JP6557472B2 - 作業機械の駆動制御システム、それを備える作業機械、及びその駆動制御方法 - Google Patents

作業機械の駆動制御システム、それを備える作業機械、及びその駆動制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、電動機によって作業機械の旋回体を駆動し、且つ旋回体を制動する際に電動機によってエネルギーを回生する作業機械の駆動制御システム、それを備える作業機械、及びその駆動制御方法に関する。
油圧ショベル、及びクレーン等の作業機械が公に知られており、これらの作業機械は、ショベル及びクレーン等の作業機器を動かすことによって、様々な作業を行うことができるようになっている。また、これらの作業機械は、走行可能に構成されている下部体を有しており、その上にショベル及びクレーン等の作業機器が取り付けられている上部旋回体が設けられている。上部旋回体は、下部体に対して旋回可能に構成され、作業機器の向きを変えられるようになっている。このように構成されている上部旋回体は、駆動制御システムによって旋回駆動可能に構成されている。
駆動制御システムの一例として特許文献１に記載されているものがある。特許文献１の駆動制御システムは、油圧モータと電動機とを備えている。電動機及び油圧モータは、互いに協働して上部旋回体を旋回するようになっている。油圧モータは、油圧ポンプから吐出される圧油により駆動し、電動機は、蓄電装置から供給される電力により駆動するようになっている。また、電動機は、発電機能を有しており、旋回時の上部旋回体の運動エネルギーを電力に変換して上部旋回を制動するようになっている。変換された電力は、蓄電装置に蓄えられて次に駆動する際に利用されるようになっている。
特開２０１２−６２６５３号公報
特許文献１の駆動制御システムのように電動機を備えるシステムでは、電動機を駆動するための駆動装置（例えば、インバータ）が備わっている。駆動装置は、交流直流変換又は電圧変換等の変換機能を有しており、この変換機能によって電動機の回転数を上げて上部旋回体を加速させ、また電動機に発電させてその電力を蓄電装置に蓄えさせて上部旋回体を制動するようになっている。このように構成される駆動装置及び電動機では、それらの駆動の有無に関わらず蓄電装置から待機電力が供給されており、定常的にエネルギーが損失している、即ち定常損失が発生している。他方、制動時における電動機の発電力は、上部旋回体の速度低下に応じて減少する。それ故、制動時において電動機の回転数が降下していくと、やがて電動機の発電力が電動機及び駆動装置の定常損失より小さくなることがある。そうすると、制動時にもかかわらず蓄電装置に蓄えられた電力が消費され、駆動制御システムの全体の回生効率が低下する。
そこで本発明は、回生効率を向上させることができる駆動制御システムを提供することを目的としている。
本発明の作業機械の駆動制御システムは、電力供給を受けることによって作業機械の旋回体を旋回させ、且つ電力を発生させて前記旋回体を制動する電動機と、放充電することができる蓄電装置と、前記蓄電装置から供給される駆動電力によって駆動し、前記蓄電装置から前記電動機に電力を供給させて前記電動機を動かし且つ前記電動機で発生した電力を前記蓄電装置に蓄えさせて前記旋回体を制動させる駆動装置と、前記旋回体の旋回速度を検出する速度検出器と、前記旋回体が減速し且つ前記速度検出器が検出する旋回速度が予め定められる所定速度以下であることを含む充電停止条件を充足すると、前記蓄電装置から前記駆動装置に供給される駆動電力を止める制御装置とを備えるものである。
本発明に従えば、所定速度以下になると駆動装置への駆動電力の供給が停止するので、減速制動時における駆動装置及び電動機の定常損失による蓄電装置の電力消費を防ぐことができる。これにより、従来では定常損失によって消費される電力分をその次に旋回体を駆動させるときに利用することができ、駆動制御システムの回生効率を向上させることができる。
上記発明において、圧液供給を受けることで前記旋回体を前記電動機と協働して旋回させる液圧モータと、前記液圧モータに圧液を供給する液圧供給装置と、を備え、前記液圧モータは、前記液圧モータに供給される供給圧より前記液圧モータから排出される排出圧を高くすることで前記旋回体を制動するように構成され、
前記液圧供給装置は、前記液圧モータの排出圧を調整するように構成され、前記制御装置は、前記充電停止条件を充足すると前記液圧供給装置の動作を制御して前記液圧モータの排出圧を高くするように構成されてもよい。
上記構成に従えば、駆動装置が停止した後、液圧モータによって旋回体を制動することができる。これにより、駆動装置への駆動電力の供給が停止した後でも旋回体に制動力を与えてその旋回を停止させることができる。
上記発明において、前記液圧モータと前記電動機とによって共有される出力軸の回転を制動する回転制動手段を備え、前記制御装置は、前記充電停止条件を充足すると前記回転制動手段の動作を制御して前記出力軸の回転を制動するように構成されてもよい。
上記構成に従えば、駆動装置が停止した後、回転制動手段によって旋回体を制動することができる。これにより、駆動装置への駆動電力の供給が停止した後でも旋回体に制動力を与えてその旋回を停止させることができる。
