JP2017001442A - 作業機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリの蓄電残量の適切な管理を可能とする作業機械の提供。【解決手段】本発明は、バッテリの蓄電残量を演算するバッテリコントローラ35と、演算した蓄電残量に基づき、バッテリが出力する電力を、所定の範囲に保つための充放電要求量を演算する充放電要求演算部41Aと、電動発電機の目標回転数指令値を演算する目標回転数演算部41Bと、演算した目標回転数指令値に応じて電動発電機を制御するインバータ32とを有し、バッテリコントローラ35およびインバータ32の少なくとも一方は、バッテリ34の実際の充放電量を演算し、目標回転数演算部41Bは、充放電要求量と、実際の充放電量との差から目標回転数補正値を算出して目標回転数指令値を補正する構成にしてある。【選択図】図3

Description

本発明は、エンジンおよび電動発電機によって油圧ポンプを駆動するハイブリッドシステムが適用された作業機械に関する。
この種のハイブリッドシステムが適用された作用機械、いわゆるハイブリッド作業機械においては、油圧ポンプの負荷が大きいときには、蓄電装置の電力を用いて電動発電機を力行動作させることでエンジンの動力をアシストし、エンジンで電動発電機を回生駆動させることで蓄電装置を充電する技術が知られている。
さらに、ハイブリッド作業機械の従来技術の1つとして、エンジンの動力を制御するエンジン制御手段と、電動発電機の動作を制御する電動発電制御手段とを備え、エンジン制御手段は、回転数の低下に応じてトルクが一定の割合で増加するドループ特性でエンジンを動作させ、電動発電制御手段は、目標回転数を与えることにより、実際の回転数が目標回転数に一致するように制御を行う回転数制御で、電動発電機を動作させるハイブリッド建設機械が知られている(例えば、特許文献1参照)。
具体的には、この従来技術のハイブリッド建設機械によれば、電動発電制御手段が、エンジンの動作特性(回転数−トルク特性)において低燃費や低排気となる領域に対応する回転数を目標回転数として電動発電機に与え、主には電動発電機を回転数制御で動作させるようにしている。このとき、エンジンはエンジン制御手段によってドループ特性に従って、その制御された回転数に対応するトルクを発生するので、車体の負荷が変化しても、エンジンの回転数とトルクを常に低燃費や低排気となる領域内に保つことができる。
特許第4800514号公報
しかし、上記ドループ特性は、エンジンの回転数をほぼ一定に保ち必要な動力を得るための簡便な方法であり、エンジンの回転数の増加に従って、エンジンの各気筒への燃料の噴射量を減少させるものの、この燃料の噴射量とエンジンのトルクに厳密な対応関係はない。一般に、エンジンは、エンジンの気筒等の、エンジンを構成する機器毎、あるいはエンジン自体毎に、燃料噴射状態、燃焼状態、およびそれらの結果にて生じるトルクにばらつきがある。また、燃料の性状や気温、気圧などのエンジンの運転条件によってもトルクが変動する。したがって、これらトルクのばらつきにより、特許文献1に開示された従来技術のハイブリッド建設機械においては、ドループ特性に基づいて、エンジンの回転数を電動発電機で制御しても、エンジンのトルクがドループ特性どおりにならない場合が生じる。
例えば、油圧ポンプの負荷が一定で、蓄電装置の蓄電残量(SOC)が減少し、蓄電装置を充電するための目標充電量が算出され、この算出された目標充電量に対応したトルクを増加できるように、ドループ特性に従ってエンジンの回転数を低下させる場合を考える。この場合に、実際にエンジンが発生するトルクが、本来のドループ特性に従ったトルクより大きいときは、算出された目標回転数を維持するために電動発電機が回生駆動し、そのトルクのずれにて発生したエネルギが蓄電装置に充電されるため、目標充電量を超えた充電量が蓄電装置に充電される。一方、実際にエンジンが発生するトルクが、本来のドループ特性にしたがったトルクより小さいときは、算出された目標回転数を維持するための電動発電機の回生駆動によるエネルギの回生が低下するため、目標充電量まで充電することができない。また、蓄電装置の蓄電残量が大きくなり、蓄電装置から放電させる目標放電量が算出されたときも同様に、目標放電量どおりの放電はむずかしい。さらには、蓄電装置の蓄電残量が適正な状態で、蓄電装置の充放電が不要な場合に充放電したり、放電が必要なときに充電したり、充電が必要なときに放電したりするなど、蓄電装置の適切な管理が困難になる。
これに対し、例えば、油圧ポンプの負荷の増加に応じて、エンジンのトルクを増加できるように、ドループ特性にしたがってエンジンの回転数を低下させる場合を考える。この場合に、実際にエンジンが発生するトルクが、本来のドループ特性にしたがったトルクよりも大きいときは、目標回転数を維持するために電動発電機が回生駆動し、そのトルクのずれにて発生したエネルギが蓄電装置に充電され、本来のドループ特性からの乖離による意図しない充電が行われる。一方、実際にエンジンが発生するトルクが、本来のドループ特性にしたがったトルクより小さいときは、目標回転数を維持するために電動発電機が力行駆動し、本来のドループ特性からの乖離による意図しない放電が行われる。いずれにおいても、想定したトルクが得られない場合、電動発電機の回生駆動または力行駆動によって、目標回転数の維持が行われるため、蓄電残量の適切な管理が困難になる。
そして、蓄電装置の蓄電残量が適切に管理できない場合には、例えば、蓄電装置の蓄電残量の低下が進行し、電動発電機による力行駆動が不能になり、十分な作業性を確保できなくなるという問題があった。
本発明は、このような従来技術の実状からなされたもので、その目的は、蓄電装置の蓄電残量の適切な管理を可能とする作業機械を提供することにある。
この目的を達成するために、本発明は、エンジンと、前記エンジンにて駆動する油圧ポンプと、前記油圧ポンプが吐出する圧油で駆動する油圧作業部と、前記エンジンとの間でトルクの伝達を行う電動発電機と、前記電動発電機との間で電力を授受する蓄電装置と、前記エンジンの回転数の低下に対応して前記エンジンのトルクが所定の傾きで増加するドループ特性で前記エンジンを動作させるコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記蓄電装置の蓄電残量を演算する蓄電残量演算部と、前記蓄電残量演算部にて演算した蓄電残量に基づき、前記蓄電装置が出力する電力を、所定の範囲に保つための充放電要求値を演算する充放電要求演算部と、前記電動発電機の目標回転数指令値を演算する目標回転数演算部と、前記目標回転数演算部にて演算した目標回転数指令値に応じて前記電動発電機を制御する電動発電機制御部と、を有し、前記蓄電残量演算部および前記電動発電機制御部の少なくとも一方は、前記蓄電装置の実充放電値を演算し、前記目標回転数演算部は、前記充放電要求値と、前記実充放電値との差から目標回転数補正値を算出して前記目標回転数指令値を補正することを特徴としている。
本発明の作業機械によれば、蓄電装置の蓄電残量の適切な管理を可能とし、十分な作業性を確保することができる。そして、前述した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明より明らかにされる。
本発明に係る作業機械の一例として挙げたハイブリッド油圧ショベルの外観を示す図である。 本発明の第1実施形態に係るハイブリッド油圧ショベルの構成を示す図である。 図2の車体コントローラの目標回転数演算に関する制御を示す図である。 上記車体コントローラにて目標エンジン動力から目標回転数を求めるためのグラフで、(a)は回転数とトルクの関係、(b)は目標エンジン動力と目標回転数の関係である。 上記車体コントローラによる補正回転数のリミッタ処理の上限値の設定方法を示すグラフである。 上記車体コントローラの演算処理を示す工程図である。 本発明の第2実施形態に係る作業機械の車体コントローラの目標回転数演算に関する制御を示す図である。 上記車体コントローラの目標回転数基準値演算部の演算を示すグラフである。 上記車体コントローラの演算処理を示す工程図である。 負荷動力が正しく演算されなかった場合の、上記車体コントローラの目標回転数基準値演算部の演算を示すグラフである。 負荷動力が大きい場合の、上記目標回転数基準演算部の演算を示すグラフである。 ドループ特性が変動した場合の、上記目標回転数基準値演算部の演算を示すグラフである。 本発明の第3実施形態に係る作業機械の車体コントローラの目標回転数演算に関する制御を示す図である。 上記車体コントローラの演算処理を示す工程図である。 上記車体コントローラにて制御した場合の出力量の時系列を示すグラフで、(a)は負荷動力の出力、(b)は電動発電機の出力である。
