JP2012138995A - ハイブリッド式作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電動モータの負荷が同時に変動しても、電動モータの出力の変化を防ぐことができるハイブリッド式作業機械を提供する。
【解決手段】ハイブリッド式作業機械は、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化量の総和が予め設定された設定値以下となるように、電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化量を制限する電動モータ出力指令変化量リミット部，電流制御部を備えている。これにより、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの負荷が同時に変動しても、第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃに供給される直流電流の総和の変化量を低く抑えることができる。その結果、バスライン８の電圧の変動を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、建設機械、農業機械、自動車等のハイブリッド式作業機械に関する。

従来、ハイブリッド式作業機械としては、特開２００８−６２７２２号公報（特許文献１）に開示されたハイブリッド式電気自動車がある。このハイブリッド式電気自動車は、エンジンと、このエンジンに供給する燃料の量を調整するスロットルと、エンジンで駆動される発電機と、この発電機の出力を直流電流に変換して出力する１つのコンバータと、この１つのコンバータが出力した直流電流をバスラインを介して受けて交流電流に変換する１つのインバータと、このバスラインに接続されたコンデンサおよびバッテリと、この１つのインバータが変換した交流電流が供給される１つの電動モータとを備えている。

上記構成のハイブリッド式作業機械において、インバータから交流電流が供給される電動モータの負荷が変化すると、バスラインの電圧は、目標電圧から、負荷の変化の傾きに比例した量変化し、上記電動モータの出力の変化が顕著になるという問題が生じてしまう。

この問題は、上記インバータおよび電動モータの数を複数にするとさらに顕著になる。より詳しくは、上記コンバータにバスラインを介して複数のインバータを接続し、この複数のインバータのそれぞれに１つの電動モータを接続した状態で、複数の電動モータの負荷が同時に変動すると、この負荷の変化量の総和に比例した量の電圧変化がバスラインに生じる。その結果、上記バスラインの電圧が大幅に変化して、電動モータの出力の変化が甚だしくなる。

特開２００８−６２７２２号公報

そこで、本発明の課題は、複数の電動モータの負荷が同時に変動しても、電動モータの出力の変化を防ぐことができるハイブリッド式作業機械を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のハイブリッド式作業機械は、
エンジンと、
上記エンジンで駆動される発電機と、
上記発電機によって生じた交流電流を直流電流に変換するコンバータと、
上記コンバータにバスラインを介して接続され、上記バスラインの直流電流を交流電流に変換する複数のインバータと、
上記複数のインバータが変換した交流電流が供給される複数の電動モータと、
上記複数の電動モータによって駆動される複数のアクチュエータと、
上記電動モータの回転速度を示す回転速度指令信号を上記複数のインバータのそれぞれに送出する制御部と、
上記複数の電動モータの電動モータ出力の変化量の総和が予め設定された設定値以下となるように、上記複数の電動モータの電動モータ出力の変化量を制限する電動モータ出力変化量制限部と
を備えることを特徴としている。

ここで、上記電動モータ出力とは、電動モータの回転速度と電動モータのトルクとの積に相当する。

上記構成によれば、上記複数のアクチュエータの電動モータ出力の変化量の総和が予め設定された設定値以下となるように、電動モータ出力変化量制限部が複数の電動モータの電動モータ出力の変化量を制限するので、複数の電動モータの負荷が同時に変動しても、複数のインバータに供給される直流電力の総和の変化量を低く抑えることができる。したがって、上記バスラインの電圧の変動を低減できるので、バスラインの電圧の変化による電動モータの出力の変化を防ぐことができる。

一実施形態のハイブリッド式作業機械では、
上記電動モータ出力変化量制限部は上記複数のインバータのそれぞれに設けられている。

上記実施形態によれば、上記電動モータ出力変化量制限部が各インバータに設けられているので、電動モータの負荷が急激に小さくなっても、電動モータの駆動を適切に維持できる。

一実施形態のハイブリッド式作業機械では、
上記電動モータ出力変化量制限部は、予め決められたルールに基づいて、上記複数の電動モータの電動モータ出力の変化量を制限する。

上記実施形態によれば、上記電動モータ出力変化量制限部が、予め決められたルールに基づいて、複数の電動モータの電動モータ出力の変化量を制限するので、複数の電動モータの電動モータ出力の変化量を作業に応じて変更して、作業効率の低下を防ぐことができる。

