JP3114151B2 - 油圧式建設機械のエンジン−ポンプ制御装置及び制御方法 - Google Patents

油圧式建設機械のエンジン−ポンプ制御装置及び制御方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は堀削機、ローダー、ブル
ドーザー等のような油圧式建設機械に関するものであっ
て、具体的には油圧式建設機械を自動化するための制御
装置及び制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の油圧式建設機械は複数個の可変容
量型ポンプ及び複数個の油圧シリンダーをアクチュエー
ターとする作業装置等から構成されている。そして、こ
のような作業装置の操作は運転席内部のジョイスティッ
ク、ペダル、レバー等のような作業装置操作指令手段を
用いて成る。又、各作業装置の速度及び各作業装置間の
速度比は、各作業装置に該当する操作指令手段の操作量
及び操作比に比例し、各作業装置の要求速度を満足させ
るように、前述の操作指令手段の操作量に比例する油量
をポンプから供給するように設計されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
ポンプは機械的な最大吐出油量の制限値を有しており、
電気的作業装置操作指令手段及び電磁比例弁等を用いて
作業装置を電磁式に制御する場合、堀削、上車、及び平
炭作業等において、作業環境に伴う負荷圧力等の変動に
従って、要求される作業装置操作指令手段の指令値に対
応し、作業装置の速度に該当するポンプ要求油量の和が
現在の負荷圧力によるポンプの最大吐出可能油量値を超
える場合が発生する。
【0004】上述のような場合、従来のエンジン−ポン
プ制御方法としては、作業装置の複合作動時各作業装置
の実際速度比は作業装置操作指令信号の操作比に対応で
きなくなる。即ち、作業装置の作動速度及び速度比が作
業環境及び負荷圧力変動等の影響に因り、作動指令信号
の操作量および操作比と一致せず、これに因り作業性及
び作業効率が低下し、さらに作業中過負荷によるエンジ
ンの失速(Stall)現象が惹き起こされた。
【0005】従って、本発明の目的は、作業装置の作動
指令信号の操作量と操作比に対するポンプの要求馬力
エンジン最大出力馬力に最適に一致できるようにするエ
ンジン−ポンプの制御装置及び制御方法を提供すること
にある。
【0006】本発明の他の目的は、作業環境及び負荷圧
力の変動に無関に作業装置の作動速度及び速度比を、作
動指令信号の操作量及び操作比と一致させるようにする
ことにより、作業性及び作業効率を向上させ得るエンジ
ン−ポンプ制御装置及び制御方法を提供することにあ
る。
【0007】本発明の又他の目的は、作業環境変化によ
るエンジン出力低下及びエンジンの経時変化に伴う出力
低下に対処し得るし、エンジン出力を広範囲な負荷領域
において高度に活用してエンジン単位出力当り作業量を
増大させるエンジン−ポンプ及び制御方法を提供するこ
とにある。
【0008】前述の目的を達成するための本発明装置の
1態様によれば、動力源であるエンジンと、前記エンジ
ンによって駆動される少なくとも1つ以上の可変容量型
油圧ポンプと、前記油圧ポンプによって作動される少な
くとも1つ以上の作業装置アクチュエーターと、前記油
圧ポンプと前記アクチュエーターとの間の油路中に設け
られ、所定の入力信号によって前記油路を切換え接続す
ると同時に、前記入力信号に比例するように出力油量を
調節する電磁比例油量制御弁及び所定の入力信号によっ
て前記油圧ポンプの吐出油量を調節する電磁比例弁を備
えた油圧式建設機械のエンジン−ポンプ制御装置におい
て、運転手によって前記作業装置の操作指令信号入力
を受ける作業装置操作指令手段、前記エンジンの回転数
を検出するエンジン回転数検出手段、前記油圧ポンプの
吐出油量を検出するポンプ吐出油量検出手段、前記油圧
ポンプの吐出圧力を検出するポンプ吐出圧力検出手段及
び、前記エンジン回転数検出手段のエンジン回転数デー
