WO2010087364A1 - ハイブリッド式作業機械及びサーボ制御システム - Google Patents

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Abstract

　ハイブリッド式作業機械は、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動する。ハイブリッド式作業機械は、蓄電器に電気的に接続された直流母線と、直流母線の電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器の電圧検出値に基づいて発電機の駆動を制御する駆動制御部とを含む。駆動制御部は、電圧検出値と電圧指令値との偏差に基づいて発電機を制御する。

Description

ハイブリッド式作業機械及びサーボ制御システム
　本発明は作業機械に係り、特に蓄電器からの電力により電動機を駆動して油圧ポンプを駆動するハイブリッド式作業機械及びサーボ制御システムに関する。
　作業機械は油圧駆動のものが多い。油圧駆動式作業機械の一例として、例えば油圧ショベルがある。油圧ショベルでは、一般的に、ショベルの駆動、上部旋回体の旋回、及び下部走行体の走行を、油圧アクチュエータ（油圧シリンダ、油圧モータ）を用いて行っている。油圧アクチュエータに供給する油圧は、エンジンを駆動源とする油圧ポンプにより発生することが多い。この場合、油圧アクチュエータの出力はエンジンの出力によって決まる。
　油圧ショベルの作業は、エンジンの能力に対して常に１００％の能力を必要とする作業ばかりではなく、例えば、９０％、８０％の能力を出せば済むような作業が多い。そこで、油圧ショベルの動作モードを作業負荷によって変えることにより、異なる作業負荷の各々において最適なエンジン出力制御を行ない、エンジンを効率的に駆動して燃費を向上することが行なわれている。
　例えば、エンジンの最大出力に相当する負荷作業を行う「高負荷モード」と、通常の負荷作業を行う「通常負荷モード」と、軽負荷作業を行う「低負荷モード」というように異なる作業モードを設定可能にする。そして、各作業モードにおいて、油圧アクチュエータを駆動するために油圧ポンプが必要とする駆動トルクがエンジンの出力トルクに等しくなるように等馬力制御を行い、エンジンの出力を有効に活用して燃費の向上を図る。
　一般的に、油圧ショベルには、「高負荷モード」における出力に等しい最大出力を有するエンジンが搭載される。しかし、「高負荷モード」での運転は「通常負荷モード」での運転よりはるかに少ない。このため、油圧ショベルを「通常負荷モード」で運転しているときには、エンジンの出力には余裕がある。言い換えれば、「通常負荷モード」での運転に対して余分な出力を有する大きなエンジンが搭載されていることとなる。
　近年、上述の油圧ショベルを含む油圧駆動式作業機械においてエンジンを小型化して燃料消費量を低減させるという要望がある。単純にエンジンを小型化すれば、「高負荷モード」での運転時に十分な油圧出力を得ることができない。そこで、エンジンと、エンジンにより駆動する発電機と、発電機により充電される蓄電手段と、蓄電手段の電力により駆動する電動機とを備えたいわゆるハイブリッド式建設機械が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１０－１０３１１２号公報
　ハイブリッド式作業機械では、作業用の動力（すなわち油圧ポンプを駆動する動力）をエンジンから得るだけでなく、アシストモータ（電動機）からも得ている。アシストモータは蓄電手段からの電力で駆動される。
　ハイブリッド式作業機械において、駆動部分の一部を油圧駆動ではなく電動駆動としたものもある。例えば油圧ショベルにおいて、上部旋回体を旋回用電動モータにより駆動して旋回させるものがある。この場合、旋回用電動モータも、アシストモータと同様に、直流母線（ＤＣバス）を介して蓄電器（バッテリ）に電気的に接続される。
　上述の蓄電器（バッテリ）は、ＤＣバスの電圧を一定電圧に維持する。すなわち、直流母線（ＤＣバス）の電圧が蓄電器（バッテリ）より高ければ、直流母線（ＤＣバス）から蓄電器（バッテリ）に電流が流れて蓄電器（バッテリ）は充電される。一方、直流母線（ＤＣバス）の電圧が蓄電器（バッテリ）より低ければ、蓄電器（バッテリ）から直流母線（ＤＣバス）に電流が流れて蓄電器（バッテリ）は放電する。
　ここで、蓄電器（バッテリ）に故障が発生した場合には、ＤＣバスの電圧を制御することができなくなる。この場合、蓄電器（バッテリ）の充電が行えなくなるばかりでなく、ＤＣバスから電流の供給を受けて駆動する電動部分（上述の旋回用電動モータなど）が駆動できなくなってしまう。
　ただし、電動部分以外の油圧駆動部分はエンジンの出力により駆動することができるので、アシストモータのアシスト無しで一応駆動することができる。したがって、直流母線（ＤＣバス）の電圧制御を行なわなくても、アシストモータの発電により電動部分に電力を供給して電動部分を駆動することができることが望ましい。
　上述の目的を達成するために、本発明の一実施態様によれば、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、該蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するハイブリッド式作業機械であって、該蓄電器に電気的に接続された直流母線と、該直流母線の電圧を検出する電圧検出器と、該電圧検出器の電圧検出値に基づいて該発電機の駆動を制御する駆動制御部とを有し、該駆動制御部は、該電圧検出値と電圧指令値との偏差に基づいて該発電機を制御するハイブリッド式作業機械が提供される。
　また、本発明の他の実施態様によれば、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、該蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するサーボ制御システムであって、該蓄電器に電気的に接続された直流母線と、該直流母線の電圧を検出する電圧検出器と、該電圧検出器の電圧検出値に基づいて該発電機の駆動を制御する駆動制御部とを有し、該駆動制御部は、該電圧検出値と電圧指令値との偏差に基づいて該発電機を制御するサーボ制御システムが提供される。
　本発明によれば、蓄電器により直流母線の電圧を一定に保つようにしなくても、電動発電機で直流母線の電圧制御を行なうことにより直流母線を介して電気負荷に電力を供給して電気負荷を駆動することができる。
ハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。 図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの駆動系の構成を表すブロック図である。 蓄電系の構成を示すブロック図である。 図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの動力系をモデル化して示す図である。 図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの制御系を示すブロック図である。 電圧制御モードを切替える制御の一例の機能ブロック図である。 電圧制御モードを切替える制御の他の例の機能ブロック図である。 電動発電機の制御モードを切替える処理のフローチャートである。 本発明が適用可能なシリーズ方式のハイブリッド式油圧ショベルの構成を示すブロック図である。
　本発明が適用されるハイブリッド式作業機械としては、バッテリからの電力により駆動する電動発電機でエンジンをアシストしながら油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプで発生した油圧で作業を行なう油圧式作業機械であればどのような作業機械であってもよい。そのようなハイブリッド式作業機械として、例えば、パワーショベル、リフティングマグネット、クレーン、ホイルローダなどが挙げられる。
　まず、本発明が適用されるハイブリッド式作業機械の一例としてハイブリッド式油圧ショベルについて説明する。
　図１はハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。ハイブリッド式油圧ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３からブーム４が延在し、ブーム４の先端にアーム５が接続される。さらに、アーム５の先端にバケット６が接続される。ブーム４、アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体３には、キャビン１０及び動力源（図示せず）が搭載される。
　図２は、図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの駆動系の構成を表すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は一点鎖線でそれぞれ示されている。
　機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、ともに増力機としての変速機１３の入力軸に接続されている。変速機１３の出力軸には、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。ここで、変速機を用いず、エンジン１１と電動発電機１２とを直接接続するようにしてもよい。
　コントロールバルブ１７は、油圧系の制御を行う制御装置である。コントロールバルブ１７には、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続される。
　電動発電機１２には、インバータ１８を介して蓄電器を含む蓄電系１２０が接続されている。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１はハイブリッド式油圧ショベルにおける電気負荷である。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及びレバー操作検出部としての圧力センサ２９がそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。
　以上の構成を有するハイブリッド式油圧ショベルは、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド式建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。
　エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は変速機１３の一方の入力軸に接続される。エンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。
　電動発電機１２は、力行運転及び発電運転の双方が可能な電動機であればよい。すなわち、電動発電機１２は発電機兼電動機である。ここでは、電動発電機１２として、インバータ１８によって駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は変速機１３の他方の入力軸に接続される。なお、本実施形態では力行運転及び発電運転の双方が可能な電動発電機１２を用いているが、力行運転を行なう電動機と発電運転を行なう発電機とを変速機を介してエンジン１１に接続することとしてもよい。
　変速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸がそれぞれ接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。電動発電機１２の力行運転と発電運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。
　メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生する油圧ポンプである。メインポンプ１４で発生した油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧負荷である油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々を駆動するために供給される。パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。
　コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。
　インバータ１８は、上述の如く電動発電機１２と蓄電系１２０との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。これにより、インバータ１８が電動発電機１２の力行を運転制御している際には、必要な電力を蓄電系１２０から電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２の発電運転を制御している際には、電動発電機１２により発電された電力を蓄電系１２０に供給する。
