JP5542016B2 - 作業機械の駆動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械に用いられる駆動装置の制御方法に関し、詳しくは、油圧モータと電動機とによって構造体を駆動する作業機械の駆動制御方法に関する。

従来、油圧ショベル、クレーン、ホイールローダ、ブルドーザ等の動力機械類（この明細書及び特許請求の範囲の書類では、これらの動力機械類（重機）を総称して「作業機械」という）が土木・建設工事などに使用されている。例えば、油圧ショベルを例に説明すると、油圧ショベルには、下部走行体の上部に上部旋回体（構造体）が設けられ、この上部旋回体に、エンジンや運転席、バケットが先端に設けられたアーム、アームに連結されたブーム等が備えられている。そのため、この上部旋回体は大型の重量物になっている。また、この上部旋回体は、作業時に運転席のリモコン弁を操作することにより、上記下部走行体の上部で旋回させられ、またブーム等が操作されて先端のバケットによって各種作業が行われる。

このような旋回体は、旋回駆動するための駆動装置によって旋回させられており、近年、この駆動装置として、油圧モータと電動機とを備えたものが提案されている。

例えば、この種の駆動装置を備えた作業機械として、油圧モータを駆動源とする油圧ユニットと電動機を駆動源とする電動ユニットとを設け、旋回時にコントローラとインバータによって電動機を制御し、そのトルクで油圧ユニットをアシストするようにした駆動装置を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。この作業機械では、駆動装置の定常旋回時および減速時に電動機に回生作用を行わせて回生電力を蓄電器に蓄えるようにしている。また、駆動装置の制御手段としては、旋回時に、要求されるトルクを求め、その要求トルクが設定値を超えたときに電動機から必要なトルクが出力されるようにしている。つまり、電動ユニットによって油圧ユニットをアシストし、全体として必要な最大トルクを確保しながら電動ユニットのアシスト分を調整することで、必要なトルクを発生させるようにしている。また、上記制御手段は、油圧モータ回路に設けられたリリーフ弁によるリリーフ時間を短縮する方向で電動機の出力トルクを制御するように構成されている。

さらに、他の先行技術として、油圧アクチュエータと電動・発電機の駆動力を合成する駆動力合成機構を有するハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械に、制動時に発生するエネルギを有効に活用するために連通弁（バイパス弁）を設けて、旋回体の慣性エネルギを電動・発電機で電気エネルギとして効率良く回生しようとしたものがある（例えば、特許文献２参照）。この先行技術では、油圧アクチュエータの駆動力と、この油圧アクチュエータと協動する電動・発電機の駆動力との比率を設定する設定手段として、油圧モータに内蔵されたリリーフ弁を用いている。

また、他の先行技術として、油圧アクチュエータの両ポートの差圧を検出し、この差圧に関連させて、油圧アクチュエータに併設された電動・発電機に対してトルク指令を行うようにしたものもある（例えば、特許文献３参照）。この先行技術では、旋回体を油圧モータと電動・発電機の駆動・制動トルクとの和で駆動制御するように構成され、駆動時は制動時に比較して、油圧モータの出力トルクの割合が大きくなるように調整する調整手段として、油圧モータの駆動・停止時の最高駆動圧力を制御するリリーフ弁を設けるとともに、このリリーフ弁の起動加速時の作動圧力を、減速停止時の作動圧力より高くなるようにしている。

特開２００５−２９０８８２号公報 特開２００８−２９１５２２号公報 特開２００８−６３８８８号公報

ところで、作業機械における構造体の動作としては、例えば、油圧ショベルによる土砂の掘削積込み作業等のように、上部旋回体を急激に加速、減速する作業が多い。そのため、上記したような大型の重量物で慣性体である上部旋回体を所望の速度で旋回させようとして、リモコン弁を速く、且つ大きく操作することが多い。

しかしながら、上記特許文献１〜３は、いずれも、旋回体を駆動する油圧モータと電動機とによるトルク分担の油圧モータトルク調整手段としてリリーフ弁を使用しているため、油圧モータのトルクコントロール時には油圧ポンプから吐出された作動油の余剰流量はリリーフ弁からタンクへ排出されることになり、エネルギ損失が発生する。

すなわち、上記したようにリモコン弁を速く、且つ大きく操作することで、油圧ポンプからは大量の作動油が吐出されるが、油圧モータが所望の速度に達するまでは作動油の余剰流量がタンクへ排出されるので、油圧ポンプからのエネルギの一部を廃棄することとなり、エネルギ利用効率が低下する。このようなエネルギ利用効率の低下は、旋回体以外の構造体を加速駆動する駆動装置においても同様に生じる。

