JP6052980B2 - ハイブリッド建設機械の制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、アクチュエータから導かれる作動流体を利用してエネルギ回生を行う回生装置を備えるハイブリッド建設機械の制御システムに関するものである。
従来のハイブリッド建設機械として、旋回モータから導かれる作動油を利用して油圧モータを回転させてエネルギ回生を行うものが知られている。
特許文献１には、旋回モータの旋回時の旋回圧力あるいはブレーキ時のブレーキ圧力を検出する圧力センサの圧力信号が予め設定された圧力に達したときに、電磁切換弁を開位置に切り換えて旋回回生を行うと共に、安全弁と並列に設けられた比例電磁絞り弁の開度を制御することによって安全弁による通路抵抗を少なくすることが開示されている。
特開２００９−２８１５２５号公報
上記従来技術では、旋回モータの旋回圧力を保つように比例電磁絞り弁の開度を制御するものであるため、回生制御が複雑である。また、比例電磁絞り弁の開度が大きくなった場合には、旋回モータの旋回圧力が低下して電磁切換弁が閉位置に切換わって旋回回生が停止し、その後、旋回モータが旋回中であると、再び旋回圧力が上昇して電磁切換弁が開位置に切換わって旋回回生が再開するというように、電磁切換弁が開閉を繰り返すおそれある。このような事態が発生した場合には、電磁切換弁の開閉による圧力変動によって振動が発生するおそれがある。
このような事態を回避するために、比例電磁絞り弁の開度を小さく抑えるように制御することが考えられるが、その場合には回生量が小さくなってしまい効率が悪い。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な回生制御で効率的な回生が可能なハイブリッド建設機械の制御システムを提供することを目的とする。
本発明は、ハイブリッド建設機械の制御システムであって、旋回モータ及び流体圧シリンダの駆動源である流体圧ポンプと、前記旋回モータを駆動するための旋回回路から導かれる作動流体及び前記流体圧シリンダから導かれる作動流体によって回転する回生用の回生モータと、前記回生モータに連結された回転電機と、前記旋回モータの旋回動作時の旋回圧力又はブレーキ動作時のブレーキ圧力を検出する圧力検出器と、前記圧力検出器の検出圧力が予め設定された旋回回生開始圧力に達した場合に開弁し、前記旋回回路から前記回生モータへ作動流体を導いて旋回回生を行う旋回回生用切換弁と、前記流体圧シリンダの動作状態を検出する動作状態検出器と、前記旋回回生用切換弁と並列に設けられ、前記動作状態検出器の検出結果に基づいて開弁し、前記流体圧シリンダから前記回生モータへ作動流体を導いてシリンダ回生を行うシリンダ回生用切換弁と、前記旋回回生用切換弁が設けられる旋回回生通路と、前記シリンダ回生用切換弁が設けられるシリンダ回生通路と、前記旋回回生通路と前記シリンダ回生通路とが合流して接続され、前記回生モータに作動流体を導く合流回生通路と、前記旋回回生通路における前記旋回回生用切換弁の下流側に設けられた減圧弁と、前記旋回回生通路に接続され前記減圧弁をバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられ、遮断位置と連通位置を有するバイパス弁と、を備え、前記バイパス弁は、前記旋回回生のみが行われる場合には前記連通位置に設定され、前記旋回回生と前記シリンダ回生が同時に行われる場合には前記遮断位置に設定されることを特徴とする。
本発明によれば、旋回回生のみが行われる場合には旋回回路からの作動流体は減圧されず、旋回回生とシリンダ回生が同時に行われる場合には旋回回路からの作動流体は減圧されるものであるため、回生制御が簡単である。また、旋回回生のみが行われる場合には旋回回路からの作動流体は減圧されずに回生モータに導かれるため、効率的な回生が行われる。よって、簡単な回生制御で効率的な回生が可能となる。
本発明の第１実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御システムを示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御システムを示す回路図である。 本発明の第３実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御システムを示す回路図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御システムについて説明する。以下の実施形態では、ハイブリッド建設機械が油圧ショベルである場合について説明する。
＜第１実施形態＞
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御システム１００について説明する。
油圧ショベルは、エンジン７３で駆動する流体圧ポンプとしての第１，第２メインポンプ７１，７２を備える。第１，第２メインポンプ７１，７２は、傾転角が調整可能な可変容量型ポンプであり、同軸回転する。
第１メインポンプ７１から吐出される作動油（作動流体）は、上流側から順に、旋回モータ７６を制御する操作弁１、アームシリンダ（図示せず）を制御するアーム１速用の操作弁２、ブームシリンダ７７を制御するブーム２速用の操作弁３、予備用アタッチメント（図示せず）を制御する操作弁４、及び左走行用の第１走行用モータ（図示せず）を制御する操作弁５に供給される。各操作弁１〜５は、第１メインポンプ７１から各アクチュエータへ導かれる作動油の流量を制御して、各アクチュエータの動作を制御する。各操作弁１〜５は、油圧ショベルのオペレータが操作レバーを手動操作することに伴って供給されるパイロット圧によって操作される。
各操作弁１〜５は、互いに並列な中立流路６とパラレル流路７とを通じて第１メインポンプ７１に接続されている。中立流路６における操作弁５の下流側には、パイロット圧を生成するためのパイロット圧生成機構８が設けられる。パイロット圧生成機構８は、通過する流量が多ければ上流側に高いパイロット圧を生成し、通過する流量が少なければ上流側に低いパイロット圧を生成するものである。
