JP5814835B2 - ショベル - Google Patents

Description

本発明は電動機を用いて旋回体を旋回駆動するショベルに関する。

一般的に、掘削作業等を行なうショベルには旋回体が設けられ、掘削作業を行なうためのブーム、アーム及びバケットが旋回体に設けられる。旋回体を旋回させることで、バケットをショベルの周囲の任意の位置に移動する。旋回用油圧モータで旋回体を旋回駆動することを油圧旋回と称する。また、旋回用電動機で旋回体を旋回駆動することを電動旋回と称する。

従来、電動旋回を採用する電動旋回ショベルとしては、エンジン駆動の油圧ポンプが吐出する作動油でブーム、アーム及びバケットのそれぞれを動かす複数の油圧アクチュエータと、エンジン駆動の発電機が発電する電気で旋回体を旋回させる旋回用電動機とを備えたショベルが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この構成により、特許文献１に記載のショベルは、例えば、旋回体を旋回させながらブームを上昇させる複合操作を行う場合であっても、油圧旋回ショベルのようにブームや旋回体の動きを鈍らせることがない。具体的には、油圧旋回を採用する油圧旋回ショベルでは、ブーム及び旋回体が共に油圧ポンプによって駆動されるため、ブーム及び旋回体を同時に動かした場合に、ブームシリンダ及び旋回用油圧モータのそれぞれに対する作動油の供給量が制限されてしまう。これに対し、電動旋回ショベルでは、ブームが油圧ポンプ（ブームシリンダ）によって駆動され、旋回体が旋回用電動機によって駆動されるため、ブーム及び旋回体を同時に動かした場合であっても、旋回用電動機に対する電力の供給量が制限されないためである。

特開２００５−２９９１０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のショベルは、油圧旋回ショベル、すなわち、複合操作の際に旋回体の動きが鈍るショベルに慣れた操作者にとっては使い勝手の悪いものとなってしまう。

本発明は上述の課題に鑑みなされたものであり、油圧旋回ショベルに慣れた操作者にとっても使い勝手のよい電動旋回ショベルを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施形態に係るショベルは、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、旋回機構を旋回駆動する旋回用電動機と、前記油圧アクチュエータを操作する操作レバーの操作量に応じて前記旋回用電動機の出力を制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。

上述の手段により、本発明は、油圧旋回ショベルに慣れた操作者にとっても使い勝手のよい電動旋回ショベルを提供することができる。

ハイブリッド式ショベルの側面図である。 図１のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 図１のハイブリッド式ショベルの蓄電系の構成を示すブロック図である。 図２の電動旋回制御部の構成を示すブロック図である。 油圧旋回ショベルに搭載される油圧回路と電動旋回ショベルに搭載される油圧回路とを比較するための図である。 第１仮想油圧旋回制御の流れを示すブロック図である。 絞り開度と第１旋回トルク上限値との対応関係を表す参照マップの１例を示す図である。 旋回単独操作に続いてブーム上げ旋回操作が行われる場合の旋回速度の推移を示す図（その１）である。 第２仮想油圧旋回制御の流れを示すブロック図である。 旋回単独操作に続いてブーム上げ旋回操作が行われる場合の旋回速度の推移を示す図（その２）である。

図１は、本発明の実施例に係るハイブリッド式ショベルの側面図である。

ハイブリッド式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４、アーム５、及びバケット６と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が設けられる。また、上部旋回体３には、キャビン１０及び動力源が搭載される。

図２は、ハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を一点鎖線でそれぞれ示す。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、発電も行うアシスト駆動部としての電動発電機１２は、ともに変速機１３の入力軸に接続されている。また、変速機１３の出力軸には、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。

コントロールバルブ１７は、油圧系の制御を行う制御装置である。コントロールバルブ１７には、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続される。

電動発電機１２には、インバータ１８を介して、蓄電用のキャパシタ又はバッテリを含む蓄電系１２０が接続されている。本実施例では蓄電系１２０は蓄電器としてキャパシタを含むものとする。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。

図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータ１００とＤＣバス１１０とを含む。ＤＣバス１１０は、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。

昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８、２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。また、上述では蓄電器としてキャパシタを例として示したが、キャパシタの代わりに、リチウムイオン電池等の充電可能な二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。

図２に戻り説明を続ける。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。

操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及びレバー操作検出部としての圧力センサ２９がそれぞれ接続される。この圧力センサ２９には、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０が接続されている。

エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１等の動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。

エンジン１１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、その出力軸は変速機１３の一方の入力軸に接続される。このエンジン１１は、ショベルの運転中は常時運転される。

電動発電機１２は、力行運転及び発電運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ２０によって交流駆動される電動発電機を示す。電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は変速機１３の他方の入力軸に接続される。

