JP3920838B2 - 電動液圧アクチュエータ装置および建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、電動機で液圧ポンプを駆動し、この液圧ポンプからの作動液で油圧シリンダ等の液圧アクチュエータを駆動する電動液圧アクチュエータ装置および建設機械に関するものである。

現状の一般的な建設機械は、油圧アクチュエータを例に取り説明すると、エンジンで油圧ポンプを駆動し、その油圧ポンプからの作動油の流量および方向を方向制御弁で制御して油圧シリンダ、油圧モータ等の油圧アクチュエータに供給している。

一方、地球温暖化防止のためにＣＯ_２排出量削減を目的とした省エネルギー技術が建設機械にも採用されつつあり、その一つとして油圧動力と電動機動力とを併用したハイブリッド建機が開発されている。

このハイブリッド建機は、エンジンで発電機を駆動してその電力を蓄電装置に蓄え、発電電力と蓄電電力で電動機を駆動し、電動機で油圧ポンプを駆動することにより電動機電力を油圧動力に変換している。この変換された油圧動力で液圧アクチュエータを駆動するのは上記油圧駆動式の建設機械と同様である（例えば、特許文献１参照）。

この種のハイブリッド建機によれば、オペレータのレバー操作量に応じてコントローラが電動機の回転速度を制御し、油圧ポンプから油圧アクチュエータの必要流量を吐出することによって同アクチュエータの速度制御を行うようにしている。したがって、エンジンを定速回転させて油圧ポンプから常に一定量の作動油を吐出する上記油圧駆動式の建設機械のように、制御弁で作動油を絞り捨てる必要が無くなり、結果として省エネルギーが達成できる。
特開２００１−１２２７５号公報

しかしながら、この種のハイブリッド建機では油圧ポンプから吐出される作動油と、方向制御弁で制御されて送り出される作動油との間で供給状態に時間的なずれが発生し、油圧アクチュエータの制御に不都合が生じる場合がある。

詳しくは、オペレータがレバー操作を行うと、コントローラから電磁比例減圧弁アンプに対して指令電圧が入力され、この比例弁アンプから指令電圧に応じた電流が出力される。比例弁のソレノイドに電流が流れて吸引力が発生すると、比例弁スプールに作用して比例弁出力である二次圧が発生する。この二次圧をパイロット圧として方向制御弁のスプールが移動する。このスプールが移動することによって油圧回路が切り換えられるとともに、スプール開口面積の絞り機能によって作動油流量が制限される。

この場合、図１０(ａ)に示すように、指令電圧Ｖに対してソレノイド電流Ｉはほとんど無駄時間無しに立ち上がるが、パイロット圧Ｐは作動油の圧縮性のため立ち上がりが遅れる。図中Ｓ１はソレノイド電流Ｉの無駄時間、Ｓ２はパイロット圧Ｐの応答遅れを示している。その結果、指令電圧Ｖの立ち上がり、立ち下がりにおいて方向制御弁の切換動作が遅れ（図１０（ａ）および(ｂ)参照）、油圧アクチュエータへの作動油の供給或いは戻り油の制御に遅れが発生する。なお、パイロット圧Ｐと方向制御弁のスプールストロークは一対一に対応する。

一方、電動機はスイッチング素子による電圧・電流制御により速度とトルクが自由に制御でき応答性も非常に速いため、入力信号が指令されて速度が立ち上がるまでの無駄時間は極めて小さい。

このように電動機と方向制御弁との間で応答のずれが生じると、例えば、油圧シリンダを減速して停止させるような場合に、電動機が減速して停止した後に方向制御弁の開口が遅れて閉じるため、油圧シリンダはポンプ吐出量の減少に見合った速度で動作しなくなる。その結果、油圧シリンダの駆動回路の作動油が不足してキャビテーション状態となり、油圧シリンダが停止したときに確実に保持されず、ふらつきが生じてしまう。