上記発明において、前記旋回体の旋回速度に関する調整値を入力するための入力装置を備え、前記制御装置は、前記旋回体の旋回速度が前記入力装置からの調整指令に応じた旋回速度になるように前記駆動装置及び前記液圧供給装置の動作を制御し、前記充電停止条件は、前記入力装置からの調整値が所定値以下であることを含むように構成されてもよい。
上記構成に従えば、旋回体の旋回速度が所定速度以下で且つ入力装置からの調整値が所定値以下であるときに駆動装置への駆動電力の供給が停止される。これにより、旋回体の旋回速度が所定速度以下で且つ入力装置からの調整値が所定値以下であるとき、例えば旋回体が停止しているときに発生する駆動装置及び電動機の定常損失による蓄電装置の電力消費を防ぐことができる。
本発明の駆動制御システムは、圧液供給を受けることで旋回体を旋回させる液圧モータと、前記液圧モータに圧液を供給する液圧供給装置と、電力供給を受けることによって前記液圧モータと協働して前記旋回体を旋回させ、且つ電力を発生させて前記旋回体を制動する電動機と、放充電することができる蓄電装置と、前記蓄電装置から供給される駆動電力によって駆動し、前記蓄電装置から前記電動機に電力を供給させて前記電動機を動かし且つ前記電動機で発生した電力を前記蓄電装置に蓄えさせて前記旋回体を制動させる駆動装置と、前記旋回体の旋回速度を検出する速度検出器と、前記旋回体が加速・定速状態にあり且つ前記蓄電装置の蓄電量が所定値以下であることを含むアシスト停止条件を充足すると、前記蓄電装置から前記駆動装置に供給される駆動電力を止める制御装置とを備える、ものである。
本発明に従えば、蓄電装置の蓄電量が所定値以下になると駆動装置への駆動電力の供給が停止するので、加速・定速駆動制動時における駆動装置及び電動機の定常損失による蓄電装置の電力消費を防ぐことができる。これにより、従来では定常損失によって消費される電力分をその次に旋回体を駆動させるときに利用することができ、駆動制御システムの回生効率を向上させることができる。
本件発明の作業機械は、前述のいずれか1つに記載の駆動制御システムと、前記旋回体とを備え、前記旋回体は、旋回体であり、前記電動機及び前記液圧モータは、減速機を介して前記旋回体を旋回駆動するようになっているものである。
上記構成に従えば、前述するような作用効果を奏する作業機械を実現することができる。
本発明の駆動制御方法は、液圧供給装置から供給される圧液によって駆動する液圧モータと駆動装置により蓄電装置から供給される電力によって駆動する電動機とが協働して旋回させる旋回体の旋回速度を検出する速度検出工程と、前記電動機で発生する電力を前記駆動装置により前記蓄電装置に蓄電させて前記旋回体を制動させることによって前記旋回体が減速し且つ前記速度検出工程で検出される旋回速度が予め定められる所定速度以下であることを含む充電停止条件又は前記旋回体が加速・定速状態にあり且つ前記蓄電装置の蓄電量が所定値以下であることを含むアシスト停止条件を充足するか否かを判定する判定工程と、前記判定工程において充電停止条件又はアシスト停止条件を充足すると判定されると、前記蓄電装置から前記駆動装置への電力供給を停止させる停止工程とを有する方法である。
本発明に従えば、所定速度以下又は蓄電量が所定値以下になると駆動装置への駆動電力の供給が停止するので、減速制動時における駆動装置及び電動機の定常損失による蓄電装置の電力消費を防ぐことができる。これにより、従来では定常損失によって消費される分の電力をその次に旋回体をさせるときに利用することができ、駆動制御システムの回生効率を更に向上させることができる。
本発明によれば、回生効率を向上させることができる。
本件発明の第１乃至第３実施形態に係る駆動制御システムを備える油圧ショベルを示す側面図である。 図１の油圧ショベルに備わる第１乃至第３実施形態の駆動制御システムの油圧回路を示す油圧回路図である。 第１実施形態の駆動制御システムが実行する減速制御処理の手順を示すフローチャートである。 本件発明の駆動制御システムに備わる操作レバーから入力された速度指令、速度指令に対する旋回体の速度実績、電動機の出力トルク、油圧モータのアシストトルク、電油旋回モータの出力トルク、及び蓄電エネルギーの経時変化を示すシーケンス図である。 第２実施形態の駆動制御システムが実行する減速制御処理の手順を示すフローチャートである。 第３実施形態の駆動制御システムが実行する加速・定速制御処理の手順を示すフローチャートである。
以下では、前述する図面を参照しながら、本発明の第１及び第２、第３実施形態に係る駆動制御システム１，１Ａ、１Ｂ及びそれを備える油圧ショベル２の構成を説明する。なお、実施形態における方向の概念は、説明の便宜上使用するものであって、駆動制御システム１，１Ａ,１Ｂ及び油圧ショベル２の構造に関して、それらの構成の配置及び向き等をその方向に限定することを示唆するものではない。また、以下に説明する駆動制御システム１，１Ａ,１Ｂ及び油圧ショベル２の構造及び制御は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明は実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。
［油圧ショベル］