変速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸のそれぞれには、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸が接続される。出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。エンジン１１の負荷が大きい場合には、電動発電機１２が力行運転を行い、電動発電機１２の駆動力が変速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。これによりエンジン１１の駆動がアシストされる。一方、エンジン１１の負荷が小さい場合は、エンジン１１の駆動力が変速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が発電運転を行う。電動発電機１２の力行運転と発電運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。

メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生するポンプである。メインポンプ１４が発生した油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９のそれぞれを駆動するために供給される。パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。

コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９のそれぞれに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。

インバータ１８は、上述の如く電動発電機１２と蓄電系１２０との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。これにより、インバータ１８が電動発電機１２の力行を運転制御している際には、必要な電力を蓄電系１２０から電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２の発電運転を制御している際には、電動発電機１２により発電された電力を蓄電系１２０のキャパシタ１９に蓄電する。

蓄電系１２０は、インバータ１８とインバータ２０との間に配設されている。これにより、電動発電機１２と旋回用電動機２１の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、蓄電系１２０は、力行運転に必要な電力を供給するとともに、少なくともどちらか一方が発電運転を行っている際には、蓄電系１２０は発電運転によって発生した電力を電気エネルギとして蓄積する。

インバータ２０は、上述の如く旋回用電動機２１と蓄電系１２０との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、インバータ２０は、旋回用電動機２１が力行運転をしている際には、必要な電力を蓄電系１２０から旋回用電動機２１に供給する。また、旋回用電動機２１が発電運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力を蓄電系１２０のキャパシタ１９に蓄電する。

旋回用電動機２１は、力行運転及び発電運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力が減速機２４にて増幅され、上部旋回体３が加減速制御され回転運動を行う。また、発電運転の際には、上部旋回体３の慣性回転は、減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機２１は、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機である。旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機２１にて発電される電力を増大させることができる。

なお、蓄電系１２０のキャパシタ１９の充放電制御は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（力行運転又は発電運転）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、コントローラ３０によって行われる。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサである。具体的には、レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１Ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出することにより、旋回機構２の回転角度及び回転方向が導出される。

メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式スイッチにより制動／解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ３０によって行われる。

旋回変速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転を減速して旋回機構２に機械的に伝達する変速機である。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転力を増力させ、より大きな回転力を旋回体へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、旋回体で発生した回転を増速して旋回用電動機２１に機械的に伝達することができる。

旋回機構２は、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

操作装置２６は、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の下に設けられる。

操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量（例えば、中立位置を基準としたレバー傾斜角度である。）に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。

レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃが操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、バケット６が駆動される。

レバー操作検出部としての圧力センサ２９は、レバー２６Ａの操作による、油圧ライン２８内の油圧の変化を検出する。そして、圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力される。これにより、レバー２６Ａの操作量を的確に把握することができる。また、本実施例では、レバー操作検出部として圧力センサを用いたが、レバー２６Ａの操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。

コントローラ３０は、ショベルの駆動制御を行う制御装置であり、駆動制御部３２、電動旋回制御部４０、及び主制御部６０を含む。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成される。駆動制御部３２、電動旋回制御部４０及び主制御部６０は、コントローラ３０のＣＰＵが内部メモリに格納される駆動制御用のプログラムを実行することにより、実現される機能要素である。

駆動制御部３２は、電動発電機１２の運転制御（力行運転又は発電運転の切り替え）、及び、キャパシタ１９の充放電制御を行うための機能要素である。駆動制御部３２は、エンジン１１の負荷の状態とキャパシタ１９の充電状態に応じて、電動発電機１２の力行運転と発電運転を切り替える。駆動制御部３２は、電動発電機１２の力行運転と発電運転を切り替えることにより、インバータ１８を介してキャパシタ１９の充放電制御を行う。

電動旋回制御部４０は、インバータ２０を介して旋回用電動機２１の駆動制御を行って上部旋回体３の旋回動作を制御するための機能要素である。

図４は、電動旋回制御部４０の構成を示すブロック図であり、電動旋回制御部４０は、速度指令変換部３１及び駆動指令生成部５０を含む。

速度指令変換部３１は、圧力センサ２９から入力される信号を速度指令に変換する演算処理部である。これにより、レバー２６Ａの操作量は、旋回用電動機２１を回転駆動させるための速度指令(rad/s)に変換される。この速度指令は、駆動制御部３２、駆動指令生成部５０、及び主制御部６０に入力される。

