JP5792488B2 - 作業機械の油圧回路 - Google Patents

Description

本発明は、油圧作業機の油圧ポンプ制御装置、詳しくは、油圧ポンプの斜板を制御し吐出流量を減少させることで、ポンプ吸収トルクをエンジン最大出力トルク以下に制限する、いわゆる馬力制限機構を有する油圧ポンプ制御装置に関する。

油圧作業機においては、掘削作業などの各種作業中に油圧アクチュエータに過大な負荷が加わった場合でも、油圧ポンプの吸収トルクがエンジンの最大出力トルクを超えてエンジンストールしないように、油圧ポンプの斜板を制御し吐出流量を減少させることで、ポンプ吸収トルクをエンジン最大出力トルク以下に制限する、いわゆる馬力制限機構を有する。

上記馬力制限機構の中でも、過大な負荷により油圧ポンプの吸収トルクが増加した際のエンジンの回転数低下を検出し、エンジン回転数の低下量に応じて油圧ポンプの吐出量を減少させ、油圧ポンプの吸収トルクの最大値を制限する制御方式であるいわゆるスピードセンシング制御が知られている。そのスピードセンシング制御として特許文献１及び特許文献２に記載の公知技術がある。

特開昭５５−１２２４５号公報 特開昭５８−８８４８０号公報

ところが、油圧作業機での掘削作業中に、バケットの爪が固い岩盤に当たるなどして油圧アクチュエータの圧力が上昇した場合には、ポンプの吸収トルクが増加するのに合わせてエンジン回転数が低下しまう。

そして、アクチュエータでの負荷圧力の上昇が非常に早い場合、すなわちポンプ吸収トルクの上昇が非常に速く、エンジン回転数の低下の速度が非常に速い場合には、エンジン回転の低下を検出してからポンプ斜板角度の制御を開始するため、エンジン回転の低下速度に対してポンプ斜板角度の減少が間に合わず、エンジン回転数が大幅に低下する。このように、負荷投入後に大幅にエンジン回転が大幅に低下してしまうことは、オペレータに違和感を与えるとともに「力が弱い機械」という印象を与える問題点が生じていた。

そこで、請求項１に記載の発明は、電子制御エンジンと、電子制御エンジンによって駆動される一以上の可変容量型油圧ポンプと、可変容量型油圧ポンプからの圧油によって駆動される複数の油圧アクチュエータと、可変容量型油圧ポンプからの圧油を油圧アクチュエータに分配する複数の方向切換弁とを搭載した作業機械において、上記可変容量型油圧ポンプの斜板角度を制御可能とするポンプ容量制御手段と、ポンプ容量制御手段を駆動するパイロット圧を調圧可能なパイロット圧制御手段を設けると共に、上記エンジンの制御目標回転数を設定する目標回転数設定手段と、エンジンの実回転数を検出するエンジン回転数検出手段とを有し、目標回転数設定手段による制御目標回転数とエンジン回転数検出手段による実回転数との回転偏差を算出して、回転数偏差が大きくなれば、その偏差量に応じて上記ポンプ容量制御手段を駆動し、可変容量型油圧ポンプの吐出流量を減少させてスピードセンシング制御を実施するメインコントローラと、上記可変容量型油圧ポンプの吐出圧力を検出するポンプ圧力検出手段と、操作レバーの操作量を直接的に検出可能な構成の操作量検出手段とを備え、上記メインコントローラは、操作量検出手段で検出した操作レバーの操作量に基づきアクチュエータの要求流量を演算するとともに、検出したポンプ吐出圧力とアクチュエータ要求流量とによりポンプ吸収トルクを演算し、演算したポンプ吸収トルクの予測値が基準トルクを超える場合には、ポンプ容量制御手段を減量側に制御するフィードフォワード制御を実施し、 上記基準トルクは、スピードセンシング制御の目標トルク以上、かつ電子制御エンジンの最大トルク以下にするものである。