タと前記ポンプ吐出圧力検出手段のポンプ吐出圧力変化
率データに基づいて、前記油圧ポンプの要求馬力と前記
エンジンの最大出力馬力が一致するように前記電磁比例
弁を制御し、前記アクチュエーターに供給される油量が
前記操作指令手段の操作量及び操作比と一致するように
前記電磁比例油量制御弁を制御する制御手段を含む油圧
式建設機械のエンジン−ポンプ制御装置が提供される。
【0009】前述の目的を達成するための本発明方法の
1態様によれば、動力源であるエンジンと、前記エンジ
ンによって駆動される少なくとも1つ以上の可変容量型
油圧ポンプと、前記油圧ポンプによって作動される少な
くとも1つ以上の作業装置アクチュエーターと、前記油
圧ポンプと前記アクチュエーターとの間の油路中に設け
られて、所定の入力信号によって前記油路を切換え接続
すると同時に、前記入力信号に比例するように出力油量
を調節する電磁比例油量制御弁及び所定の入力信号によ
って前記油圧ポンプの吐出油量を調節する電磁比例弁
と、運転者によって前記作業装置の操作指令信号の入力
を受ける作業装置操作指令手段と、前記エンジンの回転
数を検出するエンジン回転数検出手段と、前記油圧ポン
プの吐出油量を検出するポンプ吐出油量検出手段と、前
記油圧ポンプの吐出圧力を検出するポンプ吐出圧力検出
手段を備えた油圧式建設機械のエンジン−ポンプ制御方
法において、前記エンジン回転数検出手段のエンジン回
転数データと前記ポンプ吐出圧力検出手段のポンプ吐出
圧力変化率データに基づいて前記油圧ポンプの要求馬力
と前記エンジンの最大出力馬力とが一致するように前記
電磁比例弁を制御し前記アクチュエーターに供給される
油量が前記操作指令手段の操作量及び操作比と一致する
ように前記電磁比例油量制御弁を制御することを特徴と
する油圧式建設機械のエンジン−ポンプ制御方法が提供
される。
【0010】
【実施例】図1は本発明によるエンジン−ポンプ制御装
置が適用される堀削機の全体システムの構成図である。
【0011】図1によれば、堀削機の全体的構成は、動
力源であるエンジン80と、このエンジン80によって
駆動される可変容量型油圧ポンプ25a、25bと、作
業装置を作動させるためのアクチュエーターとしての油
圧シリンダー105a、105bと、可変容量型油圧ポ
ンプ25a、25bから各油圧シリンダー105a、1
05bへの油路中に設けられて、所定の入力信号によっ
て該油路を切り換え接続すると共に、入力信号に比例す
るように出力油量を調節する電磁比例油量制御弁95
a、95b、及び所定の入力信号によって前述の可変容
量型油圧ポンプ25a、25bの吐出油量を調節する電
磁比例弁35a、35b等から構成される。
【0012】一方、このように構成された堀削機を電磁
的に制御するための手段として作業装置操作指令部(手
段)10とマイクロコンピューターが内蔵されたコント
ローラー85と、エンジンの回転数検出装置45と、ポ
ンプ吐出油量検出装置55a、55b、及びポンプ吐出
圧力検出装置65a、65b等が設けられる。
【0013】このように構成された堀削機電磁−油圧シ
ステムの基本作動は次のとおりである。
【0014】エンジン回転数検出装置45の回転数デ−
タとポンプ吐出圧力検出装置65a、65bのポンプ吐
出圧力変化率デ−タを基礎として、コントロ−ラ−85
における演算を通じて、可変容量型油圧ポンプ25a、
25bのポンプ要求馬力がエンジン最大出力馬力と一致
するように電磁比例弁35a、35b作業装置操作指
令部(手段)10の操作量に比例する油量を供給するよ
うに制御されると共に、電磁比例油量制御弁95a、9
5bによって、作業装置操作指令部(手段)10の操作
量及び操作比を一定させるように油圧シリンダ−105
a、105bに供給される油量が制御されることにより
電磁−油圧システムがが動作する。
【0015】図2では本発明によるエンジン−ポンプ制
御装置のブロック図を示したもので、これを詳しく説明
すれば次のとおりである。
【0016】運転者による作業装置作動指令部10の作