駆動指令生成部５０は、旋回用電動機２１を駆動するためのトルク電流増減値（トルク指令値）を生成する機能要素である。駆動指令生成部５０には、レバー２６Ａの操作量に応じて速度指令変換部３１から出力される速度指令が入力される。駆動指令生成部５０は、速度指令に基づきトルク指令値を生成する。トルク指令値はインバータ２０に入力される。インバータ２０は、トルク指令値に応じたＰＷＭ制御により旋回用電動機２１を交流駆動する。

インバータ２０は、駆動指令生成部５０から受けるトルク指令値によりトルク電流値を増減させて電動機２１を左方向又は右方向に加速又は減速させる。なお、インバータ２０は、例えば、トルク電流値がマイナス側に大きいほど上部旋回体３を左方向に旋回させる旋回用電動機２１のトルクを増大させるようにし、トルク電流値がプラス側に大きいほど上部旋回体３を右方向に旋回させる旋回用電動機２１のトルクを増大させるようにする。

主制御部６０は、電動旋回制御装置４０の制御処理に必要な周辺処理を行う機能要素である。具体的な処理内容については、関連箇所においてその都度説明する。

駆動指令生成部５０は、減算器５１、ＰＩ制御部５２、トルク制限部５３、及び旋回動作検出部５８を含む。この駆動指令生成部５０の減算器５１には、レバー２６Ａの操作量に応じた旋回駆動用の速度指令(rad/s)が入力される。

減算器５１は、レバー２６Ａの操作量に応じた速度指令(rad/s)から、旋回動作検出部５８によって検出される旋回用電動機２１の回転速度(rad/s)を減算して偏差を出力する。この偏差は、ＰＩ制御部５２において、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令（目標値）に近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

ＰＩ制御部５２は、減算器５１から入力される偏差に基づき、旋回用電動機２１の回転速度を速度指令（目標値）に近づけるように（すなわち、この偏差を小さくするように）ＰＩ制御を行い、そのために必要なトルク指令値を生成する。生成されたトルク指令値は、トルク制限部５３に入力される。

具体的には、ＰＩ制御部５２は、今回の制御サイクルにおいて減算器５１から入力される偏差に所定の比例（Ｐ）ゲインを乗じた値（比例成分）と、今回の制御サイクルまでの偏差の積算値（積分値）に所定の積分（Ｉ）ゲインを乗じた値（積分成分）とを加算してトルク指令値を生成する。

トルク制限部５３は、トルク指令値の変動幅を制限する処理を行う。トルク指令値の変動幅の制限は、例えば、ＰＩ制御部５２によって生成されるトルク指令値が急激に変動すると旋回制御性が悪化するため、この悪化を抑制するために行われる。この制限特性は、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向における急旋回を制限するための特性を有するものであり、レバー２６Ａの操作量の増大に応じてトルク指令値の変動幅を緩やかに増大させる特性を有する。

また、トルク指令値の変動幅の制限は、電動旋回ショベルとしてのハイブリッド式ショベル上で、油圧旋回ショベルの動きを再現するためにも行われる。この制限特性は、旋回を含む複合操作の場合に、油圧アクチュエータを操作するための操作装置２６の操作量が大きいほどトルク指令値の上限が小さくなることを意味する。なお、この制限特性については以下で詳細に説明する。

また、制限特性を表すデータ（例えば、参照マップの形式で提供される。）は、主制御部６０の内部メモリに格納されており、トルク制限部５３によって読み出される。

上述のような構成のハイブリッド式ショベルによる作業では、上部旋回体３を旋回させながらブーム４を上昇させるといった複合操作が行われる場合がある。このとき、コントローラ３０は、油圧旋回ショベルの動きを模した態様で、電動旋回ショベルであるハイブリッド式ショベルを動作させることができる。

ここで、図５を参照しながら、旋回を含む複合操作が行われる場合における、油圧旋回ショベルの動きと電動旋回ショベルの動きの違いを説明する。なお、図５は、油圧旋回ショベルに搭載される油圧回路と電動旋回ショベルに搭載される油圧回路とを比較するための図であり、左側が油圧旋回ショベルの油圧回路を示し、右側が電動旋回ショベルの油圧回路を示す。

図５に示すように、双方の油圧回路は何れも２つのメインポンプ１４ａ、１４ｂを有する。また、双方の油圧回路は、ブーム４を上昇させる操作が行われると、合流切換弁を開いて第１メインポンプ１４ａが吐出する作動油を第２メインポンプ１４ｂが吐出する作動油に合流させ、合流後の作動油をブームシリンダ７のボトム側油室７ｂに流入させる。このように、双方の油圧回路は、旋回停止中にブーム４を上昇させる際には共通の作動油の流れを生じさせる。なお、合流切換弁は、ブーム操作レバーであるレバー２６Ｂが操作された場合に開き、操作量が大きくなるにつれてその絞り開度が大きくなる弁である。

