JP2021113492A - 電動式油圧作業機械の油圧駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のアクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプを駆動する電動機の回転数を制御することにより、油圧ポンプの流量制御を行う電動式油圧作業機械の油圧駆動装置において、油圧ポンプが消費する負荷動力の大きさに応じて、電動機の回転数の変化量を最適に調整することにより、必要以上に電動機の応答性を悪化させずに、電動機が消費する動力が予め定められた最大許容動力の範囲内に確実に制限されるようにする。【解決手段】コントローラ５０は最大角加速度制限部（許容レート算出部５０n及びレート制限部５０j）を有し、メインポンプ２が消費する油圧動力を算出し、この油圧動力の大きさと予め設定した電動機１が消費可能な最大許容動力とに基づいて電動機１に許容される最大角加速度を算出し、電動機１の角加速度が最大角加速度を超えないように電動機１の角加速度を制限する。【選択図】図３

Description

本発明は、電動機により油圧ポンプを駆動して各種作業を行う油圧ショベル等の電動式油圧作業機械の油圧駆動装置に係わり、特に、電動機の回転数制御により油圧ポンプの流量制御を行う電動式油圧作業機械の油圧駆動装置に関する。

電動機により油圧ポンプを駆動し、複数のアクチュエータにより各種作業を行う、油圧ショベル等の電動式油圧作業機械が、エンジンによる排ガスを出さないという点や、低騒音である点などに代表される特徴により、排ガス排出が好ましくない環境、例えば屋内や地下等の作業環境で利用されている。

このような電動式油圧作業機械の油圧駆動装置として、特許文献１及び２に記載のものが知られている。

特許文献１には、電動式油圧作業機械の油圧駆動装置として、電動機の回転数を制御し、油圧ポンプをロードセンシング制御するアルゴリズムをコントローラに組み込む技術が開示されている。

特許文献２には、作業機械の旋回体を駆動する電動機に対して、電動機の速度指令の変化量を制限するスルーレート制限部を設け、要求旋回トルクが大きく、電動機が速度指令に追従できない場合に、電動機の速度指令の変化量（角加速度）が制限されるようスルーレート制限部にスルーレートを設定し、速度指令の最大変化量を小さくする電動旋回制御装置が提案されている。

ＷＯ２０１３／０５８３２６号公報

特開２０１４−１９４１２０号公報

特許文献１の技術によれば、電動機の回転数制御でロードセンシング制御を行うので、各操作レバーの操作入力で決まる要求流量に応じて電動機が回転数を制御するため、例えば各操作レバー入力が小さく要求流量が小さい場合などには、電動機の回転数が低く抑えられる。

ここで、油圧ポンプは、その回転数が大きい方がポンプ内で回転運動や往復運動する部品による作動油の撹拌抵抗や、それらの粘性抵抗が増加することにより、効率が悪化することが知られている。

そのため、電動機の回転数を一定とし、油圧ポンプの容量（傾転角）を制御して油圧ポンプの吐出流量を制御する電動式油圧作業機械の場合は、高いポンプ効率を得ることができない。

特許文献１の技術では、操作レバー入力が小さく要求流量が小さい場合には電動機の回転数が低く抑えられるため、油圧ポンプの効率が上がり、結果的にバッテリの消費エネルギが抑えることができる。

しかしながら、特許文献１にも以下のように改善の余地があった。

特許文献１では、前述のように、電動機の回転数制御を行うことで油圧ポンプの流量制御（ロードセンシング制御）を行っているので、例えばレバー中立の状態で、電動機の回転数が低く抑えられている状態から、あるアクチュエータを作動させるべく対応する操作レバーを急に操作すると、油圧ポンプの吐出流量を増加させるように電動機の回転数が急激に増加する。この際、電動機には、油圧ポンプを駆動するためのトルクに加え、電動機のロータが有する慣性モーメントに抗するトルクが発生し、電動機に過大な電流が発生することがあった。このような過大な電流が発生すると、バッテリの寿命が著しく損なわれる。また、商用電源や外部バッテリから電源を供給して稼働する場合には、商用電源の許容電力を越えてブレーカが遮断したり、外部バッテリの寿命が著しく損なわれることがあった。

このような課題に対して、特許文献１の構成に、特許文献２に記載のようなスルーレート制限部を設け、電動機の回転数の変化量（角加速度）に制限を設け、電動機の回転数が急激に増加しないようにすることが考えられる。

しかしながら、その場合でも、以下の問題があった。

特許文献１において、要求旋回トルクが大きく、電動機が速度指令に追従できない場合にスルーレート制限部に設定されるスルーレートは、予め定められたある一定の値であり、油圧ポンプの油圧的な負荷の大きさによって可変にはなっていない。

このため、例えば油圧ポンプの負荷圧が小さく、吐出流量も小さいような状態では、油圧負荷に起因する負荷トルクが小さいので、電動機のロータの慣性モーメントに起因する負荷トルクが大きくても電動機に生じる電流が過大になる可能性は低い。しかし、前述のようにスルーレートが予め定められたある一定の値であるため、そのような場合においても、原動機の回転数の変化量が一定のスルーレートにより必要以上に制限されてしまうために、油圧ポンプの流量制御の応答性（各アクチュエータの応答性）が著しく損なわれ、オペレータに大きな違和感を与えてしまうことがあった。

本発明の目的は、複数のアクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプを駆動する電動機の回転数を制御することにより、油圧ポンプの流量制御を行う電動式油圧作業機械の油圧駆動装置において、油圧ポンプが消費する負荷動力の大きさに応じて、電動機の回転数の変化量を最適に調整することにより、必要以上に電動機の応答性を悪化させずに、電動機が消費する動力が予め定められた最大許容動力の範囲内に確実に制限されるようにすることである。

