JPWO2017154219A1 - 建設機械の制御装置 - Google Patents
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Abstract
エンジンから供給可能な動力や蓄電装置から供給可能な電力が変動した場合であっても、旋回複合動作の良好な操作性を維持することができる建設機械の制御装置を提供する。フロント駆動部の速度を検出するフロント速度検出器と、旋回体駆動部の角速度を検出する旋回体速度検出器と、フロント操作装置の操作量と、旋回操作装置の操作量と、フロント速度検出器の検出したフロント駆動部の速度と、旋回体速度検出器の検出した旋回体駆動部の角速度とを取込み、前記フロント駆動部のツメ先位置の目標軌道を演算する目標軌道演算部と、フロント操作装置と旋回操作装置が同時に操作されているときに、目標軌道演算部が演算した目標軌道に、フロント駆動部のツメ先が追従するように、フロント駆動部、又は旋回体駆動部へ供給する動力を調整するアクチュエータ動力演算部とを備えた。
Description
本発明は、建設機械の制御装置に関する。
建設機械の油圧ショベルにおいては、掘削した土砂等をダンプトラックの荷台に放土するために、旋回しながらブームを上げる複合動作である「旋回ブーム上げ」動作を行う。このときにバケットがダンプトラックや掘削斜面に接触することを回避するために、旋回単独動作のときより旋回速度を遅くすること、もしくはブーム単独動作のときよりブーム上げ速度を速くすることは、周知技術である。
近年、燃費低減のために、従来の油圧旋回モータの替わり、もしくはその働きをアシストするために電動旋回モータを備えたハイブリッドショベルが開発されている。このようなハイブリッドショベルにおいても、従来の油圧ショベルと同様に旋回ブーム上げ動作の操作性を維持する必要がある。
油圧旋回モータの替わりに電動旋回モータを備えたハイブリッドショベルにおいて、ブーム操作と旋回操作のそれぞれを検出する「操作検出部」を備え、この操作検出部が検出した信号に基づき、旋回ブーム上げ操作が実行されたと判断すると、旋回単独動作時よりも電動旋回モータの出力を抑制することで、旋回ブーム上げ動作の操作性を維持する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
上述した従来技術によれば、通常状態におけるハイブリッドショベルにおいて、旋回ブーム上げ動作の操作性を維持することができる。しかしながら、例えば蓄電装置の残量が不足し、電動旋回モータに供給される電力が不足した場合については言及がないので、このような場合に操作性を維持することは難しくなる。また、油圧旋回モータの出力と電動旋回モータの出力の配分調整については言及がないので、実機へそのまま適用することは難しい。
また、高地環境などのエンジン出力が低下する状況下では、上述したハイブリッドショベルの油圧ポンプから油圧アクチュエータに供給可能なエネルギも制限される。このような状況において、上述した従来技術により旋回速度を通常時より抑制しただけでは、旋回速度の方がブーム上昇速度より相対的に速くなってしまい、バケットをダンプトラックに接触させる虞がある。
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、エンジンから供給可能な動力や蓄電装置から供給可能な電力が変動した場合であっても、旋回複合動作の良好な操作性を維持することができる建設機械の制御装置を提供するものである。
上記の目的を達成するために、第1の発明は、エンジンと、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、油圧アクチュエータによって駆動されるフロント駆動部と、旋回モータによって駆動される旋回体駆動部と、前記フロント駆動部を操作するためのフロント操作装置と、前記旋回体駆動部を操作するための旋回操作装置とを備えた建設機械の制御装置において、前記フロント駆動部の速度を検出するフロント速度検出器と、前記旋回体駆動部の角速度を検出する旋回体速度検出器と、前記フロント操作装置の操作量と、前記旋回操作装置の操作量と、前記フロント速度検出器の検出した前記フロント駆動部の速度と、前記旋回体速度検出器の検出した前記旋回体駆動部の角速度とを取込み、前記フロント駆動部のツメ先位置の目標軌道を演算する目標軌道演算部と、前記フロント操作装置と前記旋回操作装置が同時に操作されているときに、前記目標軌道演算部が演算した目標軌道に、前記フロント駆動部のツメ先が追従するように、前記フロント駆動部、又は前記旋回体駆動部へ供給する動力を調整するアクチュエータ動力演算部とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、エンジンから供給可能な動力や蓄電装置から供給可能な電力が変動した場合であっても、複合動作時におけるフロント装置の軌跡を目標位置に維持し易くするので、旋回複合動作の良好な操作性を維持することができる。
以下、本発明の建設機械の制御装置の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、作業機械としてはハイブリッドショベルを例に説明する。図1は本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を備えたハイブリッドショベルを示す斜視図、図2は本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を備えたハイブリッドショベルのアクチュエータ駆動制御システムの概念図、図3は本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態の構成を示す制御ブロック図である。
