JP6197847B2 - ハイブリッド建設機械の旋回制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ハイブリッド建設機械の旋回制御装置に関するものである。
近年、ショベルやクレーン等の旋回式の建設機械においては、上部旋回体を確実に停止保持させるために、上部旋回体をその場に保持させる位置保持制御に加えて、メカニカルブレーキを用いて上部旋回体を停止保持させることが行われている(例えば、特許文献1)。
特許文献1には、特許文献1の図4に示されるように、操作レバーが位置LnL、LnRよりも中央側に操作されると、位置センサからの信号に基づいて上部旋回体をその場に保持させる位置保持制御が開始され、操作レバーが位置LbL、LbR(位置LnL、LnRよりも中央寄りの位置)よりも中央側に操作されると、メカニカルブレーキの作動が開始され、操作レバーが位置LzL、LzR(位置LbL、LbRよりも中央よりの位置)よりも中央側に操作されると位置保持制御が終了されている。
特許第3977697号公報
しかし、特許文献1では、位置LzL、LzRにおいて位置保持制御が終了されているが、メカニカルブレーキの制動力が十分に効いているか否かを判断した上で位置保持制御は終了されていない。したがって、特許文献1では、操作レバーが位置LzL、LzRに到達したときに、メカニカルブレーキの制動力が不十分であれば、上部旋回体が重力の作用を受けて旋回する、いわゆる旋回流れが発生するおそれがある。特に、建設機械が傾斜地に位置する場合、上部旋回体に対して、旋回させる方向に加わる重力が大きくなるので、旋回流れが発生する可能性が高くなる。
本発明の目的は、旋回流れを防止するハイブリッド建設機械の制動制御装置を提供することである。
本発明の一態様によるハイブリッド建設機械の制動制御装置は、上部旋回体を旋回させる旋回電動機と、
前記上部旋回体の旋回操作量を検出する旋回操作量検出部と、
前記旋回操作量に応じた旋回速度で前記上部旋回体を作動させるための旋回指令を出力し、前記旋回電動機を制御する旋回制御部と、
前記上部旋回体の旋回速度を検出する旋回速度検出部と、
前記上部旋回体を機械的に停止保持させるメカニカルブレーキと、
前記旋回操作量が旋回停止を示し、且つ、前記旋回速度検出部が検出した旋回速度が所定速度以下になった場合、前記メカニカルブレーキを作動させる一方、前記検出した旋回速度が所定速度以下になるまでは前記メカニカルブレーキを作動させないブレーキ制御部と、
前記メカニカルブレーキの制動力を示すブレーキ作動検出値を検出するブレーキ作動検出部と、
前記検出されたブレーキ作動検出値が予め定められた閾値を超えた時間を計測する時間計測部とを備え、
前記旋回制御部は、前記メカニカルブレーキが作動された場合において、前記時間計測部により計測された時間が所定の基準時間を超えた場合、前記旋回指令の出力を停止する一方、前記計測された時間が前記基準時間を超えるまでは前記旋回指令を出力する。
この構成によれば、旋回操作量に応じた旋回速度で上部旋回体を作動させるための旋回指令が出力されているので、旋回操作量が旋回停止を示す場合は、旋回速度をゼロに維持するためのゼロ速度制御が開始される。そして、旋回速度が所定速度以下になった場合にメカニカルブレーキが作動され、メカニカルブレーキの制動力を示すブレーキ作動検出値が閾値を超える時間が所定の基準時間以上継続されたときに、旋回指令の出力が停止され、ゼロ速度制御が停止されている。
そのため、本構成では、メカニカルブレーキの制動力が十分に効いていることを確認した上で、ゼロ速度制御を終了させることができ、旋回流れを防止できる。
更に、メカニカルブレーキが制動力が十分に効いていることが確認できると、ゼロ速度制御が終了されるので、ゼロ速度制御に費やされる消費電力の低減を図ることができる。
また、上記態様において、前記メカニカルブレーキを油圧で作動させる油圧作動部と、
前記油圧を検出する油圧検出部とを更に備え、
前記ブレーキ作動検出部は、前記油圧検出部により検出された油圧を前記ブレーキ作動検出値として検出してもよい。