請求項１記載の本発明では、操作レバーの操作量を検出してアクチュエータの要求流量を算出するとともに、油圧ポンプの吐出圧力を検出し、検出したポンプ吐出圧力とアクチュエータの要求流量値より、油圧ポンプのポンプ吸収トルクを算出するようにしている。そして、算出（予測）したポンプ吸収トルクが基準トルクを超える場合には、過負荷によるエンジンの回転低下が始まる前に、メインコントローラがポンプ容量制御手段を減量側に制御しておく、いわゆるフィードフォワード制御を行う。以上により、過負荷投入時におけるエンジンの回転ダウンを防止することができる。更に、操作量検出手段として、操作レバーからの圧油の油圧を検出可能な圧力センサーや、操作レバーの回転角・移動幅等を検出可能なポテンショメータを使用することで、操作レバーの操作量を直接的に検出し、アクチュエータの要求流量を迅速に演算することができ、操作量検出手段を油圧回路内に設ける場合等に比べ、フィードフォワード制御の一層の高速化を図ることができる。加えて、ポンプ吸収トルクがスピードセンシング制御の目標トルクを超えない低負荷作業においては、フィードフォワード制御が作動せず、エンジンの出力を有効に使うことができる一方、ポンプ吸収トルクがスピードセンシング制御の目標トルクを超える高負荷作業においては、フィードフォ ワード制御の遅れを防止し、エンジンの大幅な回転ダウンを防止することができる。

この発明の実施形態における油圧制御装置の全体構成を示したブロック図である。 この発明の実施形態における油圧制御装置のフィードフォワード制御のフローを示したフローチャートである。 この発明の実施形態における油圧制御装置のブームの操作レバーの操作量とアクチュエータの要求流量との関係を示すグラフである。 この発明の実施形態における油圧制御装置のアームの操作レバーの操作量とアクチュエータの要求流量との関係を示すグラフである。 この発明の実施形態における油圧制御装置のフィードフォワード制御を実施した場合でのエンジン回転数とエンジン出力トルクとの関係を示すグラフである。 この発明の実施形態における油圧制御装置の油圧負荷投入時のエンジン回転数とポンプ吸収トルクとの関係を示すグラフである。 エンジン回転数及びポンプ吸収トルクについて従来技術の場合とフィードフォワード制御を実施した場合とを比較したグラフである。 この発明の実施形態における油圧制御装置のフィードフォワード制御を開始する基準トルクとスピードセンシング制御の目標トルクとを説明するグラフである。 従来技術におけるポンプ吸収トルクの時間変化率が小さい場合での油圧負荷投入時のエンジン回転数及びポンプ吸収トルクの関係を示すグラフである。 従来技術におけるポンプ吸収トルクの時間変化率が大きい場合での油圧負荷投入時のエンジン回転数及びポンプ吸収トルクの関係を示すグラフである。

本実施形態における作業機械の油圧ポンプ制御装置１０は、図１に示すように、基本的構造として、電子制御エンジン１１と、電子制御エンジン１１によって駆動されるひとつ以上の可変容量型油圧ポンプ１４と、可変容量型油圧ポンプ１４からの圧油によって駆動される複数の油圧アクチュエータ１５と、可変容量型油圧ポンプ１４からの圧油を油圧アクチュエータ１５に分配する複数の方向切換弁であるコントロールバルブ１６とを搭載している。

また、油圧ポンプ制御装置１０は、図１に示すように、上記可変容量型油圧ポンプ１４の斜板角度を制御可能とするポンプ容量制御手段であるレギュレータ２０と、レギュレータ２０を駆動するパイロット圧を調圧可能なパイロット圧制御手段である電磁比例弁２１を設けている。

電子制御エンジン１１は、エンジンＥとエンジンＥの燃料噴射を制御するＥＣＵ１２（エンジンコントロールユニット）を有する。エンジンＥは、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、可変容量ポンプに出力軸２３を介して動力を伝達することで、その可変容量型油圧ポンプ１４から圧油を吐出させる。

ＥＣＵ１２は、エンジンＥの回転数などに応じて燃料噴射量及びタイミングを制御する装置である。すなわち、ＥＣＵ１２は、燃料噴射量やタイミングを電子制御するプログラムが内蔵されたＣＰＵや燃料噴射制御のマップなどを記憶するＲＯＭ、その他の電子部品を備えている。

エンジンＥには実回転数を検出するエンジン回転数検出手段１３が配設されており、このエンジン回転数検出手段１３で検出したエンジンＥの実回転数に基づいて、目標回転数でエンジンＥが回転できるようにＥＣＵ１２に指令を出している。

また、ＥＣＵ１２には、目標回転数設定手段であるアクセルセンサ２２を電気的に接続しており、アクセルレバーやアクセルペダル等の操作位置をアクセルセンサ２２で検出して、エンジンＥへの燃料噴射量や噴射タイミングを制御可能としている。

可変容量型油圧ポンプ１４は、ポンプ容量制御手段としてのレギュレータ２０の作動によりそのポンプの斜板角度を変更することでポンプ吐出流量を制御可能としている。また、レギュレータ２０の作動は、パイロット圧制御手段としての電磁比例減圧弁２１による制御圧力により変更可能としている。電磁比例弁２１は、下記のメインコントローラ２４からの制御電流により駆動可能としている。