図1において、ハイブリッドショベルは、垂直方向にそれぞれ回動するブーム1a、アーム1b及びバケット1cからなる多関節型のフロント装置1Aと、上部旋回体1d及び下部走行体1eからなる車体1Bとを備えている。フロント装置1Aを構成するブーム1aは、その基端を上部旋回体1dの前部に垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム1a、アーム1b、バケット1c、上部旋回体1d及び下部走行体1eはそれぞれブームシリンダ(油圧シリンダ)3a、アームシリンダ3b、バケットシリンダ3c、油圧旋回モータ16(図2参照)、電動旋回モータ10(図2参照)、及び左右の油圧走行モータ3e、3fによりそれぞれ駆動される。
ブーム1a、アーム1b、バケット1c、上部旋回体1dの動作は、操作レバー装置4(図2参照)の油圧操作信号(制御パイロット圧力)により指示され、下部走行体1eの動作は図示しない走行用のペダル装置の油圧操作信号(制御パイロット圧力)により指示される。
図2において、本実施の形態におけるアクチュエータ駆動制御システムは、オペレータが操作する操作レバー装置4及び図示しない走行用の操作ペダル装置と、第1油圧ポンプ6Aと、第2油圧ポンプ6Bと、第1油圧ポンプ6Aが吐出した圧油の方向と流量を制御して旋回油圧モータ16以外の油圧アクチュエータに供給し、第2油圧ポンプ6Bが吐出した圧油の方向と流量を制御して旋回油圧モータ16に供給するコントロールバルブ5と、エンジン7と、電動発電機8と、蓄電装置9とを備えている。エンジン7と電動発電機8と第1及び第2油圧ポンプ6A,6Bは同一の回転軸で機械的に接続されている。同様に油圧旋回モータ16と電動旋回モータ10は同一の回転軸で機械的に接続されていて、油圧旋回モータ16と電動旋回モータ10との合計トルクによって、上部旋回体1dを駆動する。
また、アクチュエータ駆動制御システムは、エンジン7の回転数やトルクを制御するためのエンジンコントロールユニット(ECU)11と、電動発電機8の回転数やトルクを制御するためのインバータ(PCU)12と、電動旋回モータ10の回転数やトルクを制御するためのインバータ(PCU)13と、蓄電装置9の充放電を制御するためのバッテリコントロールユニット(BCU)14と、これらの機器を統括して御するコントローラ15とを備えている。
オペレータにより、操作レバー装置4及び図示しない操作ペダル装置で実施された操作は、図示しない経路にてコントロールバルブ5を駆動し、各操作に対応する油圧経路を開閉することで、第1及び第2油圧ポンプ6A,6Bが吐出する圧油の流れ(方向と流量)を制御し、各油圧アクチュエータ(ブームシリンダ3a、アームシリンダ3b、バケットシリンダ3c、油圧走行モータ3e,3fおよび油圧旋回モータ16)を制御する。
第1油圧ポンプ6Aは、フロント装置1Aを構成するアクチュエータを駆動するために利用され、第2油圧ポンプ6Bは、旋回油圧モータ16を駆動するために利用される。
第1及び第2油圧ポンプ6A,6Bは、エンジン7及び/又は電動発電機8により回転駆動される。第1及び第2油圧ポンプ6A,6Bは可変容量型のポンプであり、レギュレータ6Ax、6Bxを有している。レギュレータ6Ax、6Bxは、公知の如く、操作レバー装置4及び操作ペダル装置の操作部材である操作レバー及びペダルの操作量(要求流量)が増加し、油圧操作信号が上昇するにしたがって第1及び第2油圧ポンプ6A,6Bの斜板傾転角(容量)を増加させる。このことにより第1及び第2油圧ポンプ6A,6Bの吐出流量を増加させる。また、第1及び第2油圧ポンプ6A,6Bの吐出圧力が高くなるにしたがってこれら油圧ポンプ6A,6Bの傾転角(容量)を減らして、油圧ポンプの吸収トルクを予め設定した最大トルクを越えないように制御するトルク制限制御機能を備えている。
なお、旋回油圧モータ16に供給する動力は、レギュレータ6Bxにより第2油圧ポンプ6Bの吐出流量を制御することで調整することができる。
電動発電機8は、その回転軸を本体中心から軸方向に両端側にそれぞれ延伸し、回転軸の一端側をエンジン7の回転軸と連結し、回転軸の他端側を第1及び第2油圧ポンプ6A,6Bの回転軸と連結している。電動発電機8は、エンジン7の動力を電気エネルギ(電力)に変換してインバータ(PCU)12に出力する発電機としての機能(回生機能)と、インバータ(PCU)12から供給される電気エネルギ(電力)により駆動され、第1及び第2油圧ポンプ6A,6Bをアシスト駆動する電動機としての機能(力行機能)とを備えている。
インバータ(PCU)12は、電動発電機8が発電機として機能するときは、電動発電機8で生成した交流電力を直流電力に変換して蓄電装置9等へ出力し、電動発電機8が電動機として機能するときは、蓄電装置9からの直流電力を交流電力に変換して電動発電機8に供給する。また、インバータ(PCU)12は、電動発電機8の回転速度、トルク、さらに、電動発電機8の温度などの情報を電動発電機状態として、コントローラ15に送信する。
電動旋回モータ10用のインバータ(PCU)13は、電動発電機8が生成しインバータ(PCU)12が出力した直流電力、もしくは、蓄電装置9から供給される直流電力を交流電力に変換して電動旋回モータ10に供給する。また、インバータ(PCU)13は、旋回制動時に電動旋回モータ10が発電機として機能して回生した交流電力を直流電力に変換して蓄電装置9等へ出力する。発電された電力は、電動発電機8で利用するか、蓄電装置9への充電に利用される。また、インバータ(PCU)13は電動旋回モータ10の回転速度、トルク、さらに、電動旋回モータ10の温度などの情報を電動旋回モータ状態として、コントローラ15に送信する。
蓄電装置9は、インバータ(PCU)12、13に電力を供給(放電)し、または、電動発電機8が発電した電力や電動旋回モータ10からの電力を蓄える(充電する)。蓄電装置9としては、例えば、リチウムイオンバッテリやキャパシタなどが利用される。
バッテリコントロールユニット(BCU)14は、蓄電装置9の電圧や電流を検出し、蓄えられている電気エネルギの量、いわゆる蓄電残量を推定し、その信号をコントローラ15に送信する。また、バッテリコントロールユニット(BCU)14は、蓄電装置9のセル温度などの情報を蓄電装置状態として、コントローラ15に送信する。
