回転センサ２８による回転数信号に基く速度フィードバック、とに基いて制御される。
この実施形態の場合、油圧モータ２の減速時にバイパス弁４１を開放することにより油圧モータ２の排出側において発生する圧力損失を回避し、電動機３による回生作用で慣性エネルギを電気エネルギに効率良く変換することができる。また、この実施形態でも、油圧モータ２のブレーキ操作時、バイパス弁４１の開度調整を行うことにより、所望のブレーキトルクを得ることができる。
図８は、第３実施形態に係る駆動制御装置５０の油圧回路図であり、この実施形態では、コントロール弁のメータイン制御とメータアウト制御とを独立して制御できるようにしている。なお、上述した第１実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図示するように、この実施形態では第一コントロール弁５１と第二コントロール弁５２とが設けられ、第一コントロール弁５１のパイロットポートには第一電磁減圧弁５３，５４が設けられ、第二コントロール弁５２のパイロットポートには第二電磁減圧弁５５，５６が設けられている。この例では、比例型電磁減圧弁を用いている。また、この実施形態では、第一電磁減圧弁５３，５４と第二電磁減圧弁５５，５６とを制御するパイロット圧の自由度（圧力範囲）を上げるために、パイロット圧油を供給する第二油圧ポンプ５７が設けられている。
さらに、この実施形態の制御装置７は、油圧モータ２の減速時に、電動機３のブレーキトルクだけでは制動できない場合に、油圧モータ２のブレーキトルクを調整するように第一電磁減圧弁５３，５４、第二電磁減圧弁５５，５６に開度制御信号を送り、第一コントロール弁５１又は第二コントロール弁５２によるメータアウト制御で調整ができるようになっている。
そして、この実施形態の駆動制御装置５０によれば、旋回体の加速時にはメータイン側の開度制御を行い、メータアウト側は全開にするようにしている。また、減速時にはメータイン側は全閉にして油圧ポンプ１０からの圧油をアンロードし、上記メータアウト側の開度制御を行うことで、油圧モータ２の減速トルクを制御するようにしている。
具体的には、図９(a) に示すように、旋回体の正回転加速時には、第一電磁減圧弁５３及び第二電磁減圧弁５５に開度制御信号が送られ、第一コントロール弁５１及び第二コントロール弁５２が図示する右方にスライドさせられる。これにより、油圧ポンプ１０からの圧油が第一コントロール弁５１を介して油圧モータ２の吸入ポートに供給される。油圧モータ２の排出ポートは、第二コントロール弁５２を介してタンク２１に連通される。これにより、油圧モータ２が第一コントロール弁５１を介して供給される圧油によって回転させられる。この例では、第一コントロール弁５１の開度制御によって、油圧モータ２に供給される圧油量が調整される（メータイン制御）。
一方、図９(b) に示すように、旋回体の正回転減速時には、第一コントロール弁５１のスプールを戻して油圧ポンプ１０からの圧油をタンク２１へ戻すようにするとともに、油圧モータ２の排出ポートが第二コントロール弁５２を介してタンク２１に連通させた状態となる。これにより、油圧モータ２の排出ポートから排出される油はタンク２１に排出される。また、油圧モータ２の吸入ポートには、油圧モータ回路１１から排出された油の不足分の油がチェック弁２３を介してタンク２１から供給される。
従って、油圧モータ２の減速時において排出ポート側で発生する圧力損失を回避し、電動機３の回生作用によって慣性エネルギのほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収できる。しかも、第二コントロール弁５２のパイロット圧を第二電磁減圧弁５５によって調整することで、油圧モータ２にブレーキトルクを発生させて制動させることができる（メータアウト制御）。
また、図１０(a) に示すように、旋回体の逆回転加速時には、第一電磁減圧弁５４及び第二電磁減圧弁５６に開度制御信号が送られ、第一コントロール弁５１及び第二コントロール弁５２が図示する左方にスライドさせられる。これにより、油圧ポンプ１０からの圧油が第二コントロール弁５２を介して油圧モータ２の吸入ポートに供給される。油圧モータ２の排出ポートは、第一コントロール弁５１を介してタンク２１に連通される。これにより、油圧モータ２が第二コントロール弁５２を介して供給される圧油によって回転させられる。このように、第二コントロール弁５２の開度制御によって、油圧モータ２に供給される圧油量が調整される（メータイン制御）。
一方、図１０(b) に示すように、旋回体の逆回転減速時には、第二コントロール弁５２のスプールを戻して油圧ポンプ１０からの圧油をタンク２１へ戻すようにするとともに、油圧モータ２の排出ポートが第一コントロール弁５１を介してタンク２１に連通させた状態となる。これにより、油圧モータ２の排出ポートから排出される油はタンク２１に排出される。また、油圧モータ２の吸入ポートには、油圧モータ回路１１から排出された油の不足分の油がチェック弁２４を介してタンク２１から供給される。