図１に示すように、作業機械の一例である油圧ショベル２は、先端部に取り付けられたアタッチメント、例えばバケット３によって掘削や運搬等の様々な作業を行うことができるようになっている。油圧ショベル２は、クローラ等の走行装置４を有しており、走行装置４の上に旋回体５が載せられている。旋回体５には、運転者が搭乗するための運転席５ａが形成され、更にブーム６及びアーム７を介してバケット３が設けられている。このように構成されている旋回体５は、走行装置４に対して旋回可能に構成されており、油圧ショベル２は、旋回体５を旋回駆動する駆動制御システム１を有している。以下では、油圧ショベル２の駆動制御システム１の構成について、図２を参照しながら説明する。
［駆動制御システム］
駆動制御システム１は、主に油圧ポンプ１０と、コントロール弁１１と、リモートコントロール弁１２と、２つの電磁減圧弁１３，１４と、２つの電磁リリーフ弁１５，１６と、電油旋回モータ１７とを備えている。液圧ポンプである油圧ポンプ１０は、可変容量型の斜板式油圧ポンプであり、図示しないエンジンによって駆動されて作動油を吐出するようになっている。油圧ポンプ１０は、斜板１０ａを有しており、この斜板１０ａを傾転させることで作動油の吐出量を変えることができるようになっている。斜板１０ａには、レギュレータ１８が接続されている。
レギュレータ１８は、図示しないサーボピストンを有している。サーボピストンは、斜板１０ａに連結されており、斜板１０ａはサーボピストンの位置に応じた傾転角に傾転するようになっている。また、レギュレータ１８は、電磁減圧弁１９を介してパイロットポンプ２０に接続されており、サーボピストンは、電磁減圧弁１９から排出される指令圧ｐ０に応じた位置に移動するようになっている。また、電磁減圧弁１９は、そこに与えられる指令信号に応じた圧力に減圧した指令圧ｐ０を出力するようになっている。それ故、斜板１０ａが前記指令信号に応じた傾転角に傾転し、その傾転角に応じた流量の作動油が油圧ポンプ１０の吐出ポート１０ｂから吐出される。この吐出ポート１０ｂには、吐出通路２１を介してコントロール弁１１が繋がっている。
コントロール弁１１は、スプール２２を備えるスプール弁であり、スプール２２を動かすことで油圧ポンプ１０の接続先及び接続先に流れる作動油の流量を変えることができるようになっている。また、コントロール弁１１には、２つのパイロット通路２３，２４が接続されており、このパイロット通路２３，２４を介してリモートコントロール弁１２が接続されている。
入力装置であるリモートコントロール弁１２は、目標旋回速度を入力するための装置である。なお、入力装置は油圧式に限らず、電気式であってもよい。リモートコントロール弁１２は、操作レバー２５を有しており、操作レバー２５は、所定方向一方及び他方に傾倒可能に構成されている。リモートコントロール弁１２は、操作レバー２５の傾倒方向に対応するパイロット通路２３，２４に、操作レバー２５の傾倒量（調整値）に応じた圧力のパイロット油を出力するようになっている。また、パイロット通路２３，２４には、パイロット圧センサ２６，２７が夫々接続され、更に電磁減圧弁１３，１４が夫々介在している。パイロット圧センサ２６，２７は、リモートコントロール弁１２から出力される油圧を検出するようになっている。電磁減圧弁１３，１４は、いわゆるノーマルオープン型の減圧弁であり、リモートコントロール弁１２から出力されたパイロット油を減圧して電磁減圧弁１３，１４に流される電流（指令値）に応じた圧力に調整するように構成されている。リモートコントロール弁１２から出力されたパイロット油は、パイロット通路２３，２４によりスプール２２の両端部に夫々導かれる。スプール２２は、その両端部に導かれたパイロット油の油圧であるパイロット圧ｐ１，ｐ２を受圧し、これらのパイロット圧ｐ１，ｐ２に応じた位置に移動するようになっている。コントロール弁１１は、スプール２２を移動させることで油圧ポンプ１０の接続先及び接続先に流れる作動油の流量を変えるようになっている。
コントロール弁１１の構成を具体的に説明すると、コントロール弁１１は、４つのポート１１ａ〜１１ｄを有しており、第１ポート１１ａは吐出通路２１を介して油圧ポンプ１０に接続され、第２ポート１１ｂはタンク通路３０を介してタンク２９に接続されている。また、第３ポート１１ｃ及び第４ポート１１ｄは、第１油路３１及び第２油路３２を夫々介して電油旋回モータ１７に接続されている。これら４つのポート１１ａ〜１１ｄは、スプール２２の位置に応じて接続先が変わるようになっている。具体的に説明すると、スプール２２が中立位置Ｍ１に位置している場合、第１ポート１１ａと第２ポート１１ｂとが接続され、油圧ポンプ１０がアンロード状態となる。また、スプール２２が第１オフセット位置Ａ１へと移動すると第１ポート１１ａと第３ポート１１ｃとが接続され、第２ポート１１ｂと第４ポート１１ｄとが接続される。他方、スプール２２が第２オフセット位置Ａ２へと移動すると第１ポート１１ａと第４ポート１１ｄとが接続されて第２ポート１１ｂと第３ポート１１ｃとが接続されるようになっている。このようにスプール２２が第１又は第２オフセット位置Ａ１，Ａ２に位置すると、油圧ポンプ１０と電油旋回モータ１７とが繋がり、作動油が電油旋回モータ１７に供給される。