そこで、本発明は、リモコン弁の操作量と油圧モータの回転数と油圧モータの吸入ポートと排出ポートとにおける作動油圧力差に応じて、油圧ポンプから油圧モータに供給する油量を制御することでエネルギ損失を抑えることができる作業機械の駆動制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、傾転角制御で吐出流量の変更が可能な油圧ポンプからコントロール弁を介して供給する作動油で駆動する油圧モータと、該油圧モータと協動する電動機とによって構造体を駆動する作業機械の駆動制御方法であって、前記構造体の動作量を決定するリモコン弁の操作量に基く速度指令に対し、前記油圧モータの実回転数に基く速度フィードバック制御と、前記油圧モータの吸入ポートと排出ポートとにおける作動油圧力差に基く差圧フィードバック制御とを行うことで、前記油圧モータの実回転数における必要量の作動油量を吐出するように傾転指令を生成し、前記油圧ポンプを傾転角制御するようにし、前記リモコン弁の逆レバー操作による減速時に、前記油圧ポンプの傾転角を最小にするとともに前記コントロール弁を中立位置に設定し、前記油圧モータに減速抵抗を生じさせるようにしている。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「構造体」は、例えば、旋回動作をする構造体、直線動作をする構造体等をいう。また、減速抵抗としては、電動機によるブレーキトルクや、電磁リリーフ弁によるブレーキトルクなどが該当する。これにより、リモコン弁の操作量と油圧モータの実回転数の差に応じた駆動トルクを油圧モータで得るために適した作動油量で、且つ油圧モータの実回転数に適した作動油量を吐出するように油圧ポンプの傾転角が制御される。つまり、油圧ポンプから油圧モータに供給される作動油量を、実回転数に適した量で、且つリモコン弁の操作量と油圧モータの実回転数の差に応じた駆動トルクを得るために必要な量に制御することができ、エネルギ効率の向上を図ることが可能となる。しかも、逆レバー操作による減速時の油圧ポンプ損失を低減できるとともに、電動機のトルクを増加するか、あるいはブレーキ側の電磁リリーフ弁の設定圧力を増加することにより、油圧モータの短い減速時間を確保することができる。

また、前記差圧フィードバック制御を行った信号に対し、前記実回転数に基づく速度信号を制御ゲインを介して加えることで、前記油圧モータの実回転数に適した作動油量を供給するように前記傾転指令に対して流量補償を行うようにしてもよい。このようにすれば、差圧フィードバック制御による油圧ポンプの傾転指令に対して実回転数における必要油量が得られるように流量補償を行うので、変化する実回転数に応じた必要油量となるように油圧ポンプの傾転制御を行うことができ、応答性を向上させることができる。

さらに、前記流量補償を行った傾転指令と、前記差圧フィードバック信号を入力した差圧指令との間に、前記傾転指令の変化分をフィードバックさせるマイナーループを設けて昇圧補償を行うようにしてもよい。このようにすれば、流量補償を行った傾転指令の高周波領域でのゲインをマイナーループのフィードバック制御で下げて圧力制御の安定性を向上させることができる。

また、前記油圧ポンプと油圧モータとの間の油路に設けた電磁リリーフ弁の設定圧を、前記傾転指令の設定値を超えて油圧ポンプから吐出される作動油を逃す設定圧に制御するようにしてもよい。このようにすれば、傾転角制御によって吐出される作動油が設定圧を超えた場合に電磁リリーフ弁から逃して、安定した圧力の作動油を油圧モータに供給するようにできる。

また、前記油圧モータの減速時は、該油圧モータの回路は循環させて減速エネルギは全量を電動機を用いて蓄電器へ回収し、前記油圧ポンプの傾転角は最小として、吐出油は前記コントロール弁を介して全量タンクへ逃すようにしてもよい。このようにすれば、電動機の回生作用によって慣性エネルギのほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収することができるとともに、油圧ポンプによる無駄なエネルギ消費を抑えることができる。

さらに、前記構造体の初期加速時に、該構造体の加速に要するトルクから電動機で出力可能な駆動トルクを除き、不足分のトルクを前記油圧モータの駆動トルクで補うように前記油圧ポンプの傾転指令を行うようにしてもよい。このようにすれば、慣性体である構造体の初期加速時に、その構造体の加速に要するトルクを、蓄電器の電圧に基く電動機で出力可能な駆動トルクと、その電動機の駆動トルクを除いた不足分を油圧モータの駆動トルクで補うように、それぞれのエネルギを演算しながら駆動制御を行うので、蓄積電気エネルギの利用効率を高くすることができる。しかも、油圧モータの作動油量は、電動機の駆動トルクを除いた不足分を補うように傾転角が制御された油圧ポンプから供給されるため、エネルギ効率の高い運用が可能となる。

また、前記リモコン弁の操作量に基く油圧ポンプからの作動油で駆動する油圧モータに加えて、他の第二リモコン弁の操作量に基く第二油圧ポンプからの作動油で駆動する第二油圧アクチュエータを備えた作業機械の駆動制御方法であって、前記油圧ポンプの傾転角制御を行う傾転指令を前記いずれかの作業機械の駆動制御方法によって算出し、該油圧ポンプの傾転指令に基く信号と該油圧ポンプの動力制限に基く信号とを比較して最小値選択をした信号で前記油圧ポンプの傾転角制御を行い、前記第二リモコン弁の操作量に基く信号と、二台のポンプの合計動力制限から第一油圧ポンプの実動力を除いた動力制限を前記第二油圧ポンプの動力制限とし、その動力制限に基く信号とを比較して最小値選択をした信号で前記第二油圧ポンプの傾転角制御を行うようにしてもよい。このようにすれば、複数台の油圧ポンプで駆動する複数の油圧アクチュエータを備えた作業機械において、旋回体の旋回駆動は電動機の駆動トルクで分担した分の不足分を油圧モータで補うようにすればよいため、電動機の駆動トルク分を第二油圧ポンプの駆動動力として用いることができ、蓄積電気エネルギと、作業機械に予め設定されているポンプの動力制限とを最大限利用したエネルギ効率の良い運転ができる。