このような課題を解決するため、本発明は、電動機と、この電動機によって駆動される油圧ポンプと、前記電動機の回転数を制御することにより前記油圧ポンプの吐出流量を制御するコントローラとを備えた電動式作業機械の油圧駆動装置において、前記コントローラは、前記油圧ポンプが消費している油圧動力と前記電動機が消費可能な最大許容動力とに基づいて、前記電動機の回転数の変化量を制御するものとする。

このようにコントローラが、油圧ポンプが消費している油圧動力と電動機が消費可能な最大許容動力とに基づいて、電動機の回転数の変化量を制御することにより、油圧動力が油圧ポンプの負荷圧などが変化することで変動しても、それに応じて電動機の回転数の変化量（角加速度）が制限されるので、電動機が消費する動力は、予め定められた最大許容動力の範囲内に確実に制限される。

また、油圧動力が小さく電動機の回転数の変化量（角加速度）を制限する必要がない場合には、電動機の角加速度（回転数増加割合）を大きく設定できるため、電動機の回転数が速やかに増加し、複数のアクチュエータを良好な応答性で駆動することができる。

本発明によれば、電動機が駆動する油圧ポンプの消費動力が油圧ポンプの負荷圧などが変化することで変動しても、それに応じて電動機の回転数の変化量（角加速度）が制限されるので、電動機が消費する動力は、予め定められた最大許容動力の範囲内に確実に制限される。

また、油圧ポンプの消費動力が小さく、電動機の回転数上昇に動力を振り向けることができる場合には、電動機の回転数の変化量（角加速度）を大きく設定できるため、電動機の回転数が速やかに増加し、複数のアクチュエータを良好な応答性で駆動することができる。

本発明の一実施の形態による電動式油圧作業機械の油圧駆動装置を示す図である。 本実施の形態の油圧駆動装置が搭載される電動式油圧作業機械の一例である油圧ショベルの外観を示す図である。 本実施の形態におけるコントローラのCPUが行う処理内容を示す機能ブロック図である。 本実施の形態における許容レート算出部の機能ブロック図を示す図である。 テーブルに設定された馬力制御特性を示す図である。 本実施の形態におけるレート制限部の機能ブロック図である。 原動機を加速させるために使える動力（許容加速動力）の算出方法の考え方を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

〜構成〜
図１は、本発明の一実施の形態による電動式油圧作業機械の油圧駆動装置を示す図である。

本実施の形態の油圧駆動装置は、電動機１と、電動機１によって駆動される可変容量型のメインポンプ２（油圧ポンプ）及び固定容量型のパイロットポンプ３０と、可変容量型のメインポンプ２から吐出された圧油によって駆動される複数のアクチュエータである、ブームシリンダ３a、アームシリンダ３b、旋回モータ３c、バケットシリンダ３d（図２参照）、スイングシリンダ３e（同）、走行モータ３f，３g（同）、ブレードシリンダ３h（同）と、可変容量型のメインポンプ２から吐出された圧油を複数のアクチュエータ３a，３b，３c，３d，３e，３f，３g，３hへ導くための圧油供給路５と、圧油供給路５の下流に接続され、可変容量型のメインポンプ２から吐出された圧油が導かれる制御弁ブロック４（制御弁装置）とを備えている。以下、「アクチュエータ３a，３b，３c，３d，３f，３g，３h」は「アクチュエータ３a，３b，３c・・・」と簡略して標記する。

制御弁ブロック４は、メインポンプ２（油圧ポンプ）から吐出された圧油を複数のアクチュエータ３a，３b，３c・・・に分配供給する制御弁装置を構成しており、制御弁ブロック４内には、複数のアクチュエータ３a，３b，３c・・・を制御するための複数の方向切換弁６a，６b，６c・・・と、複数の方向切換弁６a，６b，６c・・・の各メータイン開口の下流側にそれぞれ位置する複数の圧力補償弁７a，７b，７c・・・とが配置されている。圧力補償弁７a，７b，７c・・・には、圧力補償弁７a，７b，７c・・・のスプールを閉じ方向に付勢するバネが設けられ、かつ圧力補償弁７a，７b，７c・・・のスプールを開き方向に付勢する側に複数の方向切換弁６a，６b，６c・・・のメータイン開口の下流側の圧力が導かれ、圧力補償弁７a，７b，７c・・・のスプールを閉じ方向に付勢する側に後述する複数のアクチュエータ３a，３b，３c・・・の最高負荷圧Plmaxが導かれる。

複数の方向切換弁６a，６b，６c・・・と複数の圧力補償弁７a，７b，７c・・・は、メインポンプ２から吐出された圧油を複数のアクチュエータ３a，３b，３c・・・に分配して供給する制御弁装置を構成している。

また、制御弁ブロック４内において、圧油供給路５の下流には、圧油供給路５の圧力（メインポンプ２の吐出圧）を予め決められた設定圧力以上になると圧油供給路５の圧油をタンクに排出するリリーフ弁１４と、圧油供給路５の圧力（メインポンプ２の吐出圧）と最高負荷圧Plmaxとの差圧がある設定圧以上になると圧油供給路５の圧油をタンクに排出するアンロード弁１５とが設けられている。

更に、制御弁ブロック４内には、複数の方向切換弁６a，６b，６c・・・の負荷圧検出ポートに接続されたシャトル弁９a，９b、９c・・・が配置されている。シャトル弁９a，９b、９c・・・はそれぞれトーナメント形式に接続され、最上位のシャトル弁９cに最高負荷圧が検出され、油路８に出力される。シャトル弁９a，９b、９c・・・は複数のアクチュエータ３a，３b，３c・・・の最高負荷圧を検出する最高負荷圧検出装置を構成する。