電油旋回モータ１７は、油圧モータ３３と電動機３４と出力軸３５とを有している。出力軸３５は、図示しない減速機を介して旋回体５に接続されており、出力軸３５を回転させることで旋回体５が旋回するようになっている。油圧モータ３３及び電動機３４は、一体的に構成されており、協働して出力軸３５を回転するようになっている。つまり、出力軸３５は、油圧モータ３３の出力軸と電動機３４の出力軸を兼ねており、油圧モータ３３と電動機３４とによって共有されている。以下では、油圧モータ３３及び電動機３４の構成について詳述する。
電動機３４は、例えば三相交流モータであり、図示しない固定子と回転子とを有している。回転子は、出力軸３５に相対回転不能に設けられており、固定子は、油圧モータ３３に相対回転不能に設けられている。回転子と固定子とは、相対回転可能に構成されており、固定子のコイルに三相交流電流（以下、単に「交流電流」ともいう）を流すことでその交流電流の周波数に応じた回転速度で出力軸３５を正回転又は逆回転させるようになっている。また、電動機３４は、出力軸３５の回転エネルギー（運動エネルギー）を電気エネルギーに変換して交流電流を発生する発電機能を有しており、発電することで回転する出力軸３５を減速させるようになっている。
このように構成されている電動機３４は、駆動装置３６に電気的に接続され、更に駆動装置３６を介して蓄電器２８に電気的に接続されている。ここで駆動装置とは、インバータとチョッパを含む装置である。蓄電器２８は、電力を蓄えることができるようになっており、駆動装置３６に直流電流を放電するように構成されている。駆動装置３６のインバータとチョッパは、スイッチング素子を有しており、このスイッチング素子のオン及びオフを切替えることで蓄電器２８から放電される直流電流を交流電流に変換して電動機３４に供給するようになっている。また、駆動装置３６は、電動機３４に供給する交流電流の周波数を指令値に応じた周波数に調整する周波数調整機能を有しており、前記交流電流の周波数を調整することで出力軸３５の回転数を変更するようになっている。更に、駆動装置３６は、電動機３４で発生した交流電流をスイッチング素子のオン及びオフを切替えることで直流電流に変換して蓄電器２８に出力するようになっており、蓄電器２８は、駆動装置３６から出力される直流電流を蓄電するようになっている。
このように構成されている駆動装置３６は、後述する制御装置５０からの指令に応じてインバータ及びチョッパのスイッチング素子のオン及びオフを切替えるようになっており、切替えることで蓄電器２８と駆動装置３６との間を接続したり遮断したりするようになっている。蓄電器２８と駆動装置３６の間を遮断することで駆動装置３６を駆動するための駆動電力の供給が停止される。これにより、駆動装置３６の定常損失を止めることができる。本実施形態では、サーボオフ回路がインバータ及びチョッパのスイッチング素子によって構成されるが、必ずしもスイッチング素子で構成されている必要はない。即ち、サーボオフ回路は、必ずしも駆動装置３６に備わっている必要はなく、駆動装置３６の外部にスイッチング素子等を有するサーボオフ回路を別途設けて上述したような駆動装置３６への電力供給に関する制御を行ってもよい。
油圧モータ３３は、例えば固定容量型の油圧モータであり、２つの給排ポート３３ａ，３３ｂを有している。第１給排ポート３３ａには、第１油路３１が繋がり、第２給排ポート３３ｂには、第２油路３２が繋がっている。油圧モータ３３は、第１給排ポート３３ａに作動油が供給されると作動油の油圧及び流量に応じたトルクを出力軸３５に対して正方向に作用させ、第２給排ポート３３ｂに作動油が供給されると作動油の油圧及び流量に応じたトルクを出力軸３５に対して逆方向に作用させるようになっている。即ち、油圧モータ３３は、供給される作動油の油圧及び流量に応じたアシストトルクを出力軸３５に作用させて出力軸３５の回転をアシストするようになっている。そして、油圧モータ３３を駆動するための作動油は、作動油供給装置９によって油圧モータ３３に供給されている。
作動油供給装置（液圧供給装置）９は、主に前述する油圧ポンプ１０と、コントロール弁１１と、２つの電磁減圧弁１３，１４によって構成され、更に２つの電磁リリーフ弁１５，１６も有している。電磁リリーフ弁１５，１６は、第１油路３１及び第２油路３２に夫々接続され、第１油路３１及び第２油路３２の作動油を電磁リリーフ弁１５，１６を介してタンク２９に排出できるように配置されている。このように配置されている電磁リリーフ弁１５，１６は、タンク２９に排出する作動油の油圧をそこに流れる電流（指令値）に応じた圧力に調整する調圧機能を有している。作動油供給装置９では、コントロール弁１１によって排出側の油路３１，３２とタンク２９との間を遮断して電磁リリーフ弁１５，１６を介して作動油を排出させるようにして、出力軸３５を制動して減速させることができる。そして、出力軸３５に作用する制動力は、出力軸３５の回動制動手段である電磁リリーフ弁１５，１６により排出側の油路３１，３２の油圧を調整することで変えられるようになっている。
