JP5078693B2 - ハイブリッド建設機械の制御装置 - Google Patents
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Description
また、電動モータでアクチュエータを作動させるので、例えば電気系統が故障したときには、装置自体が使用不能になるという問題もあった。
この発明の目的は、ブームシリンダの排出エネルギーを、電動モータのアシスト力として利用するとともに、必要に応じて電動モータに発電機能を発揮させるエネルギーとして利用する構成にして、上記従来の問題を解消したハイブリッド建設機械の制御装置を提供することである。
そして、上記コントローラは、ブーム用の操作弁に備えた上記センサーの出力信号を受信して、ブーム用の操作弁の操作方向および操作量を判定する機能と、それら操作方向および操作量に応じて上記比例電磁弁の開度を制御するとともに傾角制御器を介してサブポンプおよびアシストモータの傾転角を制御する機能とを備え、上記アシストモータの出力で、サブポンプおよび電動モータの出力をアシストする構成にしている。
第4の発明は、上記メインポンプは、ジェネレータを連係したエンジンの駆動力で回転する構成にする一方、上記電動モータに供給する電力を蓄電するバッテリーを設け、このバッテリーにはバッテリーチャージャーを接続し、このバッテリーチャージャーを、上記ジェネレータに接続するとともに、当該装置とは別の家庭用電源等の独立系電源にも接続可能にしている。
また、上記ブーム用の操作弁の操作方向および操作量に応じてサブポンプおよびアシストモータの傾転角を制御できるので、目的に応じたいろいろな制御が可能になる。例えば、アシストモータの回転力で電動モータに発電機能を発揮させたり、あるいは、アシストモータの回転力でサブポンプを回転させたりできる。
第2の発明によれば、コントローラは、ブーム用の操作弁の操作方向および操作量に応じて上記比例電磁弁の開度を制御するので、アシストモータを駆動させながら、ブームシリンダの作動速度を、ブーム用の操作弁の操作量すなわちオペレータの操作感覚にマッチさせることができる。
第3の発明によれば、サブポンプおよびアシストモータの回路系統に故障等が発生したとき、その回路系統をメインポンプの回路系統と分断することができる。
第4の発明によれば、電動モータの電源を多岐にわたらせることができる。
上記第1回路系統には、その上流側から順に、旋回モータRMを制御する旋回モータ用の操作弁1、図示していないアームシリンダを制御するアーム1速用の操作弁2、ブームシリンダBCを制御するブーム2速用の操作弁3、図示していない予備用アタッチメントを制御する予備用の操作弁4および図示していない左走行用モータを制御する左走行モータ用の操作弁5を接続している。
上記中立流路6であって、左走行モータ用の操作弁5の下流側にはパイロット圧生成機構8を設けている。このパイロット圧生成機構8はそこを流れる流量が多ければ高いパイロット圧を生成し、その流量が少なければ低いパイロット圧を生成するものである。
また、上記中立流路6は、上記操作弁1〜5のすべてが中立位置もしくは中立位置近傍にあるとき、第1メインポンプMP1から吐出された流体の全部または一部をタンクTに導くが、このときにはパイロット圧生成機構8を通過する流量も多くなるので、上記したように高いパイロット圧が生成される。
一方、上記操作弁1〜5がフルストロークの状態で切り換えられると、中立流路6が閉ざされて流体の流通がなくなる。したがって、この場合には、パイロット圧生成機構8を流れる流量がほとんどなくなり、パイロット圧はゼロを保つことになる。
ただし、操作弁1〜5の操作量によっては、ポンプ吐出量の一部がアクチュエータに導かれ、一部が中立流路6からタンクTに導かれることになるので、パイロット圧生成機構8は、中立流路6に流れる流量に応じたパイロット圧を生成する。言い換えると、パイロット圧生成機構8は、操作弁1〜5の操作量に応じたパイロット圧を生成することになる。
上記のようにしたパイロット流路9には第1圧力センサー11を接続するとともに、この第1圧力センサー11で検出した圧力信号をコントローラCに入力するようにしている。
上記中立流路16であって、アーム2速用の操作弁15の下流側にはパイロット圧生成機構18を設けているが、このパイロット圧生成機構18は、先に説明したパイロット圧生成機構8と全く同様に機能するものである。