油圧アクチュエータ１５は、可変容量ポンプから吐出された圧油がコントロールバルブ１６を介して分配して供給されることにより駆動可能としている。油圧アクチュエータ１５としては、例えば、ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダである。また、可変容量型油圧ポンプ１４から吐出された圧油により、油圧モータを駆動可能としている。

圧力センサ１７は、可変容量ポンプから吐出する圧油の圧力を検出するようにしている。検出した圧力センサ１７の情報は下記のメインコントローラ２４に送信される。

操作レバー１８は、油圧作業機のオペレータシート近傍に配設され、その操作量に応じて、可変容量型油圧ポンプ１４における斜板角度を変更することにより、可変容量型油圧ポンプ１４からの作動油の吐出方向及び吐出量を調節するように構成されている。また、操作レバー１８の操作量を検出するレバー操作量検出手段１９（圧力センサまたはポテンショメータ）を有する。

さらに、本実施形態における油圧ポンプ制御装置１０はメインコントローラ２４を有する。メインコントローラ２４は、アクセルセンサ２２で設定したエンジンＥの制御目標回転数と、エンジン回転数検出手段１３で検出したエンジンＥの実回転数との情報を受け取り、その回転偏差を算出するようにしている。

そして、メインコントローラ２４は、エンジンＥの実回転数と制御目標回転数の回転数偏差が大きくなれば、その偏差量に応じて上記ポンプ容量制御手段を駆動し、可変容量ポンプの吐出流量を減少させて、馬力制限制御であるスピードセンシング制御を実施するようにしている。

メインコントローラ２４は、油圧作業機のエンジンＥやレギュレータ２０などの電子制御を行う部材であり、油圧回路を電子制御するプログラムが内蔵されたＣＰＵや今回の可変容量型油圧ポンプ１４の吐出に関するマップなどを記憶するＲＯＭ、その他の電子部品を備えている。

従来のスピードセンシング制御では、作業中にポンプ吸収トルク（油圧負荷）がエンジンＥの出力トルクを超える場合は、ポンプは吐出流量を減じて、過負荷によるエンジンストールを防止していた。

しかし、投入された油圧負荷の増加率が高い（上昇速度が速い）場合に、ポンプの吐出量の減少が間に合わず、ポンプ吸収トルク（油圧負荷）がエンジン出力トルクを大きく上回り、スピードセンシング制御での目標トルクに収束する際にエンジン回転の大幅なダウンが生じて、オペレータに違和感を与えていた。

また、エンジン回転が大幅に低下した後にポンプ斜板の制御が追いつき、回転数が上昇してスピードセンシング制御での目標回転数に復帰する際には、エンジンＥでの燃料噴射量が過多となり、無駄な燃料消費が発生していた。

図９及び図１０は、上記従来技術の問題を説明する説明図であり、図９は、ポンプ吸収トルクの時間変化率が小さい場合での油圧負荷投入時のエンジン回転数またはポンプ吸収トルクの関係を示すグラフである。また、図１０は、ポンプ吸収トルクの時間変化率が大きい場合での油圧負荷投入時のエンジン回転数またはポンプ吸収トルクの関係を示すグラフである。

図９に示すように、低負荷作業時から高負荷作業時に移行したときの、投入された油圧負荷（ポンプ吸収トルク）の時間変化率が小さい場合には、スピードセンシング制御によるポンプ吐出容量の減量が間に合うため、エンジン回転数の落ち込みは少ない。

ところが、図１０に示すように、低負荷作業時から高負荷作業時に移行したときの、投入された油圧負荷（ポンプ吸収トルク）の時間変化率が大きい場合には、エンジン回転数が落ち込んだ後にスピードセンシング制御によるポンプ吐出容量の減量が開始されるため、制御が間に合わない問題が生じていた。

そこで、本実施形態における油圧ポンプ制御装置１０では、メインコントローラ２４で演算したポンプ吸収トルクの予測値が目標とするトルク以上になった場合には、メインコントローラ２４からの指令により、ポンプ容量制御手段を減量側に制御する。

すなわち、操作レバー１８の操作量を検出してアクチュエータの要求流量を算出するとともに、可変容量型油圧ポンプ１４の吐出圧力を検出し、その検出したポンプ吐出圧力とアクチュエータの要求流量値より、可変容量型油圧ポンプ１４のポンプ吸収トルクを算出する。

そして、算出（予測）したポンプ吸収トルクが基準トルクを超える場合には、過負荷によるエンジンＥの回転低下が始まる前に、メインコントローラ２４がレギュレータ２０を減量側に制御しておく、いわゆるフィードフォワード制御を行う。以上により、過負荷投入時における急速なエンジンＥの回転ダウンを防止することができる。