また、作動油供給装置９は、リリーフ弁３８，３９及び逆止弁４０，４１を有しており、リリーフ弁３８，３９及び逆止弁４０，４１は、第１油路３１及び第２油路３２に夫々接続されている。リリーフ弁３８，３９は、各油路３１，３２を流れる作動油が使用限界圧力を超えると前記油路３１，３２をタンク２９に開放するようになっており、開放することで駆動制御システム１の損傷を抑制している。逆止弁４０，４１は、タンク２９と接続されており、タンク２９から各油路３１，３２への作動油の流れを許容し、逆方向の作動油の流れを遮断するようになっている。これにより、油圧モータ３３を駆動する際に不足する作動油を逆止弁４０，４１を介してタンク２９から油圧モータ３３に導くことができる。
更に、第１油路３１及び第２油路３２には、油圧センサ４２，４３が夫々設けられており、油圧モータ３３の給排ポート３３ａ，３３ｂに供給される油圧が各油圧センサ４２，４３によって検出されている。また、電油旋回モータ１７には、出力軸３５に回転数センサ４４が設けられており、回転数センサ４４は、出力軸３５の回転数（即ち、出力軸３５の回転速度）を検出するようになっている。これらセンサ４２〜４４及び前述するパイロット圧センサ２６，２７は、各種の構成を制御する制御装置５０に電気的に接続され、検出された値を制御装置５０に送信するようになっている。具体的には、油圧センサ４２，４３で検出された油圧が制御装置５０に入力され、それらの差圧が差圧フィードバック信号ＤＰとなる。また、パイロット圧センサ２６，２７で検出されたパイロット圧が制御装置５０に入力され、それらの差圧が速度指令信号ＶＣＯＭとなる。また、回転数センサ４４で検出された回転数が制御装置５０に入力され、速度フィードバック信号ＶＦＢとなる。
制御装置５０は、電磁減圧弁１３，１４、電磁リリーフ弁１５，１６、電磁減圧弁１９、駆動装置３６に電気的に接続されている。制御装置５０は、各センサ２６，２７，４２〜４４からの各種信号に応じた指令値を各弁１３〜１６，１９及び駆動装置３６に流し、各弁１３〜１６，１９、駆動装置３６の動作を制御するようになっている。各弁１３〜１６，１９及び駆動装置３６の動作を制御することによって、油圧モータ３３及び電動機３４を駆動して旋回体５が所望の動作（回転方向及び速度）で旋回するようになっている。また、制御装置５０は、弁１３〜１６，１９及び駆動装置３６の動作を制御することによって、油圧モータ３３及び電動機３４を制動器として機能させ、旋回する旋回体５を制動させることができるようになっている。更に、制動時における電動機３４及び駆動装置３６で発生する定常損失をなくすことができるようになっている。以下では、制御装置５０の制御動作について、図３のフローチャート及び図４のシーケンス図も参照しながら説明する。
［制御装置の制御動作］
図２に示すように操作レバー２５が一方に傾倒されると、２つのパイロット通路２３，２４のうち一方にだけパイロット油が出力される。そうすると、２つのパイロット圧センサ２６，２７のいずれかで検出され、その検出されたパイロット圧が制御装置５０に入力され、それらの差圧が速度指令信号ＶＣＯＭとなる。同様に、回転数センサ４４で検出された回転数が制御装置５０に入力され、速度フィードバック信号ＶＦＢとなる。制御装置５０は、これら２つの速度指令信号ＶＣＯＭと速度フィードバック信号ＶＦＢとの速度差に基づいて目標加速トルクを演算する。そして、制御装置５０は、この目標加速トルクが出力されるように油圧モータ３３及び電動機３４の動作を制御する。これにより、操作レバー２５の傾倒量に応じた速度、即ち速度指令信号ＶＣＯＭに応じた速度で旋回体５を旋回させることができる。
その後、操作レバー２５を中立位置に向かってへ移動させると、高圧側のパイロット圧が低下する。そうすると、コントロール弁１１のスプール２２が中立位置Ｍ１に向かって移動し、コントロール弁１１の開口が小さくなる。他方、２つのパイロット圧センサ２６，２７で検出される油圧も低下する。そして、制御装置５０は、速度指令信号ＶＣＯＭと速度フィードバック信号ＶＦＢとの速度差に基づいて減速制御をすべきであると判断し、減速制御を開始する。この減速制御では、電動機３４によって出力軸３５を減速させる時に、電動機３４の回生動作による充電電力よりも駆動装置３６の定常損失による放電電力のほうが大きくなるところで蓄電器２８から駆動装置３６への電力供給が停止される、即ちサーボオフされる。以下で減速制御について具体的に説明する。
減速制御が開始すると、減速制御処理が始まって図３のステップＳ１に移行する。回生制動工程であるステップＳ１では、制御装置５０が電動機３４に回生動作を行わせることによって出力軸３５を減速させる。即ち、制御装置５０は、駆動装置３６の動作（スイッチング素子の動作）を制御して電動機３４で発生する交流電流の全てを直流電流に変換させて電動機３４で発生する電力の全てを蓄電器２８に蓄えさせ、出力軸３５を減速させる。また、電動機３４でのエネルギー回生が効率的に行われるように、制御装置５０が排出側の油路３１，３２に接続される電磁リリーフ弁１５，１６に指令を与えて開放させ、油圧モータ３３による制動力を調整する。出力軸３５が減速すると、ステップＳ２に移行する。