以下、本発明に係る作業機械を実施するための形態を図に基づいて説明する。
[第1実施形態]
本発明に係る作業機械の第1実施形態は、例えば、図1に示すハイブリッド油圧ショベル(以下、便宜的に油圧ショベルと呼ぶ)1に適用される。油圧ショベル1は、走行体2と、走行体2上に旋回フレーム(図示せず)を介して旋回可能に設けた旋回体3と、旋回体3の前方に取り付けられ上下方向に回動して掘削等の作業を行う多関節型のフロント作業機4とを備える。
走行体2は、トラックフレーム6と、トラックフレーム6に設けられ旋回体3を旋回させる旋回電動機7(図2参照)と、トラックフレーム6の前後方向に沿う一端に取り付けられ回転駆動するスプロケット(駆動輪)8と、スプロケット8を回転させる走行モータ9と、トラックフレーム6の前後方向に沿う他端に取り付けられたアイドラ(遊動輪)10と、これらスプロケット8およびアイドラ10の外周に無端状に巻いた履体11とを有する。走行体2は、スプロケット8が回転駆動することで履体11が回動して地面と摺動し、車体が移動するようになっている。
旋回体3は、前部に設けられた運転室13と、後部に設けられ車体の重量のバランスを保つカウンタウエイト14と、後部に設けられ後述のエンジン15(図2参照)を収容するエンジンルーム16と、旋回電動機7、走行モータ9、後述のブームシリンダ4a、アームシリンダ4bおよびバケットシリンダ4c等のアクチュエータの駆動を制御するアクチュエータ駆動制御システム17(図2参照)とを備える。
フロント作業機4は、油圧ポンプ21が吐出する圧油で駆動する油圧作業装置であり、基端が旋回体3に回動可能に取り付けられ上下方向に回動するブーム4Aと、ブーム4Aの先端に回動可能に取り付けられたアーム4Bと、アーム4Bの先端に回動可能に取り付けられたバケット4Cとを有する。フロント作業機4は、旋回体3とブーム4Aとを接続し伸縮にてブーム4Aを回動させるブームシリンダ4aと、ブーム4Aとアーム4Bとを接続し伸縮にてアーム4Bを回動させるアームシリンダ4bと、アーム4Bとバケット4Cとを接続し伸縮にてバケット4Cを回動させるバケットシリンダ4cとを有する。ブーム4A、アーム4B、バケット4Cおよび旋回体3の各動作は、後述の操作レバー装置24A,24Bの油圧操作信号(制御パイロット圧力)にて指示される。走行体2の動作は、後述の走行用の操作ペダル装置の油圧操作信号(制御パイロット圧力)にて指示される。
次に、旋回体3に搭載されたアクチュエータ駆動制御システム17の構成について、図2を参照して説明する。
図2に示すように、アクチュエータ駆動制御システム17は、エンジン15と、エンジン15にて駆動する油圧ポンプ21と、油圧ポンプ21が吐出した圧油の流れを制御する方向切換弁22と、パイロット圧油としての作動油を方向切換弁22へ供給するパイロットポンプ(図示せず)と、油圧ポンプ21およびパイロットポンプへ供給する作動油を貯蔵する作動油タンク23と、運転室13に設けられアクチュエータ4a〜4cの所望の動作を可能とし、運転室13内の操作者が把持して操作する操作レバー24A1,24B1を搭載した操作レバー装置24A,24Bと、運転室13に設けられ走行体2の所望の動作を可能とし、運転室13内の操作者が踏み込んで操作する操作ペダル(図示せず)を搭載した操作ペダル装置(図示せず)と、操作レバー装置24A,24Bおよび操作ペダル装置に入口側を接続し、方向切換弁22の後述の受圧室に出口側を接続したシャトル弁ブロック25とを含む。
エンジン15は、内部の各気筒内への燃料噴射量を調整する電子ガバナ15Aを有する。油圧ポンプ21は、例えば、可変容量型油圧ポンプからなり、斜板(図示せず)と、斜板の傾斜角を調整し吐出する圧油の流量を制御するポジティブ制御方式のレギュレータ21Aとを有する。
レギュレータ21Aは、シャトル弁ブロック25に接続され、操作レバー装置24A,24Bの操作部材である操作レバー24A1,24B2および操作ペダル装置の操作ペダルの操作量(要求流量)が増加し、シャトル弁ブロック25を介して受信した油圧操作信号が上昇するに従って油圧ポンプ21の斜板の傾斜角(容量)を増加させることで、油圧ポンプ21の吐出流量を増加させる。レギュレータ21Aは、図示しないが、油圧ポンプ21の吐出圧が高くなるに従って油圧ポンプ21の傾転角(容量)を減らして、油圧ポンプ21の吸収トルクを予め設定した最大トルクを越えないように制御するトルク制限制御機能を有する。
方向切換弁22は、例えば、センタバイパスラインに設置するオープンセンタ型のスプール弁からなり、油圧ポンプ21とアクチュエータ4a〜4cとの間で油圧回路を構成する。方向切換弁22は、図示しないが、外殻を有するハウジング内のストロークにより、油圧ポンプ21から吐出した圧油の流量および方向を制御するスプールと、シャトル弁ブロック25からの制御パイロット圧力が作用しスプールのストローク量を変更する受圧部とを有する。
操作レバー装置24A,24Bおよび操作ペダル装置は、パイロットポンプから吐出した圧油で生成した1次圧を当該各装置に備えた減圧弁(リモコン弁)の操作開度に応じて2次圧に減圧して制御パイロット圧力(油圧操作信号)を生成する。制御パイロット圧力は、方向切換弁22の受圧室に送られて、方向切換弁22を中立位置から切換操作する。シャトル弁ブロック25は、操作レバー装置24A,24Bが生成する油圧操作信号のうちの旋回操作を指示する油圧操作信号以外の油圧操作信号と、操作ペダル装置が生成する油圧操作信号のうち最も圧力が高い油圧操作信号を選択してレギュレータ21Aへ出力する。
アクチュエータ駆動制御システム17は、エンジン15の駆動軸(回転軸)上に配置し、エンジン15との間でトルクを伝達することにより、エンジン15の動力のアシストおよび発電を行う電動発電機(MG)31と、旋回体3を駆動する旋回電動機(MG)7と、電動発電機31および旋回電動機7の動作を制御するインバータ32,33と、インバータ32,33を介して電動発電機31および旋回電動機7との間で電力の授受を行う蓄電装置としてのバッテリ34と、バッテリ34の動作を制御するバッテリコントローラ35とを備える。
さらに、アクチュエータ駆動制御システム17は、エンジン15の目標回転数を設定する目標回転数設定部36と、エンジン15の回転数を検出する回転数検出装置としての回転数センサ37と、回転数センサ37および電子ガバナ15Aに接続され、エンジン15の動作を制御するエンジンコントローラ38と、操作レバー装置24A,24Bおよび操作ペダル装置にて減圧した制御パイロット圧力を検出する操作量検出装置としての圧力センサ39A,39Bと、油圧ポンプ21と方向切換弁22との間に設けられ油圧ポンプ21から吐出した圧油の吐出圧を検出する吐出圧検出装置としての吐出圧センサ40と、インバータ32,33、バッテリコントローラ35、目標回転数設定部36、エンジンコントローラ38、および圧力センサ39A,39Bに接続されこれら各機器との種々の信号の入出力にて車体全体の動作を制御する車体コントローラ41とを含む。
電動発電機31は、エンジン15および油圧ポンプ21の回転軸に連結され、エンジン15の動力(運動エネルギ)を電力(電気エネルギ)に変換してインバータ32へ出力する発電機としての回生駆動機能と、インバータ32から供給される電力で駆動し、エンジン15の動力をアシストして油圧ポンプ21を駆動する電動機としての力行駆動機能とを有する。旋回電動機7は、旋回体3の制動時の動力を電力に変換してインバータ33へ出力する回生駆動機能を有する。
インバータ32は、電動発電機31が発電機として機能するときは、電動発電機31で生成した交流電力を直流電力に変換してバッテリ34へ出力し、電動発電機31が電動機として機能するときは、バッテリ34からの直流電力を交流電力に変換して電動発電機31へ供給する電動発電機制御部である。インバータ33は、旋回電動機7による回生駆動機能が作動するときは、旋回電動機7で生成した交流電力を直流電力に変換してバッテリ34へ出力し、旋回電動機7が旋回体3を駆動する力行駆動機能が動作するときは、バッテリ34からの直流電力を交流電力に変換して旋回電動機7へ供給する旋回電動機制御部である。
バッテリ34は、バッテリコントローラ35からの制御指令を入力し、インバータ32,33へ直流電力を供給して放電し、あるいはインバータ32,33から供給された直流電力を蓄積して充電することにより、電動発電機31で回生した電気エネルギ、および旋回電動機7で回生した電気エネルギを蓄える。バッテリコントローラ35は、バッテリ34の電圧および電流を検出し、バッテリ34に蓄えられている電気エネルギの量、いわゆる蓄電残量(SOC)を推定して車体コントローラ41へ出力する蓄電残量演算部を備える。バッテリコントローラ35は、バッテリ34から出力される電圧や、電圧と電流との積算値(電力)に基づいて、バッテリ34の蓄電残量を0〜100%の範囲で演算する。