本発明によれば、リモコン弁の操作量に応じて油圧モータを駆動する作動油量が最適となるように油圧ポンプの傾転角が制御されるので、油圧モータで構造体を駆動するためのエネルギ効率を向上させることが可能となる。しかも、逆レバー操作による減速時の油圧ポンプ損失を低減できるとともに、油圧モータの短い減速時間を確保することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る駆動制御装置の油圧回路図である。 図１に示す駆動制御装置における油圧ポンプの傾転制御方法を示す系統図である。 図２に示す傾転制御方法による各指令を模式的に示す図面であり、(a) はリモコン弁の操作量を示すグラフ、(b) は油圧ポンプの傾転指令を示すグラフである。 図１に示す駆動制御装置の制御ブロック図である。 図１に示す駆動制御装置による旋回体の駆動シーケンス図である。 図１に示す駆動制御装置における他の制御方法を示す油圧回路図である。 本発明の第２実施形態に係る駆動制御装置の油圧回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。以下の実施形態では、作業機械の構造体として油圧ショベルの上部旋回体（以下、単に「旋回体」という）を例に説明する。図１に示すように、第１実施形態に係る駆動制御装置１としては、旋回体（図示略）を油圧モータ２と電動機３との協動によって旋回駆動し、油圧モータ２の減速時には、電動機３の回生機能によって油圧モータ２の慣性エネルギ（運動エネルギ）を電気エネルギに変換して回収するように構成されている。この電動機３に回生作用を行わせて発電機とする回生機能は、公知の技術であるため、詳細な説明は省略する。

また、上記旋回体の旋回方向及び旋回速度等の動作量を決定するリモコン弁５が設けられている。このリモコン弁５は、旋回体の旋回方向を決定する傾倒ハンドル４を有しており、この傾倒ハンドル４を傾倒する方向、角度、及び速度等によって旋回体の旋回方向、速度及び加速度が決定される。リモコン弁５には、操作量に応じた二次圧を検出する圧力センサ６が設けられ、この圧力センサ６で検出された左右ポートの差圧が、旋回体を回転させるための速度指令（回転数指令）として制御装置７に入力されるようになっている。正の信号を正回転とすると、負の信号は逆回転となる。

一方、上記油圧モータ２は、油圧ポンプ１０で吐出される作動油によって駆動されており、油圧ポンプ１０から作動油を吸入・排出する油圧モータ回路１１に接続されている。この油圧モータ回路１１は、油圧モータ２の吸入ポートと排出ポートとに接続された油路１２，１３がコントロール弁１４を介して接続されている。油圧モータ２の吸入ポートと排出ポートとは、回転方向によって逆になる。

また、上記油圧モータ回路１１の油路１２，１３の間には、油圧モータ２の減速時にこれらの油路１２，１３を連通させることで油圧モータ２の排出側において発生する損失を回避する電磁リリーフ弁１５，１６が設けられている。この電磁リリーフ弁１５，１６は、油圧モータ２の正回転、及び逆回転時に作動油が流れる方向が異なるので、油路１２，１３のそれぞれの方向に向けて設けられている。

さらに、油路１２，１３の間には、通常使用時の圧力を超えた場合にタンク２１へ作動油を逃すように作動するリリーフ弁２２と、油路１２，１３内での油循環時に油量が減るとタンク２１から油を吸引するチェック弁２３とが設けられている。

また、この実施形態では、コントロール弁１４の旋回セクションのパイロットポート１７，１８に電磁減圧弁１９，２０が設置されている。この電磁減圧弁１９，２０には、一次圧として上記リモコン弁５の二次圧が導かれており、制御装置７から電磁減圧弁１９，２０の二次圧が制御できるようになっている。この例の電磁減圧弁１９，２０は、逆比例型が用いられている。

さらに、上記油圧モータ２の吸入ポートと排出ポートには圧力センサ２５，２６がそれぞれ設けられており、これらの圧力センサ２５，２６で検出された圧力の差圧が差圧フィードバックとして制御装置７に入力されている。この油圧モータ２の吸入および排出ポートの差圧により、制御装置７内で油圧モータ２の発生トルクが推定される（負の信号の場合は、逆トルク）。

また、上記電動機３は、この電動機３を駆動するための電力を蓄える蓄電器２７と上記制御装置７を介して接続されている。この蓄電器２７は、制御装置７を介して電動機３との間で電力の授受を行うようになっており、旋回体を回転駆動するために油圧モータ２が加速する時には、油圧モータ２と協動する電動機３へ電力を供給するよう放電し、油圧モータ２が減速する時には、油圧モータ２を制動するよう電動機３に回生作用を生じさせて得た回生電力が蓄電される。このように、上記制御装置７は、油圧モータ２の加速時においては、油圧モータ２と協動する電動機３へ回転指令を出し、油圧モータ２の減速時においては、油圧モータ２を制動するよう電動機３に回生指令を行うようになっている。

さらに、上記電動機３には回転数センサ２４が設けられており、この回転数センサ２４によって検出された実回転数が速度フィードバックとして上記制御装置７に入力されている。この速度フィードバックにより、制御装置７内でリモコン弁５からの速度指令（回転数指令）と実回転数の差から加速度が求められる。

そして、上記油圧ポンプ１０には、傾転角を制御するために、傾転角調整ポート４０に電磁比例減圧弁４１が設けられており、上記制御装置７からの信号によってこの電磁比例減圧弁４１のソレノイド電流が制御されて油圧ポンプ１０の傾転角制御が行われるようになっている。この電磁比例減圧弁４１は、比例型が用いられている。この電磁比例減圧弁４１による油圧ポンプ１０の傾転角制御は、上記リモコン弁５の速度指令に対して油圧モータ２の実回転数における必要量の作動油量が吐出されるように、制御装置７からの傾転指令によって行われる。

この制御装置７による具体的な制御としては、リモコン弁５からの速度指令（回転数信号）、油圧モータ２の差圧信号に基く差圧フィードバック（トルク信号）、及び電動機３の回転数信号に基く速度フィードバック（実回転数）に基いて、電動機３と油圧モータ２に設定されたトルクが得られるように制御される。つまり、電動機３を回転させるとともに、電動機３のトルク不足分を補うように油圧ポンプ１０の電磁比例減圧弁４１に傾転指令が送られ、この油圧ポンプ１０から供給される作動油によって油圧モータ２が回転させられるようになっている。