アンロード弁１５は、アンロード弁１５を閉じる方向に複数のアクチュエータ３a，３b，３c・・・の最高負荷圧が導かれる受圧部１５aと、アンロード弁１５を閉じる方向に設けられたバネ１５bと、アンロード弁１５を開く方向に圧油供給路５の圧力（メインポンプ２の吐出圧）が導かれる受圧部１５cとを備えている。

可変容量型のメインポンプ２には、その容量（傾転角）を調整するレギュレータピストン１７と、レギュレータピストン１７に対向する向きに配置されたバネ１８とが備えられ、圧油供給路５の圧力をレギュレータピストン１７に導き、圧油供給路５の圧力が高くなると、その傾転を小さくして可容量型のメインポンプ２の吸収動力を低減する馬力制御を行うように構成されている。

パイロットポンプ３０の圧油供給路３１には、圧油供給路３１の圧力を一定に保ち、圧油供給路３１にパイロット油圧源を形成するパイロットリリーフ弁３２と、圧油供給路３１の圧力を、複数の方向切換弁６a，６b，６c・・・の作動をするための複数のパイロットバルブ（図示せず）に供給するか否かを切り換える切換弁１００とが設けられている。複数のパイロットバルブ（図示せず）は、ブームシリンダ３a、アームシリンダ３b、バケットシリンダ３d、旋回モータ３c用の操作レバー装置１２４A，１２４B（図２参照）を含む複数の操作レバー装置にそれぞれ内蔵され、操作レバー装置の操作レバーを操作することにより作動し、圧油供給路３１から導かれた圧油をパイロット一次圧として複数の方向切換弁６a，６b，６c・・・の作動するための操作パイロット圧を生成する。切換弁１００は、油圧ショベル等建設機械の運転室１０８（図２参照）内に設けられたゲートロックレバー２４を操作することにより、複数のパイロットバルブ（図示せず）へ圧油供給路３１の圧力がパイロット一次圧として供給されるか、パイロットバルブに供給されたパイロット一次圧をタンクに排出するかが切り換えられる。

また、本実施の形態の油圧駆動装置は、コントローラ５０と、基準回転数を指示する基準回転数指示ダイヤル５１と、電動機１の回転数を制御するためのインバータ６０と、インバータ６０に直流電力供給路６５を介して接続され、インバータ６０に直流電力を供給するバッテリ７０と、電動機１が消費可能な最大許容動力を設定する入力装置８１を内蔵したモニタ８０と、インバータ６０に直流電力供給路６５を介して接続されたAC/DC変換器９０と、AC/DC変換器９０に接続されたコネクタ９１とを備え、AC/DC変換器９０は商用電源９２から供給される交流電力を直流電力に変換してインバータ６０に供給する。

また、本実施の形態の油圧駆動装置は、圧油供給路５に接続され、メインポンプ２の吐出圧であるポンプ圧Ppsを検出する圧力センサ４０と、最高負荷圧が導かれる油路８に接続され、最高負荷圧Pplmaxを検出する圧力センサ４１とを備え、圧力センサ４０，４１からの圧力信号は、基準回転数指示ダイヤル５１からの基準回転数信号及び入力装置８１からの最大許容動力の信号とともにコントローラ５０に入力される。

図２に、本実施の形態の油圧駆動装置が搭載される電動式油圧作業機械の一例である油圧ショベルの外観を示す。

油圧ショベルは、上部旋回体１０２と、下部走行体１０１と、スイング式のフロント作業機１０４を備え、フロント作業機１０４は、ブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３から構成されている。上部旋回体１０２と下部走行体１０１は旋回輪２１５によって回転自在に接続され、上部旋回体１０２は下部走行体１０１に対し旋回モータ３cの回転によって旋回可能である。上部旋回体１０２の前部にはスイングポスト１０３が取付けられ、このスイングポスト１０３にフロント作業機１０４が上下動可能に取付けられている。スイングポスト１０３はスイングシリンダ３eの伸縮により上部旋回体１０２に対して水平方向に回動可能であり、フロント作業機１０４のブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３はブームシリンダ３a、アームシリンダ３b、バケットシリンダ３dの伸縮により上下方向に回動可能である。下部走行体１０１の中央フレーム１０５には、アイドラ２１１と、ブレードシリンダ３hの伸縮により上下動作を行うブレード１０６が取付けられている。下部走行体１０１は、走行モータ３f，３gを回転させ、駆動輪２１０を介して左右の履帯２１２を駆動することによって走行を行う。

上部旋回体１０２は、旋回フレーム１０７の上にバッテリ７０を搭載するバッテリ搭載部１０９と、運転室１０８が設置され、運転室１０８内には、運転席１２２と、ブームシリンダ３a、アームシリンダ３b、バケットシリンダ３d、旋回モータ３c用の操作レバー装置１２４A，１２４Bと、モニタ８０と、ゲートロックレバー２４（図１参照）が設けられている。

図３は、本実施の形態におけるコントローラ５０のCPUが行う処理内容を示す機能ブロック図である。

図３において、圧力センサ４１，４０からの信号Vplmax，Vpsは、それぞれテーブル５０a，５０bを介して最高負荷圧Pplmax、ポンプ圧Ppsに変換され、差分器５０dに導かれ、LS差圧Pls（Pls＝Pps-Pplmax）が算出される。

一方、基準回転数指示ダイヤル５１からの信号Vecは、テーブル５０cを介して基準回転数Nbに変換され、テーブル５０fを介して目標LS差圧Pgrを算出する。LS差圧Plsと目標LS差圧Pgrは差分器５０eに導かれ、両者の差圧偏差ΔP（ΔP＝Pgr-Pls）が算出される。この差圧偏差ΔPは、メインポンプ２に要求される吐出流量の過不足を表すパラメータである。差圧偏差ΔPはテーブル５０hに入力され、差圧偏差ΔP（吐出流量の過不足）に応じた必要仮想容量変化量（増減量）Δqが算出される。