目標回転数設定部36は、エンジン15の目標回転数を設定する目標回転数設定ダイヤル(エンジンコントロールダイヤル)である。
エンジンコントローラ38は、エンジン15の目標回転数およびエンジン15の実際の回転数(実回転数)を車体コントローラ41および回転数センサ37からそれぞれ入力し、目標回転数と実回転数との偏差を演算する。エンジンコントローラ38は、演算した偏差に基づいて目標燃料噴射量を演算し、目標燃料噴射量に対応する制御指令を電子ガバナ15Aへ出力する。電子ガバナ15Aは、エンジンコントローラ38から入力された制御指令により作動し、目標燃料噴射量に相当する燃料をエンジン15の各気筒内へ噴射して供給する。
エンジン15の動作は、エンジン15の実回転数が目標回転数に維持されるように、エンジン15のトルクを発生させる制御となる。エンジンコントローラ38は、エンジン制御部として機能し、エンジン15の回転数の低下に対応してエンジン15のトルクが所定の傾きで増加するガバナ特性、すなわちドループ特性でエンジン15を動作させる。エンジンコントローラ38は、エンジン15の動作制御として、ドループ特性に従ったドループ制御を行う。
よって、エンジン15の各気筒への目標燃料噴射量は、エンジン15の実回転数と無負荷時の回転数とが一致している場合に0となり、実回転数が目標回転数よりも低下するに従って、エンジン15のトルクがエンジン15の仕様で定まる最大トルクに達するまで増加する。なお、目標回転数は、作業内容等に応じたオペレータによる目標回転数設定部36の操作にて設定される。実回転数は、無負荷時の回転数から、最大トルクを発生する回転数までに亘り、油圧ポンプ21の負荷に応じてドループ特性に従って変動する。
車体コントローラ41は、各機器へ出力する制御指令に関する演算を行う制御演算回路(図示せず)を有し、例えば、電動発電機31および旋回電動機7に対して次の制御を行う。
(1)旋回電動機7の駆動制御
圧力センサ39Aは、操作レバー装置24Aが生成した油圧操作信号のうち左右方向の旋回操作を指示する油圧操作信号を導くパイロット油路に接続され、このパイロット油路における油圧操作信号を検出する。車体コントローラ41は、圧力センサ39Aの検出信号(電気信号)を入力し、圧力センサ39Aにて検出された油圧操作信号に応じて、旋回電動機7の駆動制御を行う。
車体コントローラ41は、入力した圧力センサ39Aの検出信号が左方向の旋回操作を指示する油圧操作信号であるときは、インバータ33の動作を制御して旋回電動機7を電動機として駆動する力行制御を行う。これにより、旋回電動機7がインバータ33から供給された電力によって作動することにより、旋回体3が油圧操作信号に対応した速度で左旋回する。
また、車体コントローラ41は、入力した圧力センサ39Aの検出信号が右方向の旋回操作を指示する油圧操作信号であるときは、インバータ33の動作を制御して旋回電動機7を電動機として駆動する力行制御を行う。これにより、旋回電動機7がインバータ33から供給された電力によって作動することにより、旋回体3が油圧操作信号に対応した速度で右旋回する。
(2)旋回電動機7の回生制御
車体コントローラ41は、旋回体3の旋回動作の制動時に、インバータ33の動作を制御して旋回電動機7を発電機として動作させる発電制御を行うことにより、旋回電動機7から電気エネルギを回収する。そして、車体コントローラ41は、回収した電気エネルギをバッテリ34に蓄積することにより、バッテリ34の蓄電残量が上昇する。
(3)電動発電機31の動作制御(バッテリ34の蓄電管理制御)
車体コントローラ41は、油圧ポンプ21の吸収動力、すなわち油圧ポンプ21の負荷が低く、かつバッテリコントローラ35にて管理されるバッテリ34の蓄電残量が少ないときに、インバータ32に対して、電動発電機31を発電機として動作させる発電制御を行う。これにより、電動発電機31が余剰の電力を発生させることにより、バッテリ34による充電動作が行われ、バッテリ34の蓄電残量が上昇する。
一方、車体コントローラ41は、油圧ポンプ21の吸収動力、すなわち油圧ポンプ21の負荷が大きく、かつバッテリコントローラ35にて管理されるバッテリ34の蓄電残量が所定量以上であるときに、インバータ32に対して、バッテリ34の電力を供給して電動発電機31を電動機として動作させる力行制御を行う。これにより、電動発電機31がエンジン15の動力をアシストすることとなり、油圧ポンプ21がエンジン15および電動発電機31により駆動される。したがって、バッテリ34による放電動作が行われ、バッテリ34の蓄電残量が減少する。
次に、上記(3)のバッテリ34の蓄電管理制御を考慮した電動発電機31の動作制御を実現する車体コントローラ41の構成について、図3を参照して詳細に説明する。
図3に示すように、車体コントローラ41は、バッテリ34に対する充電要求または放電要求(電力)、すなわち充放電要求値を演算する充放電要求演算部41Aと、電動発電機31に対する目標回転数指令値を演算する目標回転数演算部41Bとを備える。充放電要求演算部41Aは、バッテリ34の蓄電残量の基準値が、例えば、蓄電容量の50%と設定されている場合に、バッテリコントローラ35の蓄電残量演算部で演算された蓄電残量が基準値より多いとき、その基準値との差に応じた放電要求量を演算する。また、充放電要求演算部41Aは、バッテリコントローラ35で演算された蓄電残量が基準値より少ないとき、その基準値との差に応じた充電要求量を演算する。ここで、放電要求を正、充電要求を負とし、これら放電要求および充電要求を、1つのパワー(電力)として表す。
目標回転数演算部41Bは、目標回転数基準値演算部42と、目標回転数補正値演算部43とを含む。目標回転数基準値演算部42は、目標回転数設定部36にて設定された目標回転数と同値の回転数が目標回転数基準値として演算され出力される。目標回転数基準値演算部42による演算は、後述する第2実施形態における動力レートリミッタ部42Aからの出力をエンジン最大出力P1に固定した場合と同様となっている。
次に、目標回転数補正値演算部43の演算方法について説明する。
バッテリ34の実際の充放電量、すなわち実充放電値は、充放電要求演算部41Aが出力する充放電要求量(電力)に対する、電動発電機31のインバータ32からの出力(充放電量)から推定できる。バッテリコントローラ35においても、バッテリ34の充放電量を演算している。このため、目標回転数補正値演算部43は、充放電要求演算部41Aにて演算される充放電要求量に対する、インバータ32から出力される充放電量、またはバッテリコントローラ35にて演算された充放電量のいずれかを用い、充放電要求量と、実際の充放電量との差を演算し、その差の大きさに応じて、電動発電機31の補正回転数、すなわち目標回転数補正値を演算する。
具体的に、目標回転数補正値演算部43は、PI制御部43Aと、回転数レートリミッタ部43Bと、回転数リミッタ部43Cとを備える。PI制御部43Aは、補正回転数の演算として所定のゲインに基づきPI(比例・積分)制御を用い、充放電要求量と実際の充放電量との差分を演算してから、この差分に応じたPI制御を行う。PI制御部43Aは、充放電要求量と実際の充放電量とが一致するように、電動発電機31の目標回転数補正値を演算する。そして、PI制御部43Aは、演算した差分が正(+)のときは、その差分の大きさに応じた負の目標回転数補正値を算出し、その差分が負(−)のときは、その差分の大きさに応じた正の目標回転数補正値を演算する。
回転数レートリミッタ部43Bは、PI制御部43Aにて演算した目標回転数補正値に対し、この目標回転数補正値を得る前に演算した目標回転数補正値の変化率が、予め定めた所定の上限値または下限値を超える場合に、回転数レートリミッタ処理を行い、得られた目標回転数補正値の変化率を制限し、その上限値または下限値に相当する目標回転数補正値とする。
回転数リミッタ部43Cは、回転数レートリミッタ部43Bにて回転数レートリミッタ処理が施された後の目標回転数補正値が、予め定めた上限値または下限値(負の目標回転補正値の上限値)を超える場合に、その目標回転数補正値を上限値または下限値とするリミッタ処理を行う。回転数リミッタ部41Cにてリミッタ処理する上限値および下限値は、エンジン15、油圧ポンプ21および電動発電機31が許容する最大回転数の最小値から定められる。目標回転数演算部41Bでは、目標回転数補正値演算部43にて演算された目標回転数補正値を、目標回転数基準値演算部42にて演算された目標回転数基準値に加え、この値を目標回転数指令値としてインバータ32へ出力する。インバータ32は、目標回転数演算部41Bにて演算された目標回転数指令値に基づき電動発電機31の駆動を制御して、電動発電機31の実際の回転数を目標回転数指令値に一致させる制御を行う。