一実施形態のハイブリッド式作業機械では、
上記電動モータ出力変化量制限部は、上記複数のアクチュエータのうち非駆動状態の上記アクチュエータに関する上記電動モータの電動モータ出力の変化量を０にする。

上記実施形態によれば、上記電動モータ出力変化量制限部は、複数のアクチュエータのうち非駆動状態のアクチュエータに関する電動モータの電動モータ出力の変化量を０にするので、駆動状態のアクチュエータは負荷に十分に対応できる。

本発明のハイブリッド式作業機械によれば、複数の電動モータの電動モータ出力の変化量の総和が予め設定された設定値以下となるように、複数の電動モータの電動モータ出力の変化量を制限する電動モータ出力変化量制限部を備えるので、複数の電動モータの負荷が同時に変動しても、複数のインバータに供給される直流電力の総和の変化量を低く抑えることができる。したがって、上記複数のインバータとコンバータとの間にあるバスラインの電圧の変動を低減できるので、バスラインの電圧の変化による電動モータの出力の変化を防ぐことができる。

図１は本発明の一実施形態のハイブリッド式作業機械の要部の構成を示すブロック図である。 図２は上記ハイブリッド式作業機械のアクチュエータ側の部分の制御ブロック図である 図３は電動モータ出力の時間変化を示すグラフである。 図４はＤＣバス電圧の時間変化を示すグラフである。 図５は上記ハイブリッド式作業機械の特性を示すグラフである。

以下、本発明のハイブリッド式作業機械を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態のハイブリッド式作業機械の要部の構成を示すブロック図である。

上記ハイブリッド式作業機械は、エンジン１と、このエンジン１で駆動される発電機２と、この発電機２によって生じた交流電流を直流電流に変換するコンバータ３と、このコンバータ３にバスライン８を介して接続され、バスライン８の直流電流を交流電流に変換する第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃと、この第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃが変換した交流電流が供給される第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃと、この第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃによって駆動される第１，第２，第３アクチュエータ６Ａ，６Ｂ，６Ｃと、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの回転速度を示す回転速度指令信号を第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃのそれぞれに送出する制御部７とを備えている。

上記発電機２は、エンジン１により駆動されて、逆起電力による電圧を発生する。このとき、上記コンバータ３は、その逆起電力を用いて、バスライン８の電圧を一定の電圧にするための制御を行う。

なお、図１の９，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃはコンデンサである。

図２は、上記ハイブリッド式作業機械のアクチュエータ側の部分についての制御ブロック図である。

上記第１インバータ４Ａには加減算器１０１の出力信号が入力される。この出力信号は、制御部７が送出した回転速度指令信号と、フィードバックされた電動モータの回転速度信号との差に対応する。また、上記第１インバータ４Ａは、制御要素１０２、電動モータ出力指令変化量リミット部１０３および電流制御部１０４を有している。この第１インバータ４Ａにおいて、加減算器１０１の出力信号は、制御要素１０２で比例ゲインＫｐが乗算された後、電動モータ出力指令変化量リミット部１０３の制限を受けて電流制御部１０４に入る。このとき、上記電動モータ出力指令変化量リミット部１０３は、第１電動モータ５Ａの電動モータ出力の変化量が予め割り当てられた量以下となるように、電流指令信号を生成する。そして、上記電流制御部１０４は、電動モータ出力指令変化量リミット部１０３が生成した電流指令信号に基づいて、第１電動モータ５Ａに供給される交流電流を制御する。ここで、上記電動モータ出力とは、第１電動モータ５Ａの回転速度と第１電動モータ５Ａのトルクとの積に相当する。

上記第１電動モータ５Ａのトルク信号は、補正器１０５において外乱信号が加算されて補正トルク信号となる。この補正トルク信号は、制御要素１０６で伝達関数１／Ｊが乗算されて加速度信号となって、制御要素１０７で伝達関数１／Ｓが乗算されて回転速度指令信号となる。なお、上記外乱信号は、図示しない外乱推定部が推定した信号である。

また、図示しないが、上記第１インバータ４Ａと同様に、第２，第３インバータ４Ｂ，４Ｃも、制御要素、電動モータ出力指令変化量リミット部および電流制御部を有している。この第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃの電動モータ出力指令変化量リミット部１０３，電流制御部１０４は、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化量の総和が予め設定された設定値以下となるように、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化量を制限する。なお、上記第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃの電動モータ出力指令変化量リミット部１０３，電流制御部１０４は、本発明の電動モータ出力変化量制限部の一例である。