充電停止条件（サーボオフ条件）判定工程であるステップＳ２では、制御装置５０が充電停止条件を充足するか否かを判定する。ここで充電停止条件とは、正方向及び逆方向に関わらず旋回体５の速度が所定速度以下（即ち、旋回体５の速度の絶対値が所定速度以下）であるという条件である。また、所定速度とは、旋回体５を制動する際に電動機３４及び駆動装置３６で消費される定常損失エネルギーが電動機３４で発生する充電電力より大きくなる速度であり、電動機３４及び駆動装置３６の構造やそれらに接続される各種構成に応じて設定されている。制御装置５０は、回転数センサ４４で検出された回転数に基づいて旋回体５の速度が所定速度以下か否かを判定し、旋回体５の速度が所定速度を超えていると判定されるとステップＳ１に戻って電動機３４による回生動作を続ける。他方、旋回体５の速度が所定速度以下であると判定されると、ステップＳ３に移行する。
油圧制動工程であるステップＳ３では、制御装置５０が作動油供給装置９の動作を制御して油圧モータ３３により旋回体５を旋回させる。具体的に説明すると、制御装置５０は、排出側の電磁リリーフ弁１５，１６に指令を与えてその開度を小さくして（電磁リリーフ弁の設定圧を上げ）、油圧モータ３３のブレーキトルクを高くする。これにより、出力軸３５に制動力を与えることができ、駆動装置３６を停止した後も旋回体５を制動することができる。油圧モータ３３による制動が始まると、ステップＳ４に移行する。
サーボオフ工程であるステップＳ４では、制御装置５０が駆動装置３６への駆動電力の供給を停止させる。具体的に説明すると、制御装置５０は、サーボオフ指令を駆動装置３６に送信し、駆動装置３６内のスイッチング素子をオフに切替えることで駆動装置３６と蓄電器２８との間を遮断させて駆動装置３６を停止させる。これにより、制動時における駆動装置３６及び電動機３４で発生する定常損失をなくすことができ、電動機３４による回生動作を実施しているにもかかわらず蓄電器２８で電力が消費されることを防ぐことができる。駆動装置３６と蓄電器２８との間が遮断されると、ステップＳ５に移行する。
旋回体停止工程であるステップＳ５では、正方向及び逆方向に関わらず旋回体５の速度が略ゼロ（旋回体５が停止したと判断してよい速度以下）になるまで出力軸３５を制動し続ける。具体的には、制御装置５０は、回転数センサ４４で検出された回転数に基づいて旋回体５の速度が略ゼロか否かを判定し、旋回体５の速度が略ゼロでないと判定すると出力軸３５に制動力を与え続ける。そして、旋回体５の速度が略ゼロであると判定され、つまり旋回体５が停止したと判定されると、旋回体５の減速制御が終了する。
このような減速制御を実施する駆動制御システム１は、旋回体５の速度が所定速度以下になると、駆動装置３６への駆動電力の供給を停止するので、減速制動時における駆動装置３６及び電動機３４の定常損失による蓄電器２８の電力消費を防ぐことができる。これにより、従来では定常損失によって消費される分の電力（図４の蓄電エネルギにおける点線部分参照）をその次に旋回体５を旋回させるときの電力（図４の蓄電エネルギーにおける網掛け部分参照）として利用することができる。それ故、駆動制御システム１の回生効率を更に向上させることができる。
［第２実施形態について］
第２実施形態の駆動制御システム１Ａは、第１実施形態の駆動制御システム１と同様の構成を有しており、図５に示すように、その減速制御処理の手順が異なっている。以下では、第２実施形態の駆動制御システム１Ａの減速制御処理の説明をするが、その説明における各構成の符号については、第１実施形態の駆動制御システム１の構成の符号と同じ符号を付する。なお、第３実施形態の駆動制御システム１Ｂについても同様である。
第２実施形態の駆動制御システム１Ａでは、充電停止条件（サーボオフ条件）が正方向及び逆方向に関わらず旋回体５の速度が所定速度以下であるということに加えて、傾倒する方向に関わらず操作レバー２５の傾倒量（入力装置の調整値）が所定量以下（即ち、操作レバー２５の傾倒量の絶対値が所定量以下）であることが含まれる。ここで所定量とは、操作レバー２５が傾倒されても、コントロール弁１１の開口面積が変化しない（スプール２２が移動しない）傾倒量である。
第２実施形態の駆動制御システム１Ａでは、減速制御処理において、油圧制動工程であるステップＳ３の後に、油圧制動判定工程であるステップＳ４４が行われる。ステップＳ４４では、油圧モータ３３のブレーキトルクが発生しているか否かを、油圧センサ４２，４３で検出された圧力に基づいて制御装置５０が判定する。具体的には、油圧センサ４２，４３により油圧モータ３３の供給側の油圧と排出側の油圧とを検出し、排出側の油圧が供給側の油圧より大きい場合にブレーキトルクが発生している判定される。ブレーキトルクが発生していると判定されると、サーボオフ工程であるステップＳ４５ａへと移行する。また、排出側の油圧が供給側の油圧より小さい場合には、ブレーキトルクが発生していないと制御装置５０が判定し、回生制動工程であるステップＳ４５ｂへと移行する。
ステップＳ４５ａでは、第１実施形態のステップＳ４と同様に、制御装置５０が駆動装置３６のスイッチング素子を切替えて駆動装置３６と蓄電器２８との間を遮断する。これにより、油圧モータ３３によるブレーキトルクだけで旋回体５が減速される。他方、ステップＳ４５ｂでは、第１実施形態のステップＳ１と同様に、制御装置５０が電動機３４に回生動作を行わせることによって旋回体５が減速させる。そしてステップＳ４５ａ及びステップＳ４５ｂに移行して旋回体５を減速させると、ステップＳ４６に移行する。