次に、回転数リミッタ部43Cにてリミッタ処理する上限値または下限値の設定方法について、図4を参照して説明する。
図4に示すように、目標回転数設定部36にて設定されたドループ特性線をDとし、エンジン15の実際のドループ特性線がDpとした場合に、充放電要求演算部41Aからの充電要求量がPrのときは、目標エンジン動力Pe1(=Pp+Pr)に従う等動力線T1とドループ特性線Dとの交点E1である回転数Na1が目標回転数基準値(第1の目標回転数)として演算される。実際は、目標エンジン動力Pe1に従う等動力線T1とドループ特性線Dpとの交点、すなわちトルクE1pでエンジン15が運転されるものの、目標エンジン動力Pe1が負荷動力Ppより大きいため、電動発電機31によるバッテリ34の充電が行われ、充放電要求演算部41Aからの充電要求に従うことができる。
ところが、充放電要求演算部41Aからの放電要求量がPaのときは、目標エンジン動力Pe2(=Pp−Pa)に従う等動力線T2とドループ特性線Dpとの交点の回転数(図示せず)まで、目標回転数基準値を補正しようとすると、図4に示すように、電動発電機31の回転数が高くなり過ぎるおそれがある。そこで、回転数リミッタ部41Cにて、目標回転数補正値の上限値および下限値を設け、目標回転数演算部41Bにて演算される目標回転数指令値が、予め定めた所定の回転数、すなわちNaLを越えないように回転数リミッタ処理を行う。
次に、上記第1実施形態に係るアクチュエータ駆動制御システム17の演算処理について、図5を参照して説明する。
まず、バッテリコントローラ35にてバッテリ34の蓄電残量が演算される(ステップ1、以降「S1」と示す)。そして、バッテリコントローラ35にて演算した蓄電残量の情報が充放電要求演算部41Aに出力され、この蓄電残量に応じた充放電要求量が充放電要求演算部41Aにて演算される(S2)。
次いで、目標回転数設定部36にて設定された目標回転数が、目標回転数基準値演算部42に読み込まれ(S3)、この読み込んだ目標回転数と同値の回転数が目標回転数基準値演算部42にて目標回転数基準値と演算されて出力される(S4)。
上記S3およびS4と並行して、インバータ32を介し、バッテリ34の実際の充放電量が目標回転数補正値演算部43に読み込まれるとともに、充放電要求演算部41Aにて演算された充放電要求量が目標回転数補正値演算部43に読み込まれる(S5)。そして、これら充放電要求量と実際の充放電量との差分が演算され、この差分に応じたPI制御がPI制御部43Aにて行われ目標回転数補正値が演算される(S6)。
次いで、上記S6にて得られた目標回転数補正値に対し、回転数レートリミッタ部43Bにて変化率の制限が行われる(S7)。このS7にて変化率を制限した目標回転数補正値に対し、回転数リミッタ部43Cにて上限値および下限値の制限が行われる(S8)。
この後、上記S4にて得られた目標回転数基準値と、上記S8にて得られた目標回転数補正値とを加算する演算が行なわれ、インバータ32へ出力する目標回転数指令値とされる(S9)。
このように構成した本発明の第1実施形態によれば、目標回転数基準値演算部42が故障等し、目標回転数基準値演算部42にて演算された目標回転数基準値が、油圧ポンプ21の負荷動力と釣り合うエンジン動力に相当する回転数から乖離する場合であっても、目標回転数補正値演算部43にて演算された目標回転数補正値を用いて目標回転数基準値をフィードバック制御することにより、エンジン動力を負荷動力に一致させる目標回転数指令値に補正する協調制御を実現できる。また、目標回転数補正値演算部43においては、エンジン15に対するドループ制御とは関係なく、電動発電機31の目標回転数補正値を演算する構成としているため、エンジン15の動作制御がドループ特性から乖離する場合であっても、ロバストな制御を実現することができる。
すなわち、エンジン15のトルクがドループ特性から乖離した場合であっても、充放電要求演算部41Aにて演算した充放電要求値と、バッテリコントローラ35またはインバータ32で演算したバッテリ34の実際の充放電値との差から、目標回転数演算部41Bの目標回転数補正値演算部43にて目標回転数補正値を算出し、電動発電機31の目標回転数指令値をフィードバック制御して補正しているため、バッテリ34の蓄電残量を適切な範囲に保つことができる。よって、バッテリ34の蓄電残量の適切な管理が可能となり、バッテリ34の蓄電残量の低下が進行した場合に生じ得る作業性の低下を防止できるから、油圧ショベル1の十分な作業性を確保することができる。
また、目標回転数補正値演算部43においては、充放電要求量と実際の充放電量とが一致するようにPI制御部43AにてPI制御を行い目標回転数補正値を演算した後に、この演算した目標回転数補正値を回転数レートリミッタ部43Bにて回転数レートリミッタ処理する構成としている。この結果、目標回転数補正値演算部43から出力される目標回転数補正値の急変を抑制でき、電動発電機31の目標回転数指令値の急変を防止できるため、エンジン15の回転数の急変を防止でき、エンジン15の駆動変化をゆっくりと行うことができる。よって、電動発電機31の駆動の急変に伴う、エンジン動力の急激な速度変化を抑制することができる。特に、ドループ特性に従って制御されるエンジン15においては、エンジントルクの急変を防止できるため、エンジン15の燃費悪化、環境負荷を有する排気ガスや騒音の増加を抑制することができる。
さらに、回転数レートリミッタ部43Bにて回転数レートリミッタ処理した後の目標回転数補正値が、予め定めた上限値または下限値を超える場合に、回転数リミッタ部43Cにてリミッタ処理する構成としている。したがって、作業に伴う油圧ポンプ21の負荷の変動が大きな油圧ショベル1においても、目標回転数補正値の上限値および下限値、すなわち絶対量の制限を設け、目標回転数補正値の変化を抑えることにより、電動発電機31の回転数の大きな変動を抑制でき、エンジン15の駆動変化を抑制できるから、エンジン15の過回転を防止することができる。
よって、充放電要求演算部41Aからの放電要求に従えないものの、電動発電機31の回転数の過度な増大を防止でき、エンジン15の駆動変化時に生じる排気ガスの増大を抑制できるとともに、過大な目標回転数補正値による、オーバレブやラグダウンの発生を防止することができる。したがって、エンジン15、油圧ポンプ21および電動発電機31等の駆動系の損傷を防止でき、これら駆動系の耐久性を向上することができる。また、回転数リミッタ部43Cによって目標回転数補正値の制限を行うことにより、目標回転数基準値演算部42aによるフィードフォワード的な目標回転数基準値の演算との干渉を抑制することもできる。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態が前述した第1実施形態と異なるのは、第1実施形態は、図3に示すように、目標回転数設定部36にて設定した目標回転数を目標回転数基準値として演算する目標回転数基準値演算部42に対して、第2実施形態は、図6に示すように、エンジン15のドループ特性に応じた目標回転数基準値を演算する目標回転数基準値演算部42aとしたことである。
車体コントローラ41は、油圧ポンプ21のポンプ動力、すなわち負荷動力を演算するための負荷動力演算部41Cと、この演算された負荷動力値と充放電要求演算部41Aにて演算された充放電要求値とに基づいて目標エンジン動力を演算する目標エンジン動力演算部41Dとを備える。
負荷動力演算部41Cは、吐出圧センサ40にて検出された油圧ポンプ21からの圧油の吐出圧と、圧力センサ39A,39Bにて検出された操作レバー装置24A,24Bの操作量から推定される作動油の圧力とに基づいて、油圧ポンプ21の出力を演算する。負荷動力演算部41Cは、油圧ポンプ21の吐出圧および吐出流量に対応する作動油効率または圧力損失から油圧ポンプ21の出力を補正して、油圧ポンプ21の吸収動力を演算し、この吸収動力を、エンジン軸での負荷動力として演算する。
目標エンジン動力演算部41Dは、負荷動力演算部41Cにて演算された負荷動力値と、充放電要求演算部41Aにて演算された充放電要求量に相当する動力値との和から目標エンジン動力を演算する。よって、目標エンジン動力は、負荷動力が小さく放電要求が大きくなれば負になる場合があり、負荷動力および充電要求のそれぞれが大きくなればエンジン15の最大出力を超える場合もある。
次に、目標回転数基準値演算部42aの演算方法について説明する。