しかも、この制御装置７による制御では、リモコン弁５が操作されて加速と判断した際には、蓄電器２７に電動機３の運転が可能な電気エネルギが蓄積されている場合は、この電気エネルギで優先的に電動機３を駆動し、トルク不足分が上記したように制御される油圧ポンプ１０から供給される作動油で駆動される油圧モータ２によって補われる。この期間、電磁リリーフ弁１５，１６は作動しないことを基本とするが、油圧ポンプ１０の傾転角制御による圧力制御性能を補うために補助的に使用してもよい。

つまり、上記駆動制御装置１における油圧モータ２は、リモコン弁５の操作量に基いた旋回駆動トルクから電動機３によるトルクを除いた不足分が得られるように、油圧ポンプ１０の傾転角調整ポート４０に設置された電磁比例減圧弁４１のソレノイド電流が制御装置７からの傾転指令に基いて制御されて傾転角が制御される油圧ポンプ１０からの作動油によって駆動される。この場合、コントロール弁１４は、圧力損失が最小となるように開度が設定される。この開度は、基本的に最大開度に設定される。

その上、油圧ポンプ１０の傾転角を制御することにより、電動機３によるトルクと油圧モータ２によるトルクとの配分を変更することが可能であるため、例えば、蓄電器２７の蓄積エネルギが規定値以下になると、電動機３のトルクを徐々に滅少させると同時に油圧モータ２のトルクを増加させて、電動機３から油圧モータ２への切換えをショックレスでスムーズに行うことができる。そして、最終的には、リモコン弁５からの回転数指令によって決まる必要な油量が得られるように油圧ポンプ１０の傾転角が設定される。詳細は後述する。この電動機３と油圧モータ２のトルク配分は、最もエネルギ利用率が良好となる比率に予め設定しておき、電動機３と油圧モータ２のトルクに関連する状態変化（蓄電器２７の蓄電エネルギが既定値以下など）に応じて変動させ、電動機３と油圧モータ２の合計トルクが、必要な旋回駆動トルクとなるようにする。

一方、リモコン弁５が操作されて減速と判断された際には、電動機３に回生作用を行わせて慣性エネルギを電気エネルギに変換した回生電力を蓄電器２７に蓄える。このときブレーキ側の電磁リリーフ弁１５又は１６をアンロードにして作動油を循環させるとともに、油圧ポンプ１０の傾転角は最小、コントロール弁１４は全閉として、油圧ポンプ１０の吐出油はコントロール弁１４を介して全量がタンクへバイパスして、消費エネルギを最小にする。

また、電動機３ですべての慣性エネルギが回収できないと判断した場合（電動機３で発生させるべきブレーキトルクが許容値を超えた場合、蓄電器２７の電圧、電流制御値が許容値を超えた場合等）、ブレーキ側電磁リリーフ弁１５又は１６の設定圧力を調整して油路１２，１３内の抵抗を増やすことにより、不足するブレーキトルクを油圧モータ２で発生させることができる。

このように、加速時は、油圧ポンプ１０の傾転角を調整して供給する作動油量で油圧モータ２の必要発生トルクを制御して、電磁リリーフ弁１５又は１６は原則として作動しないようにし、減速時は、ブレーキ側の電磁リリーフ弁１５又は１６をアンロードにして作動油を循環させて、減速エネルギは原則として全量を電動機を用いて蓄電器２７へ回収するようにしている。

次に、図２に基いて、上記油圧ポンプ１０の傾転角制御を詳細に説明する。なお、上記制御装置７は図示を省略する。上記油圧ポンプ１０の傾転角制御としては、電動機３の回転数センサ２４からの実回転数信号が上記リモコン弁５からの速度指令に対して速度フィードバックとして入力され、その信号に対して速度制御５１を行って速度指令に対するフィードバック制御を行った後、その信号から電動機３で出力可能なトルクを除くことで差圧指令が作成される。

そして、その差圧指令に油圧モータ２の吸入ポートと排出ポートとに設けられた圧力センサ２５，２６の作動油圧力差に基く差圧信号が制御ゲイン５３を介して差圧フィードバックとして入力され、その信号に対して圧力制御５４を行って差圧指令に対するフィードバック制御を行った後の信号が、制御ゲイン５５を介して傾転指令として油圧ポンプ１０の電磁比例減圧弁４１に出力されて油圧ポンプ１０の傾転角が制御される。

ところで、油圧ポンプ１０の傾転角制御を行う場合、油圧ポンプ１０に備えられた傾転機構の応答性が一般的に遅い。そこで、図示する系統図では、油圧ポンプ１０の傾転角制御に流量補償と昇圧補償とを加えることで、応答性を改善するようにしている。

流量補償としては、上記電動機３に設けられた回転数センサ２４の信号から得られる油圧モータ２の実回転数に基いて制御ゲイン５０により計算した必要なポンプ油量を、上記圧力制御５４を行った後の傾転指令の操作量に加えることで、最新の実回転数に則した傾転指令が最終的な指令として出力されるようにしている。しかも、これによって圧力制御器（圧力制御５４）の変化量を少なくして、傾転機構の応答性を向上することができ、またダイナミックレンジを確保することもできる。