メカニカルブレーキを油圧制御する場合、メカニカルブレーキへの作動指示を出してからメカニカルブレーキが実際に効き始めるまでには作動遅延が生じる。本態様では、油圧がブレーキ作動検出値として検出されているので、作動遅延を考慮した上で、旋回制御部に旋回指令の出力を終了させることができ、旋回流れをより確実に防止できる。
また、上記態様において、前記ハイブリッド建設機械の水平面に対する傾斜角を検出する傾斜角検出部を更に備え、
前記旋回制御部は、前記検出された傾斜角に応じて前記基準時間を決定してもよい。
傾斜地では、上部旋回体に対して旋回させる方向に作用する重力が平地よりも大きくなる。本態様では、傾斜角に応じて基準時間が決定されているので、メカニカルブレーキの制動力が十分に効いていることを待ってからゼロ速度制御を終了させることができ、旋回流れをより確実に防止できる。
また、上記態様において、前記メカニカルブレーキを油圧で作動させる油圧作動部と、
前記油圧作動部が前記メカニカルブレーキに供給する駆動油の温度を計測する温度検出部とを更に備え、
前記旋回制御部は、前記検出された駆動油の温度に応じて前記基準時間を決定してもよい。
駆動油は温度が低いほど応答性が悪化する傾向を持つ。本態様では、駆動油の温度に応じて基準時間が決定されているので、メカニカルブレーキの制動力が十分に効いていることを待ってからゼロ速度制御を終了させることができ、旋回流れをより確実に防止できる。
本発明によれば、旋回流れを防止することができる。
本発明の実施の形態1におけるハイブリッド建設機械をハイブリッドショベル1に適用したときのハイブリッドショベル1の外観図である。 本発明の実施の形態1におけるハイブリッドショベル1のシステム構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態1におけるハイブリッドショベル1の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2におけるハイブリッドショベル1のシステム構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態2におけるハイブリッドショベル1の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態3におけるハイブリッドショベル1のシステム構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態3におけるハイブリッドショベル1の動作を示すフローチャートである。
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるハイブリッド建設機械をハイブリッドショベル1に適用したときのハイブリッドショベル1の外観図である。ハイブリッドショベル1は、クローラ式の下部走行体2と、下部走行体2上に旋回可能に設けられた上部旋回体3と、上部旋回体3に取り付けられた作業アタッチメント4とを備えている。
作業アタッチメント4は、上部旋回体3に対して起伏可能に取り付けられたブーム15と、ブーム15の先端部に対して揺動可能に取り付けられたアーム16と、アーム16の先端部に対して揺動可能に取り付けられたバケット17とを備えている。
また、作業アタッチメント4は、上部旋回体3に対してブーム15を起伏させるブームシリンダ18と、ブーム15に対してアーム16を揺動させるアームシリンダ19と、アーム16に対してバケット17を揺動させるバケットシリンダ20とを備えている。
図2は、本発明の実施の形態1におけるハイブリッドショベル1のシステム構成の一例を示すブロック図である。
ハイブリッドショベル1は、エンジン21と、エンジン21の出力軸に連結された油圧ポンプ23及び発電電動機22と、蓄電装置26の充放電及び発電電動機22の駆動を制御する発電インバータ24と、蓄電装置26の充放電及び旋回電動機28の駆動を制御する旋回インバータ25と、旋回インバータ25により駆動される旋回電動機28と、発電電動機22により発電された電力を充電可能な蓄電装置26と、発電インバータ24、及び旋回インバータ25を制御する制御部32等を備える。なお、図2において、太線は電力線を示し、細線は制御の流れを示し、二重線はエンジン21の出力軸を示す。