エンジンコントロールユニット(ECU)11は、コントローラ15から目標回転速度信号を、図示しない回転速度センサから検出したエンジン7の実回転速度信号を入力し、回転速度偏差を演算し、この回転速度偏差に基づいて目標燃料噴射量を演算して対応する制御信号をエンジン7に備えられる電子ガバナに出力する。図示しない電子ガバナはその制御信号により作動して目標燃料噴射量相当の燃料を噴射しエンジン7に供給する。また、エンジンコントロールユニット(ECU)11はエンジン回転速度、エンジントルク、さらには外気温や気圧(高度による大気圧変化やターボによる過給圧)などによって変化するエンジン7の最大出力などをエンジン状態として、コントローラ15に送信する。エンジン7の目標回転速度は、オペレータが作業の内容に応じて設定した値を、運転席内にある図示しないエンコンダイヤルを使って設定する。
ブームシリンダ3aには、ブームストローク量およびブーム速度の検出を行うシリンダストロークセンサ17が設けられている。シリンダストロークセンサ17が検出した信号は、フロント速度信号としてコントローラ15に入力される。なお、シリンダストロークセンサ17の替わりに、ブーム角度センサを取り付け、検出されたブーム角度から、幾何学的にブームストローク量およびブーム速度の算出を行う方式を取っても良い。
油圧旋回モータ16、もしくは、電動旋回モータ10には、旋回角度および旋回角速度の検出を行う旋回角度センサ18が設けられている。旋回角度センサ18が検出した信号は、旋回速度信号としてコントローラ15に入力される。なお、旋回角度および旋回角速度の情報をインバータ(PCU)13から受信可能な場合には、旋回角度センサ18を設置しなくても良い。
バケットシリンダ3cには、ロッド側油室の圧力の検出を行うシリンダ圧力センサ19が設けられている。シリンダ圧力センサ19が検出した信号は、バケットが積荷状態か空荷状態か等の車体状態を表す負荷信号としてコントローラ15に入力される。
コントローラ15は制御演算回路を備えており、この制御演算回路において実行される制御内容を図3を用いて説明する。コントローラ15は図3に示すように、目標軌道演算部A1と、供給可能動力演算部A2と、電動旋回モータ供給可能動力演算部A3と、アクチュエータ動力演算部A4とを備えている。
目標軌道演算部A1は、操作レバー装置4の操作量に応じて生成されるフロント操作信号と旋回操作信号と、シリンダストロークセンサ17が検出したフロント速度信号と、旋回角度センサ18が検出した旋回速度信号と、シリンダ圧力センサ19が検出した負荷信号とを入力し、詳細は後述するが、これらの信号からフロント装置1Aのツメ先位置の軌跡である目標軌跡信号を演算し、アクチュエータ動力演算部A4に出力する。
供給可能動力演算部A2は、エンジンコントロールユニット(ECU)11からエンジン回転速度、エンジントルク、エンジン状態を、インバータ(PCU)12から電動発電機8の回転速度、トルク、電動発電機状態を、バッテリコントロールユニット(BCU)14から蓄電残量、蓄電装置状態をそれぞれ入力し、詳細は後述するが、これらの信号から第1及び第2油圧ポンプ6A,6Bに供給できる第2供給可能動力信号を演算する。この第2供給可能動力信号をアクチュエータ動力演算部A4に出力し、エンジン7のみからなる第1供給可能動力信号を電動旋回モータ供給可能動力演算部A3とアクチュエータ動力演算部A4とに出力する。
電動旋回モータ供給可能動力演算部A3は、バッテリコントロールユニット(BCU)14から蓄電残量、蓄電装置状態を、インバータ(PCU)13から電動旋回モータ10の回転速度、トルク、さらに、電動旋回モータ状態を、供給可能動力演算手段A2から供給可能動力信号をそれぞれ入力し、詳細は後述するが、これらの信号から旋回電動モータ10に供給できる旋回電動モータ供給可能動力信号を演算し、アクチュエータ動力演算部A4に出力する。
アクチュエータ動力演算部A4は、シリンダストロークセンサ17が検出したフロント速度信号と、旋回角度センサ18が検出した旋回速度信号と、目標軌道演算部A1が演算した目標軌道信号と、供給可能動力演算部A2が演算した第1供給可能動力信号及び第2供給可能動力信号と、電動旋回モータ供給可能動力演算部A3が演算した旋回電動モータ供給可能動力信号をそれぞれ入力し、詳細は後述するが、これらの信号からフロント目標動力信号と油圧旋回目標動力信号と電動旋回目標動力信号とを演算し、エンジン7、電動発電機8、第1油圧ポンプ6A、第2油圧ポンプ6B、電動旋回モータ10に係る各動力を制御する。具体的には、エンジン7はエンジンコントロールユニット(ECU)11に制御信号を、電動発電機8はインバータ(PCU)12に制御信号を出力する。また、電動旋回モータ10はインバータ(PCU)13に制御信号を出力し、第1油圧ポンプ6A、第2油圧ポンプ6Bは、レギュレータ6Ax、6Bxに制御信号を出力する。
次に各演算部について図4乃至図10Bを用いて詳細に説明する。図4は本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を構成する目標軌道演算部の制御ブロック図、図5は本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を構成する目標軌道演算部で演算する目標軌道を説明する概念図、図6は本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を構成する供給可能動力演算部の制御ブロック図、図7は本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を構成する電動旋回モータ供給可能動力演算部の制御ブロック図、図8は本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を構成するアクチュエータ動力演算部の制御ブロック図、図9は本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を構成するアクチュエータ動力演算部におけるツメ先軌道比較器の演算を説明する概念図、図10Aは本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を構成するアクチュエータ動力演算部における動力配分演算器の演算の一例を説明する概念図、図10Bは本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を構成するアクチュエータ動力演算部における動力配分演算器の演算の他の例を説明する概念図である。