しかしながら、旋回機構２を旋回させる場合には、それぞれの油圧回路が異なる作動油の流れを生じさせる。具体的には、図５に示すように、旋回機構２を旋回させる操作が行われると、油圧旋回ショベルの油圧回路は、旋回用油圧モータに対応する流量制御弁１７ａを通じて、第１メインポンプ１４ａが吐出する作動油を旋回用油圧モータに供給する。また、旋回機構２を旋回させる操作とブーム４を上昇させる操作が同時に行われると、油圧旋回ショベルの油圧回路は、第１メインポンプ１４ａが吐出する作動油の一部分を旋回用油圧モータに供給し、他の部分をブームシリンダ７に供給する。

より具体的には、旋回用油圧モータに流入する作動油の圧力（旋回トルクに相当する。）は、ブーム操作レバーとしてのレバー２６Ｂの操作量が大きいほど小さくなる。レバー２６Ｂの操作量が大きいほど合流切換弁の絞り開度が大きくなり、合流切換弁での圧力損失が低下し、第１メインポンプ１４ａが吐出する作動油が、旋回用油圧モータよりもブームシリンダ７に流入し易くなるためである。その結果、旋回用油圧モータに流入する作動油の圧力は、ブームシリンダ７に流入する作動油の圧力と同等になる。

反対に、旋回用油圧モータに流入する作動油の圧力は、ブーム操作レバーとしてのレバー２６Ｂの操作量が小さいほど大きくなる。レバー２６Ｂの操作量が小さいほど合流切換弁の絞り開度が小さくなり、合流切換弁での圧力損失が増大し、第１メインポンプ１４ａが吐出する作動油が、ブームシリンダ７よりも旋回用油圧モータに流入し易くなるためである。その結果、旋回用油圧モータに流入する作動油の圧力は、ブームシリンダ７に流入する作動油の圧力に、合流切換弁での圧力損失を加えた圧力となる。なお、旋回用油圧モータに流入する作動油の圧力は、合流切換弁の絞りが閉じられた場合、すなわち、ブーム４が操作されない場合に最大となる。

一方、旋回機構２を旋回させる操作が行われた場合であっても、電動旋回ショベルの油圧回路は、旋回電動機２１によって旋回機構２が旋回駆動されるため、旋回機構２を旋回させるために作動油を用いることはない。また、旋回機構２を旋回させる操作とブーム４を上昇させる操作が同時に行われた場合であっても、電動旋回ショベルの油圧回路は、旋回機構２を旋回させることなくブーム４を上昇させる際の作動油の流れと同じ作動油の流れを生じさせる。

そのため、旋回機構２を旋回させる操作とブーム４を上昇させる操作が同時に行われた場合には、油圧旋回ショベルの動きと電動旋回ショベルの動きの間に違いが生じる。具体的には、油圧旋回ショベルでは、第１メインポンプ１４ａが吐出する作動油の一部がブームシリンダ７を駆動するために利用される分、旋回用油圧モータに流入する作動油の量が減少するため、電動旋回ショベルに比べて旋回速度の増大が遅くなる。言い換えれば、電動旋回ショベルにおける旋回加速度が、油圧旋回ショベルにおける旋回加速度よりも大きくなる。その結果、油圧旋回ショベルの操作に慣れた操作者は、電動旋回ショベルを操作する際に違和感を抱く。コントローラ３０は、油圧旋回ショベルの操作に慣れた操作者が抱くこの違和感を緩和し或いは解消させるようにする。

具体的には、コントローラ３０は、複合操作の際の油圧旋回ショベルの動きを再現すべく、複合操作が行われた場合に旋回用電動機２１に対して入力されるトルク電流値を以下の関係に基づいて決定する。

より具体的には、コントローラ３０は、以下の式（１）で表される旋回の運動方程式に基づいて、インバータ２０に対して出力するトルク電流値を決定する。

ここで、Ｊは慣性モーメントを表し、ωは旋回角速度を表し、Ｄは旋回粘性係数を表し、τは制御トルクを表す。なお、Ｄωは、旋回時に発生する摩擦力を表す。すなわち、旋回の運動方程式は、上部旋回体３を旋回させるための力が、制御トルクから摩擦力を差し引いたものであることを表す。