仮想容量変化量Δqは、レート制限部５０jにて、後述する許容レート算出部５０nによって算出された最大仮想容量変化量Δqlimitによって制限され、制限後仮想容量変化量Δq’が出力される。

図４に、本実施の形態におけるレート制限部５０jの機能ブロック図を示す。

レート制限部５０jは最小値選択器５０jaを有し、テーブル５０hで算出された仮想容量変化量Δqと、許容レート算出部５０nで算出された最大仮想容量変化量Δqlimitとが最小値選択器５０jaに入力され、それらの小さい方が制限後仮想容量変化量Δq’として出力される。

制限後仮想容量変化量Δq’は、遅れ要素５０m及び加算器５０lにより、１制御サイクル前の、後述する制限後仮想容量q’に加算され、新たな仮想容量qが算出される。仮想容量qは、制限器５０oによって最小値/最大値が制限され、制限後仮想容量q’が算出される。前記制限後仮想容量q’は、ゲイン５０pを乗じた上で、前述の基準回転数Nbとともに乗算器５０qに導かれ、目標流量Qd（Qd＝q’×Nb／1000）が算出される。

目標流量Qdにゲイン５０rを乗じ、その値を除算器５０uにて後述する容量制限値qlimitで割ることで、電動機１の目標回転数Nd（Nd＝Qd×1000/qlimit）が算出される。目標回転数Ndは、テーブル５０sで指令値Vinvに変換され、Vinvがインバータ６０へ出力される。

一方、テーブル５０bにて変換された圧油供給路５の圧力、すなわちポンプ圧Ppsは、テーブル５０gに導かれ、容量制限値qlimitが算出される。テーブル５０gには、可変容量型メインポンプ２のレギュレータピストン１７とバネ１８による馬力制御特性を模擬した特性が設定されている。

図５は、テーブル５０gに設定された馬力制御特性を示す図である。

図５において、圧油供給路５の圧力Pps＜Ppq１の場合、容量制限値qlimitは、メインポンプ２の物理的な最大容量qmaxと等しい（qlimit＝qmax）。Ppq１≦Pps＜Ppq２の場合は、ポンプ圧Ppsが大きくなるにつれて、その値が小さくなっていき、Pps＝Ppq２の場合に最小値qminに到達する。

テーブル５０gで算出された容量制限値qlimitはゲイン５０tを乗じた上で、前述の基準回転数Nbと乗算器５０iによって乗算され、最大制限流量Qlimitが算出される。最大制限流量Qlimitは、前述の目標流量Qdと最小値選択器５０kに入力され、それらの小さい方が制限後流量Q’として選択され、出力される。

制限後流量Q’は、電動機１によって駆動され、レギュレータピストン１７とバネ１８とによって馬力制御されるメインポンプ２が吐出する流量の推定値であり、テーブル５０g、ゲイン５０t、乗算器５０i及び最小値選択器５０kは、メインポンプ２が実際に吐出している流量を推定するポンプ流量推定部５０ｙとして機能する。

ポンプ流量推定値である制限後流量Q’と、前述の目標流量Qd、前述のポンプ圧Pps、前述の基準回転数Nbと、モニタ８０内に設けられた入力装置８１によって入力された最大許容動力Pwmaxは、ともに許容レート算出部５０nに導かれ、許容レート算出部５０nによって算出された最大仮想容量変化量Δqlimitが前述のレート制限部５０jに導かれる。

図６に、本実施の形態における許容レート算出部５０nの機能ブロック図を示す。

許容レート算出部５０nは最大角加速度演算部５０naと最大レート算出部５０nbとを備えている。

最大角加速度演算部５０naには、入力装置８１によって入力された最大許容動力Pwmaxと、制限後流量Q’、ポンプ圧Pps、目標流量Qdが導かれ、電動機１の最大角加速度dωlimitが演算される。

最大角加速度演算部５０naは、油圧動力算出部５０ncと、変換パラメータ算出部５０ndと、減算器５０ne及び乗算器５０nfと、最大許容動力設定部５０ngとから構成されている。

入力装置８１によって入力された最大許容動力Pwmaxは最大許容動力設定部５０ngに導かれ、その最大許容動力Pwmaxがメモリ（図示せず）に記憶され、最大許容動力Pwmaxが設定される。モニタ８０は、電動機１の電源がバッテリ７０か商用電源９２であるかに応じて複数の最大許容電力Pwlimitを表示し、入力装置８１の操作によって所望の最大許容電力Pwlimitが選択できるように構成されている。

制限後流量Q’及びポンプ圧Ppsは油圧動力算出部５０ncに導かれ、油圧動力算出部５０ncは、制限後流量Q’とポンプ圧PpsからPps×Q’／60の演算を行って、メインポンプ２が消費している油圧動力Pwhを算出する。減算器５０neでは、最大許容動力Pwmaxから油圧動力Pwhを減じ、電動機１の加速に消費可能な加速動力Pwaを算出する。

図７に、電動機１を加速させるために使える動力の算出方法の考え方を示す。

例えば可変容量型のメインポンプ２の吐出圧力やその吐出流量が小さく、油圧動力が小さい場合は、図７の左側の棒グラフに示すように、最大許容動力Pwmaxの内、その多くを電動機１の加速に使えるということになる。

逆に、メインポンプ２の吐出圧力および吐出流量が大きく、油圧動力が大きい場合は、図７の右側の棒グラフに示すように、最大許容動力Pwmaxの内、電動機１の加速に使える動力は僅か、ということになる。