図4に示すように目標軌道演算部A1は、ツメ先位置演算器E1と車体状態演算器E2と目標軌道演算器E3とを備えている。
ツメ先位置演算器E1は、旋回速度信号とフロント速度信号を入力し、フロント装置1Aのバケット1cの先端であるツメ先位置を演算する。この演算においては、入力した各速度を積分して旋回角度、フロント位置を計算し、その後に幾何学的な関係からツメ先位置を計算する方法があげられる。もちろん,速度の替わりに位置情報(旋回角度、ストローク量など)を直接利用しても良い。算出したツメ先位置の信号は目標軌道演算器E3へ出力する。
ツメ先位置演算器E1は、旋回速度信号とフロント速度信号を入力し、フロント装置1Aのバケット1cの先端であるツメ先位置を演算する。この演算においては、入力した各速度を積分して旋回角度、フロント位置を計算し、その後に幾何学的な関係からツメ先位置を計算する方法があげられる。もちろん,速度の替わりに位置情報(旋回角度、ストローク量など)を直接利用しても良い。算出したツメ先位置の信号は目標軌道演算器E3へ出力する。
車体状態演算器E2は、バケットシリンダ3cに設けたシリンダ圧力センサ19からの信号を負荷信号として入力し、バケット1cが積荷状態か空荷状態かなどの車体状態を演算する。算出した車体状態の信号は目標軌道演算器E3へ出力する。
目標軌道演算器E3は,ツメ先位置演算器E1で算出したツメ先位置の信号と、車体状態演算器E2で算出した車体状態の信号と、フロント操作信号と、旋回操作信号とを入力し、これらの信号に基づいて、フロント装置1Aのツメ先の目標軌道を演算する。ここで、フロント操作信号、旋回操作信号は、操作レバー装置4が油圧レバーであれば、各パイロット圧を電気に変換した信号に相当する。操作レバー装置4が電子レバー方式ならば、各操作の電気信号をそのまま利用すればよい。
目標軌道演算器E3による目標軌道の演算について、図5を用いて説明する。図5において、横軸(SW)は旋回角度を示し、縦軸(FR)はフロント装置1Aの位置を示している。点S0は、現時刻でのフロント装置1Aのツメ先位置を示している。この点S0は、図4に示すツメ先位置演算器E1で算出される。破線で示すS1は現時刻でのツメ先位置S0を基点にして演算された目標軌道の時系列変化を示している。ここで、目標軌道における傾き等は、図4に示す目標軌道演算器E3に入力されるフロント操作信号と旋回操作信号とによって定められる。例えば、旋回ブーム上げ操作において、旋回レバー操作量が同じであっても、ブーム上げ操作量が大きくなればなるほど旋回速度が緩やかになる(傾きを増加する)ように目標軌道を生成する。
また、図4に示す車体状態演算器E2から入力される車体状態信号により、目標軌道の傾き等が補正される。これは、バケット1cが空荷であるか、土砂が入っているかなどを車体状態演算器E2の結果から判断し、バケット1cが空荷時には、積荷時よりもブームの目標速度を速める(傾きを増加する)ように目標軌道を生成する。
なお、目標軌道演算器E3による目標軌道の演算は、オペレータの意思によって任意に停止することができる。停止した場合には、後述するアクチュエータ動力演算部A4の演算を無効化する。
次に、供給可能動力演算部A2について図6を用いて説明する。供給可能動力演算部A2は、エンジン7、電動発電機8、蓄電装置9の現在の状況に基づいて、第1油圧ポンプ6A及び第2油圧ポンプ6Bに供給可能な動力を演算するものであって、エンジン動力演算器B1と、エンジン余裕演算器B2と、電動発電機動力演算器B3と、電動発電機余裕演算器B4と、供給可能動力演算器B5とを備えている。
エンジン動力演算器B1は、エンジン回転速度とエンジントルクの信号を入力し、エンジン7が現時点で出力している動力を演算する。算出した現時点で出力している動力の信号はエンジン余裕演算器B2へ出力する。
エンジン余裕演算器B2は、エンジン動力演算器B1で算出した現時点で出力しているエンジン動力とエンジン状態信号とを入力し、エンジン状態に応じたエンジンの最大出力と現時点で出力しているエンジン動力とを比較して、エンジン7から供給可能な動力の余裕分を演算し、供給可能動力演算器B5と、電動旋回モータ供給可能動力演算部A3とへ出力する。エンジン余裕演算器B2の出力を第1の供給可能動力と定義する。
なお、エンジン状態信号には、エンジン7の冷却水温度から判断されるオーバーヒート状態や過給圧が低い状態などを判断する信号が含まれている。このようなエンジン状態信号が入力された場合には、エンジン7の最大出力は通常時の出力特性に比べて低い値になる。
電動発電機動力演算器B3は、電動発電機回転速度信号と電動発電機トルク信号とを入力し、電動発電機8が現時点で出力している動力を演算する。算出した現時点で出力している動力の信号は電動発電機余裕演算器B4へ出力する。
電動発電機余裕演算器B4は、電動発電機動力演算器B3で算出した現時点で出力している電動発電機動力と電動発電機状態信号と蓄電装置残量信号と蓄電装置状態信号とを入力し、電動発電機状態に応じた電動発電機8の最大出力と現時点で出力している電動発電機8の動力と蓄電装置残量と蓄電装置状態に応じて制限される電動発電機8への供給電力を比較して、電動発電機8から供給可能な動力の余裕分を演算し、供給可能動力演算器B5へ出力する。
なお、電動発電機状態信号及び蓄電装置状態信号には、上述のエンジン状態信号と同様に、例えば、オーバーヒート状態信号が含まれていて、このような状態信号が入力された場合には、電動発電機8や蓄電装置9の最大出力は、通常時の出力特性に比べて低い値になる。また、蓄電装置9の状態信号には蓄電器の健康状態、いわゆる,SOH(State Of Health)も含まれており、SOHが低い場合には、蓄電装置9の最大出力はSOHが高い場合よりも低下する。