動指令信号を操作演算部20で感知する。そして操作演
算部20では前述の作動指令信号に比例するポンプ吐出
油量要求値、即ちポンプ油量制御基準入力信号QREF
と作動指令信号の操作量及び操作比に比例する作業装置
の速度要求値、即ち作業装置速度制御基準入力信号VR
EFを演算する。
【0017】次に、エンジン−ポンプ制御部70ではエ
ンジンが最大馬力を出すことができるエンジン回転数制
御基準入力信号NREFと実際エンジン回転数信号NR
EALとの誤差(EN:NREF−NREAL)を利用
したPID,Lead−Lag,Pole−Place
mentなどの制御演算とポンプ吐出圧力の変化率信号
(PVAR)を通じて、現在ポンプ吐出可能最大油量信
号(QMAX)を速度及びポンプ油量調整部30に出力
する。
【0018】そして、速度及びポンプ油量調整部30で
は、操作演算部20の出力信号であるポンプ油量制御基
準入力信号QREFと、作業装置速度制御基準入力信号
VREF、及び現在ポンプ吐出可能最大油量値QMAX
を基準にポンプ油量制御基準入力信号QREF及び作業
装置速度制御基準入力信号VREFを調整して、ポンプ
油量制御部50及び作業装置速度制御部40に出力す
る。次にポンプ油量制御部50では、速度及びポンプ油
量調節部30の出力信号であるポンプ油量制御基準入力
信号QREF2とポンプ吐出油量検出手段からの実際ポ
ンプ吐出油量信号QREALとの誤差(EQ:QREF
2−QREAL)を利用して制御演算を行う。
【0019】そして、上述の制御演算を通じてポンプ6
0の電磁比例弁にポンプ油量制御信号VRUMPを出力
してポンプ吐出油量を制御する。
【0020】一方、作業装置速度制御部40は、速度及
びポンプ油量調節部30の出力信号である速度制御基準
入力信号VREFを利用して制御演算を行い、この演算
を通じてエンジン−ポンプ制御部70の電磁比例油量制
御弁に作業装置速度制御信号VMCVを出力して作業装
置の速度を制御する。
【0021】次は前述のエンジン−ポンプ制御部70の
作動を図3の流れ図を参照して詳しく説明する。
【0022】ステップ1(S1)では作業装置作動指令
部(手段)10から出力される作動指令信号があるかを
判別する。作業装置作動指令部(手段)10からの作動
指令信号がないと判別される場合ステップ2(S2)へ
進行される。
【0023】ステップ2(S2)では現在ポンプ吐出可
能最大油量QMAXと現在ポンプ吐出可能最小油量QM
INIを有するようにする。言い換えれば、現在ポンプ
吐出可能最大油量QMAXをポンプが機械的に吐出でき
る最小油量Qminに決定する。
【0024】一方、作業装置作動指令部(手段)10か
ら作動指令信号があったと判別される場合、ステップ3
(S3)へ進行するが、ステップ3(S3)ではエンジ
ン回転数制御基準入力信号NREFと実際エンジン回転
数信号NREAL及びポンプ吐出圧力Pを入力を受けて
ポンプ吐出圧力の時間変化率信号PVARを演算する。
【0025】ステップ4(S4)ではステップ3(S
3)で入力されたエンジン回転数制御基準入力信号NR
EFと実際エンジン回転数信号NREALの誤差信号
(EN:NREF−NREAL)を演算する。
【0026】次にステップ5(S5)ではステップ4
(S4)で演算された誤差信号(EN)をPID制御,
Lead−Lag制御,Pole−Placement
制御などを行なうための制御関数(f)に入力して制御
信号(C=f(EN))を演算する。
【0027】そしてステップ(S6)ではポンプ吐出圧
力の時間変化率信号PVARをステップ5(S5)で演
算された制御信号Cを利用して制御信号(D=C+PV
AR)を調整、演算する。
【0028】ステップ7(S7)ではステップ6(S
6)で演算された制御信号Dを利用して現在ポンプ吐出
可能最大油量値(QMAX=QMIN−D)を演算す
る。
【0029】ステップ8(S8)ではステップ7(S
7)で演算された現在ポンプ吐出可能最大油量QMAX