また、上記昇圧補償としては、上記流量補償した傾転指令と、上記差圧フィードバックによって補正された差圧指令との間に、ポンプの傾転指令の変化分をフィードバックするマイナーループ５６を設ける。つまり、ポンプの傾転指令に対して微分動作（Ｄ動作）の制御演算が行われ、この制御演算後の信号が上記差圧フィードバックによって補正された差圧指令に対してフィードバックされることによって高周波領域でのゲインを下げることができ、圧力制御の安定性が向上する。換言すれば、傾転指令の変化分が吐出圧力の変化分に反映されるので、上記昇圧補償によって傾転指令が平滑化されることにより、圧力制御の安定性が向上する。この昇圧補償は、後述する図３(b) に示すように、ポンプ傾転指令に対して油圧ポンプ１０から吐出される作動油に生じる圧力変化（一点鎖線４５で示す、ポンプ吐出圧変動時のポンプ傾転指令の例）の高周波領域のゲインを下げて安定性を向上させるものである。

このように、この実施形態では、油圧ポンプ１０の傾転角制御に、流量補償と昇圧補償とを行うことによって、高速で且つ安定した制御特性を得ることができるようにしている。

そして、このように油圧ポンプ１０の傾転角制御を行うことで、リモコン弁５からの速度指令と、油圧モータ２の実回転数と、油圧モータ２の吸入ポートと排出ポートの圧力差と、に基いて油圧ポンプ１０から吐出される作動油量を適した量に制御することが可能となり、通常運転時にはリリーフ弁２２から油圧ポンプ１０の作動油を排出することがなくなり、エネルギ効率の向上を図ることができる。

図３(a) にリモコン弁操作量と時間の関係と、(b) にポンプ傾転指令と時間の関係を示す。上記した油圧ポンプ１０の傾転角制御による作動油量変化と、リモコン弁５の操作量の関係としては、(a) に示すように、リモコン弁５が急激に大きく操作されたとしても、(b) に示すように、電動機３に設けられた回転数センサ２４からの油圧モータ実回転数に基づく速度フィードバックにより、その実回転数に適した吐出油量となるように油圧ポンプ１０の傾転角制御が行われる。従って、油圧ポンプ１０からは実回転数に適した作動油量（実線４６）以上の作動油が吐出されることがなくなり、エネルギ効率の良い運転が可能となる。

つまり、図３(b) に示すように、従来は、リモコン弁５が急激に大きく操作されると、二点鎖線で示すようにその操作量に応じた作動油量を吐出していたので、図示する斜線部分がリリーフされてエネルギ効率を悪化させていた。しかし、上記したように油圧ポンプ１０の傾転角制御を行うことで、実線４６で示すように実回転数に適した作動油量が油圧ポンプ１０から吐出されるので、リリーフされる作動油量を大幅に減らしてエネルギ効率の良い運転が可能となる。

図４に示すように、上記駆動制御装置１における制御ブロック図としては、リモコン弁５の傾倒方向と操作量から、速度指令演算３０によって速度が演算される。この速度は、電動機３に設けられた回転数センサ２４からの速度フィードバックとの差から必要な加速度が加速度演算３１によって演算され、その加速度の加速トルクが加速トルク演算３２によって演算される。

一方、蓄電器２７の電圧が蓄電器電圧検出３３によって検出され、その電圧と上記加速トルク演算３２で演算された全体のトルクなどに基いて、電動機トルク算出３４によって電動機３で出力可能なトルクが算出される。この算出された電動機３で出力可能なトルクは、上記加速トルク演算３２で演算された全体のトルクから減算され、この減算されたトルクが油圧モータ２に必要なトルクとして算出される。なお、油圧モータ２に必要なトルクに制限が必要な場合（例えば、油圧モータ２の吸入ポート圧をある値以上にしたい場合など）は、全体トルクから逆に油圧モータ２に必要なトルクを減算して電動機３で出力すべきトルクを算出してもよい。

そして、油圧モータ２の制御としては、この油圧モータ２に必要なトルクに対して差圧指令演算３５がなされ、この差圧指令に対して、油圧モータ２の吸入・排出ポートにおける圧力を検出する圧力センサ２５，２６からの差圧フィードバックと比較された後、圧力制御３６によって傾転指令が出されて、傾転角制御５７が行われる。これにより、油圧モータ２に対して、電動機３で出力できるトルクを除いた分のトルクを出力することができる量の作動油が供給されて駆動される。

一方、電動機３の制御としては、上記電動機トルク算出３４で算出されたトルクを出力するように電流指令演算３７で電流が演算され、この演算結果に対して電動機３に供給される電流フィードバックが比較された後、電流制御３８によって制御された電流で電力変換器３９が制御されて、電動機３が駆動されるようになっている。この電動機３の駆動は、回転数センサ２４によって検出されて、上記速度フィードバックとして速度指令演算３０の演算結果にフィードバックされる。

次に、図５に基いて、上記駆動制御装置１による動作シーケンスの一例を説明する。この動作シーケンスは、リモコン弁５による速度指令、旋回体の速度フィードバック、電動機３のトルク、油圧モータ２の吸排差圧トルク、及びこれら電動機３と油圧モータ２とによる合計トルクの時間変化を示している。

図示する例では、リモコン弁５を一方に傾倒することで速度フィードバックに示すように旋回体を一方向に「加速」・「定速」で旋回させた後、リモコン弁５を中立に戻して「減速」させた後、他方に傾倒させて旋回体を逆方向に「加速」・「定速」・「減速」で旋回させる例を示している。

上記リモコン弁５を操作して図示する上向き（一方へ旋回）の速度指令が出されると、慣性体である旋回体を回転させるためのトルクとして、電動機３を予め決められたトルクで回転させることで蓄電器２７は放電され、この電動機３によるトルクの不足分を補うように油圧モータ２が駆動される。これにより、これら電動機トルクと油圧モータトルクとの合計トルクによって、慣性体である旋回体を旋回開始時に加速させるための大きな合成トルクが得られるように駆動される。つまり、停止状態の旋回体を旋回させる開始時に、最大の省エネルギ効果が得られるように電動機３の出力を利用し、その不足分を油圧モータ２で補うようにしている。そして、定速旋回時には小さな旋回トルクを油圧モータ２のみによって得るような運転とし、減速時には電動機３の回生作用によって慣性エネルギのほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収して蓄電器２７に蓄電している。