エンジン21は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される。
発電電動機22は、例えば、三相モータで構成され、エンジン21からの動力により発電機として機能する。また、発電電動機22は、蓄電装置26からの電力により電動機として機能し、エンジン21をアシストする。
油圧ポンプ23は、エンジン21の動力により駆動して、駆動油を吐出する。油圧ポンプ23から吐出された駆動油は、図略のコントロールバルブを介して各シリンダ18〜20(図1参照)を含む複数の油圧アクチュエータ23aに導かれると共に、ブレーキ制御弁29aを介してメカニカルブレーキ29に導かれる。
発電インバータ24は、例えば、三相インバータで構成され、制御部32の制御の下、発電電動機22の発電機としての機能と、発電電動機22の電動機としての機能との切り換えを制御する。また、発電インバータ24は、発電電動機22のトルクを制御する。
旋回インバータ25は、例えば、三相インバータで構成され、蓄電装置26の電力を旋回電動機28に供給し、旋回電動機28を駆動させる。また、旋回インバータ25は、上部旋回体3の旋回減速時に旋回電動機28に発生する回生電力を蓄電装置26に蓄積させる。また、旋回インバータ25は、旋回電動機28のトルクを制御する。
蓄電装置26は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、或いは電気二重層キャパシタといった二次電池で構成され、発電インバータ24の制御の下、発電電動機22が発電した電力を蓄積する。また、蓄電装置26は、旋回インバータ25の制御の下、旋回電動機28の回生電力を蓄積する。
旋回速度検出部27は、例えば、旋回電動機28に取り付けられた速度センサで構成され、上部旋回体3の旋回速度を検出する。
旋回電動機28は、例えば、三相モータで構成され、蓄電装置26の電力により駆動され、図1に示す上部旋回体3を旋回させる。
メカニカルブレーキ29は、油圧ポンプ23からブレーキ制御弁29aを介して供給される駆動油によって作動し、旋回電動機28を制動させ、上部旋回体3を機械的に停止保持させる。具体的には、メカニカルブレーキ29は、シリンダ(図略)及びバネ(図略)を備え、ブレーキ制御弁29aからシリンダに油圧が導入された場合に旋回電動機28への制動力を解除し、ブレーキ制御弁29aからシリンダへの油圧が解放された場合にバネの力によって旋回電動機28に制動力を与えるネガティブブレーキで構成される。
ブレーキ制御弁29aは、ブレーキ制御部323からの制御信号によって作動する電磁開閉弁で構成される。ブレーキ制御弁29aは、ブレーキ解除の制御信号が入力されると、上記シリンダへ油圧を導入し、ブレーキ作動の制御信号が入力されると、上記シリンダへの油圧を解放する。
ブレーキ作動検出部30は、メカニカルブレーキ29の制動力を示すブレーキ作動検出値を検出する。本実施の形態では、ブレーキ作動検出部30は、例えば、油圧センサで構成され、メカニカルブレーキ29の油圧をブレーキ作動検出値として検出する。
旋回操作量検出部31は、旋回レバー31aの例えば傾倒角度を旋回操作量として検出し、旋回制御部321及びブレーキ制御部323に出力する。旋回操作量には、予め、旋回レバー31aの傾倒角度が0の位置に中立点が設定され、中立点の左右の方向に所定の幅(たとえば旋回レバー31aの傾倒角度で左右各7.5度)を持たせた範囲に中立範囲が設定されている。この中立範囲を超えて旋回レバー31aが傾倒されたとき、旋回レバー31aの傾倒角度が増大するにつれて上部旋回体3の目標速度が増大するように、旋回操作量と目標速度との関係が予め定められている。
制御部32は、例えば、ASIC(application specific integrated circuit)、FPGA(field−programmable gate array)、及びCPU等のプロセッサと、ROMと、RAMと、EEPROM等の書き換え可能な記憶装置とで構成されている。そして、制御部32は、ハイブリッドショベル1の全体制御を司る。
本実施の形態では、制御部32は、特に、旋回制御部321、時間計測部322、及びブレーキ制御部323を備える。旋回制御部321〜ブレーキ制御部323は、CPUが制御プログラムを実行することで実現されてもよいし、専用のハードウェア回路で実現されてもよい。