以下、本願発明であるフィードフォワード制御のフローの詳細について説明する。

図２のＳ１０１工程に示すように、フィードフォワード制御では、まず、操作レバー１８の操作量をセンサにより検出する。ここで、操作レバー１８の操作量は、図３及び図４に示すような特性を示している。

図３は、ブームの操作レバー１８の操作量とアクチュエータの要求流量との関係を示すグラフである。図３に示すように、ブームレバーの操作量（＝センサ出力）に応じてアクチュエータの要求流量を増やす傾向にある。

図４は、アームの操作レバー１８の操作量とアクチュエータの要求流量との関係を示すグラフである。図４に示すように、アームレバーの操作量（＝センサ出力）に応じてアクチュエータの要求流量を増やす傾向にある。

図２のＳ１０２工程に示すように、上記のような特性を有する操作レバー１８で、レバーの操作量に基づいてアクチュエータの要求流量を算出する。すなわち、レバーの操作量をレバー操作量検出手段１９で検出し、図３及び図４に示す特性を利用して、メインコントローラ２４でアクチュエータの要求流量を算出する。

また、図２のＳ１０３工程に示すように、現在吐出しているポンプ吐出圧力を圧力センサ１７で検出する。その情報はメインコントローラ２４に送信される。

さらに、図２のＳ１０４工程に示すように、メインコントローラ２４は、検出したポンプ吐出圧力とアクチュエータの要求流量値より、可変容量型油圧ポンプ１４のポンプ吸収トルクを算出する。すなわち、メインコントローラ２４が、ポンプ吐出圧力とアクチュエータの要求流量値に基づいて可変容量型油圧ポンプ１４のポンプ吸収トルクを算出する。

ポンプ吸収トルク予測値Ｔは以下の式を用いて算出することができる。

ここで、ａは、定数、
Ｔは、ポンプ吸収トルク予測値（Ｎｍ）、
Ｐは、ポンプ吐出圧力（ＭＰａ）、
Ｎ：エンジン回転数（ｍｉｎ^-１）、
Ｑは、ポンプ吐出流量（＝アクチュエータ要求流量）（Ｌ／ｍｉｎ）
である。

そして、図２のＳ１０５工程に示すように、コントローラは、上記算出したポンプ吸収トルクが閾値（基準トルク）以上であるか否かを判断する。そして、図２のＳ１０６工程に示すように、ポンプ吸収トルクが閾値以上である場合には、電磁比例弁２１によりレギュレータ２０を駆動し、ポンプの斜板を減量側に制御する。なお、基準トルクは、機種によって決定されるが、本実施形態では、スピードセンシング目標トルクは２００Ｎｍである。また、エンジン最大出力トルクは２４０Ｎｍである。

図５は、本願発明に係るフィードフォワード制御を実施した場合でのエンジン回転数とエンジン出力トルクとの関係を示すグラフである。

まず、油圧作業機での掘削作業中に、バケットの爪が固い岩盤に当たるなどして油圧アクチュエータ１５の圧力が上昇した場合には、図５のＡ線に示すように、作業中にポンプ吸収トルク（油圧負荷）が大きくなり、エンジンＥの回転数が減少する。

更に、図５のＢ線に示すように、ポンプ吸収トルクが大きくなると、エンジン回転がエンジン制御目標回転数（＝エンジン制御目標トルク）よりも小さくなる。

この後、図５のＣ線に示すように、エンジン回転数検出手段１３で検出するエンジンＥの回転数が制御目標回転数以下になった場合、すなわち、制御目標トルクを超えた場合には、本願発明に係るフィードフォワード制御を実施してポンプ吐出流量を減じてエンジンストールを防止する。

そして、エンジンＥに加わる油圧負荷が制御目標トルク以上で存在し続ける間は、図５のＤ点に示すように、エンジン出力トルク（エンジン回転数）は制御目標トルク（制御目標回転数）となっている。

図６は油圧負荷投入時のエンジン回転数とポンプ吸収トルクの関係を示すグラフである。この図６に示すように、低負荷時のエンジン回転数から高負荷作業時のエンジン回転数に移行する時には、可変容量型油圧ポンプ１４のポンプ吸収トルクの上昇を予測して、エンジン回転数が落ちる前からポンプの吐出量制限を行うフィードフォワード制御を実施することで、ポンプの吐出容量減少の遅れを短くして、エンジンＥの大幅な回転ダウンを防止することができる。