供給可能動力演算器B5は、エンジン余裕演算器B2で算出した第1の供給可能動力と電動発電機余裕演算器B4で算出した電動発電機8から供給可能な動力の余裕分とを入力し、パワートレインであるエンジン7と電動発電機8が供給可能な動力を演算する。供給可能動力演算器B5の出力を第2の供給可能動力と定義する。なお、電動発電機8及びインバータ(PCU)12を備えないタイプの
ハイブリッドショベル、もしくは、油圧ショベルでは、エンジン余裕演算器B2の出力がそのまま供給可能動力演算部A2の出力となる。
ハイブリッドショベル、もしくは、油圧ショベルでは、エンジン余裕演算器B2の出力がそのまま供給可能動力演算部A2の出力となる。
次に、電動旋回モータ供給可能動力演算部A3について図7を用いて説明する。電動旋回モータ供給可能動力演算部A3は、旋回電動モータ10に供給できる旋回電動モータ供給可能動力信号を演算するものであって、電動旋回モータ動力演算器C1と、電動旋回モータ余裕演算器C2とを備えている。
電動旋回モータ動力演算器C1は、電動旋回回転速度信号と電動旋回トルク信号とを入力し、これらの信号から電動旋回モータ10が現時点で出力している動力を演算する。算出した現時点で出力している動力の信号は電動旋回モータ余裕演算器C2へ出力する。
電動旋回モータ余裕演算器C2は、電動旋回モータ動力演算器C1で算出した現時点で出力している電動旋回モータ動力と電動旋回モータ状態信号と蓄電装置残量信号と蓄電装置状態信号と、供給可能動力演算部A2で算出した供給可能動力(第1の供給可能動力)とを入力し、電動旋回モータ状態に応じた電動旋回モータ10の最大出力と現時点で出力している電動旋回モータ10の動力と蓄電装置残量と蓄電装置状態に応じて制限される電動旋回モータ10への供給電力と、供給可能動力演算部A2で算出した「第1の供給可能動力」とを比較して、電動旋回モータ10から供給可能な動力を演算する。
なお、電動旋回モータ状態信号も、上述の電動発電機状態信号と同様に、例えば、オーバーヒート状態信号が含まれていて、このような状態信号が入力された場合には、電動旋回モータ10の最大出力は、通常時の出力特性に比べて低い値になる。
電動旋回モータ10の出力を演算するのに、第1の供給可能動力を利用するのは、エンジン7の余剰動力で電動発電機8を発電動作させ、発電した電力によって電動旋回モータ10を駆動する場合を考慮するためである。なお、電動旋回モータ10及びインバータ(PCU)13を備えないタイプのハイブリッドショベル、もしくは油圧ショベルでは電動旋回モータ供給可能動力演算部A3は動作しない。
次に、アクチュエータ動力演算部A4について図8を用いて説明する。アクチュエータ動力演算部A4は、フロント目標動力信号と油圧旋回目標動力信号と電動旋回目標動力信号とを演算するものであって、ツメ先軌道比較器D1と、動力配分演算器D2とを備えている。
ツメ先軌道比較器D1は、旋回速度信号とフロント速度信号と目標軌道演算部A1で算出した目標軌道信号とを入力し、目標軌道信号から算出される速度ベクトルと、実際の旋回速度信号とフロント速度信号とを比較して、目標軌道から算出される速度ベクトルに対して旋回速度とフロント速度が先行しているか遅延しているかの判断と、フロント速度と旋回速度の相対的な先行と遅延の関係の判断を行う。これらの判断信号は動力配分演算器D2に出力する。
ツメ先軌道比較器D1による演算について、図9を用いて説明する。図9において、横軸(SW)は旋回角度を示し、縦軸(FR)はフロント装置1Aの位置を示している。点S0は、現時刻でのフロント装置1Aのツメ先位置を示し、破線で示すS1は現時刻でのツメ先位置S0を基点にして演算された目標軌道の時系列変化を示している。また、各矢印はベクトルを示していて、矢印の長さは、旋回速度、フロント速度を表している。S2は、目標軌道S1の点S0における接ベクトルであって、目標軌道から算出される速度ベクトルを示す。S4は旋回速度信号の速度ベクトルを示し、S3はフロント速度信号の速度ベクトルを示す。S5は実際の軌道の合成ベクトルを示す。
図9においては、目標軌道から算出される速度ベクトルS2に対して、旋回速度(S4)が遅延していることと、フロント速度(S3)に対して旋回速度(S4)が遅延していることが分かる。
図8に戻り、動力配分演算器D2は、ツメ先軌道比較器D1で演算したツメ先軌道の目標軌道との比較結果と、第1供給可能動力信号と、第2供給可能動力信号と、旋回電動モータ供給可能動力信号とを入力し、これらの信号に応じて、フロント目標動力、油圧旋回目標動力、電動旋回目標動力の分配を行う。具体的には、フロント目標動力として、フロント装置1Aの油圧アクチュエータ(例えば、ブームシリンダ3a)に供給する圧油を制御するために第1油圧ポンプ6Aのレギュレータ6Axに制御信号を出力する。フロント目標動力を増やす場合には、第1油圧ポンプ6Aからフロント装置1Aの油圧アクチュエータに供給する圧油動力を確保できるように、同時にエンジン7と電動発電機8のいずれか、もしくは、両方の動力を制御するためにエンジンコントロールユニット(ECU)11とインバータ(PCU)12に制御信号を出力する。油圧旋回目標動力として、油圧旋回モータ16の動力を制御するために第2油圧ポンプ6Bのレギュレータ6Bxに制御信号を出力する。油圧旋回目標動力を増やす場合には、第2油圧ポンプ6Bから油圧旋回モータ16に供給する圧油動力を確保できるように、同時にエンジン7と電動発電機8のいずれか、もしくは、両方の動力を制御するためにエンジンコントロールユニット(ECU)11とインバータ(PCU)12に制御信号を出力する。また、電動旋回目標動力として、電動旋回モータ10動力を制御するためにインバータ(PCU)13に制御信号を出力する。