中立流路６は、操作弁１〜５の全てが中立位置又は中立位置近傍にあるときには、第１メインポンプ７１から吐出された作動油の全部又は一部をタンクに導く。このとき、パイロット圧生成機構８を通過する流量が多くなるため、高いパイロット圧が生成される。
一方、操作弁１〜５がフルストロークに切り換えられると、中立流路６が閉ざされて作動油の流通がなくなる。この場合には、パイロット圧生成機構８を通過す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、第１メインポンプ７１から吐出された作動油の一部がアクチュエータに導かれ、残りが中立流路６からタンクに導かれることになるため、パイロット圧生成機構８は、中立流路６の作動油の流量に応じたパイロット圧を生成する。つまり、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。
パイロット圧生成機構８にはパイロット流路９が接続され、パイロット流路９にはパイロット圧生成機構８にて生成されたパイロット圧が導かれる。パイロット流路９は、第１メインポンプ７１の傾転角を制御するレギュレータ１０に接続される。レギュレータ１０は、パイロット流路９のパイロット圧と逆比例して第１メインポンプ７１の傾転角を制御して、第１メインポンプ７１の１回転当たりの押し除け量を制御する。したがって、操作弁１〜５がフルストロークに切り換えられて中立流路６の流れがなくなり、パイロット流路９のパイロット圧がゼロになれば、第１メインポンプ７１の傾転角が最大になり、１回転当たりの押し除け量が最大になる。
パイロット流路９には、パイロット流路９の圧力を検出する第１圧力センサ１１が設けられる。
第２メインポンプ７２から吐出される作動油は、上流側から順に、右走行用の第２走行用モータ（図示せず）を制御する操作弁１２、バケットシリンダ（図示せず）を制御する操作弁１３、ブームシリンダ７７を制御するブーム１速用の操作弁１４、及びアームシリンダ（図示せず）を制御するアーム２速用の操作弁１５に供給される。各操作弁１２〜１５は、第２メインポンプ７２から各アクチュエータへ導かれる作動油の流量を制御して、各アクチュエータの動作を制御する。各操作弁１２〜１５は、油圧ショベルのオペレータが操作レバーを手動操作することに伴って供給されるパイロット圧によって操作される。
各操作弁１２〜１５は、中立流路１６を通じて第２メインポンプ７２に接続されている。また、操作弁１３及び操作弁１４は、中立流路１６と並列なパラレル通路１７を通じて第２メインポンプ７２に接続されている。中立流路１６における操作弁１５の下流側には、パイロット圧を生成するためのパイロット圧生成機構１８が設けられる。パイロット圧生成機構１８は、第１メインポンプ７１側のパイロット圧生成機構８と同じ機能を有するものである。
パイロット圧生成機構１８にはパイロット流路１９が接続され、パイロット流路１９にはパイロット圧生成機構１８にて生成されたパイロット圧が導かれる。パイロット流路１９は、第２メインポンプ７２の傾転角を制御するレギュレータ２０に接続される。レギュレータ２０は、パイロット流路１９のパイロット圧と逆比例して第２メインポンプ７２の傾転角を制御して、第２メインポンプ７２の１回転当たりの押し除け量を制御する。したがって、操作弁１２〜１５がフルストロークに切り換えられて中立流路１６の流れがなくなり、パイロット流路１９のパイロット圧がゼロになれば、第２メインポンプ７２の傾転角が最大になり、１回転当たりの押し除け量が最大になる。
パイロット流路１９には、パイロット流路１９の圧力を検出する第２圧力センサ２１が設けられる。
エンジン７３には、エンジン７３の余力を利用して発電する発電機２２が設けられる。発電機２２で発電された電力はバッテリチャージャー２３を介してバッテリ２４に充電される。バッテリチャージャー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２４に電力を充電できるようにしている。
次に、旋回モータ７６について説明する。
旋回モータ７６は、旋回モータ７６を駆動するための旋回回路７５に設けられる。旋回回路７５は、第１メインポンプ７１と旋回モータ７６を接続し、操作弁１が介装される一対の給排通路２６，２７と、給排通路２６，２７のそれぞれに接続され、設定圧力で開弁するリリーフ弁２８，２９と、を備える。
操作弁１が中立位置（図１に示す状態）である場合には、操作弁１のアクチュエータポートが閉じられるため、旋回モータ７６に対する作動油の給排が遮断され、旋回モータ７６は停止状態を保つ。
操作弁１が図１中右側位置に切り換わると、給排通路２６が第１メインポンプ７１に接続され、給排通路２７がタンクに連通する。これにより、給排通路２６を通じて作動油が供給されて旋回モータ７６が旋回すると共に、旋回モータ７６からの戻り作動油が給排通路２７を通じてタンクに排出される。一方、操作弁１が図１中左側位置に切り換わると、給排通路２７が第１メインポンプ７１に接続され、給排通路２６がタンクに連通し、旋回モータ７６は逆向きに旋回する。
旋回モータ７６の旋回動作時に、給排通路２６，２７の旋回圧力がリリーフ弁２８，２９の設定圧力に達した場合には、リリーフ弁２８，２９が開弁して高圧側の余剰流量が低圧側に導かれる。
旋回モータ７６の旋回動作中に、操作弁１が中立位置に切り換わると、操作弁１のアクチュエータポートが閉じられ、給排通路２６，２７、旋回モータ７６、及びリリーフ弁２８，２９にて閉回路が構成される。このように操作弁１のアクチュエータポートが閉じられても、旋回モータ７６は慣性エネルギで回転し続けてポンプ作用を発揮する。これにより、旋回動作時には低圧であった給排通路２６，２７の一方が高圧、旋回動作時には高圧であった給排通路２６，２７の他方が低圧となり、旋回モータ７６にブレーキ力が作用しブレーキ動作が行われる。この際、給排通路２６，２７のブレーキ圧力がリリーフ弁２８，２９の設定圧力に達した場合には、リリーフ弁２８，２９が開弁して高圧側のブレーキ流量が低圧側に導かれる。
旋回モータ７６のブレーキ動作時に、旋回モータ７６の吸込流量が不足した場合には、タンクから給排通路２６，２７への作動油の流れのみを許容するチェック弁５４，５５を通じてタンクの作動油が吸い込まれる。