目標回転数基準値演算部42aは、動力レートリミッタ部42Aと、ドループ参照部42Bとを備える。動力レートリミッタ部42Aは、目標エンジン動力演算部41Dにて演算された目標エンジン動力の、この目標エンジン動力を演算する前に演算した目標エンジン動力に対する変化率が、予め定めた所定の変化率の上限値または下限値を超える場合に、その上限値または下限値に制限する動力レートリミッタ処理を行い、演算した目標エンジン動力の変化率を制限する。すなわち、動力レートリミッタ部42Aは、目標エンジン動力の変化率に対する上限値または下限値を有しており、この上限値または下限値に基づいて目標エンジン動力の変化率を平準化して、エンジントルクの急変に伴う燃費の悪化や、環境負荷を有する排気ガスの増大を抑制する。ドループ参照部42Bは、動力レートリミッタ部42Aにて平準化された目標エンジン動力に基づき、図7に示すエンジン15のドループ特性を参照して目標回転数基準値(第1の目標回転数)を演算する。
目標回転数演算部41Bは、目標回転数補正値演算部43にて演算された補正回転数と、目標回転数基準値演算部42aにて演算された第1の目標回転数とを加算し、第2または第3の目標回転数を演算する。これら第2または第3の目標回転数は、上記第1実施形態における目標回転数指令値であり、補正回転数が正の場合を、第2の目標回転数とし、補正回転数が負の場合を、第3の目標回転数とする。また、第2の目標回転数となる場合は、充放電要求量と実際の充放電量とが一致しない場合においても、目標回転数補正値演算部43の回転数リミッタ部43Cにて、補正回転数の大きさに上限値または下限値を設け、第2の目標回転数の急激な上昇を抑制する。
次に、ドループ参照部42Bの演算方法について、図7を参照して説明する。
エンジン15は、図7(a)に示すように、回転数の低下に従ってトルクが増加するドループ特性に応じて駆動制御される。図7(a)は、回転数N1でトルクが最大の最大トルクP1となり、作業内容等に応じてオペレータが目標回転数設定部36を操作することによって、最大トルクP1を与える回転数を調整でき、図7(a)中のドループ特性線Aを回転数方向に移動させることに対応する。例えば、図7(a)に示すドループ特性線Aが選択されている状態で、エンジン15が回転数N1で最大トルクP1を発生し、回転数N0ではアイドル状態で回転数を維持するためのトルクP0を発生する。なお、回転数N0は、エンジン15の無負荷時の回転数を超える値でない。
目標回転数基準値は、目標エンジン動力に対応する回転数であるため、図7(b)に示すように、目標エンジン動力がP0からP1まで増加する場合に、目標回転数は、図7(a)に示すドループ特性線Aに従って、N0からN1へ減少する。目標エンジン動力がP0より小さい場合、目標回転数はN0を上限とする。目標エンジン動力がP1より大きい場合は、選択されたドループ特性線AにおいてP1が最大トルクであるため、目標回転数はN1を下限とする。
よって、ドループ参照部42Bでは、図7(b)に示す目標エンジン動力と目標回転数との関係を示すマップを用いて、目標エンジン動力から目標回転数を算出し、この算出した目標回転数を目標回転数基準値として演算する。
さらに、目標回転数基準値演算部42aは、回転数とトルクとの関係から、図8に示すように、目標回転数設定部36にて設定したドループ特性線をDとし、油圧ポンプ21の負荷動力をPpとした場合に、充放電要求量が0のときは、目標エンジン動力を負荷動力Ppとし、ドループ特性線Dと負荷動力Ppに従う等動力線Tpとの交点の回転数Na3を目標回転数基準値とすることにより、エンジン15が負荷動力を発生し、電動発電機31が発生する動力(電力)が0となるため、実際の充放電量が、充放電要求演算部41Aにて演算された充放電要求量どおりとなる。
また、目標回転数基準値演算部42aは、充電要求量がPrの場合、目標エンジン動力をPpから「−Pr」を減算したPe1(=Pp+Pr)とし、Pe1に従う等動力線T1とドループ特性線Dとの交点の回転数Na1を目標回転数基準値とする。これに対し、放電要求量がPaの場合は、目標エンジン動力をPpから「+Pa」を減算したPe2(=Pp−Pa)とし、Pe2に従う等動力線T2とドループ特性線Dとの交点の回転数Na2を目標回転数基準値とする。この結果、ドループ特性線Dに従ったエンジントルクを発生するため、充放電要求演算部41Aにて演算された充放電要求量と、実際の充放電量とを一致させることができる。
次に、上記第2実施形態に係るアクチュエータ駆動制御システム17の演算処理について、図9を参照して説明する。
まず、バッテリコントローラ35の蓄電残量演算部にてバッテリ34の蓄電残量が演算され(S1)、この蓄電残量に応じた充放電要求量が充放電要求演算部41Aにて演算される(S2)。そして、これらS1およびS2と並列して、油圧ポンプ21の負荷動力が負荷動力演算部41Cにて演算される(S11)。
次いで、上記S11にて演算された負荷動力と、上記S2にて演算された充放電要求量との和が、目標エンジン動力演算部41Dにて目標エンジン動力として演算される(S12)。この演算された目標エンジン動力に対して、動力レートリミッタ部42Aにて変化率の制限が行われる(S13)。
さらに、目標回転数設定部36にて設定された目標回転数が、目標回転数基準値演算部42aに読み込まれ(S3)、この読み込んだ目標回転数にて決定されるドループ特性に基づき、上記S13にて制限をかけた後の目標エンジン動力を出力することができる回転数をドループ参照部42Bにて目標回転数基準値として演算される(S14)。
上記S12、S13、S3およびS14と並行して、バッテリ34の実際の充放電量が目標回転数補正値演算部43に読み込まれるとともに、充放電要求演算部41Aにて演算された充放電要求量が目標回転数補正値演算部43に読み込まれる(S5)。そして、これら充放電要求量と実際の充放電量との差分に応じたPI制御がPI制御部43Aにて行われ(S6)、回転数レートリミッタ部43Bによる変化率の制限が行われ(S7)、回転数リミッタ部43Cによる上限値および下限値の制限が行われ目標回転数補正値が演算される(S8)。
この後、上記S14にて得られた目標回転数基準値と、上記S8にて得られた目標回転数補正値とを加算する演算が行なわれ、目標回転数指令値とされる(S9)。
次に、負荷動力演算部41Cにて負荷動力が正しく演算されなかった場合の目標回転数基準値演算部42aの動作を、回転数とトルクとの関係から、図10に基づいて説明する。
図8に示す場合と同様に、目標回転数設定部36にて設定したドループ特性線をDとし、目標エンジン動力が負荷動力Ppの場合を想定する。この場合に、充放電要求演算部41Aからの充放電要求が0であり、負荷動力演算部41Cにて負荷動力がPph(>Pp)と真の負荷動力Ppより大きく演算されたときは、ドループ特性線Dと負荷動力Pphとの交点の回転数Na4が目標回転数基準値として目標回転数基準値演算部42aにて演算される。
この結果、エンジン15は、負荷動力Pphの動力を発生するように駆動するため、このときの負荷動力Pphと真の負荷動力Ppとの差分、すなわち「Pph−Pp」の動力によって、電動発電機31が発電機として駆動され、この電動発電機31が発電した電力がバッテリ34に供給され充電される。この状態が継続すると、バッテリ34の充電が行われ続けるため、バッテリコントローラ35の蓄電残量演算部にて演算されるバッテリ34の蓄電残量が高くなっていく。バッテリ34の蓄電残量が所定値以上となると、充放電要求演算部41Aから放電要求が出力される。すると、目標エンジン動力演算部41Dの出力が、負荷動力Pphよりも小さい値となり、この小さい値となった負荷動力に基づいて目標回転数基準値が目標回転数基準値演算部42aにて演算される。よって、この動作が繰り返されることにより、エンジン動力の目標値が、徐々に真の負荷動力Ppへ収束していく。
これに対し、充放電要求量が0であり、負荷動力演算部41Cにて負荷動力がPpl(<Ph)と真の負荷動力Ppより小さく演算されたときは、ドループ特性線Dと負荷動力Pplとの交点の回転数Na5が目標回転数基準値として目標回転数基準値演算部42aにて演算される。すると、エンジン15は、負荷動力Ppl以上の動力を出力できないため、真の負荷動力Ppと負荷動力Pplとの差分、すなわち「Pp−Ppl」の動力を、電動発電機31がモータとして駆動してアシストし、電動発電機31の駆動に必要な電力がバッテリ34から出力され放電される。
この状態が継続すると、バッテリ34の放電が行われ続けるため、バッテリコントローラ35の蓄電残量演算部にて演算されるバッテリ34の蓄電残量が低くなっていく。バッテリ34の蓄電残量が所定値より低くなると、充放電要求演算部41Aから充電要求が出力される。すると、目標エンジン動力演算部41Dの出力が、負荷動力Pplよりも大きな値となり、この大きな値となった負荷動力に基づいて目標回転数基準値が目標回転数基準値演算部42aにて演算される。よって、この動作が繰り返されることにより、エンジン動力の目標値が、徐々に真の負荷動力Ppへ収束していく。