この分配における基本方針は供給可能動力の余裕があれば、遅延している側のアクチュエータ速度が上がるように目標動力を増加することで、アクチュエータ速度のバランスを改善することである。例えば、旋回速度がフロント速度よりも先行している場合は、フロント目標動力を上げることで、旋回速度とフロント速度の速度バランスを調整する。一方で、供給可能動力に余裕が無い場合には、先行している側のアクチュエータ速度が下がるように目標動力を抑制することで、アクチュエータ速度のバランスを改善する。
動力配分演算器D2による演算について、図10Aと図10Bとを用いて説明する。図10Aと図10Bにおいて縦軸と横軸、及び同じ符号は同一のものを示している。図10Aは、供給可能動力の余裕があり、遅延している側のアクチュエータ速度が上がるように目標動力を増加する場合を示したものである。図9のS5に示した実際の軌道の合成ベクトル(目標軌道から算出される速度ベクトルS2に対して、旋回速度(S4)が遅延しているもの)から、旋回目標動力を上げることで、旋回速度のベクトルをS4からS4bに増加させている。このことにより、実軌道の合成ベクトルS5bの向きが目標軌道の接ベクトルS2の向きと一致している。このような動作では、ツメ先位置が目標軌道にしたがって、素早く移動するため、作業効率に優れ、かつ良好な操作性が実現できる。
図10Bは、供給可能動力に余裕が無い場合であって、先行している側のアクチュエータ速度が下がるように目標動力を抑制する場合を示したものである。図9のS5に示した実際の軌道の合成ベクトル(目標軌道から算出される速度ベクトルS2に対して、旋回速度(S4)が遅延しているもの)から、フロント目標動力を抑制することで、フロント速度のベクトルをS3からS3cに減少させている。このことにより、旋回速度のベクトルS4とフロント速度のベクトルS3cとの合成ベクトルS5cの向きは、目標軌道の接ベクトルS2の向きと一致している。この結果、良好な操作性が維持される。但し、ベクトルの大きさが小さくなるため、作業性は図10Aの場合に比べて劣る。
次に、アクチュエータ動力演算部A4の動力分配演算器D2が行う動力分配方法について、図11乃至図14を用いて説明する。図11は本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を構成するアクチュエータ動力演算部における処理内容の一例を示すフローチャート図、図12は図11に示すアクチュエータ動力演算部における処理内容の一部を建設機械の態様に応じて変形したフローチャート図の一例、図13は図11に示すアクチュエータ動力演算部における処理内容の一部を建設機械の態様に応じて変形したフローチャート図の他の例、図14は本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態を構成するアクチュエータ動力演算部における処理内容の他の例を示すフローチャート図である。
図11は、ツメ先軌道比較器D1から旋回速度がフロント速度より先行しているとの比較結果を受けた場合における動力分配演算器D2の制御動作を示している。
動力分配演算器D2は、第1の供給可能動力は十分か否かを判断する(ステップS01)。具体的には、エンジン7から供給できる動力に余裕があるか否かを判断する。第1供給可能動力に余裕があれば、(ステップS02)へ進み、それ以外の場合には(ステップS03)へ進む。
動力分配演算器D2は、エンジン7の動力を増加させることによってフロント目標動力の増加を実現する(ステップS02)。このことにより、フロント速度が増加して旋回速度とバランスをとることが可能になる。
(ステップS01)にて第1供給可能動力に余裕がない場合、動力分配演算器D2は、第2の供給可能動力は十分か否かを判断する(ステップS03)。具体的には、エンジン7と電動発電機8とから供給可能な動力に余裕があるか否かを判断する。第2供給可能動力に余裕があれば、(ステップS04)へ進み、それ以外の場合には(ステップS05)へ進む。
動力分配演算器D2は、電動発電機8の動力を増加させることによってフロント目標動力の増加を実現する(ステップS04)。これは、(ステップS01)にてエンジン7の動力に余裕がないことが既知のためである。
(ステップS03)にて第2供給可能動力に余裕がない場合、動力分配演算器D2は、油圧旋回目標動力を抑制する(ステップS05)。これは、エンジン7及び電動発電機8ともに十分な動力を供給しているため、更なるフロント速度の上昇は不可能であるため、旋回動力を下げることで速度のバランスをとることを目的とする。旋回モータは油圧駆動より電動駆動の方が効率に優れることが知られているので、優先的に油圧旋回目標動力を抑制する。具体的には、油圧旋回モータ16の動力を制御するために第2油圧ポンプ6Bのレギュレータ6Bxに制御信号を出力する。
動力分配演算器D2は、旋回速度がフロント速度より先行しているか否かを判断する(ステップS06)。具体的にはツメ先軌道比較器D1からの比較結果による。(ステップS05)において、油圧旋回目標動力を下げているので、これでもなお旋回速度が先行している場合には、(ステップS07)へ進み、それ以外の場合には、終了する。
動力分配演算器D2は、電動旋回目標動力を抑制する(ステップS07)。具体的には、電動旋回モータ10の動力を抑制するためにインバータ(PCU)13に制御信号を出力する。電動旋回目標動力を抑制することで、旋回速度とフロント速度のバランスをとることができる。
上述したアクチュエータ動力演算部における処理内容の一例のフローは、図2に示すハイブリッドショベルのアクチュエータ駆動制御システムの構成を前提としたものであるが、この機器構成の一部を抜いたハイブリッドショベル、または、油圧ショベルでも、図11のフローチャートから、対応する機器の処理を省くことで所望の制御を実現できる。
例えば、本実施の形態における油圧旋回モータ16を備えない、旋回フル電動モータタイプのハイブリッドショベルの場合は、図12のフローチャートに従うことになる。図12のフローチャートは、上述したフローにおいて、(ステップS05)と(ステップS06)を除いたものであって、(ステップS03)において第2の供給可能動力に余裕がない場合には、即座に(ステップS07)へ進み、電動旋回目標動力を抑制する。