本発明は以上のような従来の課題を考慮してなされたものであり、電動機駆動の液圧ポンプで液圧アクチュエータを駆動する電動液圧アクチュエータ装置において、電動機と方向制御弁の作動応答性をマッチさせることにより液圧アクチュエータの加速時や減速停止時に良好な操作性が得られる電動液圧アクチュエータ装置および建設機械を提供するものである。

本発明は、電動機に液圧ポンプが接続され、この液圧ポンプから吐出される作動液が方向制御弁を介して液圧アクチュエータに供給され、上記電動機と上記方向制御弁がコントローラによって制御され、このコントローラは操作手段から速度指令が入力された場合に、上記電動機の回転速度指令値を演算して出力するとともに上記方向制御弁の切換方向および切換量を演算して指令値として出力するように構成されている電動液圧アクチュエータ装置において、上記コントローラに、上記方向制御弁の動特性に応じ上記回転速度指令値の立ち上がりおよび立ち下がりの少なくともいずれか一方に遅れを持たせる指令値補正部が設けられ、上記指令値補正部は、上記コントローラからの指令とそのコントローラによって制御される上記電動機の動作開始タイミングとの間に無駄時間を設けることによって得られる遅れに、上記回転速度指令値の変化の割合を所定値以下に制限するレートリミッタによる遅れを付加するように構成されていることを特徴とする電動液圧アクチュエータ装置である。

本発明は、上記液圧ポンプとして油圧ポンプを、液圧アクチュエータとして油圧アクチュエータを有し、上記構成を有する電動液圧アクチュエータ装置を備えたことを特徴とする建設機械である。

本発明の電動液圧アクチュエータ装置によれば、電動機と方向制御弁の作動応答性をマッチさせることができるため、液圧アクチュエータの加速時や減速停止時に良好な操作性が得られるという長所を有する。また、方向制御弁の動特性に合わせて遅れを持たせているため、液圧ポンプの吐出圧が過度に高圧になることがなく、液圧回路を安定動作させることができる。

本発明の建設機械によれば、操作手段からの指令通りに油圧アクチュエータが動作するため、油圧動力と電動機動力を併用したハイブリッド建機において操作性を向上させることができる。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る電動液圧アクチュエータ装置が適用される油圧ショベルを示したものである。

同図において油圧ショベルは、クローラ式の下部走行体１上にキャビン２を備えた上部旋回体３が搭載され、この上部旋回体３に作業アタッチメント４が装備されている。

作業アタッチメント４は、起伏自在なブーム５の先端にアーム６、このアーム６の先端にバケット７がそれぞれ水平軸まわりに回動可能に取り付けられている。

これらブーム５，アーム６，バケット７は、ブームシリンダ８，アームシリンダ９，バケットシリンダ１０によってそれぞれ駆動されるようになっている。

図２は液圧アクチュエータとしてアームシリンダ９を例に取り、その駆動回路を示したものである。

同図において、１１は電動機１２によって駆動される油圧ポンプであり、この油圧ポンプ１１から吐出される作動油の流量および方向が比例電磁式のコントロールバルブ１３によって制御される。上記電動機１２は永久磁石式の高効率のものであり、電圧・電流の制御によって速度とトルクが自由に制御できる例えばＳＰＭ電動機，ＩＰＭ電動機から構成される。

制御された作動油は、アームシリンダ９のヘッド側油室９ａまたはロッド側油室９ｂに供給され、それにより、アームシリンダ９が伸長または縮小動作するようになっている。

コントロールバルブ（方向制御弁）１３と上記ヘッド側油室９ａはヘッド側油路１４によって接続され、コントロールバルブ１３とロッド側油室９ｂはロッド側油路１５によって接続されている。なお、図中、１６はタンク、１７はリリーフ弁である。

電動機１２はインバータ１８を介してコントローラ１９に接続されており、操作体２０に備えられているレバー２０ａの操作量に基き、コントローラ１９から出力される指令信号によってその運転（回転／停止、回転方向と回転速度）が制御されるようになっている。