次に、旋回体停止判定工程であるステップＳ４６では、旋回体５が停止したか否かを判定する。具体的には、旋回体５の速度が略ゼロ（旋回体５が停止したと判断してよい速度以下）で且つ傾倒量の絶対値が所定量以下（操作レバー２５が傾倒されても、コントロール弁１１の開口面積が変化しないことにより、油圧モータ３３に圧油が供給開始される前の傾倒量）になると旋回体５が停止したと制御装置５０が判定し、サーボオフ工程Ｓ４７へと移行する。他方、前述する２つの条件（即ち、旋回体５の速度が略ゼロ及び操作レバー２５の傾倒量の絶対値が所定量以下）を満たしていないと、旋回体５が停止していないと制御装置５０が判定し、ステップＳ４４へと戻る。
サーボオフ工程Ｓ４７では、制御装置５０がサーボオフ指令を駆動装置３６に送信し、駆動装置３６と蓄電器２８との間を遮断させて駆動装置３６を停止させる（サーボオフ処理）。即ち、ステップＳ４５ｂを通過している場合にサーボオフ処理を実行する。なお、ステップＳ４５ａですでに駆動装置３６と蓄電器２８との間が遮断されている（即ち、サーボオフ処理がすでに行われている）場合は、駆動装置３６と蓄電器２８との間が遮断されている状態を継続する。このようにサーボオフ処理が行われると、減速制御処理が終了する。
このような減速制御処理を行う駆動制御システム１Ａでは、操作レバー２５の傾倒量が所定量以下で且つ旋回体５が停止中である場合に駆動装置３６への駆動電力の供給が停止する。それ故、旋回体５が停止している間に発生する駆動装置３６及び電動機３４の定常損失による蓄電器２８の電力消費を防ぐことができる。その他、駆動制御システム１Ａは、第１実施形態の駆動制御システム１と同様の作用効果を奏する。
［第３実施形態について］
第３実施形態の駆動制御システム１Ｂでは、以下に説明する加速・定速制御処理を実行する。加速・定速制御処理では、図６のフローチャートに示すように、旋回体５の加速・定速時において蓄電器２８の蓄電量が所定値以下となったときに、電動機３４の目標トルクをゼロに設定する。これにより、旋回体５は、油圧モータ３３だけによる旋回駆動に切換わる。更に、駆動装置３６を蓄電器２８から遮断することで、駆動装置３６の定常損失による蓄電器２８の電力消費を防ぐものである。以下では、加速・定速制御処理の手順について具体的に説明する。
駆動制御システム１Ｂでは、速度指令信号ＶＣＯＭと速度フィードバック信号ＶＦＢとの速度差に基づいて目標加速トルクを制御装置５０が演算する。次に制御装置５０は、この目標加速トルクが出力されるように油圧モータ３３及び電動機３４の動作を制御する。これにより、操作レバー２５の傾倒量に応じた速度、即ち速度指令信号ＶＣＯＭに応じた速度まで旋回体５を加速させ、又はその速度で旋回体５を定速旋回させることができる。駆動制御システム１Ｂでは、このような旋回体の加速又は定速制御時に加速・定速制御処理を実行し、加速・定速制御処理が開始されるとステップＳ５１に移行する。
力行駆動工程であるステップＳ５１では、電動機３４の運転効率を考慮して(高効率で電動機３４が駆動するように)電動機３４の目標トルクが設定され、電動機３４の動作が制御される。電動機３４の目標トルクが設定されると、ステップＳ５２へと移行する。蓄電量判定工程であるステップＳ５２では、蓄電器２８の蓄電量が所定値以下であるか否かを制御装置５０が判定する。蓄電量が所定値を超えていると判定されると、ステップＳ５１に戻り、蓄電量が所定値以下であると判定されると、ステップＳ５３へと移行する。
油圧駆動工程であるステップＳ５３では、電動機３４の目標トルクがゼロに設定され、旋回体５が油圧モータ３３だけによって旋回駆動される。電動機３４の目標トルクがゼロに設定されると、ステップＳ５４へと移行する。
サーボオフ工程であるステップＳ５４では、制御装置５０がサーボオフ指令を駆動装置３６に送信し、駆動装置３６のスイッチング素子をオフに切替えることで駆動装置３６と蓄電器２８との間を遮断させて駆動装置３６を停止させる。駆動装置３６を停止させると、加速・定速制御処理が終了する。
このような加速・定速制御処理を実行する駆動制御システム１Ｂでは、旋回体５の加速・定速時において蓄電器２８の蓄電量が所定値以下となったときに、駆動装置３６への駆動電力の供給を停止する。それ故、旋回体５が加速・定速している間に発生する駆動装置３６及び電動機３４の定常損失による蓄電器２８の電力消費を防ぐことができる。
［その他の実施形態について］
本実施形態の駆動制御システム１は、斜板１０ａの傾転角をポジティブコントロール方式で調整するシステムであるが、斜板１０ａの傾転角をネガティブコントロール方式で調整するシステムであってもよい。また、油圧ポンプ１０は、斜板１０ａの傾斜角を調整できない固定容量型のポンプであってもよい。
また、本実施形態の駆動制御システム１では、油圧モータ３３と電動機３４とが一体的に形成された電油旋回モータ１７が用いられているが、油圧モータ３３と電動機３４とが別体で構成されていてもよい。また、電動機３４は、必ずしも三相交流型の電動機に限定されず、直流型の電動機であってもよい。また、駆動制御システム１が適用される作業機械も前述の油圧ショベル２に限定されず、油圧クレーン等に適用されてもよい。また、本実施形態の駆動制御システム１で使用される作動液は、油であるが、油に限定されず液体であればよい。また、本実施形態の駆動制御システム１では、油圧モータ３３による油圧ブレーキを用いて旋回体５を制動するためのブレーキトルクを発生しているが、機械式ブレーキ等の回転制動手段を用いて出力軸３５を制動する（つまり、旋回体５を制動する）ためのブレーキトルクを発生させてもよい。