次に、ブームシリンダ７７について説明する。
ブームシリンダ７７の動作を制御する操作弁１４は、油圧ショベルのオペレータが操作レバー９３を手動操作することに伴ってパイロットポンプ９４からパイロット弁９５を通じてパイロット室９６ａ，９６ｂに供給されるパイロット圧によって操作される。ブーム２速用の操作弁３は、操作弁１４と連動して切り換わる。
パイロット室９６ａにパイロット圧が供給された場合には、操作弁１４は図１中右側位置に切り換わり、第２メインポンプ７２から吐出された作動油が給排通路３０を通じてブームシリンダ７７のピストン側室３１に供給されると共に、ロッド側室３２からの戻り作動油が給排通路３３を通じてタンクに排出され、ブームシリンダ７７は伸長する。一方、パイロット室９６ｂにパイロット圧が供給された場合には、操作弁１４は図１中左側位置に切り換わり、第２メインポンプ７２から吐出された作動油が給排通路３３を通じてブームシリンダ７７のロッド側室３２に供給されると共に、ピストン側室３１からの戻り作動油が給排通路３０を通じてタンクに排出され、ブームシリンダ７７は収縮する。パイロット室９６ａ，９６ｂにパイロット圧が供給されない場合には、操作弁１４は中立位置（図１に示す状態）に切り換わり、ブームシリンダ７７に対する作動油の給排が遮断され、ブームは停止した状態を保つ。
操作弁１４を中立位置に切り換えブームの動きを止めた場合、バケット、アーム、及びブーム等の自重によって、ブームシリンダ７７には収縮する方向の力が作用する。このように、ブームシリンダ７７は、操作弁１４が中立位置の場合にはピストン側室３１によって負荷を保持するものであり、ピストン側室３１が負荷側圧力室となる。
ハイブリッド建設機械の制御システム１００は、旋回回路７５及びブームシリンダ７７からの作動油のエネルギを回収してエネルギ回生を行う回生装置を備える。以下では、その回生装置について説明する。
回生装置による回生制御は、コントローラ９０によって行われる。コントローラ９０は、回生制御を実行するＣＰＵと、ＣＰＵの処理動作に必要な制御プログラムや設定値等が記憶されたＲＯＭと、各種センサが検出した情報を一時的に記憶するＲＡＭと、を備える。
旋回モータ７６に接続される給排通路２６，２７には、それぞれ分岐通路５７，５８が接続される。分岐通路５７，５８は合流して、旋回回路７５からの作動油を回生用の回生モータ８８に導くための旋回回生通路４５に接続される。分岐通路５７，５８のそれぞれには、給排通路２６，２７から旋回回生通路４５への作動油の流れのみを許容するチェック弁４６，４７が設けられる。旋回回生通路４５は、合流回生通路４４を通じて回生モータ８８に接続される。
回生モータ８８は、傾転角が調整可能な可変容量型モータであり、発電機兼用の回転電機としての電動モータ９１と同軸回転するように連結されている。電動モータ９１が発電機として機能した場合には、電動モータ９１で発電された電力はインバータ９２を介してバッテリ２４に充電される。回生モータ８８と電動モータ９１とは、直接連結してもよいし、減速機を介して連結してもよい。
旋回回生通路４５には、コントローラ９０から出力される信号にて切換制御される旋回回生用切換弁としての切換弁４８が設けられる。また、切換弁４８とチェック弁４６，４７の間には、旋回モータ７６の旋回動作時の旋回圧力又はブレーキ動作時のブレーキ圧力を検出する圧力検出器としての圧力センサ４９が設けられる。圧力センサ４９にて検出された圧力信号は、コントローラ９０に出力される。
切換弁４８は、ソレノイドが非励磁のときに閉位置（図１に示す状態）に設定され旋回回生通路４５を遮断し、ソレノイドが励磁したときに開位置に設定され旋回回生通路４５を開通する。コントローラ９０は、圧力センサ４９の検出圧力が予め設定された旋回回生開始圧力に達したと判定した場合には、切換弁４８を開位置に切り換える。これにより、旋回回路７５からの作動油が回生モータ８８に導かれ、旋回回生が行われる。このように、切換弁４８は旋回回生を行うためのものである。
旋回回路７５から回生モータ８８への作動油の経路について説明する。例えば、給排通路２６を通じて供給される作動油によって旋回モータ７６が旋回する旋回動作時には、給排通路２６の余剰油が分岐通路５７及びチェック弁４６を通じて旋回回生通路４５に流入し、回生モータ８８に導かれる。また、給排通路２６を通じて供給される作動油によって旋回モータ７６が旋回している際に操作弁１が中立位置に切り換えられるブレーキ動作時には、旋回モータ７６のポンプ作用によって吐出された作動油が分岐通路５８及びチェック弁４７を通じて旋回回生通路４５に流入し、回生モータ８８に導かれる。
切換弁４８を開位置に切り換えるための旋回回生開始圧力を、リリーフ弁２８，２９の設定圧力よりも低い圧力に設定した場合には、切換弁４８が開位置に切り換わった際に、旋回回路７５の圧力が旋回モータ７６の旋回動作あるいはブレーキ動作に必要な圧力に保たれないおそれがある。また、旋回回生開始圧力を、リリーフ弁２８，２９の設定圧力と同等に設定した場合には、切換弁４８が開位置に切り換わった際に、旋回モータ７６の旋回動作時の余剰流量又はブレーキ動作時のブレーキ流量のほとんどがリリーフ弁２８，２９に流れてしまい、回生量が小さくなってしまうおそれがある。そこで、旋回回生開始圧力は、旋回モータ７６の旋回動作あるいはブレーキ動作に影響を及ぼさず、かつ回生量を確保するために、リリーフ弁２８，２９の設定圧力よりも少し低い圧力に設定される。
旋回回生通路４５における切換弁４８の下流側には、減圧弁５０が設けられる。減圧弁５０は、入口と出口の差圧が一定値となるように動作する差圧一定型の弁である。
旋回回生通路４５には、減圧弁５０をバイパスするバイパス通路５６が接続される。バイパス通路５６には、遮断位置と連通位置を有するバイパス弁５１が設けられる。バイパス弁５１は、パイロット操作型の切換弁である。バイパス弁５１は、パイロット室５１ａにパイロット圧が供給されないノーマル状態では連通位置（図１に示す状態）となり、操作弁１４のパイロット室９６ｂにパイロット圧が供給されたときに、同時に同じ圧力のパイロット圧がパイロット室５１ａに供給されて遮断位置に設定される。つまり、バイパス弁５１は、ブームシリンダ７７のピストン側室３１が収縮する方向に操作弁１４を操作するパイロット圧によって遮断位置に設定されるものであり、ブームシリンダ７７の収縮動作に連動して切り換わる。