がポンプが機械的に吐出できる最小油量値Qminより
小さい場合、現在吐出可能最大油量信号QMAXをポン
プが機械的に吐出できる最小油量値Qminに決定す
る。
【0030】そして、現在ポンプ吐出可能最大油量QM
AXがポンプが機械的に吐出できる最大油量Qmax
り大きい場合は、現在のポンプ吐出可能最大油量信号Q
MAXをポンプが機械的に吐出できる最大油量Qmax
に決定する。
【0031】ステップ9(S9)ではステップ8(S
8)とステップ2(S2)で演算された現在ポンプ吐出
可能最大油量信号QMAXを速度及びポンプ油量調節部
30に出力して制御動作を完了する。
【0032】上述したものを総合して見ると、エンジン
−ポンプ制御部70では、作業装置作動指令部10から
の作動指令信号がある場合、エンジン最大馬力点である
フルスロットル(Full Throttle)における定格回転数
を基準回転数に取り、作業状態において、エンジンに負
荷がかかれば、エンジン回転数が減少し、ポンプ吐出圧
力の変化率PVARは増加し、トークは上昇する。
【0033】エンジン回転数検出装置45からエンジン
回転数を検出して実際エンジン回転数が基準回転数より
小さい場合、ポンプ吐出圧力の変化率pと回転数誤差に
対する制御演算を行ってポンプの要求馬力を減少させる
ために現在ポンプ吐出可能最大油量を最適に減少させ、
速度及びポンプ油量調節部30ではこのポンプ吐出可能
最大油量信号QMAXを基準に作業装置速度制御の基準
入力信号VREF及びポンプ油量制御基準入力信号QR
EF2を調整する。
【0034】以上、本発明の実施例を図面により説明し
てきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるもの
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更
や追加があっても本発明に含まれる。
【0035】
【発明の効果】以上で説明したとおり、本発明は複数個
の可変容量型ポンプ及び複数個の油圧シリンダーがアク
チュエーターとする作業装置を有する建設機械に適用さ
れることにより、作業中過負荷によるエンジンの失速減
少と作業環境変化によるエンジン出力低下及びエンジン
の経時変化による出力低下に対処できるし、エンジン出
力を広範囲な負荷領域で高度に活用してエンジンの単位
出力当り作業量を増大させることができる。
【0036】又、作業環境及び負荷圧力の変動に無関に
作業装置の作動速度及び速度比が作動指令信号の操作量
及び操作比と一致するように最適に制御して作業を自動
化することができるし、作業性及び作業効率を向上させ
ることができる効果がある。
【0037】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるエンジン−ポンプ制御装置が適用
される油圧式堀削機の全体システム構成図である。
【図2】本発明によるエンジン−ポンプ制御装置のブロ
ック図である。
【図3】本発明によるエンジン−ポンプ制御方法を説明
するための流れ図である。
【符号の説明】
10 作業装置操作指令部(手段) 25a、25b 圧油ポンプ 35a、35b 電磁比例弁 45 エンジン回転数検出装置(手段) 55a、55b ポンプ吐出油量検出装置(手段) 65a、65b ポンプ吐出圧力検出装置(手段) 95a、95b 電磁比例油量制御弁
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−248401(JP,A) 特開 平5−10269(JP,A) 特開 昭63−195402(JP,A) 実開 昭62−26587(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F15B 11/00 - 11/22 E02F 9/20 E02F 9/22

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 動力源であるエンジンと、前記エンジン