上記第２インバータ４Ｂの電動モータ出力指令変化量リミット部は、第２電動モータ５Ｂの電動モータ出力の変化量が予め割り当てられた量以下となるように、電流指令信号を生成するものである。ここで、上記電動モータ出力は、第２電動モータ５Ｂの回転速度と第２電動モータ５Ｂのトルクとの積に相当する。

上記第３インバータ４Ｃの電動モータ出力指令変化量リミット部は、第３電動モータ５Ｃの電動モータ出力の変化量が予め割り当てられた量以下となるように、電流指令信号を生成するものである。ここで、上記電動モータ出力は、第３電動モータ５Ｃの回転速度と第３電動モータ５Ｃのトルクとの積に相当する。

上記構成のハイブリッド式作業機械によれば、上記第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化量が、第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃの電動モータ出力指令変化量リミット部１０３，電流制御部１０４で制限されることによって、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化量の総和を予め設定された設定値以下にできるので、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの負荷が同時に変動しても、図３の点線に示すように、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化が緩やかになる。その結果、図４の点線に示すように、バスライン８の電圧（図４では「ＤＣバス電圧」と記載する。）の変動を低減できる。したがって、上記バスライン８の電圧の変化による第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの出力の変化を防ぐことができる。

もし、上記第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃに電動モータ出力指令変化量リミット部１０３を設けていないなら、図３の実線で示すように、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化が急激になる。その結果、図４の実線で示すように、バスライン８の電圧の変動が大きくなって、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの出力の変化が顕著に生じてしまう。

また、上記バスライン８の電圧の変動を低減できるので、バスライン８の電圧の上昇に伴う回路素子の破壊も防ぐことができる。

また、上記バスライン８の電圧の変動を低減できるので、特開２００８−６２７２２号公報のようなバスライン８への大容量のキャパシタ，バッテリの接続は不要である。

また、上記第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ内に電動モータ出力指令変化量リミット部１０３，電流制御部１０４を設けているので、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの負荷が急激に小さくなっても、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃのトルクが急激に大きくなるのを電動モータ出力指令変化量リミット部１０３で防ぐことができる。したがって、上記第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの駆動を適切に維持できる。

図５は、上記ハイブリッド式作業機械の負荷投入前後の特性を示すグラフである。なお、図５において、発電トルクが負の値になっている時は、発電機２による発電が行われている。

上記ハイブリッド式作業機械では、外部負荷は一気に投入されず徐々に投入されている。これにより、上記外部負荷投入後、発電トルクが緩やかに変化し、バスライン８の電圧に相当する主回路電圧の変動は小さくなる。

上記実施形態では、第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ内に電動モータ出力指令変化量リミット部１０３，電流制御部１０４を設けていたが、第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ外に電動モータ出力指令変化量リミット部１０３，電流制御部１０４を設けてもよい。

上記実施形態において、上記第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃの電動モータ出力指令変化量リミット部１０３，電流制御部１０４が、予め決められたルールに基づいて、第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化量を制限するようにしてもよい。例えば、上記第１，第２，第３電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化量の総和が１００と予め設定されているなら、下記のようなテーブルをメモリに予め記憶させておき、このテーブルにしたがって、第１，第２，第３インバータ４Ａ，４Ｂ，４Ｃの電動モータ出力指令変化量リミット部１０３の制限が行われるようにしてもよい。

上記テーブルを用いた場合、上記ハイブリッド式作業機械が作業Ａを行っているときは、第１電動モータ５Ａの電動モータ出力の変化量は８０以下に、第２電動モータの電動モータ出力の変化量は１５以下に、第３電動モータの電動モータ出力の変化量は５以下にそれぞれ制限される。

また、上記ハイブリッド式作業機械が作業Ｂを行っているときは、第１電動モータ５Ａの電動モータ出力の変化量は１０以下に、第２電動モータ５Ｂの電動モータ出力の変化量は５０以下に、第３電動モータ５Ｃの電動モータ出力の変化量は４０以下にそれぞれ制限される。

また、上記ハイブリッド式作業機械が作業Ｃを行っているときは、第１電動モータ５Ａの電動モータ出力の変化量は２０以下に、第２電動モータ５Ｂの電動モータ出力の変化量は２５以下に、第３電動モータ５Ｃの電動モータ出力の変化量は５５以下にそれぞれ制限される。