ブームシリンダ７７のピストン側室３１と操作弁１４とを接続する給排通路３０には、コントローラ９０の出力信号によって開度が制御される電磁比例絞り弁３４が設けられる。電磁比例絞り弁３４はノーマル状態で全開位置を保つ。
給排通路３０には、ピストン側室３１と電磁比例絞り弁３４との間から分岐するシリンダ回生通路としてのブーム回生通路５２が接続される。ブーム回生通路５２は、ピストン側室３１からの戻り作動油を回生モータ８８に導くための通路である。旋回回生通路４５とブーム回生通路５２は合流して合流回生通路４４に接続される。
ブーム回生通路５２には、コントローラ９０から出力される信号にて切換制御されるシリンダ回生用切換弁としての切換弁５３が設けられる。切換弁５３は、ソレノイドが非励磁のときに閉位置（図１に示す状態）に設定されブーム回生通路５２を遮断し、ソレノイドが励磁したときに開位置に設定されブーム回生通路５２を開通する。切換弁４８と切換弁５３は並列に設けられる。
操作弁１４には、操作弁１４の操作方向とその操作量を検出するセンサ９７が設けられる。センサ９７にて検出された信号はコントローラ９０に出力される。操作弁１４の操作方向とその操作量を検出することは、ブームシリンダ７７の伸縮方向とその伸縮量を検出することと同等である。したがって、センサ９７は、ブームシリンダ７７の動作状態を検出する動作状態検出器として機能する。なお、動作状態検出器として、センサ９７に代わり、ブームシリンダ７７にピストンロッドの移動方向とその移動量を検出するセンサを設けるようにしてもよいし、又は、操作レバー９３に操作レバー９３の操作方向とその操作量を検出するセンサを設けるようにしてもよい。
コントローラ９０は、センサ９７の検出結果に基づいて、オペレータがブームシリンダ７７を伸長させようとしているのか、又は収縮させようとしているのかを判定する。コントローラ９０は、ブームシリンダ７７の伸長動作を判定すれば、電磁比例絞り弁３４をノーマル状態である全開位置に保つと共に、切換弁５３を閉位置に保つ。一方、コントローラ９０は、ブームシリンダ７７の収縮動作を判定すれば、操作弁１４の操作量に応じてオペレータが求めているブームシリンダ７７の収縮速度を演算すると共に、電磁比例絞り弁３４を閉じて切換弁５３を開位置に切り換える。これにより、ブームシリンダ７７からの戻り作動油の全量が回生モータ８８に導かれ、ブーム回生が行われる。しかし、回生モータ８８で消費する流量が、オペレータが求めたブームシリンダ７７の収縮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７７はオペレータが求めた収縮速度を維持できない。このようなときには、コントローラ９０は、操作弁１４の操作量、回生モータ８８の傾転角、及び電動モータ９１の回転数等を基にして、回生モータ８８が消費する流量以上の流量をタンクに戻すように電磁比例絞り弁３４の開度を制御し、オペレータが求めるブームシリンダ７７の収縮速度を維持する。
次に、第１，第２メインポンプ７１，７２の出力をアシストするサブポンプ８９について説明する。サブポンプ８９は、傾転角が調整可能な可変容量型ポンプであり、回生モータ８８と同軸回転するように連結されている。サブポンプ８９は電動モータ９１の駆動力で回転する。電動モータ９１の回転数は、インバータ９２を通じてコントローラ９０によって制御される。サブポンプ８９及び回生モータ８８の傾転角は傾角制御器３５，３６を通じてコントローラ９０によって制御される。
サブポンプ８９には吐出通路３７が接続される。吐出通路３７は、第１メインポンプ７１の吐出側に合流する第１アシスト流路３８と、第２メインポンプ７２の吐出側に合流する第２アシスト流路３９とに分岐して形成される。第１，２アシスト流路３８，３９のそれぞれには、コントローラ９０の出力信号にて開度が制御される第１，２電磁比例絞り弁４０，４１が設けられる。また、第１，２アシスト流路３８，３９のそれぞれには、第１，２電磁比例絞り弁４０，４１の下流に、サブポンプ８９から第１，第２メインポンプ７１，７２への作動油の流れのみを許容するチェック弁４２，４３が設けられる。
電動モータ９１の駆動力でサブポンプ８９が回転すれば、サブポンプ８９は第１，第２メインポンプ７１，７２の出力をアシストする。コントローラ９０は、第１，２圧力センサ１１，２１からの圧力信号に応じて、第１，２電磁比例絞り弁４０，４１の開度を制御し、サブポンプ８９から吐出された作動油を案分して第１，第２メインポンプ７１，７２の吐出側に供給する。
合流回生通路４４を通じて回生モータ８８に作動油が供給され、回生モータ８８が回転すれば、回生モータ８８の回転力は同軸回転する電動モータ９１に対するアシスト力として作用する。したがって、回生モータ８８の回転力の分だけ、電動モータ９１の消費電力を少なくすることができる。
回生モータ８８を駆動源として電動モータ９１を発電機として使用するときには、サブポンプ８９は傾転角がゼロに設定されほぼ無負荷状態となる。
以下では、旋回回生及びブーム回生の回生制御について説明する。
まず、旋回回生のみが行われる場合について説明する。
コントローラ９０は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力に達したと判定した場合には、切換弁４８を開位置に切り換える。これにより、旋回回路７５からの作動油は回生モータ８８に導かれ、旋回回生が行われる。一方、コントローラ９０は、センサ９７の検出結果に基づいて、ブームシリンダ７７が伸長動作中又は停止中であると判定すれば、切換弁５３を閉位置に設定する。これにより、ブームシリンダ７７からの戻り作動油は回生モータ８８に導かれず、ブーム回生は行われない。ここで、ブームシリンダ７７の伸長動作時及び停止時には、操作弁１４のパイロット室９６ｂにパイロット圧が供給されないため、バイパス弁５１のパイロット室５１ａにもパイロット圧が供給されず、バイパス弁５１は連通位置となる。これにより、旋回回路７５からの作動油は、減圧弁５０をバイパスしバイパス弁５１を通じて回生モータ８８に導かれる。