図では、この動作後、逆方向に向けてリモコン弁５を操作した時も示しているが、向きが逆のトルクを発生させる他は上記作用と同一であるため、その説明は省略する。

このように、上記第１実施形態に係る駆動制御装置１によれば、リモコン弁５の操作量に基いた全トルクに対し、電動機３によって発生させることができるトルクの不足分を油圧モータ２で発生させるようにしており、この油圧モータ２を駆動する作動油量は、油圧ポンプ１０の傾転角を制御することで調整するので、電動機３と油圧モータ２とによって旋回体を駆動するためのエネルギ効率を向上させることが可能となる。しかも、蓄電器２７の電圧を監視し、電動機３に供給できるエネルギを演算しながら旋回制御を行うので、蓄積エネルギの利用効率を向上させることができる。その上、電動機３によるアシスト分、旋回作業時間を短縮することができ、ポンプ損失を低減することができる。

また、油圧モータ２の減速時には、電磁リリーフ弁１５又は１６を開放することによって油圧モータ２の排出側において発生する圧力損失を回避し、旋回体の慣性エネルギのほぼ全量を電動機３の回生作用による電気エネルギとして回収することができるので、エネルギ効率の良い駆動制御装置１の運用ができる。

さらに、旋回体の停止時に、この種の油圧駆動による油の圧縮効果等によって生じる揺れ戻りが起こらないように、上記電動機３の回転数を観測して停止時に電動機３のトルクを制御することで乗り心地を改善することもできる。また、電動機３と油圧モータ２のトルクを個別に制御するので、旋回フィーリングの設定も自由にできる。

ところで、図６に示すように、リモコン弁５を一方に傾倒して旋回動作等を行わせている状態から、このリモコン弁５を逆方向に大きく傾倒して旋回動作を早急に止めるような逆レバー操作を行う場合があるが、従来の油圧回路では、逆レバー操作による減速期間中、リモコン弁５の操作量に応じて油圧ポンプ１０から所定の作動油量が吐出されるため、ポンプ損失が大きく発生するという課題がある。図１と同一の構成には、同一符号を付して説明する。

図６に示す例では、この逆レバー操作を行うと、その逆レバー操作による減速期間中、ポンプ傾転を最小、且つコントロール弁１４を中立に設定することで、ポンプ損失を低減させることができる。この時、制御装置７から電動機３にブレーキ指令が出されてトルクを増加させるか、又はブレーキ側の電磁リリーフ弁１５又は１６の設定圧力を増加させることにより油圧モータ２のブレーキ力が大きくなるように制御される。このように制御することで、油圧ポンプ１０による損失を抑制して、従来の油圧回路と同様の短い減速時間は保つことができる。

一方、図７に示すように、油圧ショベルの上部旋回体のように、旋回体の旋回操作に加えてブーム等の駆動体を操作するような複合操作を行う機械もある。このように１台の機械に複数の駆動体を備えた第２実施形態の駆動制御装置６０における制御方法を、この図に基いて説明する。この図では、制御装置７に関する構成の記載を省略し、図１と同一の構成には同一符号を付して説明する。

図示する例では、旋回体を旋回させる油圧モータ２と電動機３とを備えるとともに、ブームを上昇又は下降させるブームシリンダ６１を備えた例を示している。このような構成の場合、旋回体を駆動する上述した油圧ポンプ１０（この図の説明では、「第一油圧ポンプ１０」とする）に加えて、ブームシリンダ６１を操作する第二油圧ポンプ６２が設けられている。この第二油圧ポンプ６２は、第二コントロール弁６３を介して上記ブームシリンダ６１と接続されており、この第二コントロール弁６３を切換えることでブームシリンダ６１を上昇又は下降させるようになっている。

また、このブームシリンダ６１の第二コントロール弁６３を操作するブームリモコン弁６４が設けられており、このブームリモコン弁６４の操作によって第二コントロール弁６３が切換えられるようになっている。なお、この複合操作を行う回路では、上述したコントロール弁１４（この図の説明では、「第一コントロール弁１４」とする）の後流側に合流弁６５が設けられ、ブームリモコン弁６４の上昇操作によって切り換えることで、上述したリモコン弁５（この図の説明では、「旋回リモコン弁５」とする）とブームリモコン弁６４とにおける制御圧の違いによって、第一油圧ポンプ１０が吐出する作動油を第二油圧ポンプ６２が吐出する作動油に合流させてブームシリンダ６１の動作をアシストすることが可能なようになっている。但し、ブーム上昇操作と旋回操作を同時に行う複合操作を行った場合に、第一油圧ポンプ１０が吐出する作動油を第二油圧ポンプ６２が吐出する作動油に合流させると、上述した図２で示す第一油圧ポンプ１０の傾転角制御が有効に機能しないので、図示する例では、第一油圧ポンプ１０が吐出する作動油の合流をやめて（合流弁６５を切り換えない）、第二油圧ポンプ６２が吐出する作動油のみで、ブーム上昇操作を行うようにしている。

そして、このような複合操作を行う回路では、上記第一油圧ポンプ１０の傾転角制御を、旋回リモコン圧信号Ｐ１０に基いてポジコン制御により出力されるＱ１Ａと、圧力センサ４３によって検出された第一油圧ポンプ１０の吐出圧信号Ｐ１に基いて第一ポンプ動力制限により出力されるＱ１Ｂとを比較して最小値選択することにより行う。図示する旋回リモコン圧信号Ｐ１０は、図２に示す傾転指令である。