また、上記ハイブリッド式作業機械が作業Ｄを行っているときは、第１電動モータ５Ａの電動モータ出力の変化量は２０以下に、第２電動モータ５Ｂの電動モータ出力の変化量は２５以下に、第３電動モータ５Ｃの電動モータ出力の変化量は５５以下にそれぞれ制限される。

このように、上記第１電動モータ５Ａ，５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化量を上記テーブルに基づいて制限することによって、作業Ａ〜Ｄの作業効率の低下を防ぐことができる。

上記ハイブリッド式作業機械は、第１アクチュエータ６Ａが非駆動状態で、第２，第３アクチュエータ６Ｂ，６Ｃが駆動状態である作業Ｅを行っているとき、第１インバータ４Ａの電動モータ出力指令変化量リミット部１０３が、第１電動モータ５Ａの電動モータ出力の変化量を０にするようにしてもよい。このようにした場合、上記第２，第３電動モータ５Ｂ，５Ｃの電動モータ出力の変化量を増やして、第２，第３アクチュエータ６Ｂ，６Ｃの負荷対応能力を上げることができる。

以上、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、この発明は上記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、本発明において、インバータ、電動モータおよびアクチュエータのそれぞれの数は、３個に限られず、２個であってもいいし、４個以上であってもよい。

１…エンジン
２…発電機
３…コンバータ
４Ａ…第１インバータ
４Ｂ…第２インバータ
４Ｃ…第３インバータ
５Ａ…第１電動モータ
５Ｂ…第２電動モータ
５Ｃ…第３電動モータ
６Ａ…第１アクチュエータ
６Ｂ…第２アクチュエータ
６Ｃ…第３アクチュエータ
７…制御部７
８…バスライン
１０３…電動モータ出力指令変化量リミット部
１０４…電流制御部

Claims (4)

1. エンジン(１)と、
   上記エンジン(１)で駆動される発電機(２)と、
   上記発電機(２)によって生じた交流電流を直流電流に変換するコンバータ(３)と、
   上記コンバータ(３)にバスライン(８)を介して接続され、上記バスライン(８)の直流電流を交流電流に変換する複数のインバータ(４Ａ，４Ｂ，４Ｃ)と、
   上記複数のインバータ(４Ａ，４Ｂ，４Ｃ)が変換した交流電流が供給される複数の電動モータ(５Ａ，５Ｂ，５Ｃ)と、
   上記複数の電動モータ(５Ａ，５Ｂ，５Ｃ)によって駆動される複数のアクチュエータ(６Ａ，６Ｂ，６Ｃ)と、
   上記電動モータ(５Ａ，５Ｂ，５Ｃ)の回転速度を示す回転速度指令信号を上記複数のインバータ(４Ａ，４Ｂ，４Ｃ)のそれぞれに送出する制御部(７)と、
   上記複数の電動モータ(５Ａ，５Ｂ，５Ｃ)の電動モータ出力の変化量の総和が予め設定された設定値以下となるように、上記複数の電動モータ(５Ａ，５Ｂ，５Ｃ)の電動モータ出力の変化量を制限する電動モータ出力変化量制限部(１０３，１０４)と
   を備えることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
2. 請求項１に記載のハイブリッド式作業機械において、
   上記電動モータ出力変化量制限部(１０３，１０４)は上記複数のインバータ(４Ａ，４Ｂ，４Ｃ)のそれぞれに設けられていることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
3. 請求項１または２に記載のハイブリッド式作業機械において、
   上記電動モータ出力変化量制限部(１０３，１０４)は、予め決められたルールに基づいて、上記複数の電動モータ(５Ａ，５Ｂ，５Ｃ)の電動モータ出力の変化量を制限することを特徴とするハイブリッド式作業機械。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載のハイブリッド式作業機械において、
   上記電動モータ出力変化量制限部(１０３，１０４)は、上記複数のアクチュエータ(６Ａ，６Ｂ，６Ｃ)のうち非駆動状態の上記アクチュエータ(６Ａ，６Ｂ，６Ｃ)に関する上記電動モータ(５Ａ，５Ｂ，５Ｃ)の電動モータ出力の変化量を０にすることを特徴とするハイブリッド式作業機械。

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