このように、旋回回生のみが行われる場合には、バイパス弁５１は連通位置に設定され、旋回回路７５からの作動油は減圧弁５０にて減圧されずに回生モータ８８に導かれる。したがって、効率的な回生が行われる。
ここで、旋回回生のみが行われる場合には、旋回回路７５からの作動油は減圧弁５０にて減圧されずに回生モータ８８に導かれるため、旋回回路７５の圧力が低下し易くなる。旋回回路７５の圧力が旋回回生開始圧力よりも低下した場合には、切換弁４８が閉位置に切換わって旋回回生が停止し、その後、旋回モータ７６が旋回動作中であると、再び旋回回路７５の圧力が上昇して旋回回生開始圧力に達すれば切換弁４８が開位置に切換わって旋回回生が再開するというように、切換弁４８が開閉を繰り返すおそれがある。このような事態が発生した場合には、切換弁４８の開閉による圧力変動によって振動が発生するおそれがある。
そこで、コントローラ９０は、旋回回生のみが行われる場合には、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力よりも低下しないように、回生モータ８８の傾転角及び回転数を制御して回生モータ８８に導かれる回生流量を制御する。具体的には、コントローラ９０は、圧力センサ４９の検出圧力から理論旋回回生流量を演算し、回生モータ８８に導かれる回生流量が理論旋回回生流量を超えないように回生モータ８８の傾転角及び回転数を制御する。理論旋回回生流量は、圧力センサ４９の検出圧力とリリーフ弁２８，２９に流れるリリーフ流量との関係を規定したマップを用いて演算される。つまり、コントローラ９０は、マップを参照することによって圧力センサ４９の検出圧力からリリーフ弁２８，２９に流れるリリーフ流量（理論旋回回生流量）を演算し、そのリリーフ流量を超えないように回生モータ８８に導かれる回生流量を制御する。これにより、旋回回生のみが行われ、旋回回路７５からの作動油が減圧弁５０にて減圧されずに回生モータ８８に導かれる場合であっても、旋回回路７５の圧力を、旋回モータ７６の旋回動作あるいはブレーキ動作に影響を及ぼさない圧力に保つことができる。
次に、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合について説明する。
コントローラ９０は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力に達したと判定した場合には、切換弁４８を開位置に切り換える。これにより、旋回回路７５からの作動油は回生モータ８８に導かれ、旋回回生が行われる。一方、コントローラ９０は、センサ９７の検出結果に基づいて、ブームシリンダ７７が収縮動作中であると判定すれば、切換弁５３を開位置に切り換える。これにより、ブームシリンダ７７からの戻り作動油は回生モータ８８に導かれ、ブーム回生が行われる。ここで、ブームシリンダ７７の収縮動作時には、操作弁１４のパイロット室９６ｂにパイロット圧が供給されるのと同時に、バイパス弁５１のパイロット室５１ａにもパイロット圧が供給されるため、バイパス弁５１は遮断位置に設定される。これにより旋回回路７５からの作動油は、減圧弁５０を通じて回生モータ８８に導かれる。
このように、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、バイパス弁５１は遮断位置に設定され、旋回回路７５からの作動油は減圧弁５０にて減圧されて回生モータ８８に導かれる。したがって、旋回回路７５からの作動油は減圧されてブームシリンダ７７からの戻り作動油と合流し、回生モータ８８に導かれる。
ブームシリンダ７７からの戻り作動油の圧力は、旋回回路７５からの作動油の圧力と比較して小さい。減圧弁５０は、ブームシリンダ７７からの戻り作動油と旋回回路７５からの作動油との差圧を埋める働きをする。つまり、旋回回路７５からの作動油が減圧弁５０にて減圧されることによって、旋回回路７５からの作動油とブームシリンダ７７からの戻り作動油とが合流回生通路４４にて安定的に合流することになる。
また、上述したように、旋回回生時には、切換弁４８の開閉による圧力変動によって振動が発生するおそれがある。しかし、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、旋回回路７５からの作動油が減圧弁５０にて減圧されるため、旋回回路７５の圧力は回生モータ８８の圧力に減圧弁５０の圧力損失が加えられた圧力となる。したがって、旋回回路７５の圧力低下が防止され、旋回回路７５の圧力低下に起因する振動の発生を防止することができる。
以上の第１実施形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。
本実施形態の回生制御では、旋回回生のみが行われる場合には、旋回回路７５からの作動油が減圧弁５０にて減圧されずに回生モータ８８に導かれ、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、旋回回路７５からの作動油が減圧弁５０にて減圧されて回生モータ８８に導かれるため、簡単な制御である。また、旋回回生のみが行われる場合には旋回回路７５からの作動油は減圧されずに回生モータ８８に導かれるため、効率的な回生が行われる。よって、簡単な回生制御で効率的な回生が可能となる。
以下に、第１実施形態の変形例を示す。
第１実施形態ではバイパス弁５１がパイロット操作型の切換弁である場合について説明した。これに代わり、バイパス弁５１を電磁弁にて構成するようにしてもよい。この場合には、バイパス弁５１は、センサ９７の検出結果に基づいてコントローラ９０から出力される信号によって遮断位置に設定される。具体的には、コントローラ９０は、センサ９７の検出結果に基づいてブームシリンダ７７が収縮動作中であると判定した場合には、バイパス弁５１を遮断位置に切り換える。