従って、油圧モータ２の減速時において排出ポート側で発生する圧力損失を回避し、電動機３の回生作用によって慣性エネルギのほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収できる。しかも、第一コントロール弁５１のパイロット圧を第一電磁減圧弁５４によって調整することで、油圧モータ２にブレーキトルクを発生させて制動させることができる（メータアウト制御）。
しかも、このような制御を、制御装置７からの指令により制御される電磁減圧弁５３，５４及び５５，５６で開度制御が行われるコントロール弁５１，５２を介して行うので、油圧モータ２への流量制御が高精度で可能となり、リリーフ弁２２から油圧ポンプ１０の圧油を排出することがほぼなくなり、エネルギ効率の向上を図ることができる。
図１１は、第４実施形態に係る駆動制御装置６０の油圧回路図であり、この実施形態では、上記実施形態における固定傾転の油圧モータ２に代わり、可変傾転油圧モータ６１を用いた実施形態である。上述した第１実施形態と同一の構成には同一符号を付し、その説明は省略する。
図示するように、旋回体を駆動する可変傾転油圧モータ６１は、ゼロ傾転時にトルクを発生しないので、加速時の必要トルクに応じて傾転を増加させると同時にコントロール弁１４の開度制御を行い、必要な油量を可変傾転油圧モータ６１に供給する。このコントロール弁１４の開度制御も、電磁減圧弁１９，２０で減圧したパイロット圧油によるパイロットポート１７，１８の開度制御によって行われるため、高精度で流量制御することができ、エネルギ効率を向上させることができる。
また、可変傾転油圧モータ６１の減速時は、コントロール弁１４を全閉にして油圧ポンプ１０をアンロードの状態とし、可変傾転油圧モータ６１の傾転を下げると同時に電動機３による回生作用によって慣性エネルギが電気エネルギに変換される。この可変傾転油圧モータ６１の傾転角は、制御装置７からの傾転指令により、可変傾転油圧モータ６１の吐出量がゼロになるように（油圧モータ６１のブレーキトルクが発生しないように）、斜板が傾転させられる。
このように、この実施形態の場合、可変傾転油圧モータ６１が傾転量に応じて油圧トルクを発生させることができるので、減速時に吐出量がゼロになるように傾転させて可変傾転油圧モータ６１によるブレーキトルクの発生がないようにすることで、電動機３の回生作用によって慣性エネルギのほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収して蓄電器２７に蓄電することができる。
以上のように、各実施形態の駆動制御装置１，４０，５０，６０によれば、油圧モータ２，６１を駆動する圧油の供給量をコントロール弁１４，５１，５２に設置した電磁減圧弁１９，２０，５３，５４，５５，５６で減圧したパイロット圧油によって高精度で制御するので、旋回動作に必要な油量だけをコントロール弁１４，５１，５２を通過させて油圧モータ２を駆動するので、リリーフ弁２２からタンク２１に戻る圧油による損失を低減して、旋回体を駆動するためのエネルギ効率を向上させることができる。
また、旋回体の慣性エネルギ（回転エネルギ）を、減速時に電動機３の回生作用によってほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収して蓄電器２７に蓄えて次の旋回体の加速時に使用するので、エネルギの利用効率が向上し、作業機械の燃費改善につながるとともに、温暖化ガスの排出も抑制することができる。
しかも、上述した実施形態では、蓄電器２７の蓄積エネルギを優先的に使用して電動機３を駆動し、不足分を油圧モータ２，６１で補うので、迅速な加速と蓄積エネルギの利用効率を向上させることができる。
その上、上述した実施形態のように、連通機構として電磁リリーフ弁１５，１６、バイパス弁４１、メータイン・メータアウト制御等の方法を用いることにより、これらの開度制御を制御装置７からの信号に基いて行うことによって油圧モータ２のブレーキトルクを可変にできるので、油圧モータ２の減速時に電動機３のブレーキトルク（回生作用）だけでは制動できない場合（電動機３ですべての慣性エネルギを回収できない場合）には、必要な分だけ油圧モータ２でブレーキトルクを発生させることで減速させることが容易にできる。
また、油圧モータ２のトルク配分は、コントロール弁１４，５１，５２の開度制御を電磁減圧弁１９，２０，５３，５４，５５，５６を介して行うことで細かく調整することができるので、電動機３から油圧モータ２への切り替えをショックレスで行うことが可能となる。
なお、上記実施形態では、蓄電器２７の蓄積エネルギを優先的に使用して電動機３を駆動し、不足分のトルクを油圧モータ２，６１で補う例を説明したが、蓄電器２７の蓄積エネルギが少ない場合は電動機３を使用することなく油圧モータ２，６１のみによって旋回体を回転駆動することもあり、必ずしも電動機３を優先的に使用して不足分を油圧モータ２，６１で補う構成に限定されるものではない。
また、リモコン弁５の二次圧を電磁減圧弁１９，２０の一次圧として導く構成以外であってもよく、コントロール弁１４のパイロットポート１７，１８に供給するパイロット圧油を電磁減圧弁１９，２０で高精度に制御するような構成であれば同様の作用効果を得ることができ、上記実施形態における構成に限定されるものではない。
