JP6321302B2 - 制御システム及び作業機械 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態に係る作業機械1の一例を示す斜視図である。本実施形態においては、作業機械1がハイブリッド方式の油圧ショベルであることとする。以下の説明においては、作業機械1を適宜、油圧ショベル1、と称する。
図2は、本実施形態に係る制御システム1000の一例を模式的に示す図である。制御システム1000は、油圧ショベル1に搭載され、油圧ショベル1を制御する。制御システム1000は、制御装置100と、油圧システム1000Aと、電動システム1000Bとを含む。
Memory)又はRAM(Random Access Memory)のようなメモリを含む記憶装置と、入出力インターフェース装置とを有する。制御装置100は、油圧システム1000A及び電動システム1000Bを制御する指令信号を出力する。本実施形態において、制御装置100は、油圧システム1000Aを制御するポンプコントローラ100Aと、電動システム1000Bを制御するハイブリッドコントローラ100Bと、エンジン4を制御するエンジンコントローラ100Cとを含む。
図3は、本実施形態に係る油圧システム1000Aの一例を示す図である。油圧システム1000Aは、作動油を吐出する油圧ポンプ30と、油圧ポンプ30から吐出された作動油が流れる油圧回路40と、油圧回路40を介して油圧ポンプ30から吐出された作動油が供給される油圧シリンダ20と、油圧シリンダ20に供給される作動油の方向及び作動油の配分流量Qaを調整する主操作弁60と、圧力補償弁70とを備える。
油圧システム1000Aは、油圧シリンダ20の作動油の圧力PLを検出する負荷圧力センサ80を有する。油圧シリンダ20の作動油の圧力PLは、油圧シリンダ20に供給される作動油の負荷圧力である。負荷圧力センサ80の検出信号は、制御装置100に出力される。
圧力補償弁70は、連通と絞りと遮断とを選択するための選択ポートを有する。圧力補償弁70は、自己圧で遮断と、絞りと、連通との切り替えを可能とする、絞り弁を含む。圧力補償弁70は、各油圧シリンダ20の負荷圧が異なっていても、各主操作弁60のメータリング開口面積の比率に応じて流量分配を補償することを目的としている。圧力補償弁70がない場合、低負荷側の油圧シリンダ20にほとんどの作動油が流れてしまう。圧力補償弁70は、低負荷圧の油圧シリンダ20の主操作弁60の出口圧力が、最大負荷圧の油圧シリンダ20の主操作弁60の出口圧力と同等になるように、低負荷圧の油圧シリンダ20に圧力損失を作用させることで、各主操作弁60の出口圧力が同一となるため、流量分配の機能を実現する。
油圧回路40は、アンロード弁69を有する。油圧回路40においては、油圧シリンダ20を駆動しないときにおいても、油圧ポンプ30からは最小容量に相当する流量の作動油が吐出される。油圧シリンダ20を駆動しないときにおいて油圧ポンプ30から吐出された作動油は、アンロード弁69を介して排出(アンロード)される。
図4は、本実施形態に係る制御装置100の一例を示す機能ブロック図である。制御装置100は、コンピュータシステムを含む。制御装置100は、演算処理装置101と、記憶装置102と、入出力インターフェース装置103とを有する。
配分流量算出部112は、複数の油圧シリンダ20のそれぞれの作動油の圧力PLと、複数の油圧シリンダ20のそれぞれを駆動するために操作される操作装置5の操作量Sとに基づいて、複数の油圧シリンダ20のそれぞれに供給される作動油の配分流量Qaを算出する。本実施形態において、配分流量算出部112は、油圧シリンダ20の作動油の圧力PLと、操作装置5の操作量Sと、油圧ポンプ30から吐出される作動油の吐出圧力Pとに基づいて、配分流量Qaを算出する。
Qaar=Qdar×√{(P−PLar)/ΔPC}・・・(3)
Qabm=Qdbm×√{(P−PLbm)/ΔPC}・・・(4)
開閉装置制御部114は、配分流量算出部112で算出された配分流量Qaと閾値Qsとの比較結果に基づいて、合流状態又は分流状態のいずれか一方になるように第1合分流弁67を制御する指令信号を出力する。
ポンプ流量算出部116は、配分流量算出部112で算出された配分流量Qaに基づいて、分流状態において第1油圧ポンプ31から吐出される作動油の吐出流量Q1及び第2油圧ポンプ32から吐出される作動油の吐出流量Q2のそれぞれを算出する。本実施形態において、分流状態において第1油圧ポンプ31から吐出される作動油の吐出流量Q1は、バケットシリンダ21に供給される作動油の配分流量Qabkとアームシリンダ22に供給される作動油の配分流量Qaarとの和である(Q1=Qabk+Qaar)。分流状態において第2油圧ポンプ32から吐出される作動油の吐出流量Q2は、ブームシリンダ23に供給される作動油の配分流量Qabmである(Q2=Qabm)。