また、第１実施形態では、流体圧シリンダからの戻り作動油を利用して回生を行う例として、ブームシリンダ７７からの戻り作動油を利用する場合について説明した。しかし、ブームシリンダ７７に代わり、アーム駆動用のアームシリンダ又はバケット駆動用のバケットシリンダからの戻り作動油を利用して回生を行うようにしてもよい。アームシリンダ及びバケットシリンダは、操作弁２，１３が中立位置の場合にはロッド側室によって負荷を保持する状態が多いため、ロッド側室を負荷側圧力室としてもよい。
＜第２実施形態＞
図２を参照して、本発明の第２実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御システム２００について説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して説明を省略する。
ハイブリッド建設機械の制御システム２００では、旋回回生通路４５に、上記第１実施形態の切換弁４８及びバイパス弁５１の機能を有する旋回回生用切換弁としての切換弁２０１が設けられる。
切換弁２０１は、遮断位置Ａ、第１連通位置Ｂ、及び第２連通位置Ｃの３ポジションを有し、コントローラ９０の出力信号によってポジションが切り換えられる電磁弁である。また、切換弁２０１は、旋回回路７５の圧力が導かれる入口ポート２０１ａ、減圧弁５０に連通する出口ポート２０１ｂ、及びバイパス通路５６に連通するバイパスポート２０１ｃの３ポートを有する。バイパス通路５６は、切換弁２０１のバイパスポート２０１ｃと旋回回生通路４５における減圧弁５０の下流側とを接続する。
切換弁２０１の遮断位置Ａでは、入口ポート２０１ａに対する出口ポート２０１ｂ及びバイパスポート２０１ｃの連通が遮断される。第１連通位置Ｂでは、入口ポート２０１ａに対して出口ポート２０１ｂ及びバイパスポート２０１ｃが連通する。第２連通位置Ｃでは、入口ポート２０１ａに対して出口ポート２０１ｂが連通し、入口ポート２０１ａに対するバイパスポート２０１ｃの連通が遮断される。
コントローラ９０は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力未満であると判定した場合には、切換弁２０１を遮断位置Ａに設定する。遮断位置Ａでは、旋回回路７５からの作動油が回生モータ８８に導かれず、旋回回生は行われない。
また、コントローラ９０は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつセンサ９７の検出結果に基づいてブームシリンダ７７が伸長動作中又は停止中であると判定した場合には、切換弁２０１を第１連通位置Ｂに設定すると共に、切換弁５３を閉位置に設定する。つまり、切換弁２０１は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつ切換弁５３が閉位置の場合には、第１連通位置Ｂに設定される。これにより、旋回回路７５からの作動油のみが回生モータ８８に導かれ、旋回回生のみが行われる。この際、切換弁２０１にてバイパス通路５６が開通するため、旋回回路７５からの作動油は、減圧弁５０をバイパスして回生モータ８８に導かれる。このように、旋回回生のみが行われる場合には、旋回回路７５からの作動油は減圧弁５０にて減圧されずに回生モータ８８に導かれる。
また、コントローラ９０は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつセンサ９７の検出結果に基づいてブームシリンダ７７が収縮動作中であると判定した場合には、切換弁２０１を第２連通位置Ｃに設定すると共に、切換弁５３を開位置に設定する。つまり、切換弁２０１は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつ切換弁５３が開位置の場合には、第２連通位置Ｃに設定される。これにより、旋回回路７５からの作動油及びブームシリンダ７７からの戻り作動油が回生モータ８８に導かれ、旋回回生とブーム回生が同時に行われる。この際、切換弁２０１にて旋回回生通路４５が開通する一方、バイパス通路５６は遮断されるため、旋回回路７５からの作動油は、減圧弁５０を通じて回生モータ８８に導かれる。このように、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、旋回回路７５からの作動油は減圧弁５０にて減圧されて回生モータ８８に導かれる。
以上の第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏すると共に、第１実施形態では必要であったバイパス弁５１が不要となるため、コストを低減することができる。
＜第３実施形態＞
図３を参照して、本発明の第３実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御システム３００について説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して説明を省略する。
ハイブリッド建設機械の制御システム３００では、旋回回生通路４５に、上記第１実施形態の切換弁４８、減圧弁５０、及びバイパス弁５１の機能を有する旋回回生用切換弁としての切換弁３０１が設けられる。
切換弁３０１は、遮断位置Ａ、第１連通位置Ｂ、及び第２連通位置Ｃの３ポジションを有し、コントローラ９０の出力信号によってポジションが切り換えられる電磁弁である。切換弁３０１は、遮断位置Ａでは旋回回生通路４５を遮断し、第１連通位置Ｂでは旋回回路７５からの作動油を減圧せずに回生モータ８８に導き、第２連通位置Ｃでは旋回回路７５からの作動油を絞りによって減圧して回生モータ８８に導く。
コントローラ９０は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力未満であると判定した場合には、切換弁３０１を遮断位置Ａに設定する。遮断位置Ａでは、旋回回路７５からの作動油が回生モータ８８に導かれず、旋回回生は行われない。