このような考え方に基づき、油圧動力算出部５０ncでメインポンプ２の油圧動力Pwhを算出し、減算器５０neにおいて、最大許容動力Pwmaxから油圧動力Pwhを減じることで、電動機１の加速に消費可能な加速動力Pwaを算出する。

目標流量Qdは変換パラメータ算出部５０ndに導かれ、変換パラメータ算出部５０ndは、目標流量Qdを用いて1／Im×1/(2π×Qd×1000)の変換パラメータを演算する。ここで、Imは電動機１のロータが持つ慣性モーメントである。この変換パラメータの値は、乗算器５０nfにて、電動機１の加速に消費可能な加速動力Pwaと乗算され、最大角加速度dωlimitが算出される。すなわち、1/(2π×Qd×1000)を電動機１の加速に消費可能な加速動力Pwaに乗ずることで加速動力Pwaをトルクに変換し、更に、それに1／Imを乗ずることで、電動機１に許容される最大の角加速度dωlimitが算出される。

最大レート算出部５０nbでは、最大角加速度演算部５０naの演算結果である最大角加速度dωlimitから、可変容量型メインポンプ２の最大容量qmax、１制御サイクル時間Δt、基準回転数Nbを用い、許容される最大仮想容量変化量Δqlimitを算出する。

ここで、qmaxは前述のように、可変容量型メインポンプ２の物理的な最大容量であり、Δtは、コントローラ５０の１制御サイクル時間である。

可変容量型メインポンプ２の最大容量qmax、１制御サイクル時間Δt、基準回転数Nbは、オペレータが基準回転数指示ダイヤルを操作しない限り、ともに１制御サイクル毎に更新される値ではなく、一定の値であるので、許容される最大角加速度dωlimitの大きさに比例し、最大仮想容量変化量Δqlimitも変動することになる。

〜請求項との対応〜
ここで、テーブル５０a，５０b，５０c，５０f，５０h，５０s、差分器５０d，５０e、遅れ要素５０m、加算器５０l、制限器５０o、ゲイン５０p，５０r、乗算器５０q及び除算器５０uは電動機回転数制御部５０Ａを構成し、テーブル５０g、ゲイン５０t、乗算器５０i及び最小値選択器５０kによって構成されるポンプ流量推定部と、許容レート算出部５０nと、レート制限部５０jは最大角加速度制限部５０Ｂを構成する。コントローラ５０は、最大角加速度制限部５０Ｂの許容レート算出部５０n及びレート制限部５０jにおいて、メインポンプ２（油圧ポンプ）が消費している油圧動力Pwhと電動機１が消費可能な最大許容動力Pwmaxとに基づいて、電動機１の回転数の変化量を制御する。また、コントローラ５０は、最大角加速度制限部５０Ｂの許容レート算出部５０nにおいて、メインポンプ２（油圧ポンプ）が消費している油圧動力Pwhと最大許容動力Pwmaxとに基づいて、電動機１が加速に消費可能な許容加速動力Pwaを算出し、許容加速動力Pwaに基づいて、電動機１に許容される最大角加速度dωlimitを算出し、レート制限部５０jにおいて、電動機１の回転数の変化量が最大角加速度dωlimitを超えないように電動機１の回転数の変化量を制御する。また、コントローラ５０は、後述する「〜その他〜」の項に記載のように、電動機１の目標回転数Ndの変化量から電動機１の角加速度を算出し、その角加速度が最大角加速度dωlimitを超えないように電動機１の回転数の変化量を制御してもよい。更に、油圧駆動装置は、前述したように、最大許容動力Pwmaxを設定する入力装置８１を備え、コントローラ５０は、メインポンプ２（油圧ポンプ）が消費している油圧動力Pwhと入力装置８１で設定された最大許容動力Pwmaxとに基づいて、電動機１の回転数の変化量を制御する。

なお、本実施の形態においては、コントローラ５０は、最大角加速度制限部５０Ｂにおいて、メインポンプ２（油圧ポンプ）が消費している油圧動力Pwhを算出し、この油圧動力の大きさと予め設定した電動機１が消費可能な最大許容動力Pwmaxとに基づいて電動機１に許容される最大角加速度dωlimitを算出し、この最大角加速度dωlimitを超えないように電動機１の角加速度を制限させて、前記電動機の回転数を制御する。

また、本実施の形態においては、コントローラ５０は、最大角加速度制限部５０Ｂにおいて、最大許容動力Pwmaxからメインポンプ２が消費している油圧動力Pwhを減ずることで、電動機１が加速に消費可能な許容加速動力Pwaを算出し、この許容加速動力Pwaに基づいて最大角加速度dωlimitを算出する。

更に、コントローラ５０は、電動機回転数制御部５０Ａにおいて、メインポンプ２（油圧ポンプ）の吐出流量の過不足に応じたメインポンプ２の必要仮想容量変化量Δqを演算し、最大角加速度制限部５０Ｂにおいて、電動機１に許容される最大角加速度dωlimitからメインポンプ２に許容される最大仮想容量変化量Δqlimitを算出し、最大仮想容量変化量Δqlimitを超えないようにメインポンプ２の必要仮想容量変化量Δqを制限することによって、最大角加速度dωlimitを超えないように電動機１の角加速度を制限させて、前記電動機の回転数を制御する。