また、制御トルクτは、油圧旋回の場合、以下の式（２）で表される。

ここで、Ｖ_Ｐは旋回用油圧モータのモータ容積を表し、Ｐ_ＩＮは旋回用油圧モータの入口圧を表し、Ｐ_ＯＵＴは旋回用油圧モータの出口圧を表す。

さらに、制御トルクτは、電動旋回の場合、以下の式（３）で表される。

ここで、Ｋ_Ｔはモータトルク定数を表し、Ｉ_Ｍは、トルク電流値（実効値）を表す。

再現すべき対象となる仮想的な油圧旋回ショベルにおける旋回用油圧モータ（以下、「仮想旋回用油圧モータ」とする。）のモータ容積Ｖ_Ｐを予め決定しておき、Ｐ_ＯＵＴを実質的にゼロ（タンク圧）とすると、コントローラ３０は、仮想旋回用油圧モータの入口圧Ｐ_ＩＮを推定することによって、式（２）から仮想的な油圧旋回の場合の制御トルクτを推定できる。そして、仮想的な油圧旋回の場合の制御トルクτが推定できれば、コントローラ３０は、油圧旋回ショベルの動きを再現するためのトルク電流値（実効値）Ｉ_Ｍを式（３）に基づいて決定できる。

油圧旋回では、旋回用油圧モータの入口圧Ｐ_ＩＮ、すなわち、旋回用油圧モータに流入する作動油の圧力は、上述の通り、合流切換弁の絞り開度、すなわち、ブーム操作レバーとしてのレバー２６Ｂの操作量に応じて変化する。そのため、コントローラ３０は、レバー２６Ｂの操作量に基づいて仮想旋回用油圧モータの入口圧Ｐ_ＩＮを推定することで、油圧旋回ショベルの動きを再現するためのトルク電流値（実効値）Ｉ_Ｍを決定できる。

ここで、図６を参照しながら、油圧旋回ショベルの動きを再現するためのトルク電流値をコントローラ３０が決定する制御（以下、「第１仮想油圧旋回制御」とする。）について説明する。なお、図６は、第１仮想油圧旋回制御の流れを示すブロック図である。

図６に示すように、コントローラ３０の主制御部６０は、圧力センサ２９が出力するブームシリンダ用流量制御弁の上げ方向のパイロットポートに導入されるパイロット圧（以下、「ブーム上げパイロット圧」とする。）を入力とし、トルク制限部５３に対する第１旋回トルク上限値を出力とする。

具体的には、主制御部６０は、合流切換弁開度算出部６１及び第１旋回トルク上限値算出部６２を含む。

合流切換弁開度算出部６１は、ブーム上げパイロット圧が入力されると、そのブーム上げパイロット圧に応じた合流切換弁の絞り開度を第１旋回トルク上限値算出部６２に対して出力する。すなわち、合流切換弁開度算出部６１は、ブーム操作レバーとしてのレバー２６Ｂの上げ方向への操作量に応じた合流切換弁の絞り開度を第１旋回トルク上限値算出部６２に対して出力する。なお、ブーム上げパイロット圧と合流切換弁の絞り開度との対応関係は、ブーム上げパイロット圧が高いほど、すなわち、レバー２６Ｂの上げ方向への操作量が大きいほど合流切換弁の絞り開度が大きくなるように、予め算出式として登録され、或いは、参照マップ等に登録される。

第１旋回トルク上限値算出部６２は、絞り開度が入力されると、その絞り開度に応じた第１旋回トルク上限値をトルク制限部５３に対して出力する。すなわち、第１旋回トルク上限値算出部６２は、ブーム操作レバーとしてのレバー２６Ｂの上げ方向への操作量に応じた第１旋回トルク上限値をトルク制限部５３に対して出力する。なお、絞り開度と第１旋回トルク上限値との対応関係は、絞り開度が大きいほど第１旋回トルク上限値が小さくなるように、予め算出式として登録され、或いは、参照マップ等に登録される。

図７は、絞り開度と第１旋回トルク上限値との対応関係を表す参照マップの１例を示す。図７の参照マップは、絞り開度がゼロのとき、第１旋回トルク上限値が、仮想的な油圧旋回ショベルにおける旋回用油圧モータのリリーフ弁（図５参照。）のリリーフ圧に相当することを示す。すなわち、図７の参照マップは、レバー２６Ｂが操作されておらず合流切換弁が閉じられているときに、旋回用油圧モータに流入する作動油の圧力の上限値が許容最大圧としてのリリーフ圧に相当することを示す。また、図７の参照マップは、絞り開度が閾値αに達するまで、第１旋回トルク上限値がリリーフ圧相当のまま推移することを示す。旋回単独操作の場合、或いは、複合操作（ブーム上げ旋回操作）であってもブーム４の動きが小さい場合には、旋回油圧ショベルの動きを再現するために旋回加速度を低下させる必要がないためである。また、図７の参照マップは、絞り開度が閾値αを超えると、絞り開度が増大するにつれて第１旋回トルク上限値が減少し、所定圧に至ることを示す。複合操作（ブーム上げ旋回操作）においてブーム４の動きが大きい場合には、旋回油圧ショベルの動きを再現すべく旋回加速度を低下させる必要があるためである。