    によって駆動される少なくとも1つ以上の可変容量型油
    圧ポンプと、前記油圧ポンプによって作動される少なく
    とも1つ以上の作業装置アクチュエーターと、前記油圧
    ポンプと前記アクチュエーターとの間の油路中に設けら
    れ、所定の入力信号によって前記油路を切換え接続する
    と同時に、前記入力信号に比例するように出力油量を調
    節する電磁比例油量制御弁及び所定の入力信号によって
    前記油圧ポンプの吐出油量を調節する電磁比例弁を備え
    た油圧式建設機械のエンジン−ポンプ制御装置におい
    て、 運転手によって前記作業装置の操作指令信号入力を受
    ける作業装置操作指令手段、 前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手
    段、 前記油圧ポンプの吐出油量を検出するポンプ吐出油量検
    出手段、 前記油圧ポンプの吐出圧力を検出するポンプ吐出圧力検
    出手段及び、 前記エンジン回転数検出手段のエンジン回転数データと
    前記ポンプ吐出圧力検出手段のポンプ吐出圧力変化率デ
    ータに基づいて、 前記油圧ポンプの要求馬力と前記エンジンの最大出力馬
    力が一致するように前記電磁比例弁を制御し、前記アク
    チュエーターに供給される油量が前記操作指令手段の操
    作量及び操作比と一致するように前記電磁比例油量制御
    弁を制御する制御手段を含む油圧式建設機械のエンジン
    −ポンプ制御装置。
  2. 【請求項2】 前記制御手段は、 前記操作指令手段の操作量に比例するポンプ吐出油量要
    求値と前記操作指令手段の操作量及び操作比に比例する
    作業装置速度要求値を演算する操作演算部、 前記エンジンが最大馬力を出し得るエンジン回転数基準
    入力信号と前記エンジン回転数検出手段から検出された
    実際のエンジン回転数信号との誤差を利用した制御演算
    と前記ポンプ吐出圧力検出手段から検出されたポンプ吐
    出圧力変化率信号に基づいて現在ポンプ吐出可能最大油
    量信号を生成するエンジン−ポンプ制御部、 前記操作演算部から得た前記ポンプ吐出油量要求値と前
    記作業装置速度要求値を前記エンジン−ポンプ制御部か
    ら得た前記ポンプ吐出可能最大油量信号を基準に調整
    る作業装置速度及びポンプ油量調節部、 前記作業装置速度及びポンプ油量調節部で調整されたポ
    ンプ吐出油量要求値と前記ポンプ吐出油量検出手段から
    検出された実際ポンプ吐出油量信号との誤差を利用して
    ポンプ油量制御信号を得て、これを前記電磁比例弁へ出
    力して前記ポンプの吐出油量を制御するポンプ油量制御
    部及び、 前記作業装置速度及びポンプ油量調整部で調整された作
    業装置速度要求値を利用した制御演算によって作業装置
    速度要求信号を受けてこれを前記電磁比例油量制御弁へ
    出力して前記作業装置の速度を制御する作業装置速度制
    御部を含む請求項1に記載の油圧建設機械のエンジン−
    ポンプ制御装置。
  3. 【請求項3】 動力源であるエンジンと、前記エンジン
    によって駆動される少なくとも1つ以上の可変容量型油
    圧ポンプと、前記油圧ポンプによって作動される少なく
    とも1つ以上の作業装置アクチュエーターと、前記油圧
    ポンプと前記アクチュエーターとの間の油路中に設けら
    れて、所定の入力信号によって前記油路を切換え接続す
    ると同時に、前記入力信号に比例するように出力油量を
    調節する電磁比例油量制御弁及び所定の入力信号によっ
    て前記油圧ポンプの吐出油量を調節する電磁比例弁と、
    運転者によって前記作業装置の操作指令信号の入力を受
    ける作業装置操作指令手段と、前記エンジンの回転数を
    検出するエンジン回転数検出手段と、前記油圧ポンプの
    吐出油量を検出するポンプ吐出油量検出手段と、前記油