さらに、上記実施形態では、作業機械の構造体として油圧ショベルの上部旋回体を例に説明したが、クレーンの旋回体、ホイールローダの走行体等、他の作業機械における構造体にも適用することができ、上述した実施形態に限定されるものではない。
また、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
本発明に係る作業機械の駆動制御装置は、油圧ショベルや油圧クレーン等の重機で、駆動系に油圧モータと電動機とを並設した作業機械において利用することができる。
１ 駆動制御装置
２ 油圧モータ
３ 電動機
４ 傾倒ハンドル
５ リモコン弁
６ 圧力センサ
７ 制御装置
１０ 油圧ポンプ
１１ 油圧モータ回路
１２，１３ 油路
１４ コントロール弁
１５，１６ 電磁リリーフ弁
１７，１８ パイロットポート
１９，２０ 電磁減圧弁
２１ タンク
２２ リリーフ弁
２３，２４ チェック弁
２５，２６，２９ 圧力センサ
２７ 蓄電器
３０ 速度指令演算
３１ 加速度演算
３２ 加速トルク演算
３３ 蓄電器電圧検出
３４ 電動機トルク算出
３５ 差圧指令演算
３６ 圧力制御
３７ 電流指令演算
３８ 電流制御
３９ 電力変換器
４０ 駆動制御装置
４１ バイパス弁
５０ 駆動制御装置
５１ 第一コントロール弁
５２ 第二コントロール弁
５３，５４ 第一電磁減圧弁
５５，５６ 第二電磁減圧弁
６０ 駆動制御装置
６１ 可変傾転油圧モータ

Claims (10)

  1. 油圧ポンプからの圧油をコントロール弁で流量制御して油圧モータ回路を介して供給する油圧モータと、該油圧モータと協動する電動機とによって構造体を駆動する作業機械の駆動制御装置であって、
    前記構造体の動作量を決定するリモコン弁と、
    前記電動機のトルクを算出する電動機トルク算出部と、
    前記油圧モータのトルクを算出する油圧モータトルク算出部と、
    前記リモコン弁で決定した構造体の動作量に基いて、前記電動機のトルクと前記油圧モータのトルクとから構造体の駆動に必要なトルクが得られるように前記コントロール弁に開度制御信号を送る制御装置と、
    該制御装置からの開度制御信号に基いて前記コントロール弁に作用させるパイロット圧を減圧する電磁減圧弁とを備えていることを特徴とする作業機械の駆動制御装置。
  2. 前記電動機は、油圧モータの減速時に慣性エネルギを電気エネルギに変換する回生機能を有し、
    前記油圧モータに圧油を供給する油圧モータ回路は、該油圧モータの減速時に、該油圧モータの吸入ポートと排出ポートとを連通させる連通機構を備えている請求項１に記載の作業機械の駆動制御装置。
  3. 前記制御装置は、前記油圧モータの減速時に、前記連通機構の開度を調整する開度調整指令を行うように構成されている請求項２に記載の作業機械の駆動制御装置。
  4. 前記連通機構は、前記油圧モータの吸入ポートと排出ポートとを連通させる電磁リリーフ弁を備えている請求項２又は３に記載の作業機械の駆動制御装置。
  5. 前記連通機構は、前記油圧モータの吸入ポートと排出ポートとを連通させるバイパス弁を備えている請求項２又は３に記載の作業機械の駆動制御装置。
  6. 前記コントロール弁は、油圧モータの正転／逆転時における加速／減速時に開度制御を行う２つのコントロール弁を有し、該２つのコントロール弁は、前記制御装置からの制御信号に基いてパイロットポートに作用させるパイロット圧を減圧する電磁減圧弁をそれぞれ具備し、
    前記油圧モータ回路は、前記油圧モータの減速時に前記２つのコントロール弁によって油圧モータの排出ポートをタンク開放する時に該油圧モータの吸入ポートに油を吸引するチェック弁を具備し、
    前記制御装置は、前記油圧モータの減速時に前記コントロール弁をメータイン制御又はメータアウト制御するように構成されている請求項１に記載の作業機械の駆動制御装置。
  7. 前記油圧モータは、可変傾転油圧モータで構成されている請求項１に記載の作業機械の駆動制御装置。
  8. 前記油圧ポンプは、前記コントロール弁を通過させる旋回動作に必要な油量の余剰油流量に基いて傾転制御するネガティブコントロール、又は前記コントロール弁のパイロットポート圧力差に基いて傾転制御するポジティブコントロールによって制御されるように構成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の作業機械の駆動制御装置。
  9. 前記電磁減圧弁は、逆比例型で構成されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の作業機械の駆動制御装置。
  10. 前記制御装置は、前記構造体の初期旋回加速時に、該構造体の加速に要するトルクから電動機で出力可能な駆動トルクを除き、不足分のトルクを前記油圧モータの駆動トルクで補うように前記コントロール弁の電磁減圧弁に開度制御信号を送って油圧モータを駆動制御するように構成されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の作業機械の駆動制御装置。
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