また、本実施の形態においては、コントローラ５０は、上記電動機回転数制御部５０Ａにおいて、メインポンプ２の吐出圧（ポンプ圧Pps）と複数のアクチュエータ３a，３b，３c・・・の最高負荷圧Pplmaxとの差圧（LS差圧Pls）と、ロードセンシング制御の目標差圧（目標LS差圧Pgr）との差圧偏差ΔPを演算し、この差圧偏差ΔPに基づいてメインポンプ２の必要仮想容量変化量Δqを演算し、メインポンプ２の吐出圧が最高負荷圧よりも目標差圧だけ高くなるようにロードセンシング制御を行い、上記最大角加速度制限部５０Ｂにおいて、差圧偏差ΔPに基づいて演算されたメインポンプ２の必要仮想容量変化量Δqが最大仮想容量変化量Δqlimitを超えないように制限する。

〜作動〜
以上のように構成した本実施の形態の油圧駆動装置の作動を説明する。

バッテリ７０から供給される直流電力及び商用電源９２からコネクタ９１を介しAC/DC変換器９０により交流電力から変換され供給される直流電力は、直流電力供給路６５を介して、電動機１を駆動するインバータ６０へ供給される。

モニタ８０内に内蔵された入力装置８１から最大許容電力Pwlimitがコントローラ５０に入力され、最大許容動力設定部５０ngに最大許容電力Pwlimitが予め設定される。

最大許容電力Pwlimitは、電動機１の電源がバッテリ７０である場合は、バッテリ７０の容量を考慮し、過電流による寿命低下を起こさないように設定する。また、電動機１の電源が商用電源９２である場合は、商用電源９２の許容電力を考慮し、ブレーカが遮断しないように設定する。

基準回転数指示ダイヤル５１からの入力は、コントローラ５０のテーブル５０cで基準回転数Nbに変換され、テーブル５０fで目標LS差圧Pgrに変換される。

基準回転数Nbは、電動機１の目標回転数Ndの最大値を設定するものであり、基準回転数Nbの大きさによって、各アクチュエータの最大速度を調整することができる。すなわち、スピード重視の作業を行う場合には基準回転数Nbは大きく設定し、微操作性を重視する作業の場合には基準回転数Nbは小さく設定すればよい。

目標LS差圧Pgrは、基準回転数指示ダイヤル５１の入力により、基準回転数Nbが大きくなるにつれて目標LS差圧Pgrも大きくなるように設定されている。

固定容量型のパイロットポンプ３０から吐出された圧油は、パイロットポンプ３０の圧油供給路３１に供給され、パイロットリリーフ弁３２により、圧油供給路３１にはパイロット一次圧Ppi0が生成される。

パイロット一次圧Ppi0は、ゲートロックレバー２４によって切換作動される切換弁１００を介して、操作レバー装置１２４A，１２４Bを含む全ての操作レバー装置のパイロットバルブにそれぞれ供給される。

（a） 全ての操作レバーが中立の場合
全ての操作レバー装置の操作レバーが中立の場合には、これら操作レバー装置に内蔵されている全てのパイロットバルブが中立であり、方向切換弁６a，６b，６c・・・も全て中立に保たれている。

全ての方向切換弁６a，６b，６c・・・が中立なので、アクチュエータ３a，３b，３c・・・の負荷圧として、タンク圧がシャトル弁９a，９b，９c・・・を介し、最高負荷圧Pplmaxとしてアンロード弁１５および圧力センサ４１に導かれる。

アンロード弁１５は、圧油供給路５の圧力が、バネ１５bと最高負荷圧Pplmaxによって決まる圧力以上になるとその開口を開き、圧油供給路５の圧油をタンクに排出するので、上記のように最高負荷圧Pplmaxがタンク圧の場合、その設定圧はバネ１５bで予め決められた圧力となり、圧油供給路５の圧力は、バネ１５bで定められた圧力に保たれる。

ここで、バネ１５bによって定められた圧力は、基準回転数Nbが最大であるときにテーブル５０fで演算される目標LS差圧Pgrよりも若干高く設定されている。

一方、圧油供給路５の圧力Ppsは、圧油供給路５に接続された圧力センサ４０に導かれ、前述の最高負荷圧Pplmaxとともに、コントローラ５０に導かれる。

全ての操作レバーが中立の場合は、差分器５０eによって演算されるLS差圧Pls（＝Pps−Pplmax＝Pps）と、前述の目標LS差圧Pgrの間には、Pls＞Pgrの関係が成立しているので、差圧偏差ΔP（＝Pgr−Pls）は負の値となる。

差圧偏差ΔPが負の値なので、テーブル５０hで算出される仮想容量変化量Δqも負の値となる。

仮想容量変化量Δqが負の値の場合は、許容レート算出部５０nの出力である最大仮想容量変化量Δqlmitよりも仮想容量変化量Δqの方が小さく、仮想容量変化量Δqは最大仮想容量変化量Δqlmitで制限されることなく、制限後仮想容量変化量Δq’として加算器５０lに導かれる。加算器５０lでは、１サイクル前の制限後仮想容量q’に上記制限後仮想容量変化量Δq’が加算されるが、制限器５０oにより、その最小値に制限され、その最小値が新たな制限後仮想容量q’として演算される。

前述のように、全ての操作レバーが中立の場合は、仮想容量変化量Δqが負の値なので、制限後仮想容量q’はその最小値に維持される。

制限後仮想容量q’は、ゲイン５０pを乗じた上で、乗算器５０qによって基準回転数Nbと乗算され、更にゲイン５０rを乗じ、除算器５０uにて容量制限値qlimitで割ることて目標回転数Ndが算出されるが、前述のように全ての操作レバーが中立の場合は、制限後仮想容量q’が最小値に保たれるので、目標回転数Ndもその最小値（最小回転数）に保たれる。