    圧ポンプの吐出圧力を検出するポンプ吐出圧力検出手段
    を備えた油圧式建設機械のエンジン−ポンプ制御方法に
    おいて、 前記エンジン回転数検出手段のエンジン回転数データと
    前記ポンプ吐出圧力検出手段のポンプ吐出圧力変化率デ
    ータに基づいて前記油圧ポンプの要求馬力と前記エンジ
    ンの最大出力馬力とが一致するように前記電磁比例弁を
    制御し前記アクチュエーターに供給される油量が前記操
    作指令手段の操作量及び操作比と一致するように前記電
    磁比例油量制御弁を制御することを特徴とする油圧式建
    設機械のエンジン−ポンプ制御方法。
  4. 【請求項4】 前記制御方法は、 前記操作指令手段の操作量に比例するポンプ吐出量要求
    値と前記操作指令手段の操作量及び操作比に比例する作
    業装置速度要求値を演算する第1ステップ、 前記エンジンの最大馬力を出し得るエンジン回転数基準
    入力信号と前記エンジン回転数検出手段から検出された
    実際エンジン回転数信号との誤差を利用した制御演算と
    前記ポンプ吐出圧力検出手段から検出されたポンプ吐出
    圧力変化率信号に基づいて現在のポンプ吐出可能最大油
    量信号を生成する第2ステップ、 前記第1ステップから得た前記ポンプ吐出油量要求値と
    前記作業装置速度要求値を前記第2ステップから得た前
    記ポンプ吐出可能最大油量信号を基準に調整する第3ス
    テップ、 前記第3ステップで調整されたポンプ吐出油量要求値と
    前記ポンプ吐出油量検出手段から検出された実際ポンプ
    吐出油量信号との誤差を利用してポンプ油量制御信号を
    得てこれを前記電磁比例弁に出力して前記ポンプの吐出
    油量を制御する第4ステップ及び、 前記第3ステップで調整された作業装置速度要求値を利
    用した制御演算によって作業装置速度要求信号を得て、
    これを前記電磁比例油量制御弁に出力して前記作業装置
    の速度を制御する第5ステップを含む請求項3に記載の
    油圧式建設機械のエンジン−ポンプ制御方法
  5. 【請求項5】 前記第2ステップは、 (1)前記作業装置操作指令手段から出力される作動指
    令信号の有無を判別するステップ、 (2)前記ステップ(1)で作動指令信号がないと判別
    された場合現在ポンプ吐出可能最大油量をポンプが機械
    的に吐出し得る最小油量を決定するステップ (3)前記ステップ(1)で作動指令信号があると判別
    された場合エンジン回転数制御基準入力信号と実際エン
    ジン回転数信号及びポンプ吐出圧力入力を受けてポン
    プ吐出圧力の時間変化率信号を演算するステップ (4)前記ステップ(3)で入力されたエンジン回転数
    制御基準入力信号と実際エンジン回転数信号の誤差を演
    算するステップ (5)前記ステップ(4)で演算された誤差信号制御
    信号を演算するステップ (6)前記ポンプ吐出圧力の時間変化率信号を利用して
    前記ステップ(5)で演算された前記制御信号を調整す
    るステップ (7)前記ステップ(6)で調整された制御信号を利用
    して現在ポンプ吐出可能最大油量値を演算するステッ
    (8)前記ステップ(7)で演算された現在ポンプ吐出
    可能最大油量値がポンプの機械的な吐出可能最小油量値
    より小さい場合、現在ポンプ吐出可能最大油量値を前記
    ポンプの機械的な吐出可能最小油量値に決定し、現在ポ
    ンプ吐出可能最大油量値をポンプの機械的な吐出可能最
    大油量に決定するステップ、及び (9)前記ステップ(2)及びステップ(8)で決定さ
    れた現在ポンプ吐出可能最大油量値を出力するステップ
    を含む請求項4に記載の油圧式建設機械のエンジン−ポ
    ンプ制御方法。
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