合流状態ポンプ出力算出部118は、配分流量算出部112で算出された配分流量Qaに基づいて、合流状態において要求される第1油圧ポンプ31の出力Wa1及び第2油圧ポンプ32の出力Wa2を示す合流状態ポンプ出力Waを算出する。本実施形態において、合流状態ポンプ出力Waは、合流状態において要求される第1油圧ポンプ31の出力Wa1と第2油圧ポンプ32の出力Wa2との和である(Wa=Wa1+Wa2)。
図4において、目標出力算出部124は、操作装置5の操作量Sと、第1油圧ポンプ31から吐出される作動油の吐出圧力P1と、第2油圧ポンプ32から吐出される作動油の吐出圧力P2とに基づいて、エンジン4の目標出力Wrを算出する。
図4において、低減出力算出部126は、余剰出力算出部122で算出された余剰出力Wsに基づいて、目標出力算出部124で算出されたエンジン4の目標出力Wrを補正して、目標出力Wrよりも低減されたエンジン4の低減出力Wcを算出する。
図4において、目標回転数算出部128は、目標出力算出部124で算出されたエンジン4の目標出力と記憶部143に記憶されている第3相関データとに基づいて、分流状態におけるエンジン4の目標回転数Nrを算出する。記憶部143に記憶されている第3相関データは、エンジン4の出力とエンジン4の回転数との関係を示す既知データである。エンジン4の出力とエンジン4の回転数との関係を示す第3相関データは、変換テーブルデータを含む。
図4において、エンジン制御部134は、分流状態において、低減出力算出部126で算出されたエンジン4の低減出力Wcに基づいて、エンジン4を制御する指令信号を出力する。本実施形態において、エンジン制御部134は、下限回転数設定部130で算出された下限回転数Nmin以上の回転数で駆動するように、エンジン4を制御する。また、エンジン制御部134は、目標回転数算出部128で算出されたエンジン4の目標回転数Nrと下限回転数設定部130で算出された下限回転数Nminとを比較して、目標回転数Nr及び下限回転数Nminのうち高い方の回転数で駆動するように、エンジン4を制御する。
図9は、本実施形態に係るエンジン4のトルク線図の一例を示す図である。エンジン4の上限トルク特性が、図9に示す最大出力トルク線Laによって規定される。エンジン4のドループ特性が、図9に示すエンジンドループ線Lbによって規定される。エンジン目標出力が、図9に示す等出力線Lcによって規定される。
上述のように、本実施形態においては、油圧回路40は合流状態と分流状態とに切り替えられる。作業機10の掘削動作において、作業機10の先端側に設けられる作業機要素であるバケット11又はアーム12に作用する負荷は大きい可能性が高い。一方、作業機10の掘削動作において、作業機10の基端側に設けられる作業機要素であるブーム13に作用する負荷は小さい可能性が高い。そのような場合、油圧回路40を分流状態にすることにより、第1油圧ポンプ31の吐出圧力P1を高くした状態で、第2油圧ポンプ32の吐出圧力P2を低くすることができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、第1油圧ポンプ31と第2油圧ポンプ32とを接続する合流流路55が第1合分流弁67により分流状態と合流状態とに切り替えられる。油圧回路40が分流状態において、合流状態であると仮定したときの油圧ポンプ30の出力を示す合流状態ポンプ出力Waと分流状態のときの油圧ポンプ30の出力を示す分流状態ポンプ出力Wbとに基づいて余剰出力Wsが算出される。その余剰出力Wsに基づいて目標出力Wrが低減されて、最終的な目標出力である低減出力Wcが算出される。分流状態においては、低減出力Wcに基づいてエンジン4が駆動されることにより、エンジン4が不必要に高い出力で駆動されることが抑制される。したがって、エンジン4の燃費が低減される。
Claims (8)
- エンジンと、
前記エンジンによって駆動される第1油圧ポンプ及び第2油圧ポンプと、
前記第1油圧ポンプと前記第2油圧ポンプとを接続する流路に設けられ、前記流路が開けられる合流状態と前記流路が閉じられる分流状態とを切り替え可能な開閉装置と、
前記分流状態において前記第1油圧ポンプから吐出された作動油が供給される第1油圧アクチュエータと、
前記分流状態において前記第2油圧ポンプから吐出された作動油が供給される第2油圧アクチュエータと、
前記第1油圧アクチュエータ及び前記第2油圧アクチュエータのそれぞれの作動油の圧力と前記第1油圧アクチュエータ及び前記第2油圧アクチュエータのそれぞれを駆動するために操作される操作装置の操作量とに基づいて、前記第1油圧アクチュエータ及び前記第2油圧アクチュエータのそれぞれに供給される前記作動油の配分流量を算出する配分流量算出部と、