また、第一油圧ポンプ１０の吐出圧信号Ｐ１には動力制限が定められているが、この例では、２台のポンプ１０，６２の合計動力制限（エンジン出力等によって決まっている動力制限）が第一油圧ポンプ１０の動力制限となっており、上記したようにそのポジコン制御出力Ｑ１Ａと、第一ポンプ動力制限出力Ｑ１Ｂとが比較されて最小値選択され、この最小値選択された信号によって第一油圧ポンプ１０の比例減圧弁４１が制御され、傾転角制御が行われる。

一方、上記第二油圧ポンプ６２の傾転制御としては、ポジコン制御により出力されるＱ２Ａと、第二ポンプ動力制限によって出力されるＱ２Ｂとが比較されて最小値選択され、第二ポンプ吐出量Ｑ２として出力される。第二油圧ポンプ６２のポジコン制御は、上記ブームリモコン弁６４の上昇側のブームリモコン圧信号Ｐ２０に基いてＱ２Ａを出力する。第二ポンプ動力制限出力Ｑ２Ｂは、圧力センサ６６によって検出された第二油圧ポンプ６２の吐出圧信号Ｐ２、上記第一油圧ポンプ１０の吐出圧信号Ｐ１、及び上記最小値選択された第一油圧ポンプ１０の傾転指令に基く第一油圧ポンプ１０吐出量Ｑ１の信号に基いて算出される。この例の第二油圧ポンプ６２の動力制限は、２台のポンプ１０，６２の合計動力制限から第一油圧ポンプ１０の実動力（Ｐ１×Ｑ１）を引いた値の動力制限となっている。このような動力制限により、両ポンプ１０，６２の合計出力が機械の原動機（図示略）の駆動能力を超えない範囲で制御が行われるようにしている。この最小値選択された信号が、第二油圧ポンプ６２の傾転角調整ポート６７に設けられた電磁比例減圧弁６８に傾転指令として出力されて傾転角制御が行われる。

このような回路において、上述した蓄電器２７（図１）に電動機３を運転することが可能な電気エネルギが蓄積されている場合には、第一油圧ポンプ１０の傾転角制御を上述した図２に示す方法で行うことで旋回油圧モータ２のトルク制御を行い、他方の第二油圧ポンプ６２でブームシリンダ６１の駆動を行う。

この場合、旋回体の駆動は電動機３による駆動トルクの不足分を補うように油圧モータ２を駆動すればよいので、作業機械に予め定められている油圧ポンプ１０，６２の駆動動力の内、油圧モータ２の駆動に要する油圧ポンプ１０の動力以外の動力を第二油圧ポンプ６２の駆動動力とすることができ、第二油圧ポンプ６２によって大きな力を発揮することができる。

このように、ダブルポンプの場合には、上記したように各ポンプ１０，６２の傾転角を個別に制御することで、蓄積電気エネルギと、作業機械に予め設定されているポンプの駆動動力とを最大限利用した効率的なハイブリッド運転が実現できる。また、個別に各ポンプの１０，６２の傾転角制御を行うことで、それぞれの制御に作業効率重視（例えば、スピードモード）及び燃費重視（例えば、エコモード）を設定し、それらを作業者が選択するようにすることもできる。

以上説明したように、上記駆動制御方法によれば、旋回体を駆動するために必要なトルクから電動機３の駆動トルクを除いた不足分を油圧モータ２の駆動トルクで補うように、この油圧モータ２の旋回動作に必要な油量だけを油圧ポンプ１０の傾転角を制御することで供給するので、油圧モータ２のトルク制御手段としてリリーフ弁を使用することなくエネルギ損失の低減を図ることができ、旋回体を駆動するためのエネルギ効率を向上させて燃費の改善を図ることが可能となる。

また、旋回体の慣性エネルギ（回転エネルギ）を、減速時に電動機３の回生作用によってほぼ全量を電気エネルギとして効率良く回収して蓄電器２７に蓄えて次の旋回体の加速時に使用するので、エネルギの利用効率が向上し、作業機械の燃費改善につながるとともに、温暖化ガスの排出も抑制することができる。

しかも、上述した実施形態では、蓄電器２７の蓄積エネルギを優先的に使用して電動機３を駆動し、不足分を油圧モータ２で補うので、迅速な加速と蓄積エネルギの利用効率を向上させることが可能となる。

また、油圧モータ２のトルク配分は、油圧ポンプ１０の傾転角制御によって調整することができるので、電動機３から油圧モータ２への切換えをショックレスで行うことができる。

なお、上記実施形態では、蓄電器２７の蓄積エネルギを優先的に使用して電動機３を駆動し、不足分のトルクを油圧モータ２で補う例を説明したが、蓄電器２７の蓄積エネルギが少ない場合は電動機３を使用することなく油圧モータ２のみによって旋回体を回転駆動することもあり、必ずしも電動機３を優先的に使用して不足分を油圧モータ２で補う構成に限定されるものではない。

また、蓄電器２７に電動機３の運転が可能なエネルギが蓄積されている場合は、旋回に必要な加速トルク指令から油圧モータトルク指令を減じることで電動機トルク指令を求め、不足トルクを電動機３で補うようにしてもよい。

さらに、油圧モータ２の背圧側に設けられた圧力センサ２６（図では右側）からのモータ背圧フィードバックを差圧指令に加えた圧力信号を油圧モータ上流側の電磁リリーフ弁１５のリリーフ圧力指令とするようにしてもよい。このようにすれば、電磁リリーフ弁１５の制御圧力が系に必要な圧力より小さく設定されることがないようにできる。