旋回制御部321は、旋回操作量検出部31が検出した旋回操作量に応じた目標速度で上部旋回体3を作動させるための旋回指令を旋回インバータ25に出力し、旋回電動機28を制御する。ここで、旋回制御部321は、旋回速度検出部27で検出された旋回速度が目標速度より低ければ、旋回速度を上昇させる旋回指令を旋回インバータ25に出力する一方、旋回速度検出部27で検出された旋回速度が目標速度より高ければ、旋回速度を減少させる旋回指令を旋回インバータ25に出力すればよい。
また、旋回制御部321は、旋回レバー31aが上述の中立範囲に位置決めされた場合、旋回インバータ25に旋回速度を0にするための旋回指令を出力する。これにより、上部旋回体3の旋回速度をゼロに維持するゼロ速度制御が実現される。
ブレーキ制御部323は、旋回操作量検出部31が検出した旋回操作量が旋回停止を示し、且つ、旋回速度検出部27が検出した旋回速度が所定速度以下になった場合、ブレーキ制御弁29aにブレーキ作動の制御信号を出力し、メカニカルブレーキ29を作動させる。一方、ブレーキ制御部323は、旋回操作量検出部31が検出した旋回速度が所定測度以下になるまではブレーキ制御弁29aにブレーキ解除の制御信号を出力し、メカニカルブレーキ29を作動させない。
ここで、旋回停止を示す旋回操作量としては、旋回レバー31aが上述の中立範囲に位置決めされたときの旋回レバー31aの傾倒角度が採用できる。
時間計測部322は、ブレーキ作動検出部30で検出されたブレーキ作動検出値が予め定められた閾値を超えた時間であるブレーキ作動時間を計測する。ここで、メカニカルブレーキ29は上述の通りネガティブブレーキが採用されている。したがって、「ブレーキ作動検出値が閾値を超える」とは、ブレーキ作動検出値である油圧が閾値以下になり、旋回電動機28に制動力が付与された状態が該当する。但し、これは一例であり、メカニカルブレーキ29としてポジティブブレーキが採用されるのであれば、「ブレーキ作動検出値が閾値を超える」とは、ブレーキ作動検出値である油圧が閾値以上になった状態が該当する。閾値としては、例えば、メカニカルブレーキ29の制動力が効き始めたことを示す予め定められた油圧の値が採用できる。
旋回制御部321は、メカニカルブレーキ29が作動された場合において、時間計測部322により計測されたブレーキ作動時間が所定の基準時間を超えた場合、旋回指令の出力を停止する。一方、旋回制御部321は、計測されたブレーキ作動時間が基準時間を超えるまでは旋回指令を出力する。ここで、基準時間としては、メカニカルブレーキ29が作動を開始してから、ブレーキが十分に効いていることを示す予め定められた時間が採用できる。
図3は、本発明の実施の形態1におけるハイブリッドショベル1の動作を示すフローチャートである。
まず、旋回制御部321は、旋回速度検出部27が検出した旋回速度を、旋回操作量検出部31が検出した旋回操作量に対応する目標速度にするための旋回指令を旋回インバータ25に出力する。このとき、旋回操作量が旋回停止を示せば、旋回制御部321は、目標速度を0にするための旋回指令を旋回インバータ25に出力する。これにより、旋回制御部321によるゼロ速度制御が開始される。
次に、ブレーキ制御部323は、旋回操作量が旋回停止を示し、且つ、旋回速度検出部27が検出した旋回速度が所定速度以下になっていれば、ブレーキ制御弁29aにブレーキ作動の制御信号を出力し、メカニカルブレーキ29を作動させる(S302でYES)。一方、ブレーキ制御部323は、旋回操作量が旋回停止を示さない、或いは、旋回速度検出部27が検出した旋回速度が所定速度以下になっていなければ、ブレーキ制御弁29aにブレーキ解除の制御信号を出力し、メカニカルブレーキを作動させず(S302でNO)、処理をS308に進める。ここで、メカニカルブレーキ29は旋回速度が所定速度以下にならなければ、作動されないため、メカニカルブレーキ29の消耗が抑制されている。したがって、所定速度としては、旋回速度がメカニカルブレーキ29の消耗を抑制できる程度まで減速したことを示す予め定められた速度が採用できる。
S303では、ブレーキ作動検出部30は、ブレーキ作動検出値を検出する。