また、コントローラ９０は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつセンサ９７の検出結果に基づいてブームシリンダ７７が伸長動作中又は停止中であると判定した場合には、切換弁３０１を第１連通位置Ｂに設定すると共に、切換弁５３を閉位置に設定する。つまり、切換弁３０１は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつ切換弁５３が閉位置の場合には、第１連通位置Ｂに設定される。これにより、旋回回路７５からの作動油のみが回生モータ８８に導かれ、旋回回生のみが行われる。この際、旋回回路７５からの作動油は、切換弁３０１にて減圧されずに回生モータ８８に導かれる。このように、旋回回生のみが行われる場合には、旋回回路７５からの作動油は減圧されずに回生モータ８８に導かれる。
また、コントローラ９０は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつセンサ９７の検出結果に基づいてブームシリンダ７７が収縮動作中であると判定した場合には、切換弁３０１を第２連通位置Ｃに設定すると共に、切換弁５３を開位置に設定する。つまり、切換弁３０１は、圧力センサ４９の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつ切換弁５３が開位置の場合には、第２連通位置Ｃに設定される。これにより、旋回回路７５からの作動油及びブームシリンダ７７からの戻り作動油が回生モータ８８に導かれ、旋回回生とブーム回生が同時に行われる。この際、旋回回路７５からの作動油は、切換弁３０１にて絞られて回生モータ８８に導かれる。このように、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、旋回回路７５からの作動油は絞りによって減圧されて回生モータ８８に導かれる。
以上の第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏すると共に、第１実施形態では必要であった減圧弁５０、バイパス通路５６、及びバイパス弁５１が不要となるため、コストを低減することができる。
以下に、第３実施形態の変形例を示す。
切換弁３０１を、コントローラ９０の出力信号によって開度が制御される電磁比例絞り弁にて構成するようにしてもよい。この場合には、コントローラ９０は、旋回回生のみが行われる場合には、切換弁３０１の絞りの開口面積を最大に設定する。一方、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、切換弁３０１の入口と出口の差圧が通過する流量によらず一定となるように、切換弁３０１の絞りの開口面積を調整する。具体的には、コントローラ９０は、圧力センサ４９の検出圧力から理論旋回回生流量を演算し、その理論旋回回生流量に応じて絞りの開口面積を調整する。なお、切換弁３０１をこのように構成する場合には、コントローラ９０の出力信号によってパイロット圧を制御し、そのパイロット圧にて絞りの開口面積を制御するようにしてもよい。
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
１００，２００，３００ ハイブリッド建設機械の制御システム
１，１４ 操作弁
２８，２９ リリーフ弁
４４ 合流回生通路
４５ 旋回回生通路
４８，２０１，３０１ 切換弁（旋回回生用切換弁）
４９ 圧力センサ（圧力検出器）
５０ 減圧弁
５１ バイパス弁
５２ ブーム回生通路
５３ 切換弁（シリンダ回生用切換弁）
５６ バイパス通路
７１，７２ メインポンプ（流体圧ポンプ）
７５ 旋回回路
７６ 旋回モータ
７７ ブームシリンダ（流体圧シリンダ）
８８ 回生モータ
９０ コントローラ
９１ 電動モータ（回転電機）
９７ センサ（動作状態検出器）

Claims (7)

  1. ハイブリッド建設機械の制御システムであって、
    旋回モータ及び流体圧シリンダの駆動源である流体圧ポンプと、
    前記旋回モータを駆動するための旋回回路から導かれる作動流体及び前記流体圧シリンダから導かれる作動流体によって回転する回生用の回生モータと、
    前記回生モータに連結された回転電機と、
    前記旋回モータの旋回動作時の旋回圧力又はブレーキ動作時のブレーキ圧力を検出する圧力検出器と、
    前記圧力検出器の検出圧力が予め設定された旋回回生開始圧力に達した場合に開弁し、前記旋回回路から前記回生モータへ作動流体を導いて旋回回生を行う旋回回生用切換弁と、
    前記流体圧シリンダの動作状態を検出する動作状態検出器と、
    前記旋回回生用切換弁と並列に設けられ、前記動作状態検出器の検出結果に基づいて開弁し、前記流体圧シリンダから前記回生モータへ作動流体を導いてシリンダ回生を行うシリンダ回生用切換弁と、
    前記旋回回生用切換弁が設けられる旋回回生通路と、
    前記シリンダ回生用切換弁が設けられるシリンダ回生通路と、
    前記旋回回生通路と前記シリンダ回生通路とが合流して接続され、前記回生モータに作動流体を導く合流回生通路と、
    前記旋回回生通路における前記旋回回生用切換弁の下流側に設けられた減圧弁と、
    前記旋回回生通路に接続され前記減圧弁をバイパスするバイパス通路と、
    前記バイパス通路に設けられ、遮断位置と連通位置を有するバイパス弁と、を備え、
    前記バイパス弁は、前記旋回回生のみが行われる場合には前記連通位置に設定され、前記旋回回生と前記シリンダ回生が同時に行われる場合には前記遮断位置に設定されることを特徴とするハイブリッド建設機械の制御システム。
  2. パイロット圧によって操作され、前記流体圧ポンプから前記流体圧シリンダへ導かれる作動流体の流量を制御する操作弁と、をさらに備え、
    前記バイパス弁は、前記流体圧シリンダの負荷側圧力室が収縮する方向に前記操作弁を操作するパイロット圧によって前記遮断位置に設定されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド建設機械の制御システム。
  3. ハイブリッド建設機械の制御システムであって、
    旋回モータ及び流体圧シリンダの駆動源である流体圧ポンプと、
    前記旋回モータを駆動するための旋回回路から導かれる作動流体及び前記流体圧シリンダから導かれる作動流体によって回転する回生用の回生モータと、