トルク制限部５３は、第１旋回トルク上限値算出部６２が算出した第１旋回トルク上限値が入力されると、インバータ２０に対して出力可能なトルク指令値の最大値としてその第１旋回トルク上限値を採用する。このとき、トルク制限部５３によって実現される制限特性は、レバー２６Ｂのブーム上げ方向への操作量が大きいほど旋回加速度が小さくなることを意味する。

ここで、図８を参照しながら、旋回を含む複合操作の際に第１仮想油圧旋回制御を用いる場合の旋回速度の推移と、旋回を含む複合操作の際に第１仮想油圧旋回制御を用いない場合の旋回速度の推移との違いについて説明する。なお、図８は、旋回単独操作に続いてブーム上げ旋回操作が行われる場合の旋回速度の推移を示す図であり、実線で示す推移が第１仮想油圧旋回制御を用いない場合の推移を示し、点線で示す推移が第１仮想油圧旋回制御を用いる場合の推移を示す。

第１仮想油圧旋回制御を用いない場合、主制御部６０は、上部旋回体３の急旋回を防止するための制限特性のみをトルク制限部５３に適用する。そのため、旋回速度は、図８の実線で示すように、旋回単独操作が行われていたときの加速度と同じ加速度で上昇を続ける。

一方、第１仮想油圧旋回制御を用いる場合、主制御部６０は、上部旋回体３の急旋回を防止するための制限特性に加え、或いはその制限特性に代えて、油圧旋回ショベルの動きを再現するための制限特性をトルク制限部５３に適用する。そのため、旋回速度は、図８の点線で示すように上昇を続けるが、その加速度は、旋回単独操作が行われていたときの加速度よりも低下する。この点線で示す推移は、油圧旋回ショベルでブーム上げ旋回操作が行われたときの旋回速度の推移に相当する。

次に、図９を参照しながら、油圧旋回ショベルの動きを再現するためのトルク電流値をコントローラ３０が決定する別の制御（以下、「第２仮想油圧旋回制御」とする。）について説明する。なお、図９は、第２仮想油圧旋回制御の流れを示すブロック図である。

図９に示すように、コントローラ３０の主制御部６０は、圧力センサ２９が出力するブーム上げパイロット圧と、図示しないブームシリンダ圧センサが出力するブームシリンダ圧とを入力とし、トルク制限部５３に対する最終旋回トルク上限値を出力とする。本実施例では、ブームシリンダ圧は、ブームシリンダ７のボトム側油室における作動油の圧力を意味する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。他の実施例では、ブームシリンダ圧は、ブームシリンダ７のロッド側油室における作動油の圧力であってもよい。

主制御部６０は、第２旋回トルク上限値算出部６３及び比較器６４を有する点で図６の主制御部６０と相違するがその他の点で共通する。そのため、共通点の説明を省略しながら、相違点を詳細に説明する。なお、本実施例では、第１旋回トルク上限値算出部６２は、第１旋回トルク上限値をトルク制限部５３に対して出力する代わりに比較器６４に対して出力する。

第２仮想油圧旋回制御は、油圧旋回ショベルにおいて、合流切換弁の絞り開度が大きくなり合流切換弁での圧力損失が低下すると、旋回用油圧モータに流入する作動油の圧力が、ブームシリンダ７のボトム側油室に流入する作動油の圧力と同等になるという見解に基づく。また、第２仮想油圧旋回制御は、ブームシリンダ７のボトム側油室に流入する作動油の圧力が、ブームシリンダ７の負荷の大きさに応じて変化するという見解に基づく。なお、ブームシリンダ７の負荷は、例えば、バケット６内の土砂である。

第２旋回トルク上限値算出部６３は、ブームシリンダ圧が入力されると、そのブームシリンダ圧に応じた第２旋回トルク上限値を比較器６４に対して出力する。すなわち、第２旋回トルク上限値算出部６３は、例えば、バケット６内の土砂の重量に応じた第２旋回トルク上限値を比較器６４に対して出力する。なお、ブームシリンダ圧と第２旋回トルク上限値との対応関係は、ブームシリンダ圧が大きいほど第２旋回トルク上限値が大きくなるように、予め算出式として登録され、或いは、参照マップ等に登録される。油圧旋回ショベルでは、旋回用油圧モータに流入する作動油の圧力は、ブームシリンダのボトム側油室に流入する作動油の圧力と同等になるためである。すなわち、合流切換弁の絞り開度が大きい場合には、バケット６内の土砂の重量が小さいときの旋回加速度より、バケット６内の土砂の重量が大きいときの旋回加速度の方が大きくなるためである。