図６に示すグラフにおいて、ポンプの吐出容量をアクチュエータ要求流量より予測した場合に、フィードフォワード制御を開始するトルクの閾値例を２２０Ｎｍとしている。また、スピードセンシング制御を開始する目標回転数を２０００ｍｉｎ^−１としている。

図７は、従来技術の場合とフィードフォワード制御を実施した場合でのエンジン回転数及びポンプ吸収トルクを比較したグラフである。図７に示すように、従来技術とフィードフォワード制御を実施した場合のエンジン回転数（本実施形態）とフィードフォワード制御のない場合のエンジン回転数とを比較すると、低負荷から高負荷に移行した場合でのエンジン回転数の落ち込みが少なくなる。

図８は、フィードフォワード制御を開始するポンプ吸収トルクの閾値（基準トルク）の設定範囲の例を示す説明図である。本実施形態では、図８に示すように、フィードフォワード制御を開始する基準トルクをスピードセンシング制御の目標トルクとエンジンＥの最大トルクとの間で設定している。

図８に示すように、フィードフォワード制御を開始する基準トルクはスピードセンシング制御の目標トルク以上である。このとき、スピードセンシング目標トルクは２００Ｎｍである。このように、低負荷作業においてはフィードフォワード制御が作動せず、エンジンＥの出力を有効に使うことができる。

これに対し、フィードフォワード制御を開始する基準トルクが低い場合は、低負荷作業においてもフィードフォワード制御が作動しポンプの吐出流量が減少するため、エンジンの出力を有効に使えず、作業性能が悪化する。

また、フィードフォワード制御を開始する基準トルクはエンジンＥの最大トルク以下である。このとき、エンジン最大出力トルクは２４０Ｎｍである。このように、フィードフォワード制御を開始する基準トルクをエンジンの最大出力トルク以下に設定することでフィードフォワード制御の遅れを防止し、エンジンＥの大幅な回転ダウンを防止することができる。これに対し、フィードフォワード制御を開始する基準トルクがエンジン最大出力トルクよりも高い場合は、フィードフォワード制御が遅れてエンジン回転ダウンが大きくなると共にエンジンストールが発生する。

Ｅ エンジン
１０ 油圧ポンプ制御装置
１１ 電子制御エンジン
１２ ＥＣＵ
１３ エンジン回転数検出手段
１４ 可変容量型油圧ポンプ
１５ 油圧アクチュエータ
１６ コントロールバルブ（複数の方向切換弁）
１７ 圧力センサ（ポンプ圧力検出手段）
１８ 操作レバー
１９ 操作量検出手段
２０ レギュレータ（ポンプ容量制御手段）
２１ 電磁比例弁（パイロット圧制御手段）
２２ アクセルセンサ（目標回転数設定手段）
２３ 出力軸
２４ メインコントローラ

Claims (1)

1. 電子制御エンジンと、電子制御エンジンによって駆動される一以上の可変容量型油圧ポンプと、可変容量型油圧ポンプからの圧油によって駆動される複数の油圧アクチュエータと、可変容量型油圧ポンプからの圧油を油圧アクチュエータに分配する複数の方向切換弁とを搭載した作業機械において、
   上記可変容量型油圧ポンプの斜板角度を制御可能とするポンプ容量制御手段と、ポンプ容量制御手段を駆動するパイロット圧を調圧可能なパイロット圧制御手段を設けると共に、
   上記エンジンの制御目標回転数を設定する目標回転数設定手段と、エンジンの実回転数を検出するエンジン回転数検出手段とを有し、目標回転数設定手段による制御目標回転数とエンジン回転数検出手段による実回転数との回転偏差を算出して、回転数偏差が大きくなれば、その偏差量に応じて上記ポンプ容量制御手段を駆動し、可変容量型油圧ポンプの吐出流量を減少させてスピードセンシング制御を実施するメインコントローラと、
   上記可変容量型油圧ポンプの吐出圧力を検出するポンプ圧力検出手段と、操作レバーの操作量を直接的に検出可能な構成の操作量検出手段とを備え、
   上記メインコントローラは、操作量検出手段で検出した操作レバーの操作量に基づきアクチュエータの要求流量を演算するとともに、検出したポンプ吐出圧力とアクチュエータ要求流量とによりポンプ吸収トルクを演算し、
   演算したポンプ吸収トルクの予測値が基準トルクを超える場合には、ポンプ容量制御手段を減量側に制御するフィードフォワード制御を実施し、
   上記基準トルクは、スピードセンシング制御の目標トルク以上、かつ電子制御エンジンの最大トルク以下にすることを特徴とする油圧ポンプ制御装置。

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