以上の結果、目標エンジン動力演算部41Dにて演算されるバッテリ34の充放電要求を活用して、目標回転数基準値演算部42aにてエンジン15の目標回転数基準値を演算し、その目標回転数基準値を目標回転数指令値としてインバータ32にて電動発電機31の駆動を制御することにより、目標回転数基準値を適切な値に補正することができる。
さらに、上述した目標回転数補正値演算部43による目標回転数指令値の補正によって、目標エンジン動力演算部41Dおよび目標回転数基準値演算部42aによる目標回転数指令値の収束処理をより早期に実現することができる。
すなわち、図10に示す状態において、充放電要求演算部41Aからの充放電要求量が0で、負荷動力演算部41Cにて負荷動力がPphと演算された場合に、目標回転数補正値演算部43にて目標回転数補正値が0と演算されると、目標回転数基準値がNa4となり、電動発電機31が「Pph−Pp」の動力で発電機として駆動されバッテリ34の充電を行う。よって、電動発電機31の実際の充放電量は、「−(Pph−Pp)」となる。
このとき、充放電要求が0で、実際の充放電量「−(Pph−Pp)」を引いた値、すなわち「Pph−Pp」(>0)に比例する目標回転数補正値が目標回転数補正演算部43にて演算されて出力されるため、目標回転数指令値はNa4よりも大きな値となる。よって、目標回転数補正値演算部43にて演算された目標回転数補正値を、目標回転数基準値演算部42aにて演算された目標回転数基準値に対し、フィードバック制御することによって、目標回転数指令値が補正されるため、エンジン動力の目標値を、より早期に真の負荷動力Ppへ収束させることができる。
この結果、図10に示すように、負荷動力演算部41Aにて負荷動力が真の負荷動力Ppより大きく(Pph)、または小さく(Ppl)演算された場合のそれぞれにおいて、目標回転数補正値演算部43による補正処理を用いることにより、目標回転数演算部41Bから出力される目標回転数指令値を、より早期に補正することができる。したがって、エンジン動力の目標値を、より素早く真の負荷動力Ppに収束できるから、エンジン15の動力推定誤差に起因した不要なバッテリ34の充放電を、より適切かつ効果的に防止することができる。
次に、エンジン最大トルクに相当するエンジン最大出力よりも、負荷動力演算部41Aにて演算される負荷動力Ppが大きい場合の、目標回転数基準値演算部42aの演算方法について、図11を参照して説明する。
図11に示すように、目標回転数設定部36にて設定されたドループ特性線をDとし、充放電要求演算部41Aからの充放電要求量が0の場合は、図9に示す場合と同様に、目標エンジン動力が負荷動力Ppとなるものの、負荷動力Ppが、エンジン最大出力を超える動力であるため、目標回転数基準値は、エンジン最大トルクを発生させることが可能なNa1とされる。このとき、エンジン15の動力では不足する動力を、電動発電機31が負担してエンジン15の駆動をアシストし、第1の目標回転数Na1を実現する。よって、この場合には、充放電要求演算部41Aからの充放電要求量が0であっても、バッテリ34の放電がなされ電動発電機31によるエンジン15のアシストが行われる。
一方、充放電要求演算部41Aからの充電要求量がPrの場合も、目標エンジン動力Pe1(=Pp+Pr)がエンジン最大出力を越えているため、目標回転数基準値がNa1とされ、エンジン15の駆動を、電動発電機31にて動力Ma分のアシストが行われる。
さらに、充放電要求演算部41Aからの放電要求量がPaの場合は、目標エンジン動力Pe2(=Pp−Pa)がエンジン最大出力を越えないため、図9に示す場合と同様に、Pe2が目標エンジン動力とされ、この目標エンジン動力Pe2に従う等動力線T2とドループ特性線Dとの交点の回転数Na2が目標回転数基準値として演算される。
次に、エンジン15のドループ特性が変動した場合における、目標回転数演算部41Bの演算方法について、図12を参照して説明する。
図12に示すように、目標回転数設定部36にて設定されドループ参照部42Bにて参照する理想的なドループ特性線をDとした場合に、エンジン15の運転時の環境等によって、ドループ特性線がDからDpあるいはDmに変化したとする。ドループ特性線Dpでは、理想的なドループ特性線Dに比べ、同じエンジン回転数でより大きなエンジントルクを得ることができ、ドループ特性線Dmでは、ドループ特性線Dに比べ、同じエンジン回転数でより小さなエンジントルクとなる。
この状態で、負荷動力がPpで充電要求量がPrの場合は、図12に示すように、目標エンジン動力がPe1(=Pp+Pr)となる。そして、目標回転数基準値演算部42aにて演算されるドループ特性線Dと、目標エンジン動力Pe1に従う等動力線T1との交点の回転数Na1が目標回転数指令値(第1の目標回転数)となり、この目標回転数指令値にてインバータ32を介して電動発電機31を制御することによって、エンジン15は、トルクE1で駆動(運転)される。
ところが、実際のドループ特性線がDpであった場合には、エンジン15は、目標回転数Na1に相当するトルクE1Hで運転されることとなり、上記目標エンジン動力Pe1より大きな動力を発生させる。よって、電動発電機31は、充電要求量Prを超える発電を行い、バッテリ34が過充電となる。この場合には、バッテリ34の実際の充電量が充電要求量より大きいため、目標回転数補正値演算部43のPI制御部43AによるPI制御によって、補正回転数が正の値(正の目標回転数補正値)、すなわち充電要求量を抑える演算がされる。よって、この演算により、目標回転数演算部41Bの出力は、目標回転数基準値演算部42aにて求めた目標回転数基準値Na1より大きな第2の目標回転数となる。
したがって、ドループ参照部42Bにて参照するドループ特性線がDからDpに変化した場合に、エンジン15は、トルクE1Hより低い、トルクE1pで運転されることとなり、目標エンジン動力Pe1を発生し、実際の充電量を充電要求量Prに一致させることができる。
同様に、負荷動力がPpで充電要求量がPrの場合において、実際のドループ特性線がDmのときは、目標回転数基準値演算部42aにて求めた第1の目標回転数Na1で運転すると、エンジントルクが減少してトルクE1Lとなり、充電要求量Prに対し、電動発電機31は発電機として機能せず、電動機として駆動してエンジン15のアシストを行い第1の目標回転数を実現する。ところが、この場合には、実際の充電量が充電要求量Prより小さいため、目標回転数補正値演算部43のPI制御部43AによるPI制御によって、補正回転数が正の値(正の目標回転数補正値)、すなわち充電要求量を抑える演算がされる。よって、この演算により、目標回転数演算部41Bの出力は、目標回転数基準値演算部42aにて求めた第1の目標回転数Na1より大きな第2の目標回転数となる。
このため、ドループ参照部42Bにて参照するドループ特性線がDからDmに変化した場合に、エンジン15は、トルクE1Lより高い、トルクE1mで運転されることとなり、目標エンジン動力Pe1を発生し、実際の充電量を充電要求量Prに一致させることができる。
また、負荷動力がPpで放電要求量がPaの場合において、実際のドループ特性線がDpのときは、目標回転数基準値演算部42aにて求めた第1の目標回転数Na2で運転すると、エンジン15のトルクがE2Hとなり、放電要求量Paに対し、電動発電機31は電動機として機能せず、発電機として駆動されてバッテリ34の充電を行う。この場合には、実際の放電量が、放電要求量Paより小さいため、目標回転数補正値演算部43のPI制御部43AによるPI制御によって、正の目標回転数補正値、すなわち放電要求量を高める演算がされる。よって、この演算により、目標回転数演算部41Bの出力は、目標回転数基準値演算部42aにて求めた第1の目標回転数Na2より大きな第2の目標回転数となる。
したがって、ドループ参照部42Bにて参照するドループ特性線がDからDpに変化した場合に、エンジン15は、トルクE2Hより低い、トルクE2pで運転されることとなり、目標エンジン動力Pe2を発生し、実際の放電量を放電要求量Ppに一致させることができる。
さらに、負荷動力がPpで放電要求量がPaの場合に、実際のドループ特性線がDmのときは、目標回転数基準値演算部42aにて求めた第1の目標回転数Na2で運転すると、エンジン15はトルクを出力せず、エンジン15が電動発電機31によって回転されるモータリング状態となる。この場合には、実際の放電量が、放電要求量Paより大きいため、目標回転数補正値演算部43のPI制御部43AによるPI制御によって、補正回転数が負の値(負の目標回転数補正値)、すなわち放電要求量を抑える演算がされる。よって、この演算により、目標回転数演算部41Bの出力は、目標回転数基準値演算部42aにて求めた第1の目標回転数Na2より小さな第3の目標回転数となる。