上記のようにしたパイロット流路19には第2圧力センサー21を接続するとともに、この第2圧力センサー21で検出した圧力信号をコントローラCに入力するようにしている。
なお、上記バッテリーチャージャー23は、通常の家庭用の電源25に接続した場合にも、バッテリー24に電力を充電できるようにしている。つまり、このバッテリーチャージャー23は、当該装置とは別の独立系電源にも接続可能にしたものである。
上記の状態から旋回モータ用の操作弁1を例えば図面右側位置に切り換えると、一方の通路26が第1メインポンプMP1に接続され、他方の通路27がタンクTに連通する。したがって、通路26から圧力流体が供給されて旋回モータRMが回転するとともに、旋回モータRMからの戻り流体が通路27を介してタンクTに戻される。
旋回モータ用の操作弁1を上記とは逆に左側位置に切り換えると、今度は、通路27にポンプ吐出流体が供給され、通路26がタンクTに連通し、旋回モータRMは逆転することになる。
反対に、ブーム1速用の操作弁14を図面左方向に切り換えると、第2メインポンプMP2からの圧力流体は、通路33を経由してブームシリンダBCのロッド側室32に供給されるとともに、そのピストン側室31からの戻り流体は通路30を経由してタンクTに戻され、ブームシリンダBCは収縮することになる。なお、ブーム2速用の操作弁3は、上記ブーム1速用の操作弁14と連動して切り換るものである。
上記のようにしたブームシリンダBCのピストン側室31とブーム1速用の操作弁14とを結ぶ通路30には、コントローラCで開度が制御される比例電磁弁34を設けている。なお、この比例電磁弁34はそのノーマル状態で全開位置を保つようにしている。
上記可変容量型のサブポンプSPは、発電機兼用の電動モータMGの駆動力で回転するが、この電動モータMGの駆動力によって、可変容量型のアシストモータAMも同軸回転する構成にしている。そして、上記電動モータMGにはインバータIを接続するとともに、このインバータIをコントローラCに接続し、このコントローラCで電動モータMGの回転数等を制御できるようにしている。
また、上記のようにしたサブポンプSPおよびアシストモータAMの傾転角は傾角制御器35,36で制御されるが、この傾角制御器35,36は、コントローラCの出力信号で制御されるものである。
さらに、上記ブームシリンダBCと上記比例電磁弁34との間には、接続用通路42に連通する通路49を設けるとともに、この通路49にはコントローラCで制御される電磁開閉弁50を設けている。
今、第1回路系統の操作弁1〜5を中立位置に保っていれば、第1メインポンプMP1から吐出する流体の全量が中立流路6およびパイロット圧生成機構8を経由してタンクTに導かれる。このように第1メインポンプMP1の吐出全量がパイロット圧生成機構8を流れるときには、そこで生成されるパイロット圧が高くなるとともに、パイロット流路9にも相対的に高いパイロット圧が導かれる。そして、パイロット流路9に導かれた高いパイロット圧の作用で、レギュレータ10が動作し、第1メインポンプMP1の吐出量を最小に保つ。このときの高いパイロット圧の圧力信号は、第1圧力センサー11からコントローラCに入力される。
なお、コントローラCが、上記のように第1,2メインポンプMP1,MP2の吐出量が最小である旨の信号を受信したとき、コントローラCが電動モータMGの回転を停止してもよいし、その回転を継続させてもよい。
電動モータMGの回転を止める場合には、消費電力を節約できるという効果があり、電動モータMGを回転し続けた場合には、サブポンプSPおよびアシストモータAMも回転し続けるので、当該サブポンプSPおよびアシストモータAMの起動時のショックを少なくできるという効果がある。いずれにしても、電動モータMGを止めるかあるいは回転し続けるかは、当該建機の用途や使用状況に応じて決めればよいことである。
また、上記のように第1メインポンプMP1あるいは第2メインポンプMP2の吐出量を増大するときには、コントローラCは、電動モータMGを常に回転した状態に保つ。つまり、第1,2メインポンプMP1,MP2の吐出量が最小のときに電動モータMGを停止した場合には、コントローラCは、パイロット圧が低くなったことを検知して、電動モータMGを再起動させる。
上記のようにこの実施形態によれば、2つの第1,2圧力センサー11,21の圧力信号だけで、コントローラCが、サブポンプSPの傾転角および第1,2比例電磁絞り弁40,41の開度を制御できるので、圧力センサーの数を少なくできる。