目標回転数Ndは、テーブル５０sによってインバータ６０への指令値Vinvに変換され、指令値Vinvがインバータ６０に導かれる。

インバータ６０は、指令値Vinvに従い、電動機１の回転数が目標回転数Nd（最小回転数）になるように電動機１の回転数を制御する。

(b) 任意の操作レバーを操作した場合
複数のアクチュエータ３a，３b，３c，３d，３e，３f，３g，３hのうち、例えば操作レバー装置１２４Aの操作レバーをブーム上げ方向に操作した場合には、操作レバー装置１２４Aの対応するパイロットバルブが操作され、ブームシリンダ３aを駆動するための方向切換弁６aがブーム上げ方向に切り替わる。方向切換弁６aが切り替わると、ブームシリンダ３aの負荷圧がシャトル弁９a，９b，９c・・・を介して最高負荷圧Pplmaxとして検出され、最高負荷圧Pplmaxがアンロード弁１５および圧力センサ４１に導かれる。

アンロード弁１５は、バネ１５bと最高負荷圧Pplmaxにより、その設定圧力が最高負荷圧Pplmax（ブームシリンダ３aの負荷圧）＋バネ１５bで決まる値となり、アンロード弁１５は、圧油供給路５の圧力がその設定圧力以上に上昇するまで、圧油供給路５の圧油がタンクに排出される油路を遮断する。

一方、操作レバー装置１２４Aのブーム上げ方向に対応するパイロットバルブを操作した直後は、圧油供給路５の圧力Ppsは、最高負荷圧Pplmax、すなわちブームシリンダ３aの負荷圧よりも低いので、コントローラ５０において、差分器５０dで演算されるLS差圧Pls（Pls＝Pps-Pplmax）はPls＜０となり、差分器５０eで算出される差圧偏差ΔP（＝Pgr−Pls）は正の値となる。差圧偏差ΔPが正なので、テーブル５０hで算出される仮想容量変化量Δqも正の値となる。

仮想容量変化量Δqは、レート制限部５０jで最大仮想容量変化量Δqlimitに制限された上で、加算器５０lで１制御サイクル前の制限後仮想容量q’に加えられ、更に制限器５０oで最小値／最大値で制限され、新たな制限後仮想容量q’が算出される。

制限後仮想容量q’は、ゲイン５０p、乗算器５０q、ゲイン５０r、除算器５０uによって目標回転数Ndに変換され、テーブル５０sを経てインバータ６０に指令値Vinvとして出力される。

前述のように、仮想容量変化量Δqが正の値なので、電動機１の回転数は、LS差圧Plsが目標LS差圧Pgrと等しくなるまで増加し続け、Pls＝Pgrに到達すると、その状態を維持するように電動機１の回転数を制御する。

このように、コントローラ５０は可変容量型メインポンプ２の回転数を制御することで、ポンプ圧Ppsが最高負荷圧Pplmaxよりも目標LS差圧Pgrだけ高くなるよう、可変容量型メインポンプ２から吐出される流量を制御し、いわゆるロードセンシング制御を行う。

更に、メインポンプ２の馬力制御特性を模擬した特性を有するテーブル５０gと、ゲイン５０t、乗算器５０iにより、ポンプ圧Ppsと基準回転数Nbからメインポンプ２が実際に吐出可能な最大許容流量Qlimitを算出し、最小値選択器５０kによって最大許容流量Qlimitと乗算器５０qで算出した目標流量Qdの小さい方を制限後流量Q’として選択することで、メインポンプ２が実際に吐出している流量を推定する。この流量Q’は、目標流量Qd、ポンプ圧Pps、基準回転数Nbとともに許容レート算出部５０nに導かれ、最大仮想容量変化量Δqlimitが算出され、レート制限部５０jで仮想容量変化量Δqを制限する。

ここで、前述したように、許容レート算出部５０nにおいては、入力装置８１からの入力に基づいて予め設定された最大許容動力Pwmaxから可変容量型メインポンプ２が消費している油圧動力Pwhを減じ、電動機１が加速に消費可能な加速動力Pwaを算出し、この加速動力Pwaを用いて最大仮想容量変化量Δqlimitを算出する。

これにより、可変容量型メインポンプ２が消費している油圧動力Pwhが小さい場合には、最大仮想容量変化量Δqlimitは十分に大きい値となり、レート制限部５０jで仮想容量Δqが制限されることはない。このため、電動機１の回転数上昇は急峻なものになり、高い応答性でロードセンシング制御が行われる。

一方、可変容量型メインポンプ２が消費している油圧動力Pwhが大きい場合には、最大仮想容量変化量Δqlimitは小さい値となるので、レート制限部５０jで仮想容量Δqが制限されることになる。このため、電動機１の回転数上昇は緩やかなものになり、低い応答性でロードセンシング制御が行われる。

〜効果〜
以上のように本実施の形態によれば、電動機１の回転数を制御することで、可変容量型メインポンプ２をロードセンシング制御するので、必要流量が小さい場合には、一定の電動機回転数で可変容量型メインポンプ２の傾転を制御してロードセンシング制御を行う場合に比べ、可変容量型メインポンプ２を、撹拌抵抗や摩擦抵抗が小さく、効率の良いより低回転数の領域で使用することができ、バッテリ７０、又は商用電源９２の消費電力を低く抑えることができる。

また、可変容量型メインポンプ２が消費する油圧動力が変動しても、それに応じて電動機１の回転数の変化量（角加速度）が制限されるので、電動機１が消費する全動力は、予め定められた最大許容動力内に確実に制限される。