このため、ドループ参照部42Bにて参照するドループ特性線がDからDmに変化した場合に、エンジン15は、トルクE2mで運転されることとなり、目標エンジン動力Pe2を発生し、実際の放電量を放電要求量Ppに一致させることができる。
さらに、負荷動力がPpで充放電要求量が0の場合に、実際のドループ特性線がDpのときは、エンジン15は、負荷動力Ppに従う等動力線Tpとドループ特性線Dpとの交点、すなわちトルクE3pで運転される。また、この場合に、実際のドループ特性線がDmのときは、エンジン15は、負荷動力Ppに従う等動力線Tpとドループ特性線Dmとの交点、すなわちトルクE3mで運転される。よって、いずれの場合においても、負荷動力Ppに従う等動力線Tpとドループ特性線Dとの交点である第1の目標回転数Na3を基準として、第1の目標回転数を補正することによって、バッテリ34の充放電要求を満たすことができる。
次に、圧力センサ39A,39Bおよび吐出圧センサ40のいずれかが故障等して異常が生じた場合の、目標回転数演算部41Bの演算方法について説明する。
圧力センサ39A,39Bおよび吐出圧センサ40のいずれかが故障等して異常が生じたい場合は、負荷動力演算部41Cでの負荷動力の演算ができなくなるものの、充放電要求演算部41Aにて演算される充放電要求量を用いて、目標回転数演算部41Bにて目標回転数を演算する。
すなわち、負荷動力が増加した場合は、電動発電機31の目標回転数が直ちに変化しないため、電動発電機31を力行させてエンジントルクを一定とし、油圧ポンプ21の回転数が低下しないように制御する。このとき、充放電要求演算部41Aから充電要求があると、電動発電機31を力行させてバッテリ34を放電させるため、目標回転数補正値演算部43のPI制御部43AによるPI制御によって、補正回転数が減少し、第3の目標回転数も減少する。また、バッテリ34が放電しているため、バッテリ34の蓄電残量が徐々に減少していき、充放電要求演算部41Aからの充電要求量が増加していき、目標回転数基準値演算部42aにて演算される第1の目標回転数も減少する。結果として、エンジン15の回転数が低下し、より大きなエンジントルクが発生する。
また、負荷動力が減少した場合も、電動発電機31の目標回転数が直ちに変化しないため、電動発電機31を回生させてエンジントルクを一定とし、油圧ポンプ21の回転数が増加しないように制御する。このとき、充放電要求演算部41Aから充電要求があると、電動発電機31を回生させてバッテリ34を充電させるため、目標回転数補正値演算部43のPI制御部43AによるPI制御によって、補正回転数が増加し、第3の目標回転数も増加する。また、バッテリ34を充電しているため、バッテリ34の蓄電残量が徐々に増加していき、充放電要求演算部41Aからの充電要求量が減少していき、目標回転数基準値演算部42aにて演算される第1の目標回転数も増加する。結果として、エンジン15の回転数が増加し、エンジントルクが抑制される。
以上により、負荷動力が増加および減少するいずれの場合に、負荷動力演算部41Cでの負荷動力の演算ができなくても、目標回転数補正値演算部43のPI制御部43AによるPI制御によって、目標エンジン動力演算部41Dによる目標エンジン動力の演算を、充放電要求演算部41Aにて演算される充放電要求量で代用でき、実際の充放電量を、充放電要求演算部41Aから出力される充放電要求量に一致させることができる。
よって、負荷動力に応じたエンジントルクの増減を行うことができるから、負荷動力演算部41Cにて演算した負荷動力が実際の値から乖離している場合であっても、エンジン動力を適切かつ素早く制御することが可能となる。この結果、油圧ショベル1としてほぼ同様の動作を確保することができ、オペレータに違和感を与えることなく操作性を確保できるため、油圧ショベル1の作業性の低下を抑制することができる。
ただし、バッテリ34の充放電量や蓄電残量が変化してくると、電動発電機31の目標回転数が変化してくるため、負荷動力演算部41Cにて演算される負荷動力を用いる場合に比べ、バッテリ34の充電または放電の電力量やその頻度が増加する傾向となり、エンジン15の燃費を低下させたり、バッテリ34の寿命を低下させたりしてしまうおそれがある。
そこで、圧力センサ39A,39Bおよび吐出圧センサ40がそれぞれ正常に機能する場合には、目標エンジン動力演算部41Dにて、負荷動力と充放電要求量との和を演算してフィードフォワード的に演算して目標エンジン動力として、目標回転数補正値が大きくなる前から、エンジン動力を適性な動作点へ制御する。すなわち、目標回転数補正値演算部43にて演算される目標回転数補正値が大きくなるのは、バッテリ34の実際の充放電量と充放電要求量との乖離が大きくなったとき、要するにバッテリ34からの放電、または充電が過大になっている場合であり、バッテリ34の寿命は充放電量と相関関係がある。よって、圧力センサ39A,39Bおよび吐出圧センサ40のいずれかが故障した場合に限り、充放電要求量を目標エンジン動力とするように切り換えることにより、エンジン15の燃費低下や、バッテリ34の寿命低下を可能な限り防止することができる。
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態が前述した第2実施形態と異なるのは、第2実施形態は、図6に示すように、負荷動力演算部41Cにて演算された負荷動力に基づいて目標エンジン動力を演算する目標エンジン動力演算部41Dに対して、第3実施形態は、図13に示すように、任意の定数から目標エンジン動力を演算する目標エンジン動力演算部41Daとしたことである。
目標エンジン動力演算部41Daにて用いる定数は、上記第2実施形態に係る負荷動力演算部41Cにて演算される負荷動力の代替信号として用いるものであり、この負荷動力の最小値から最大値までの範囲に設定されている。目標エンジン動力演算部41Daは、定常状態において、エンジン動力が負荷動力の実際の値と一致するように目標回転数指令値を演算する。したがって、本第3実施形態においては、負荷動力演算部41Cにて演算される負荷動力情報を用いることなく、目標回転数指令値を演算することができる。よって、負荷動力演算部41Cにて演算される負荷動力と、実際の負荷動力の値(真値)とが乖離する場合であっても、目標回転数指令値を演算でき、エンジン動力を適切に制御することができる。
次に、上記第3実施形態に係るアクチュエータ駆動制御システム17の演算処理について、図14を参照して説明する。
まず、バッテリ34の蓄電残量が演算され(S1)、この蓄電残量に応じた充放電要求量が演算される(S2)。
次いで、目標エンジン動力演算部41Daにて、予め定めた定数を読み込み(S21)、この定数と、上記S2にて演算された充放電要求量との和から目標エンジン動力が演算される(S12)。その後、この目標エンジン動力に対して変化率の制限が行われる(S13)。
さらに、目標回転数設定部36にて設定された目標回転数が読み込まれ(S3)、この目標回転数にて決定されるドループ特性に基づき目標回転数基準値が演算される(S14)。
上記S21、S12、S13、S3およびS14と並行して、バッテリ34の実際の充放電量と、上記S2にて演算した充放電要求量とが読み込まれ(S5)、これら充放電要求量と実際の充放電量との差分に応じたPI制御(S6)、変化率の制限(S7)、上限値および下限値の制限が行われ、目標回転数補正値が演算される(S8)。
この後、上記S14にて得られた目標回転数基準値と、上記S8にて得られた目標回転数補正値とを加算し目標回転数指令値が演算される(S9)。
ここで、油圧ショベル1は、図15(a)に示すように、作業中の負荷動力が時間とともに変化する。このため、目標エンジン動力演算部41Daにて用いる定数を一定の値、例えばPC値に固定してしまうと、負荷動力の実際の値(真値)から演算される目標エンジン動力値と、目標エンジン動力演算部41Daにて演算される目標エンジン動力値との間に乖離が生じてしまう。
すなわち、充放電要求演算部41Aから出力される充放電要求量が0の場合には、目標エンジン動力演算部41Daにて演算される目標エンジン動力が定数PCとなるため、図15(b)に示すように、負荷動力の真値と定数PCとの差が電動発電機31へ出力されることとなり、電動発電機31への出力が正の場合は、電動機として機能してバッテリ34の放電が行われ、電動発電機31への出力が負の場合は、発電機として機能してバッテリ34の充電が行われる。一方、バッテリ34の適切に使用可能な期間、すなわち寿命は、バッテリ34の充放電量に相関関係があるため、バッテリ34の寿命の低下を防止するためには、負荷動力の真値と、エンジン動力との差を早期に解消させることが望ましい。