コントロールバルブ１３は、中立位置イと、図右側のシリンダ伸長位置ロと、図左側のシリンダ縮小位置ハとを有し、レバー操作に基くコントローラ１９からの信号により、これらの各位置間で切り換わり、アームシリンダ９の作動（伸長／縮小／停止）を制御するようになっている。

また、コントローラ１９からの切換信号はコントロールバルブ１３の左側または右側の比例電磁弁１３ａまたは１３ｂに与えられ、切換信号に応じたパイロット圧信号を発生させてコントロールバルブ１３のスプールを切り換えるようになっている。

上記コントローラ１９は応答性補正部１９ａを備えており、この応答性補正部１９ａは応答性の速い電動機１２と応答遅れを発生するコントロールバルブ１３との間で応答性を一致させるようになっている。

図３のフローチャートは、上記応答性補正部１９ａの第一の形態として（ａ）レートリミッタを使用した場合の制御動作を示したものである。

同図において、レバー２０ａを操作すると（ステップＳ１）、レバー操作量に応じた信号がコントローラ１９に与えられ、コントローラ１９はアームシリンダ９の目標速度ｖを設定し（ステップＳ２）、次いでその目標速度ｖに見合う電動機１２の目標回転速度Ｖmrを設定する（ステップＳ３）。

応答性補正部１９ａは、レバー操作に基く目標回転速度Ｖmrから１サンプリング前の回転速度Ｖm（ｎ−１）を減じた絶対値が設定値Ｘを上回るかどうか下記式(1)によって判断し（ステップＳ４）、Ｙｅｓの場合は速度の増減を判断する（ステップＳ５）。

｜Ｖmr−Ｖm(ｎ−１)｜＞Ｘ (1)
ただし、ｎはサンプリング数。

上記速度の増減を判断することによって操作レバー２０ａが加速操作されているか、または減速操作されているかを把握することができる。

減速操作されていれば、
Ｖmr＝Ｖm(ｎ−１)−Ｘ (2)
より、目標回転速度Ｖmrを求める（ステップＳ６）。

加速操作されていれば、
Ｖmr＝Ｖm(ｎ−１)＋Ｘ (3)
より、目標回転速度Ｖmrを求める（ステップＳ７）。

また、ステップＳ４においてＮｏ、すなわち設定値Ｘを超えていなければ目標回転速度Ｖmrをそのまま採用する（ステップＳ８）。

上記各ステップＳ６〜Ｓ８のいずれかから目標回転速度Ｖmrが求められると、その求められた目標回転速度Ｖmrをインバータ１８に出力する（ステップＳ９）。

このように、コントロールバルブ１３の動特性に応じて設定値Ｘを設定し、電動機１２の回転指令値における立ち上がり（加速操作）および立ち下がり（減速操作）においてその設定値Ｘを超えないように制御を行えば、電動機１２の応答性に遅れを持たせることができる。

次に、図４に示すフローチャートは、応答性補正部１９ａの別の形態による制御動作の要部を示したものであり、（ｂ）上記レートリミッタによる遅れに無駄時間（入力が与えられてから出力されるまでに設けられた応答しない時間）を付加している。

同図において、上記ステップＳ３に引き続き、目標回転速度Ｖmrから１サンプリング前の回転速度Ｖm（ｎ−１）を減じた絶対値が設定値Ｘを上回るかどうかを判断し（ステップＳ４）、Ｙｅｓであれば補正処理中でないことを示すフラグが立っているかどうかを判断し（ステップＳ１０）、さらにＹｅｓであれば、レバー操作量に応じた無駄時間を設定するとともに、上記フラグをリセットする（ステップＳ１１）。

レバー操作量に応じた無駄時間とは、例えばレバー操作量が大きくなるにつれて無駄時間を長い値に設定しておく。それにより、レバー２０ａを急峻に操作した場合でも無駄時間が長く設定されていることにより、アームシリンダ９の応答遅れに見合った速度で電動機１２を制御することができるようになる。