また、旋回モータRMが旋回している最中に旋回モータ用の操作弁1を中立位置に切り換えると、前記したように通路26,27間で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁28あるいは29が当該閉回路のブレーキ圧を維持して、慣性エネルギーを熱エネルギーに変換する。
このときコントローラCは、圧力センサー47からの圧力信号に応じて、アシストモータAMの傾転角を制御するが、それは次のとおりである。
そこで、上記通路26あるいは27の圧力を、上記旋回圧あるいはブレーキ圧に保つために、コントローラCはアシストモータAMの傾転角を制御しながら、この旋回モータRMの負荷を制御するようにしている。つまり、コントローラCは、圧力センサー47で検出される圧力が上記旋回モータRMの旋回圧あるいはブレーキ圧とほぼ等しくなるように、アシストモータAMの傾転角を制御する。
また、上記アシストモータAMの回転力でサブポンプSPの回転力をアシストすることもできるが、このときには、アシストモータAMとサブポンプSPとが相まって圧力変換機能を発揮させる。
すなわち、上記アシストモータAMの出力は、1回転当たりの押しのけ容積Q1とそのときの圧力P1の積で決まる。また、サブポンプSPの出力は1回転当たりの押しのけ容積Q2と吐出圧P2の積で決まる。そして、この実施形態では、アシストモータAMとサブポンプSPとが同軸回転するので、Q1×P1=Q2×P2が成立しなければならない。そこで、例えば、アシストモータAMの上記押しのけ容積Q1を上記サブポンプSPの押しのけ容積Q2の3倍すなわちQ1=3Q2にしたとすれば、上記等式が3Q2×P1=Q2×P2となる。この式から両辺をQ2で割れば、3P1=P2が成り立つ。
したがって、サブポンプSPの傾転角を変えて、上記押しのけ容積Q2を制御すれば、アシストモータAMの出力で、サブポンプSPに所定の吐出圧を維持させることができる。言い換えると、旋回モータRMからの流体圧を増圧してサブポンプSPから吐出させることができる。
なお、上記接続用通路42,43系統の圧力が何らかの原因で、旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなったときには、圧力センサー47からの圧力信号に基づいてコントローラCは、電磁切換弁46を閉じて、旋回モータRMに影響を及ぼさないようにする。
また、接続用通路42に流体の漏れが生じたときには、安全弁48が機能して通路26,27の圧力が必要以上に低くならないようにして、旋回モータRMの逸走を防止する。
ブームシリンダBCを作動させるために、ブーム1速用の操作弁14およびそれに連動する操作弁3を切り換えると、センサー14aによって、上記操作弁14の操作方向とその操作量が検出されるとともに、その操作信号がコントローラCに入力される。
上記のように比例電磁弁34を閉じて電磁開閉弁50を開位置に切り換えれば、ブームシリンダBCの戻り流体の全量がアシストモータAMに供給される。しかし、アシストモータAMで消費する流量が、オペレータが求めた下降速度を維持するために必要な流量よりも少なければ、ブームシリンダBCはオペレータが求めた下降速度を維持できない。このようなときには、コントローラCは、上記操作弁14の操作量、アシストモータAMの傾転角や電動モータMGの回転数などをもとにして、アシストモータAMが消費する流量以上の流量をタンクTに戻すように比例電磁弁34の開度を制御し、オペレータが求めるブームシリンダBCの下降速度を維持する。
一方、電動モータMGに対して電力を供給せず、上記アシストモータAMの回転力だけで、サブポンプSPを回転させることもできるが、このときには、アシストモータAMおよびサブポンプSPが、上記したと同様にして圧力変換機能を発揮する。
上記のように旋回モータRMを旋回させながら、ブームシリンダBCを下降させるときには、旋回モータRMからの流体と、ブームシリンダBCからの戻り流体とが、接続用通路42で合流してアシストモータAMに供給される。
このとき、接続用通路42の圧力が上昇すれば、それにともなって合流通路43側の圧力も上昇するが、その圧力が旋回モータRMの旋回圧あるいはブレーキ圧よりも高くなったとしても、チェック弁44,45があるので、旋回モータRMには影響を及ぼさない。
また、前記したように接続用通路42側の圧力が旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなれば、コントローラCは、圧力センサー47からの圧力信号に基づいて電磁切換弁46を閉じる。