そして、エンジン動力を負荷動力の真値に早期に一致させるためには、目標回転数補正値演算部43による目標回転数補正値の補正量をより大きくする必要がある。この補正量を大きくするためには、(1)PI制御部43AでのPI制御時のゲインを高める、(2)回転数レートリミッタ部43Bでの変化率を大きくする、(3)回転数リミッタ部43Cでの上限値および下限値を大きくする、のうちの少なくともいずれか1つ以上を行なうことによって実現できる。
しかしながら、負荷動力演算部41Cにて演算される負荷動力値を、正しい値として利用できる場合に、上記のようにエンジン動力を負荷動力の真値に早期に一致させる処理を行うと、充放電要求演算部41Aから出力された充放電要求量に基づいて演算を行う目標回転数基準値演算部42aによるフィードフォワードの働きと、実際の充放電量を考慮して演算を行う目標回転数補正値演算部43によるフィードバックの働きとが干渉し合い、目標回転数基準値演算部42aにて演算した目標回転数基準値を、目標回転数補正値演算部43にて演算した目標回転数補正値にて補正した目標回転数指令値が、増減を周期的に繰り返す、すなわち振動のように変化する場合がある。
よって、圧力センサ39A,39Bおよび吐出圧センサ40のいずれの故障等の異常が検知されない場合には、目標回転数補正値演算部43のPI制御部43AでのPI制御時のゲイン、回転数レートリミッタ部43Bでの変化率、回転数リミッタ部43Cでの上限値および下限値のいずれも変化させず通常の設計値とし、これら圧力センサ39A,39Bおよび吐出圧センサ40の少なくともいずれかの故障等の異常が検知された場合にのみ、目標回転数補正演算部43による目標回転数補正値の補正量が、これら圧力センサ39A,39Bおよび吐出圧センサ40の少なくともいずれかの故障等の異常が検知されない場合よりも大きくなるように、PI制御部43AでのPI制御時のゲインを高くしたり、回転数レートリミッタ部43Bでの変化率を大きくしたり、回転数リミッタ部43Cでの上限値および下限値を大きくしたりする。この結果、上述の目標回転数指令値の周期的な変化を防止できるため、バッテリ34の寿命低下を防止することができる。
[その他]
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が含まれる。例えば、前述した実施形態は、本発明を分りやすく説明するために説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
上記各実施形態では、油圧ショベル1からなる場合について説明したが、この場合に限らず、ハイブリッドホイールローダ、クレーン等の作業機械であってもよい。
また、上記第各実施形態においては、PI制御部43A、回転数レートリミッタ部43B、回転数リミッタ部43Cの順で処理する目標回転数補正値演算部43としたが、回転数レートリミッタ部43Bと回転数リミッタ部43Cの順を入れ替えたり、これら回転数レートリミッタ部43Bおよび回転数リミッタ部43Cを適時無くしたりしても良い。また同様に、上記第2および第3の実施形態における、目標回転数基準値演算部42aの動力レートリミッタ部42Aについても、適時無くしても良い。
さらに、上記第2実施形態において、ドループ参照部42Bにて参照するドループ特性と、実際のエンジン15のドループ特性との乖離が小さい場合には、ドループ特性線の傾きを(Nm/rpm)の次元で表せるため、目標回転数基準値演算部42aの動力レートリミッタ部42Aでの目標エンジン動力の変化量(kW/S)と、目標回転数補正値演算部43の回転レートリミッタ部43Bでの変化量(rpm/s)との物理的な意味を同程度に設計することもできる。例えば、ドループ特性の傾きがA(Nm/rpm)で、目標回転数設定部36にて最大トルクを与える回転数がN1(rpm)に設定されている場合には、単位変換のための定数C=1000×(60/2π)を利用し、回転数レートリミッタ部43Bによる上限値(設定値)=(動力レートリミッタ部43Bによる上限値(設定値)/N1×C)/Aを用いて変換して行う。
1 油圧ショベル(作業機械)
4 フロント作業機(油圧作業装置)
15 エンジン
21 油圧ポンプ
24A,24B 操作レバー装置(操作装置)
31 電動発電機
32 インバータ(電動発電機制御部)
34 バッテリ(蓄電装置)
35 バッテリコントローラ(蓄電残量演算部)
38 エンジンコントローラ(コントローラ)
39A,39B 圧力センサ(操作量検出装置)
40 吐出圧センサ(吐出圧検出装置)
41 車体コントローラ(コントローラ)
41A 充放電要求演算部
41B 目標回転数演算部
41C 負荷動力演算部
41D,41Da 目標エンジン動力演算部

Claims (8)

  1. エンジンと、
    前記エンジンにて駆動する油圧ポンプと、
    前記油圧ポンプが吐出する圧油で駆動する油圧作業部と、
    前記エンジンとの間でトルクの伝達を行う電動発電機と、
    前記電動発電機との間で電力を授受する蓄電装置と、
    前記エンジンの回転数の低下に対応して前記エンジンのトルクが所定の傾きで増加するドループ特性で前記エンジンを動作させるコントローラと、を備え、
    前記コントローラは、
    前記蓄電装置の蓄電残量を演算する蓄電残量演算部と、
    前記蓄電残量演算部にて演算した蓄電残量に基づき、前記蓄電装置が出力する電力を、所定の範囲に保つための充放電要求値を演算する充放電要求演算部と、
    前記電動発電機の目標回転数指令値を演算する目標回転数演算部と、
    前記目標回転数演算部にて演算した目標回転数指令値に応じて前記電動発電機を制御する電動発電機制御部と、を有し、
    前記蓄電残量演算部および前記電動発電機制御部の少なくとも一方は、前記蓄電装置の実充放電値を演算し、
    前記目標回転数演算部は、前記充放電要求値と、前記実充放電値との差から目標回転数補正値を算出して前記目標回転数指令値を補正する
    ことを特徴とする作業機械。
  2. 請求項1に記載の作業機械において、
    前記目標回転数演算部は、前記目標回転数補正値の変化率の上限値を有している
    ことを特徴とする作業機械。
  3. 請求項1または2に記載の作業機械において、
    前記目標回転数演算部は、前記目標回転数補正値の上限値および下限値を有している
    ことを特徴とする作業機械。
  4. 請求項1に記載の作業機械において、
    前記コントローラは、前記充放電要求値に基づき、前記エンジンの目標エンジン動力を演算する目標エンジン動力演算部を有し、
    前記目標回転数演算部は、
    前記エンジンの回転数とトルクとの関係を示すドループ特性線と、前記目標エンジン動力に従う等動力線との交点の回転数を、前記電動発電機の第1の目標回転数として演算し、
    前記実充電値が前記充電要求値より大きい、あるいは前記実放電値が前記放電要求値より小さい場合に、前記第1の目標回転数より大きな第2の目標回転数を前記目標回転数指令値として演算し、
    前記実充電値が前記充電要求値より小さい、あるいは前記実放電値が前記放電要求値より大きい場合に、前記第1の目標回転数より小さな第3の目標回転数を前記目標回転数指令値として演算する
    ことを特徴とする作業機械。
  5. 請求項4に記載の作業機械において、
    前記コントローラは、前記エンジンの負荷動力を演算する負荷動力演算部を有し、
    前記目標エンジン動力演算部は、前記充放電要求値および前記負荷動力値に基づき、前記目標エンジン動力を演算する
    ことを特徴とする作業機械。
  6. 請求項4または5に記載の作業機械において、
    前記目標回転数演算部は、前記目標エンジン動力の変化率の上限値を有している
    ことを特徴とする作業機械。
  7. 請求項5に記載の作業機械において、
    前記油圧作業部を操作するための操作装置と、
    前記油圧ポンプの吐出圧を検出する吐出圧検出装置と、
    前記操作装置の操作量を検出する操作量検出装置とを備え、
    前記目標回転エンジン動力演算部は、前記吐出圧検出装置および前記操作量検出装置の少なくとも一方の検出値に異常が生じた場合に、前記充放電要求値に基づき、前記目標エンジン動力を演算する
    ことを特徴とする作業機械。
  8. 請求項7に記載の作業機械において、
    前記目標回転数演算部は、前記吐出圧検出装置および前記操作量検出装置の少なくとも一方の検出値に異常が生じた場合に、前記検出値に異常が生じない場合よりも、前記目標回転数補正値を大きくする
    ことを特徴とする作業機械。
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