比較器６４は、第１旋回トルク上限値算出部６２が出力する第１旋回トルク上限値と、第２旋回トルク上限値算出部６３が出力する第２旋回トルク上限値とが入力されると、２つの値のうちの大きい方を最終旋回トルク上限値としてトルク制限部５３に対して出力する。その結果、絞り開度が小さい場合、すなわち、ブーム操作レバーとしてのレバー２６の上げ方向の操作量が小さい場合には、第１仮想油圧旋回制御のときと同様に、第１旋回トルク上限値が採用される。一方、絞り開度が大きい場合、すなわち、ブーム操作レバーとしてのレバー２６の上げ方向の操作量が大きい場合には、第１仮想油圧旋回制御のときとは違い、第２旋回トルク上限値が採用され易くなる。これは、レバー２６の上げ方向の操作量が大きい場合には、バケット６内の土砂の重量に応じて旋回加速度に違いが生じることを意味する。このようにして、第２仮想油圧旋回制御は、第１仮想油圧旋回制御に比べ、レバー２６の上げ方向の操作量が大きい場合の油圧旋回ショベルの動きをより正確に再現できる。

ここで、図１０を参照しながら、旋回を含む複合操作の際に第２仮想油圧旋回制御を用いる場合の旋回速度の推移と、旋回を含む複合操作の際に第２仮想油圧旋回制御を用いない場合の旋回速度の推移との違いについて説明する。なお、図１０は、旋回単独操作に続いてブーム上げ旋回操作が行われる場合の旋回速度の推移を示す図であり、実線で示す推移が第２仮想油圧旋回制御を用いない場合の推移を示す。また、図１０は、一点鎖線で示す推移が第２仮想油圧旋回制御を用いる場合で且つブームシリンダ７の負荷が大きい場合の推移を示し、二点鎖線で示す推移が第２仮想油圧旋回制御を用いる場合で且つブームシリンダ７の負荷が小さい場合の推移を示す。なお、ブーム操作レバーとしてのレバー２６Ｂの操作量は、仮想旋回用油圧モータに流入する作動油の圧力がブームシリンダ７のボトム側油室に流入する作動油の圧力と同等になる程度に大きい。

第２仮想油圧旋回制御を用いない場合、主制御部６０は、上部旋回体３の急旋回を防止するための制限特性のみをトルク制限部５３に適用する。そのため、旋回速度は、図１０の実線で示すように、旋回単独操作が行われていたときの加速度と同じ加速度で上昇を続ける。

一方、第２仮想油圧旋回制御を用いる場合、主制御部６０は、上部旋回体３の急旋回を防止するための制限特性に加え、或いはその制限特性に代えて、油圧旋回ショベルの動きを再現するための制限特性をトルク制限部５３に適用する。そのため、旋回速度は、図１０の一点鎖線及び二点鎖線で示すように上昇を続けるが、その加速度は、旋回単独操作が行われていたときの加速度よりも低下する。これら一点鎖線及び二点鎖線で示す推移は、油圧旋回ショベルでブーム上げ旋回操作が行われたときの旋回速度の推移に相当する。

また、第２仮想油圧旋回制御を用いる場合、旋回加速度は、図１０に示すように、ブームシリンダ７の負荷が大きいほど大きくなるように制御される。すなわち、旋回加速度は、バケット６内の土砂の重量が大きいほど大きくなるように制御される。油圧旋回ショベルの動きをより正確に再現するためであり、油圧旋回ショベルでは、ブームシリンダ圧が大きいほど、旋回用油圧モータに流入する作動油の圧力も大きくなるためである。

以上の構成により、本発明の実施例に係るハイブリッド式ショベルは、電動旋回ショベル上で油圧旋回ショベルの動きを再現することができ、油圧旋回ショベルの操作に慣れた操作者が電動旋回ショベルを操作する際に抱く違和感を緩和し或いは解消させることができる。

なお、上述の実施例では、ブーム上げ旋回操作の際にコントローラ３０が第１仮想油圧旋回制御又は第２仮想油圧旋回制御を実行する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。コントローラ３０は、例えば、ブーム下げ旋回操作、アーム開き旋回操作、アーム閉じ旋回操作等の他の複合操作の際に第１仮想油圧旋回制御又は第２仮想油圧旋回制御を実行してもよい。その場合、主制御部６０は、ブーム上げパイロット圧の代わりに、ブーム下げパイロット圧、アーム開きパイロット圧、アーム閉じパイロット圧等を入力とし、ブームシリンダ圧の代わりに、アームシリンダ圧等を入力とする。