また、上記実施形態では、作業機械の構造体として油圧ショベルの上部旋回体を例に説明したが、クレーンの旋回体、ホイールローダの走行体等、他の作業機械における構造体にも適用することができ、上述した実施形態に限定されるものではない。

さらに、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

本発明に係る作業機械の駆動制御方法は、油圧ショベルや油圧クレーン等の重機で、駆動系に油圧モータと電動機とを並設した作業機械において利用することができる。

１ 駆動制御装置
２ 油圧モータ（旋回油圧モータ）
３ 電動機
４ 傾倒ハンドル
５ リモコン弁（旋回リモコン弁）
６ 圧力センサ
７ 制御装置
１０ 油圧ポンプ（第一油圧ポンプ）
１１ 油圧モータ回路
１２，１３ 油路
１４ コントロール弁（第一コントロール弁）
１５，１６ 電磁リリーフ弁
１７，１８ パイロットポート
１９，２０ 電磁減圧弁
２１ タンク
２２ リリーフ弁
２３ チェック弁
２４ 回転数センサ
２５，２６ 圧力センサ
２７ 蓄電器
３０ 速度指令演算
３１ 加速度演算
３２ 加速トルク演算
３３ 蓄電器電圧検出
３４ 電動機トルク算出
３５ 差圧指令演算
３６ 圧力制御
３７ 電流指令演算
３８ 電流制御
３９ 電力変換器
４０ 傾転角調整ポート
４１ 電磁比例減圧弁
４２ 高圧選択
４３ 圧力センサ
４５ ポンプ吐出圧変動時のポンプ傾転指令の例
４６ 実回転数に適したポンプ傾転指令の例
５０ 制御ゲイン（速度フィードバック）
５１ 速度制御
５３ 制御ゲイン（差圧フィードバック）
５４ 圧力制御
５５ 制御ゲイン（傾転指令）
５６ マイナーループ
５７ 傾転角制御
６０ 駆動制御装置
６１ ブームシリンダ
６２ 第二油圧ポンプ
６３ 第二コントロール弁
６４ ブームリモコン弁
６６ 圧力センサ
６７ 傾転角調整ポート
６８ 電磁比例減圧弁

Claims (7)

1. 傾転角制御で吐出流量の変更が可能な油圧ポンプからコントロール弁を介して供給する作動油で駆動する油圧モータと、該油圧モータと協動する電動機とによって構造体を駆動する作業機械の駆動制御方法であって、
   前記構造体の動作量を決定するリモコン弁の操作量に基く速度指令に対し、前記油圧モータの実回転数に基く速度フィードバック制御と、前記油圧モータの吸入ポートと排出ポートとにおける作動油圧力差に基く差圧フィードバック制御とを行うことで、前記油圧モータの実回転数における必要量の作動油量を吐出するように傾転指令を生成し、前記油圧ポンプを傾転角制御するようにし、
   前記リモコン弁の逆レバー操作による減速時に、前記油圧ポンプの傾転角を最小にするとともに前記コントロール弁を中立位置に設定し、前記油圧モータに減速抵抗を生じさせるようにしたことを特徴とする作業機械の駆動制御方法。
2. 前記差圧フィードバック制御を行った信号に対し、前記実回転数に基づく速度信号を制御ゲインを介して加えることで、前記油圧モータの実回転数に適した作動油量を供給するように前記傾転指令に対して流量補償を行うようにした請求項１に記載の作業機械の駆動制御方法。
3. 前記流量補償を行った傾転指令と、前記差圧フィードバック信号を入力した差圧指令との間に、前記傾転指令の変化分をフィードバックさせるマイナーループを設けて昇圧補償を行うようにした請求項２に記載の作業機械の駆動制御方法。
4. 前記油圧ポンプと油圧モータとの間の油路に設けた電磁リリーフ弁の設定圧を、前記傾転指令の設定値を超えて油圧ポンプから吐出される作動油を逃す設定圧に制御するように制御した請求項２又は３に記載の作業機械の駆動制御方法。
5. 前記油圧モータの減速時は、該油圧モータの回路は循環させて減速エネルギは全量を電動機を用いて蓄電器へ回収し、
   前記油圧ポンプの傾転角は最小として、吐出油は前記コントロール弁を介して全量タンクへ逃すようにした請求項１〜４のいずれか１項に記載の作業機械の駆動制御方法。
6. 前記構造体の初期加速時に、該構造体の加速に要するトルクから電動機で出力可能な駆動トルクを除き、不足分のトルクを前記油圧モータの駆動トルクで補うように前記油圧ポンプの傾転指令を行うようにした請求項１〜５のいずれか１項に記載の作業機械の駆動制御方法。
7. 前記リモコン弁の操作量に基く油圧ポンプからの作動油で駆動する油圧モータに加えて、他の第二リモコン弁の操作量に基く第二油圧ポンプからの作動油で駆動する第二油圧アクチュエータを備えた作業機械の駆動制御方法であって、
   前記油圧ポンプの傾転角制御を行う傾転指令を請求項１〜４のいずれか１項に記載の作業機械の駆動制御方法によって算出し、該油圧ポンプの傾転指令に基く信号と該油圧ポンプの動力制限に基く信号とを比較して最小値選択をした信号で前記油圧ポンプの傾転角制御を行い、
   前記第二リモコン弁の操作量に基く信号と、二台のポンプの合計動力制限から第一油圧ポンプの実動力を除いた動力制限を前記第二油圧ポンプの動力制限とし、その動力制限に基く信号とを比較して最小値選択をした信号で前記第二油圧ポンプの傾転角制御を行うようにした作業機械の駆動制御方法。

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