次いで、上記設定した無駄時間をカウントダウンし（ステップＳ１２）、無駄時間がゼロになると（ステップＳ１３）、
減速操作であれば上記(2)式 Ｖmr＝Ｖm(ｎ−１)−Ｘより、目標回転速度Ｖmrを求める（ステップＳ１４→Ｓ１５）。

加速操作であれば上記(3)式 Ｖmr＝Ｖm(ｎ−１)＋Ｘより目標回転速度Ｖmrを求める（ステップＳ１４→Ｓ１６）。

また、ステップＳ１３において、Ｎｏであれば、下記式(4)によって目標回転速度Ｖmrを求める（ステップＳ１５）。

Ｖmr＝Ｖm(ｎ−１) (4)
上記Ｖmrを求める式(2)〜(4)が無駄時間を付加する処理を示している。

なお、ステップＳ４においてＮｏであれば、カウントダウンせずフラグを立て（ステップＳ１８）、目標回転速度Ｖmrをそのままとする（ステップＳ１９）。この処理は、例えばレバー２０ａを減速から加速操作に切り換えるような補正を必要としない場合に実行される。

上記各ステップＳ１５〜Ｓ１７およびＳ１９のいずれかから目標回転速度Ｖmrが求められると、その求められた目標回転速度Ｖmrをインバータ１８に出力する（ステップＳ２０）。

また、応答性補正部１９ａのさらに別の形態として（ｃ）無駄時間のみ付加することもできる。

この場合、無駄時間を付加する前の回転速度Ｖmを無駄時間分、時間軸方向に平行移動させ遅れを持たせることによって応答性を補正することができる。

図５〜図７は、上述した(ａ)〜(ｃ)の各補正によって出力される波形を比較したものであり、横軸は時間［sec］、縦軸は回転速度［rad／sec］を示している。

図５は上述した(ａ)レートリミッタのみによって応答性を補正した場合の出力波形である。

この場合、コントロールバルブ１３の動特性に応じて目標回転速度Ｖmrの変化量を１０（設定値Ｘ）以下に制限しており、それにより、補正前の出力波形Ｗ_０に対し補正後の出力波形Ｗ_１に遅れを持たせることができる。

図６は(ｂ)レートリミッタによる遅れに無駄時間を付加した場合の出力波形である。

この場合、無駄時間Ｓ３を経過した後、レートリミッタによる遅れを持たせるように構成しているため、補正後の出力波形Ｗ_２は、レートリミッタのみによって遅れを持たせる場合に比べ遅れ効果を増加することができる。

図７は(ｃ)無駄時間のみ付加する場合の出力波形である。

この場合、方向制御弁１３の動特性に応じ回転速度の出力波形を無駄時間Ｓ４分、時間軸方向に平行移動させることにより、補正前の出力波形Ｗ_０に対し補正後の出力波形Ｗ_３に遅れを持たせることができる。

次に、本実施形態による補正効果を図８および図９を参照しながら説明する。図８は比較例として示した応答性の補正を行わない従来例であり、図９は応答性を補正した本実施形態を示している。

まず、図８の従来例について説明する。なお、同図(ａ)はレバー指令に対するシリンダ速度等を示し、同図(ｂ)はアームシリンダ９の圧力波形を示している。

同図ではレバー指令でアームシリンダ９を停止させる場合を示している。レバー指令Ｒ_Ｓによって停止操作をすると、電動機速度Ｍ_Ｖはレバー指令Ｒ_Ｓに追従してほとんど遅れなしに減速する。

なお、ａ点ではレバー指令Ｒ_Ｓが残っているにもかかわらず電動機速度Ｍ_Ｖがゼロになっているが、これはレバー操作量と電動機速度との間に不感帯（所謂遊び）が設けられているからである。したがって、電動機１２はレバー操作通りに駆動していることになる。