    前記回生モータに連結された回転電機と、
    前記旋回モータの旋回動作時の旋回圧力又はブレーキ動作時のブレーキ圧力を検出する圧力検出器と、
    前記圧力検出器の検出圧力が予め設定された旋回回生開始圧力に達した場合に開弁し、前記旋回回路から前記回生モータへ作動流体を導いて旋回回生を行う旋回回生用切換弁と、
    前記流体圧シリンダの動作状態を検出する動作状態検出器と、
    前記旋回回生用切換弁と並列に設けられ、前記動作状態検出器の検出結果に基づいて開弁し、前記流体圧シリンダから前記回生モータへ作動流体を導いてシリンダ回生を行うシリンダ回生用切換弁と、
    前記旋回回生用切換弁が設けられる旋回回生通路と、
    前記シリンダ回生用切換弁が設けられるシリンダ回生通路と、
    前記旋回回生通路と前記シリンダ回生通路とが合流して接続され、前記回生モータに作動流体を導く合流回生通路と、
    前記旋回回生通路における前記旋回回生用切換弁の下流側に設けられた減圧弁と、
    前記旋回回生通路に接続され前記減圧弁をバイパスするバイパス通路と、を備え、
    前記旋回回生用切換弁は、前記圧力検出器の検出圧力が前記旋回回生開始圧力未満である場合には遮断位置に設定され、前記圧力検出器の検出圧力が前記旋回回生開始圧力に達しかつ前記シリンダ回生用切換弁が閉弁状態の場合には、前記バイパス通路を開通する第１連通位置に設定され、前記圧力検出器の検出圧力が前記旋回回生開始圧力に達しかつ前記シリンダ回生用切換弁が開弁状態の場合には、前記旋回回生通路を開通し前記バイパス通路を遮断する第２連通位置に設定されることを特徴とするハイブリッド建設機械の制御システム。
  4. ハイブリッド建設機械の制御システムであって、
    旋回モータ及び流体圧シリンダの駆動源である流体圧ポンプと、
    前記旋回モータを駆動するための旋回回路から導かれる作動流体及び前記流体圧シリンダから導かれる作動流体によって回転する回生用の回生モータと、
    前記回生モータに連結された回転電機と、
    前記旋回モータの旋回動作時の旋回圧力又はブレーキ動作時のブレーキ圧力を検出する圧力検出器と、
    前記圧力検出器の検出圧力が予め設定された旋回回生開始圧力に達した場合に開弁し、前記旋回回路から前記回生モータへ作動流体を導いて旋回回生を行う旋回回生用切換弁と、
    前記流体圧シリンダの動作状態を検出する動作状態検出器と、
    前記旋回回生用切換弁と並列に設けられ、前記動作状態検出器の検出結果に基づいて開弁し、前記流体圧シリンダから前記回生モータへ作動流体を導いてシリンダ回生を行うシリンダ回生用切換弁と、を備え、
    前記旋回回生用切換弁は、前記圧力検出器の検出圧力が前記旋回回生開始圧力未満である場合には遮断位置に設定され、前記圧力検出器の検出圧力が前記旋回回生開始圧力に達しかつ前記シリンダ回生用切換弁が閉弁状態の場合には、前記旋回回路からの作動流体を減圧せずに前記回生モータに導く第１連通位置に設定され、前記圧力検出器の検出圧力が前記旋回回生開始圧力に達しかつ前記シリンダ回生用切換弁が開弁状態の場合には、前記旋回回路からの作動流体を絞って前記回生モータに導く第２連通位置に設定されることを特徴とするハイブリッド建設機械の制御システム。
  5. 前記ハイブリッド建設機械の回生制御を行うコントローラをさらに備え、
    前記回生モータは、傾転角が調整可能な可変容量型モータであり、
    前記コントローラは、前記旋回回生のみが行われる場合には、前記圧力検出器の検出圧力が前記旋回回生開始圧力よりも低下しないように、前記回生モータの傾転角及び回転数を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のハイブリッド建設機械の制御システム。
  6. 前記コントローラは、前記旋回回生のみが行われる場合には、前記圧力検出器の検出圧力から理論旋回回生流量を演算し、前記回生モータに導かれる回生流量が前記理論旋回回生流量を超えないように、前記回生モータの傾転角及び回転数を制御することを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド建設機械の制御システム。
  7. ハイブリッド建設機械の制御システムであって、
    旋回モータ及び流体圧シリンダの駆動源である流体圧ポンプと、
    前記旋回モータを駆動するための旋回回路から導かれる作動流体及び前記流体圧シリンダから導かれる作動流体によって回転する回生用の回生モータと、
    前記回生モータに連結された回転電機と、
    前記旋回モータの旋回動作時の旋回圧力又はブレーキ動作時のブレーキ圧力を検出する圧力検出器と、
    前記圧力検出器の検出圧力が予め設定された旋回回生開始圧力に達した場合に開弁し、前記旋回回路から前記回生モータへ作動流体を導いて旋回回生を行う旋回回生用切換弁と、
    前記流体圧シリンダの動作状態を検出する動作状態検出器と、
    前記旋回回生用切換弁と並列に設けられ、前記動作状態検出器の検出結果に基づいて開弁し、前記流体圧シリンダから前記回生モータへ作動流体を導いてシリンダ回生を行うシリンダ回生用切換弁と、
    前記ハイブリッド建設機械の回生制御を行うコントローラと、を備え、
    前記旋回回生のみが行われる場合には、前記旋回回路からの作動流体は減圧されずに前記回生モータへ導かれ、前記旋回回生と前記シリンダ回生が同時に行われる場合には、前記旋回回路からの作動流体は減圧されて前記流体圧シリンダからの作動流体と合流し、前記回生モータへ導かれ、
    前記回生モータは、傾転角が調整可能な可変容量型モータであり、
    前記コントローラは、前記旋回回生のみが行われる場合には、前記圧力検出器の検出圧力から理論旋回回生流量を演算し、前記回生モータに導かれる回生流量が前記理論旋回回生流量を超えないように、前記回生モータの傾転角及び回転数を制御することを特徴とするハイブリッド建設機械の制御システム。
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