更に、油圧動力が小さく電動機１の回転数の変化量（角加速度）を制限する必要がない場合には、電動機１の回転数を速やかに増加させ、油圧ポンプのロードセンシング制御を良好な応答性で行うことができる。このため、常に電動機１の回転数の変化量（角加速度）を一定の値に制限する場合に比べ、複数のアクチュエータを良好な応答性で駆動することができ、オペレータに与える違和感を小さく抑え、良好な操作性を得ることができる。
〜その他〜
以上説明した実施の形態は本発明の範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、メインポンプ２の吐出流量の過不足に応じたメインポンプ２の必要仮想容量変化量Δqを演算し、最大仮想容量変化量Δqlimitを超えないようにメインポンプ２の必要仮想容量変化量を制限することによって、最大角加速度dωlimitを超えないように電動機１の角加速度を制限したが、電動機１の目標回転数Ndの変化量から電動機１の角加速度を計算し、直接、この角加速度が最大角加速度dωlimitを超えないように制限してもよい。

また、上記の実施の形態では、コントローラ５０の電動機回転数制御にロードセンシング制御のアルゴリズムを適用し、メインポンプ２に要求される吐出流量の過不足を表すパラメータとしてロードセンシング制御の差圧偏差ΔPを算出し、この差圧偏差ΔPからメインポンプ２の必要仮想容量変化量Δqを演算したが、コントローラ５０の電動機回転数制御に、操作レバー装置１２４A，１２４Bを含む全ての操作レバー装置の要求流量の総和を算出し、この要求流量の総和に応じてメインポンプ２の吐出流量を増加させるいわゆるポジコン制御のアルゴリズムを適用し、メインポンプ２に要求される吐出流量の過不足を表すパラメータとしてポジコン制御の要求流量の総和とメインポンプ２の実吐出流量との流量偏差を算出し、この流量偏差からメインポンプ２の必要仮想容量変化量Δqを演算してもよい。

更に、上記実施の形態において、電動式作業車両は、電動機１の電源としてバッテリ７０と商用電源９２を選択的に使用可能であり、入力装置８１を用いて最大許容動力Pwmaxを入力し、コントローラ５０に設定する構成としたが、バッテリ７０と商用電源９２の一方を使用する電動式作業車両で最大許容動力Pwmaxを固定値として扱える場合は、最大許容動力Pwmaxを予めコントローラに記憶し設定しておいてもよい。

また、上記実施の形態では、メインポンプ２は可変容量型とし、レギュレータピストン１７とバネ１８とを用いてメインポンプ２の容量を制御し、馬力制御を行う構成としたが、メインポンプ２を固定容量型とし、コントローラ５０に馬力制御のアルゴリズムを組み込み、コントローラ５０による電動機１の回転制御によって馬力制御を行ってもよい。

更に、上記実施の形態は、電動式作業機械が下部走行体に履帯を有する油圧ショベルである場合について説明したが、それ以外の建設機械、例えばホイール式の油圧ショベル、油圧クレーン等であってもよく、その場合も同様の効果が得られる。

１ 電動機
２ 可変容量型メインポンプ（油圧ポンプ）
３a〜３h アクチュエータ
４ 制御弁ブロック（制御弁装置）
５ 圧油供給路
６a〜６c 方向切換弁
７a〜７c 圧力補償弁
９a〜９c シャトル弁
１７ レギュレータピストン
１８ バネ
１４ リリーフ弁
１５ アンロード弁
１５a，１５c 受圧部
１５b バネ
３０ パイロットポンプ
３１，３１a パイロットポンプの圧油供給路
２４ ゲートロックレバー
３２ パイロットリリーフ弁
４０，４１ 圧力センサ
６０a〜６０h パイロットバルブ
５０ コントローラ
５０Ａ 電動機回転数制御部
５０Ｂ 最大角加速度制限部
５０ｙ ポンプ流量推定部
５０j レート制限部（最大角加速度制限部）
５０n 許容レート算出部（最大角加速度制限部）
５０na 最大角加速度演算部
５０nb 最大レート算出部
５０nc 油圧動力算出部
５０nd 変換パラメータ算出部
５０ne 減算器
５０nf 乗算器
５０ng 最大許容動力設定部
５１ 基準回転数指示ダイヤル
６０ インバータ
６５ 直流電力供給路
７０ バッテリ
８０ モニタ
８１ 入力装置
９０ AC/DC変換器
９１ コネクタ
９２ 商用電源

Claims (4)

1. 電動機と、
   この電動機によって駆動される油圧ポンプと、
   前記電動機の回転数を制御することにより前記油圧ポンプの吐出流量を制御するコントローラとを備えた電動式作業機械の油圧駆動装置において、
   前記コントローラは、
   前記油圧ポンプが消費している油圧動力と前記電動機が消費可能な最大許容動力とに基づいて、前記電動機の回転数の変化量を制御することを特徴とする電動式作業機械の油圧駆動装置。
2. 請求項１記載の電動式作業機械の油圧駆動装置において、
   前記コントローラは、前記油圧ポンプが消費している油圧動力と前記最大許容動力とに基づいて、前記電動機が加速に消費可能な許容加速動力を算出し、前記許容加速動力に基づいて、前記電動機に許容される最大角加速度を算出し、前記最大角加速度を超えないように前記電動機の回転数の変化量を制御することを特徴とする電動式作業機械の油圧駆動装置。
3. 請求項２記載の電動式作業機械の油圧駆動装置において、
   前記コントローラは、前記電動機の目標回転数の変化量から前記電動機の角加速度を算出し、前記角加速度が前記最大角加速度を超えないように前記電動機の回転数の変化量を制御することを特徴とする電動式作業機械の油圧駆動装置。
4. 請求項１記載の電動式作業機械の油圧駆動装置において、
   前記最大許容動力を設定する入力装置を備え、
   前記コントローラは、前記油圧ポンプが消費している油圧動力と前記入力装置で設定された前記最大許容動力とに基づいて、前記電動機の回転数の変化量を制御することを特徴とする電動式作業機械の油圧駆動装置。

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