また、本実施の形態における電動発電機8、蓄電装置9、電動旋回モータ10、インバータ(PCU)12、インバータ(PCU)13、バッテリコントロールユニット(BCU)14を備えない、通常の油圧ショベルの場合は、図13のフローチャートに従うことになる。図13のフローチャートは、上述したフローにおいて、(ステップS03)、(ステップS04)、(ステップS06)、(ステップS07)を除いたものであって、(ステップS01)において第1の供給可能動力に余裕がない場合には、即座に(ステップS05)へ進み、油圧旋回目標動力を抑制するといった簡易な制御になる。
次に、フロント速度が旋回速度よりも先行しているとの比較結果を受けた場合における動力分配演算器D2の制御動作を図14を用いて説明する。
動力分配演算器D2は、旋回電動モータ供給可能動力は十分か否かを判断する(ステップS11)。具体的には、旋回電動モータ供給可能動力に余裕があるか否かを判断する。旋回電動モータ供給可能動力に余裕があれば、(ステップS12)へ進み、それ以外の場合には(ステップS13)へ進む。
動力分配演算器D2は、旋回電動モータ供給可能動力は十分か否かを判断する(ステップS11)。具体的には、旋回電動モータ供給可能動力に余裕があるか否かを判断する。旋回電動モータ供給可能動力に余裕があれば、(ステップS12)へ進み、それ以外の場合には(ステップS13)へ進む。
動力分配演算器D2は、蓄電装置9からの給電によって電動旋回目標動力を増加させる(ステップS12)。具体的には、図10Aで示すように旋回速度ベクトルが増加することで、目標軌道の接ベクトルの向きと実軌道の合成ベクトルの向きが一致する。このことにより、旋回速度が増加してフロント速度とバランスをとることが可能になる。
(ステップS11)にて旋回電動モータ供給可能動力に余裕がない場合、動力分配演算器D2は、第2の供給可能動力は十分か否かを判断する(ステップS13)。具体的には、エンジン7と電動発電機8とから供給可能な動力に余裕があるか否かを判断する。第2供給可能動力に余裕があれば、(ステップS15)へ進み、それ以外の場合には(ステップS14)へ進む。
(ステップS13)にて第2供給可能動力に余裕がない場合、動力分配演算器D2は、フロント目標動力を抑制する(ステップS14)。これは、エンジン7及び蓄電装置9ともに余裕がなく、旋回速度の上昇は不可能であるため、フロント目標動力を抑制してフロント速度を下げて旋回速度とのバランスをとることができる。具体的には、図10Bで示すようにフロント速度ベクトルを減少させることで、実軌道の合成ベクトルの向きを目標軌道の接ベクトルの向きと一致させる。このことにより、フロント速度と旋回速度とがバランスをとることができる。
(ステップS13)にて第2供給可能動力に余裕がある場合、動力分配演算器D2は、第1の供給可能動力は十分か否かを判断する(ステップS15)。第1供給可能動力に余裕があれば、(ステップS16)へ進み、それ以外の場合には(ステップS17)へ進む。
動力分配演算器D2は、発電電力による電動旋回目標動力を増加させる(ステップS16)。ここでは、蓄電装置9に余裕はないが、エンジン7には余裕があるので、エンジン7で電動発電機8を発電動作させて、発電した電力を電動旋回モータ10に供給し電動旋回目標動力を増加させる。旋回速度が増加してフロント速度とのバランスが改善する。
(ステップS15)において、第1供給可能動力に余裕がない場合、動力分配演算器D2は、油圧旋回目標動力を増加させる(ステップS17)。ここでは、エンジン7に余裕はないが、蓄電装置9に余裕があるので、電動発電機8を駆動することによって、第2油圧ポンプ6Bのレギュレータ6Bxにより油圧旋回目標動力の増加を実現する。旋回速度が増加してフロント速度とのバランスが改善する。
なお、蓄電装置9の出力に余裕がある場合には、通常時、(ステップS11)の判断で(ステップS12)へ進み、「電動旋回目標動力を増加」が実行される。しかし、電動旋回モータ10がオーバーヒート状態の状況がある場合には、「蓄電装置9の出力に余裕はあるが、旋回電動モータ供給可能動力に余裕がない」状態になり(ステップS17)が実行される。
旋回速度がフロント速度より先行している場合における動力分配演算器D2の制御動作を説明した場合と同様に、図14に示すアクチュエータ動力演算部における処理内容の他の例のフローは、図2に示すハイブリッドショベルのアクチュエータ駆動制御システムの構成を前提としたものであるが、この機器構成の一部を抜いたハイブリッドショベル、または、油圧ショベルでも、図14のフローチャートから、対応する機器の処理を省くことで所望の制御を実現できる。
上述した本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態によれば、エンジン7から供給可能な動力や蓄電装置9から供給可能な電力が変動した場合であっても、複合動作時におけるフロント装置1Aの軌跡を目標位置に維持し易くするので、旋回複合動作の良好な操作性を維持することができる。
また、上述した本発明の建設機械の制御装置の一実施の形態によれば、供給可能な動力が十分にある場合には、複合動作時に目標軌道に沿った速度で制御されるので、オペレータが操作違和感を覚えにくく、かつ作業性の高い動作を両立することができる。
また、本発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
1A:フロント装置、1B:車体、1a:ブーム、1b:アーム、1c:バケット、1d:上部旋回体、1e:下部走行体、3a:ブームシリンダ、3b:アームシリンダ、3c:バケットシリンダ、4:操作レバー装置、5:コントロールバルブ、6A:第1油圧ポンプ、6B:第2油圧ポンプ、7:エンジン、8:電動発電機、9:蓄電装置、10:電動旋回モータ、11:エンジンコントロールユニット(ECU)、12、13:インバータ(PCU)、14:バッテリコントロールユニット(BCU)、15:コントローラ、16:油圧旋回モータ、17:シリンダストロークセンサ、18:旋回角度センサ、19:シリンダ圧力センサ