これに対して、コントロールバルブ１３のスプールは、開口特性Ｃ_Ｏに示すように、遊び時間Ｓ５遅れて閉じ動作を開始する。

アームシリンダ９のシリンダ速度は上記コントロールバルブ１３の閉じ動作によって支配され同バルブ１３が閉じ切った時に停止するため、シリンダ速度Ｓ_Ｖは電動機１２の停止時間ａより遅れて時間ｂでゼロになる。また、停止するまでの期間、アームシリンダ９は負荷によって引張り力が作用しているためヘッド圧は下がり、ロッド圧は高くなる（図８(ｂ)参照）。このとき、ヘッド圧の不足によってキャビテーションが発生する。

なお、コントロールバルブ１３が閉じ切っても慣性によってシリンダ速度Ｓ_Ｖは若干、マイナス側にオーバーし、ロッド圧で反発されてプラス側に反転する（図中ｃ参照）。その結果、ふらつきが発生する。

次に、本実施形態による応答性補正を行った場合について説明する。

図９(ａ)において、上記と同様に、レバー指令Ｒ_Ｓによって停止操作をすると、コントローラ１９の応答性補正部１９で補正処理が行われ、その結果、電動機速度Ｍ_Ｖ′は従来の電動機速度Ｍ_Ｖよりも緩やかな勾配で減速する。

コントロールバルブ１３が閉じ切るまでは電動機１２が回転しており、その間、ポンプ１１からアームシリンダ９のヘッド側油室９ａに供給される圧油が増加し（図９（ｂ）のポンプ圧Ｐ′参照）、ヘッド圧不足によるキャビテーションの発生が防止される。また、シリンダ停止時のふらつきも解消される。

本発明に係る電動液圧アクチュエータ装置が適用される油圧ショベルの外観図である。 電動液圧アクチュエータ装置の油圧回路図である。 図２に示す応答性補正部の制御動作を示すフローチャートである。 図２に示す応答性補正部の別の制御動作を示すフローチャートである。 応答性補正部の制御による出力波形図である。 応答性補正部の別の制御による出力波形図である。 応答性補正部のさらに別の制御による出力波形図である。 (ａ)は従来の制御による電動機速度と開口特性を示す説明図、(ｂ)はポンプ圧特性図である。 本実施形態の制御による図８相当図である。 (ａ)は起動時、(ｂ)は停止時の指令電圧と電動機駆動電流とパイロット圧の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 下部走行体
２ キャビン
３ 上部旋回体
４ 作業アタッチメント
５ ブーム
６ アーム
７ バケット
８ ブームシリンダ
９ アームシリンダ
１０ バケットシリンダ
１１ 油圧ポンプ
１２ 電動機
１３ コントロールバルブ
１８ インバータ
１９ コントローラ
１９ａ 応答性補正部
２０ 操作体
２０ａ レバー

Claims (2)

1. 電動機に液圧ポンプが接続され、この液圧ポンプから吐出される作動液が方向制御弁を介して液圧アクチュエータに供給され、上記電動機と上記方向制御弁がコントローラによって制御され、このコントローラは操作手段から速度指令が入力された場合に、上記電動機の回転速度指令値を演算して出力するとともに上記方向制御弁の切換方向および切換量を演算して指令値として出力するように構成されている電動液圧アクチュエータ装置において、
   上記コントローラに、上記方向制御弁の動特性に応じ上記回転速度指令値の立ち上がりおよび立ち下がりの少なくともいずれか一方に遅れを持たせる指令値補正部が設けられ、上記指令値補正部は、上記コントローラからの指令とそのコントローラによって制御される上記電動機の動作開始タイミングとの間に無駄時間を設けることによって得られる遅れに、上記回転速度指令値の変化の割合を所定値以下に制限するレートリミッタによる遅れを付加するように構成されていることを特徴とする電動液圧アクチュエータ装置。
2. 上記液圧ポンプとして油圧ポンプを、上記液圧アクチュエータとして油圧アクチュエータを有し、請求項１に記載の電動液圧アクチュエータ装置を備えたことを特徴とする建設機械。