ブレーキ作動検出値が閾値を超えていれば(S304でYES)、時間計測部322は、ブレーキ作動時間を計測する(S305)。一方、ブレーキ作動検出値が閾値を超えていなければ(S304でNO)、処理がS301に戻される。つまり、ブレーキ作動検出値が閾値を超えるのを待ってから、ブレーキ作動時間の計測が開始されるのである。
次に、ブレーキ作動時間が基準時間を超えれば(S306でYES)、旋回制御部321は、旋回インバータ25へ旋回指令の出力を停止する(S307)。これにより、ゼロ速度制御がオフされる。一方、ブレーキ作動時間が基準時間を超えていなければ(S306でNO)、処理がS301に戻される。
S308では、時間計測部322は、ブレーキ作動時間をリセットする。
このように実施の形態1では、ブレーキ作動時間が基準時間を超えるのを待ってから(S306でYES)、旋回指令の出力が停止されるので(S307)、メカニカルブレーキ29の制動力が十分に効いていることを確認した上で、ゼロ速度制御を終了させることができ、旋回流れを防止できる。
油圧回路は作動遅延を持つので、ブレーキ制御部323がブレーキ作動の制御信号を出力しても、駆動油の圧力は直ぐにメカニカルブレーキ29の作動に必要な圧力に到達しない。よって、駆動油の圧力がメカニカルブレーキ29の作動に必要な圧力に到達しているか否かを判定するためには、ブレーキ制御部323がブレーキ制御弁29aに制御信号を出力した後で、駆動油の圧力をモニタする必要がある。そこで、本実施の形態では、ブレーキ作動検出値を検出し、ブレーキ作動検出値が閾値を超えたか否かを判定している。
しかし、メカニカルブレーキ29は機械的な遅延を持つので、作動検出値が閾値を超えたとしても、超えた時点からメカニカルブレーキ29が旋回電動機28を実際に停止させるまでには一定の時間がかかる。そこで、本実施の形態では、ブレーキ作動時間が基準時間を超えるのを待ってから、ゼロ速度制御をオフさせている。
これにより、メカニカルブレーキ29の制動力が十分効いていることを確認した上で、ゼロ速度制御を終了させることができ、旋回流れを防止できる。
(実施の形態2)
実施の形態2のハイブリッドショベル1は、自身の傾斜角に応じて基準時間を決定することを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態1と同じ構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
図4は、本発明の実施の形態2におけるハイブリッドショベル1のシステム構成の一例を示すブロック図である。図4において、図2との相違点は、傾斜角検出部33が設けられている点にある。傾斜角検出部33は、ハイブリッドショベル1の傾斜角を検出する。
旋回制御部321は、傾斜角検出部33により検出された傾斜角が増大するにつれて基準時間が長くなるように基準時間を決定する。ここで、旋回制御部321は、傾斜角と基準時間との関係が予め対応付けられた基準時間決定テーブルを用いて基準時間を決定すればよい。
図5は、本発明の実施の形態2におけるハイブリッドショベル1の動作を示すフローチャートである。なお、図5において、図3と同じ処理には同じ符号が付されている。S304に続くS501では、傾斜角検出部33は、ハイブリッドショベル1の傾斜角を検出する。
S502では、旋回制御部321は、傾斜角検出部33により検出された傾斜角に応じた基準時間を決定する。以下、実施の形態1と同様の処理が継続される。
傾斜地では、上部旋回体3に対して旋回させる方向に作用する重力が平地よりも大きくなる。本実施の形態では、傾斜角に応じて基準時間が決定されているので、メカニカルブレーキ29の制動力が十分に効いていることを待ってからゼロ速度制御を終了させることができ、旋回流れをより確実に防止できる。
(実施の形態3)
実施の形態3のハイブリッドショベル1は、メカニカルブレーキ29を作動させる駆動油の温度に応じて基準時間を決定することを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態1、2と同じ構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