いずれにしても、アシストモータAMの出力で、サブポンプSPの出力をアシストできるとともに、サブポンプSPから吐出された流量を、第1,2比例電磁絞り弁40,41で按分して、第1,2回路系統に供給することができる。
上記のようにチェック弁52,53を設けるとともに、電磁切換弁46および電磁開閉弁50あるいは比例電磁弁51を設けたので、例えば、サブポンプSPおよびアシストモータAM系統が故障した場合に、第1,2メインポンプMP1,MP2系統と、サブポンプSPおよびアシストモータAM系統とを切り離すことができる。特に、電磁切換弁46,比例電磁弁51および電磁開閉弁50は、それらがノーマル状態にあるとき、図面に示すようにスプリングのバネ力で閉位置であるノーマル位置を保つとともに、上記比例電磁弁34,比例電磁弁51も全開位置であるノーマル位置を保つので、電気系統が故障したとしても、上記のように第1,2メインポンプMP1,MP2系統と、サブポンプSPおよびアシストモータAM系統とを切り離すことができる。
MP2 第2メインポンプ
1 旋回モータ用の操作弁
2 アーム1速用の操作弁
BC ブームシリンダ
3 ブーム2速用の操作弁
4 予備用の操作弁
5 左走行モータ用の操作弁
9 パイロット流路
10 レギュレータ
C コントローラ
12 右走行モータ用の操作弁
13 バケット用の操作弁
14 ブーム1速用の操作弁
14a センサー
15 アーム2速用の操作弁
20 レギュレータ
21 第2圧力センサー
SP サブポンプ
35,36 傾角制御器
AM アシストモータ
MG 発電機兼用の電動モータ
40,41 第1、2比例電磁絞り弁
Claims (4)
- 可変容量型のメインポンプと、このメインポンプの傾転角を制御するレギュレータと、ブームシリンダと、上記メインポンプに接続したブーム用の操作弁と、この操作弁の操作方向および操作量を検出するセンサーと、上記メインポンプに接続するとともに上記ブーム用の操作弁以外の操作弁と、ブームシリンダのピストン側室とブーム用の操作弁との間に設けた比例電磁弁と、メインポンプの吐出側に接続するとともに傾角制御器で傾転角が制御される可変容量型のサブポンプと、ブームシリンダの戻り流れに対して上記比例電磁弁の上流側に接続しその戻り流体によって作動するとともに傾角制御器で傾転角が制御される可変容量型のアシストモータと、これらサブポンプとアシストモータとを同軸回転させる発電機兼用の電動モータと、ブーム用の操作弁に備えた上記センサー、上記比例電磁弁、上記両傾角制御器および電動モータを制御するコントローラとを備え、上記コントローラは、ブーム用の操作弁に備えた上記センサーの出力信号を受信して、ブーム用の操作弁の操作方向および操作量を判定する機能と、それら操作方向および操作量に応じて上記比例電磁弁の開度を制御するとともに傾角制御器を介してサブポンプおよびアシストモータの傾転角を制御する機能とを備え、上記アシストモータの出力で、サブポンプおよび電動モータの出力をアシストする構成にしたハイブリッド建設機械の制御装置。
- 上記コントローラは、アシストモータの傾転角からその負荷を演算し、この負荷と、ブーム用の操作弁の操作方向および操作量とに応じて、上記比例電磁弁の開度を制御する構成にした請求項1記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
- サブポンプとメインポンプとを連通させる通路過程に、サブポンプからメインポンプへの流通のみを許容するチェック弁を設け、ブームシリンダとアシストモータとを連通させる通路過程に、スプリングのバネ力で閉位置であるノーマル位置を保つ電磁開閉弁を設けた請求項1又は2記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
- 上記メインポンプは、ジェネレータを連係したエンジンの駆動力で回転する構成にする一方、上記電動モータに供給する電力を蓄電するバッテリーを設け、このバッテリーにはバッテリーチャージャーを接続し、このバッテリーチャージャーを、上記ジェネレータに接続するとともに、当該装置とは別の家庭用電源等の独立系電源にも接続可能にした請求項1〜3のいずれかに記載したハイブリッド建設機械の制御装置。
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