１，１Ａ,１Ｂ 駆動制御システム
２ 油圧ショベル
４ 旋回体
９ 作動油供給装置（液圧供給装置）
１１ コントロール弁
１５，１６ 電磁リリーフ弁（回動制動手段）
１７ 電油旋回モータ
２２ スプール
２８ 蓄電器（蓄電装置）
２９ タンク
３３ 油圧モータ
３４ 電動機
３５ 出力軸
３６ 駆動装置
４４ 回転数センサ
５０ 制御装置

Claims (9)

  1. 電力供給を受けることによって作業機械の旋回体を旋回させ、且つ電力を発生させて前記旋回体を制動する電動機と、
    放充電することができる蓄電装置と、
    前記蓄電装置から供給される駆動電力によって駆動し、前記蓄電装置から前記電動機に電力を供給させて前記電動機を動かし且つ前記電動機で発生した電力を前記蓄電装置に蓄えさせて前記旋回体を制動させる駆動装置と、
    前記旋回体の旋回速度を検出する速度検出器と、
    前記旋回体が減速し且つ前記速度検出器が検出する旋回速度が予め定められる所定速度以下であることを含む充電停止条件を充足すると、前記蓄電装置から前記駆動装置に供給される駆動電力を止める制御装置とを備える、作業機械の駆動制御システム。
  2. 前記所定速度は、前記旋回体を制動して前記旋回体の速度を所定速度まで低下させた際に前記電動機および前記駆動装置で消費される定常損失エネルギーが前記電動機で発生する充電電力よりも大きくなる速度である、請求項１に記載の作業機械の駆動制御システム。
  3. 圧液供給を受けることで前記旋回体を前記電動機と協働して旋回させる液圧モータと、
    前記液圧モータに圧液を供給する液圧供給装置と、を備え、
    前記液圧モータは、前記液圧モータに供給される供給圧より前記液圧モータから排出される排出圧を高くすることで前記旋回体を制動するように構成され、
    前記液圧供給装置は、前記液圧モータの排出圧を調整するように構成され、
    前記制御装置は、前記充電停止条件を充足すると前記液圧供給装置の動作を制御して前記液圧モータの排出圧を高くするように構成されている、請求項１又は２に記載の作業機械の駆動制御システム。
  4. 前記液圧モータと前記電動機とによって共有される出力軸の回転を制動する回転制動手段を備え、
    前記制御装置は、前記充電停止条件を充足すると前記回転制動手段の動作を制御して前記出力軸の回転を制動するように構成されている、請求項３に記載の作業機械の駆動制御システム。
  5. 前記旋回体の旋回速度に関する調整値を入力するための入力装置を備え、
    前記制御装置は、前記旋回体の旋回速度が前記入力装置からの調整指令に応じた旋回速度になるように前記駆動装置及び前記液圧供給装置の動作を制御し、
    前記充電停止条件は、前記入力装置からの調整値が所定値以下であることを含む、請求項３又は４に記載の作業機械の駆動制御システム。
  6. 前記所定速度は、前記蓄電装置の電力状態が充電から放電に転じる直前の速度である、請求項１乃至５のいずれか1つに記載の作業機械の駆動制御システム。
  7. 圧液供給を受けることで旋回体を旋回させる液圧モータと、
    前記液圧モータに圧液を供給する液圧供給装置と、
    電力供給を受けることによって前記液圧モータと協働して前記旋回体を旋回させ、且つ電力を発生させて前記旋回体を制動する電動機と、
    放充電することができる蓄電装置と、
    前記蓄電装置から供給される駆動電力によって駆動し、前記蓄電装置から前記電動機に電力を供給させて前記電動機を動かし且つ前記電動機で発生した電力を前記蓄電装置に蓄えさせて前記旋回体を制動させる駆動装置と、
    前記旋回体の旋回速度を検出する速度検出器と、
    前記旋回体が加速・定速状態にあり且つ前記蓄電装置の蓄電量が所定値以下であることを含むアシスト停止条件を充足すると、前記蓄電装置から前記駆動装置に供給される駆動電力を止める制御装置とを備える、作業機械の駆動制御システム。
  8. 請求項１乃至７のいずれか1つに記載の作業機械の駆動制御システムと、
    前記旋回体とを備え、
    前記電動機は、減速機を介して前記旋回体を旋回するようになっている、作業機械。
  9. 蓄電装置から供給される電力によって駆動する電動機が旋回させる作業機械の旋回体の旋回速度を検出する速度検出工程と、
    前記電動機で発生する電力を駆動装置により前記蓄電装置に蓄電させて前記旋回体を制動させることによって前記旋回体が減速し且つ前記速度検出工程で検出される旋回速度が予め定められる所定速度以下であることを含む充電停止条件又は前記旋回体が加速・定速状態にあり且つ前記蓄電装置の蓄電量が所定値以下であることを含むアシスト停止条件を充足するか否かを判定する判定工程と、
    前記判定工程において充電停止条件又はアシスト停止条件を充足すると判定されると、前記蓄電装置から前記駆動装置への電力供給を停止させる停止工程とを有する、作業機械の駆動制御システムの駆動制御方法。
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