図6は、本発明の実施の形態3におけるハイブリッドショベル1のシステム構成の一例を示すブロック図である。図6において、図2との相違点は、温度検出部34が設けられている点にある。温度検出部34は、例えば、温度センサで構成され、油圧ポンプ23がメカニカルブレーキ29に供給する駆動油の温度を検出する。
旋回制御部321は、温度検出部34により検出された駆動油の温度が減少するにつれて基準時間が長くなるように基準時間を決定する。ここで、旋回制御部321は、駆動油の温度と基準時間との関係が予め対応付けられた基準時間決定テーブルを用いて基準時間を決定すればよい。
図7は、本発明の実施の形態3におけるハイブリッドショベル1の動作を示すフローチャートである。なお、図7において、図3と同じ処理には同じ符号が付されている。S304に続くS701では、温度検出部34は、油圧ポンプ23からメカニカルブレーキ29に供給される駆動油の温度を検出する。
S702では、旋回制御部321は、温度検出部34により検出された駆動油の温度に応じた基準時間を決定する。以下、実施の形態1と同様の処理が継続される。
駆動油は温度が低いほど応答性が悪化する傾向を持つ。本態様では、駆動油の温度に応じて基準時間が決定されているので、メカニカルブレーキの制動力が十分に効いていることを待ってからゼロ速度制御を終了させることができ、旋回流れをより確実に防止できる。
21 エンジン
22 発電電動機
23 油圧ポンプ
24 発電インバータ
25 旋回インバータ
26 蓄電装置
27 旋回速度検出部
28 旋回電動機
29 メカニカルブレーキ
30 ブレーキ作動検出部
31 傾斜角検出部
31 旋回操作量検出部
31a 旋回レバー
32 制御部
33 傾斜角検出部
34 温度検出部
321 旋回制御部
322 時間計測部
323 ブレーキ制御部

Claims (4)

  1. 上部旋回体を旋回させる旋回電動機と、
    前記上部旋回体の旋回操作量を検出する旋回操作量検出部と、
    前記旋回操作量に応じた旋回速度で前記上部旋回体を作動させるための旋回指令を出力し、前記旋回電動機を制御する旋回制御部と、
    前記上部旋回体の旋回速度を検出する旋回速度検出部と、
    前記上部旋回体を機械的に停止保持させるメカニカルブレーキと、
    前記旋回操作量が旋回停止を示し、且つ、前記旋回速度検出部が検出した旋回速度が所定速度以下になった場合、前記メカニカルブレーキを作動させる一方、前記検出した旋回速度が所定速度以下になるまでは前記メカニカルブレーキを作動させないブレーキ制御部と、
    前記メカニカルブレーキの制動力を示すブレーキ作動検出値を検出するブレーキ作動検出部と、
    前記検出されたブレーキ作動検出値が予め定められた閾値を超えた時間を計測する時間計測部とを備え、
    前記旋回制御部は、前記メカニカルブレーキが作動された場合において、前記時間計測部により計測された時間が所定の基準時間を超えた場合、前記旋回指令の出力を停止する一方、前記計測された時間が前記基準時間を超えるまでは前記旋回指令を出力するハイブリッド建設機械の旋回制御装置。
  2. 前記メカニカルブレーキを油圧で作動させる油圧作動部と、
    前記油圧を検出する油圧検出部とを更に備え、
    前記ブレーキ作動検出部は、前記油圧検出部により検出された油圧を前記ブレーキ作動検出値として検出する請求項1に記載のハイブリッド建設機械の旋回制御装置。
  3. 前記ハイブリッド建設機械の水平面に対する傾斜角を検出する傾斜角検出部を更に備え、
    前記旋回制御部は、前記検出された傾斜角に応じて前記基準時間を決定する請求項1又は2に記載のハイブリッド建設機械の旋回制御装置。
  4. 前記メカニカルブレーキを油圧で作動させる油圧作動部と、
    前記油圧作動部が前記メカニカルブレーキに供給する駆動油の温度を計測する温度検出部とを更に備え、
    前記旋回制御部は、前記検出された駆動油の温度に応じて前記基準時間を決定する請求項1又は2に記載のハイブリッド建設機械の旋回制御装置。
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