前記配分流量に基づいて、前記合流状態において要求される前記第1油圧ポンプの出力及び前記第2油圧ポンプの出力を示す合流状態ポンプ出力を算出する合流状態ポンプ出力算出部と、
前記配分流量に基づいて、前記分流状態において要求される前記第1油圧ポンプの出力及び前記第2油圧ポンプの出力を示す分流状態ポンプ出力を算出する分流状態ポンプ出力算出部と、
前記合流状態ポンプ出力と前記分流状態ポンプ出力とに基づいて、前記エンジンの余剰出力を算出する余剰出力算出部と、
前記操作装置の操作量と前記第1油圧ポンプから吐出される前記作動油の吐出圧力と前記第2油圧ポンプから吐出される前記作動油の吐出圧力とに基づいて、前記エンジンの目標出力を算出する目標出力算出部と、
前記余剰出力に基づいて前記エンジンの目標出力を補正して、前記目標出力よりも低減された前記エンジンの低減出力を算出する低減出力算出部と、
前記分流状態において、前記低減出力に基づいて前記エンジンを制御するエンジン制御部と、
を備える制御システム。 - 前記合流状態ポンプ出力は、前記合流状態において要求される前記第1油圧ポンプの出力と前記第2油圧ポンプの出力との和を含み、
前記分流状態ポンプ出力は、前記分流状態において要求される前記第1油圧ポンプの出力と前記第2油圧ポンプの出力との和を含み、
前記余剰出力は、前記合流状態ポンプ出力と前記分流状態ポンプ出力との差を含む、
請求項1に記載の制御システム。 - 前記配分流量に基づいて、前記分流状態において前記第1油圧ポンプから吐出される前記作動油の吐出流量及び前記第2油圧ポンプから吐出される前記作動油の吐出流量のそれぞれを算出するポンプ流量算出部を備え、
前記合流状態ポンプ出力算出部は、前記分流状態において前記第1油圧ポンプから吐出される前記作動油の吐出圧力及び前記第2油圧ポンプから吐出される前記作動油の吐出圧力のうち高い方の吐出圧力と、前記分流状態において前記第1油圧ポンプから吐出される前記作動油の吐出流量と、前記分流状態において前記第2油圧ポンプから吐出される前記作動油の吐出流量とに基づいて、前記合流状態ポンプ出力を算出し、
前記分流状態ポンプ出力算出部は、前記分流状態において前記第1油圧ポンプから吐出される前記作動油の吐出圧力及び吐出流量と、前記分流状態において前記第2油圧ポンプから吐出される前記作動油の吐出圧力及び吐出流量とに基づいて、前記分流状態ポンプ出力を算出する、
請求項1又は請求項2に記載の制御システム。 - 前記分流状態において前記第1油圧アクチュエータ及び前記第2油圧アクチュエータのそれぞれに前記配分流量で前記作動油が供給されるように、前記エンジンの回転数の下限値を示す下限回転数を設定する下限回転数設定部を備え、
前記エンジン制御部は、前記下限回転数以上の回転数で駆動するように前記エンジンを制御する、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の制御システム。 - 前記配分流量と前記第1油圧ポンプ及び前記第2油圧ポンプのそれぞれが吐出可能な前記作動油の最大吐出流量との比較結果に基づいて、前記合流状態又は前記分流状態のいずれか一方になるように前記開閉装置を制御する開閉装置制御部を備え、
前記下限回転数以上の前記エンジンの回転数は、前記分流状態が維持される前記エンジンの回転数である、
請求項4に記載の制御システム。 - 前記エンジンの出力と前記エンジンの回転数との関係を示す相関データを記憶する記憶部と、
前記エンジンの目標出力と前記相関データとに基づいて、前記分流状態における前記エンジンの目標回転数を算出する目標回転数算出部と、を備え、
前記エンジン制御部は、前記目標回転数及び前記下限回転数のうち高い方の回転数で駆動するように前記エンジンを制御する、
請求項4又は請求項5に記載の制御システム。 - 前記分流状態において、前記操作装置の操作速度が規定値以上のときに前記操作装置の操作量をフィルタ処理するフィルタ処理部を備え、
前記配分流量算出部は、前記フィルタ処理された後の前記操作装置の操作量に基づいて、前記第1油圧アクチュエータ及び前記第2油圧アクチュエータのそれぞれに供給される前記作動油の配分流量を算出する
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の制御システム。 - 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の制御システムを備える作業機械。
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