Claims (5)
- エンジンと、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、油圧アクチュエータによって駆動されるフロント駆動部と、旋回モータによって駆動される旋回体駆動部と、前記フロント駆動部を操作するためのフロント操作装置と、前記旋回体駆動部を操作するための旋回操作装置とを備えた建設機械の制御装置において、
前記フロント駆動部の速度を検出するフロント速度検出器と、
前記旋回体駆動部の角速度を検出する旋回体速度検出器と、
前記フロント操作装置の操作量と、前記旋回操作装置の操作量と、前記フロント速度検出器の検出した前記フロント駆動部の速度と、前記旋回体速度検出器の検出した前記旋回体駆動部の角速度とを取込み、前記フロント駆動部のツメ先位置の目標軌道を演算する目標軌道演算部と、
前記フロント操作装置と前記旋回操作装置が同時に操作されているときに、前記目標軌道演算部が演算した目標軌道に、前記フロント駆動部のツメ先が追従するように、前記フロント駆動部、又は前記旋回体駆動部へ供給する動力を調整するアクチュエータ動力演算部とを備えた
ことを特徴とする建設機械の制御装置。 - 請求項1に記載の建設機械の制御装置において、
前記エンジンが実際に出力している動力と前記エンジンが出力し得る動力とを比較することで、前記エンジンが追加供給可能な動力である第1供給可能動力を算出する供給可能動力演算部を備え、
前記アクチュエータ動力演算部は、前記第1供給可能動力がある場合には、前記フロント駆動部の速度であるフロント速度と前記旋回体駆動部の速度である旋回速度とを比較し、前記目標軌道の速度に対して遅延している駆動部に供給する動力を増加させ、
前記第1供給可能動力がない場合には、前記フロント駆動部と前記旋回体駆動部のうち、前記目標軌道の速度に対して先行している駆動部に供給する動力を抑制させる
ことを特徴とする建設機械の制御装置。 - 請求項2に記載の建設機械の制御装置において、
前記エンジンとの間でトルクの伝達可能な電動発電機と、前記電動発電機と電力の授受を行う蓄電装置とをさらに備え
前記エンジンと前記電動発電機とが実際に出力している動力と、前記エンジンと前記電動発電機とが出力し得る動力とを比較することで、前記エンジンと前記電動発電機とが追加供給可能な動力である第2供給可能動力を算出する供給可能動力演算部を備え、
前記アクチュエータ動力演算部は、前記第2供給可能動力がある場合には、前記フロント速度と前記旋回速度とを比較し、前記目標軌道の速度に対して遅延している駆動部に供給する動力を増加させ、
前記第2供給可能動力がない場合には、前記フロント駆動部と前記旋回体駆動部のうち、前記目標軌道の速度に対して先行している駆動部に供給する動力を抑制させる
ことを特徴とする建設機械の制御装置。 - 請求項3に記載の建設機械の制御装置において、
前記旋回モータは、前記油圧ポンプから供給される圧油によって駆動される油圧旋回モータと、前記蓄電装置と電力の授受を行う電動旋回モータとを併用し、
前記電動旋回モータが実際に出力している動力と、前記蓄電装置の蓄電残量に応じて定まる前記電動旋回モータが出力し得る動力とを比較することで、電動旋回モータ供給可能動力を算出する電動旋回モータ供給可能動力演算部を備え、
前記アクチュエータ動力演算部は、前記旋回体駆動部が加速しているときに、
(a)前記目標軌道から定まる目標速度に対して前記旋回速度が遅延していて、かつ、前記電動旋回モータ供給可能動力に余裕がある場合は、前記電動旋回モータの出力を増加し、
(b)前記目標速度に対して前記旋回速度が遅延していて、かつ、前記電動旋回モータ供給可能動力に余裕がなく、前記第2供給可能動力に余裕がある場合は、前記油圧旋回モータの出力を増加し、
(c)前記目標速度に対して前記旋回速度が遅延していて、かつ、前記電動旋回モータ供給可能動力と前記第2供給可能動力に余裕がない場合は、前記フロント駆動部の出力を抑制し、
(d)前記目標速度に対して前記フロント速度が遅延していて、かつ、前記第2供給可能動力に余裕がある場合は、前記フロント駆動部の出力を増加し、
(e)前記目標速度に対して前記フロント速度が遅延していて、かつ、前記第2供給可能動力に余裕がない場合は、前記油圧旋回モータの出力を抑制し、
(f)前記(e)により前記油圧旋回モータの出力を抑制しても、なお、前記目標速度に対して前記フロント速度が遅延している場合は、前記電動旋回モータの出力を抑制する
ことを特徴とする建設機械の制御装置。 - 請求項3に記載の建設機械の制御装置において、
前記旋回モータは、前記蓄電装置と電力の授受を行う電動旋回モータであって、
前記電動旋回モータが実際に出力している動力と、前記蓄電装置の蓄電残量に応じて定まる前記電動旋回モータが出力し得る動力とを比較することで、電動旋回モータ供給可能動力を算出する電動旋回モータ供給可能動力演算部を備え、
前記アクチュエータ動力演算部は、前記旋回体駆動部が加速しているときに、
(a’)前記目標軌道から定まる目標速度に対して前記旋回速度が遅延していて、かつ、前記電動旋回モータ供給可能動力に余裕がある場合は、前記電動旋回モータの出力を増加し、
(b’)前記目標速度に対して前記旋回速度が遅延していて、かつ、前記電動旋回モータ供給可能動力に余裕がなく、前記第1供給可能動力に余裕がある場合は、前記電動発電機で発電を行うことで、前記電動旋回モータの出力を増加し、
(c’)前記目標速度に対して前記旋回速度が遅延していて、かつ、前記電動旋回モータ供給可能動力と前記第2供給可能動力とに余裕がない場合は、前記フロント駆動部の出力を抑制し、
(d’)前記目標速度に対して前記フロント速度が遅延していて、かつ、前記第2供給可能動力に余裕がある場合は、前記フロント駆動部の出力を増加し、
(e’)前記目標速度に対して前記フロント速度が遅延していて、かつ、前記第2供給可能動力に余裕がない場合は、前記電動旋回モータの出力を抑制する
ことを特徴とする建設機械の制御装置。
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