また、上述の実施例では、主制御部６０は、トルク制限部５３に対して第１旋回トルク上限値、最終旋回トルク上限値を出力し、インバータ２０に対して入力されるトルク電流値が制限されるようにする。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。主制御部６０は、例えば、ブーム上げパイロット圧やブームシリンダ圧に基づいてトルク電流値を算出した上で、算出したトルク電流値をインバータ２０に対して直接出力してもよい。或いは、主制御部６０は、例えば、ブーム上げパイロット圧やブームシリンダ圧に基づいてトルク指令値を生成し、生成したトルク指令値をＰＩ制御部５２の代わりにトルク制限部５３に対して出力してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施形態では、エンジン１１と電動発電機１２とを油圧ポンプであるメインポンプ１４に接続してメインポンプを駆動する、いわゆるパラレル型のハイブリッド式ショベルに本発明を適用した例について説明した。しかしながら、本発明は、エンジン１１で電動発電機１２を駆動し、電動発電機１２が生成した電力を蓄電系１２０に蓄積してから蓄積した電力のみによりメインポンプ１４を駆動する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド式ショベルにも適用することもできる。この場合、電動発電機１２は、エンジン１１によって駆動させることによる発電運転のみを行なう発電機としての機能を備えている。

また、エンジンが搭載されずに電動機のみで油圧ポンプを駆動する電気式ショベルにも本発明を適用することができる。この場合、蓄電系１２０には、コンバータを介して外部電源が接続され、蓄電系１２０の蓄電部（キャパシタ１９）には、その外部電源から電力が供給されて充電される。

１・・・下部走行体 １Ａ、１Ｂ・・・走行用油圧モータ ２・・・旋回機構 ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・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・・・キャビン １１・・・エンジン １２・・・電動発電機 １３・・・変速機 １４・・・メインポンプ １５・・・パイロットポンプ １６・・・高圧油圧ライン １７・・・コントロールバルブ １８・・・インバータ １９・・・キャパシタ ２０・・・インバータ ２１・・・旋回用電動機 ２１Ａ・・・回転軸 ２２・・・レゾルバ ２３・・・メカニカルブレーキ ２４・・・旋回変速機 ２５・・・パイロットライン ２６・・・操作装置２６ ２６Ａ、２６Ｂ・・・レバー ２６Ｃ・・・ペダル ２７、２８・・・油圧ライン ２９・・・圧力センサ ３０・・・コントローラ ３１・・・速度指令変換部 ３２・・・駆動制御部４０・・・電動旋回制御部 ５０・・・駆動指令生成部 ５１・・・減算器 ５２・・・ＰＩ制御部 ５３・・・トルク制限部 ５８・・・旋回動作検出部 ６０・・・主制御部 ６１・・・合流切換弁開度算出部 ６２・・・第１旋回トルク上限値算出部 ６３・・・第２旋回トルク上限値算出部 ６４・・・比較器 １００・・・昇降圧コンバータ １１０・・・ＤＣバス １１１・・・ＤＣバス電圧検出部 １１２・・・キャパシタ電圧検出部 １１３・・・キャパシタ電流検出部 １２０・・・蓄電系

Claims (6)

1. 油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、
   旋回機構を旋回駆動する旋回用電動機と、
   前記油圧アクチュエータと前記旋回用電動機との複合操作の際に前記油圧アクチュエータの負荷が大きいほど旋回加速度が大きくなるように前記旋回用電動機の出力を制御するコントローラと、
   を備えることを特徴とするショベル。
2. 前記コントローラは、前記油圧アクチュエータを操作する操作レバーの操作量が小さいほど、前記旋回用電動機の出力が大きくなるように制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のショベル。
3. 前記コントローラは、前記旋回用電動機に対するトルク指令値に制限を加えることによって、前記旋回用電動機の出力を制御する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のショベル。
4. 前記コントローラは、前記油圧アクチュエータを操作する操作レバーの操作量に基づいて算出される第１算出値、及び、前記油圧アクチュエータにおける作動油の圧力に基づいて算出される第２算出値のうちの何れか一方の値を採用し、前記第１算出値を採用した場合には前記第１算出値が小さいほど旋回加速度が小さくなるように前記旋回用電動機の出力を制御し、前記第２算出値を採用した場合には前記第２算出値が大きいほど旋回加速度が大きくなるように前記旋回用電動機の出力を制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のショベル。
5. 前記第１算出値及び前記第２算出値は、前記旋回用電動機に対するトルク指令値を制限する制限値であり、
   前記コントローラは、前記第１算出値及び前記第２算出値のうちの大きい方の値に基づいて前記旋回用電動機の出力を制限する、
   ことを特徴とする請求項４に記載のショベル。
6. 前記油圧アクチュエータは油圧シリンダであり、
   前記油圧アクチュエータにおける作動油の圧力は前記油圧シリンダのボトム側油室又はロッド側油室における作動油の圧力である、
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のショベル。

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