　蓄電器を含む蓄電系１２０は、インバータ１８とインバータ２０との間に配設されている。これにより、電動発電機１２と旋回用電動機２１の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらか一方が発電運転又は回生運転を行っている際には、発電運転又は回生運転によって発生した電力を電気エネルギとして蓄積するための電源である。
　図３は蓄電系１２０のブロック図である。蓄電系１２０は、変動電圧蓄電部としてバッテリ１９を有している。本実施形態ではバッテリ１９としてキャパシタ(電気二重層コンデンサ)を用いることとするが、キャパシタに限定されず、繰り返し充放電可能な電池であればどのような電池であってもよい。バッテリ１９は、昇降圧用コンバータ５８を介して一定電圧蓄電部であるＤＣバス１１０に接続されている。インバータ１８，２０はＤＣバス１１０に接続される。
　インバータ２０は、上述の如く旋回用電動機２１とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、旋回用電動機２１が力行運転している際には、必要な電力が蓄電系１２０から旋回用電動機２１に供給される。また、旋回用電動機２１が回生運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力が蓄電系１２０に供給されてバッテリ１９が充電される。ここで、図２では電動機を旋回用電動機２１として使用しているが、旋回用以外にも使用することが可能であり、さらに、蓄電系１２０に複数の電動機を接続して制御することも可能である。
　旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が変速機２４にて増幅され、上部旋回体３は加減速制御されながら回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、変速機２４にて回転数が増大されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機２１として、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。
　操作装置２６は、ハイブリッド式油圧ショベルの運転者が、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための入力装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。
　操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。
　レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。
　なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び１Ｂを操作するために２本ずつ（すなわち合計４本）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９をそれぞれ操作するために２本ずつ（すなわち合計６本）設けられるため、実際には全部で８本あるが、説明の便宜上、１本にまとめて表す。
　レバー操作検出部としての圧力センサ２９では、レバー２６Ａの旋回操作による、油圧ライン２８内の油圧の変化が圧力センサ２９で検出される。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力される。これにより、レバー２６Ａの旋回操作量を的確に把握することができる。また、本実施の形態では、レバー操作検出部として圧力センサを用いたが、レバー２６Ａの旋回操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。
　コントローラ３０は、ハイブリッド式油圧ショベルの駆動制御を行う制御装置であり、エンジン制御部３２，及び駆動制御装置４０を含む。エンジン制御部３２はエンジン運転時の目標回転数の設定や、回転数を維持するための燃料噴射量の制御を行なう。
　駆動制御装置４０は圧力センサ２９，インバータ１８，２０及びレゾルバ２８等からの信号に基づいて旋回用電動機２１、電動発電機１２及びメインポンプ１４の出力制御を行なう。
　次に、上述のハイブリッド式油圧ショベルの駆動制御について説明する。
　図４は上述のハイブリッド式油圧ショベルの動力系をモデル化して示す図である。図４のモデル図において、油圧負荷５４は油圧により駆動される構成部品に相当し、上述のブームシリンダ７、アームシリンダ８、パケットシリンダ９、油圧モータ１Ａ，１Ｂを含む。油圧負荷５４には、油圧ポンプであるメインポンプ１４で発生した油圧が供給される。エンジン１１は油圧ポンプであるメインポンプ１４に動力を供給して駆動する。すなわち、エンジン１１が発生した動力はメインポンプ１４により油圧に変換されて油圧負荷５４に供給される。
　電気負荷５６は電動モータや電動アクチュエータ等のように電力で駆動される構成部品に相当し、上述の旋回用電動機２１を含む。電気負荷５６にはバッテリ１９からコンバータ５８を介して電力が供給され駆動される。電気負荷５６が駆動されている場合を力行運転と称する。電気負荷５６は、例えば電動機兼発電機のように回生電力を発生することができるもので、発生した回生電力は蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、コンバータ５８を介してバッテリ１９に蓄積される。
　蓄電系１２０のバッテリ１９は、上述のように電気負荷５６からの回生電力により充電される。また、電動発電機１２がエンジン１１からの動力を受けて発電機として機能した場合、電動発電機１２が発生した電力を蓄電系１２０のバッテリ１９に供給して充電することもできる。本実施形態ではバッテリ１９としてキャパシタ(電気二重層コンデンサ)を用いることとする。
　以上のような構成のハイブリッド式油圧ショベルにおいて、蓄電系１２０のコンバータ５８とバッテリ１９との間が断線した場合、あるいはコンバータ５８に故障が発生した場合には、ＤＣバス１１０の電圧を制御することができなくなる。この場合、バッテリ１９の充電が行えなくなるばかりでなく、ＤＣバス１１０から電流の供給を受けて駆動する旋回用電動機２１が駆動できなくなってしまう。
　ただし、油圧発生用のメインポンプ１４はエンジン１１の出力により駆動することができるので、電動発電機１２のアシスト無しで一応駆動することができる。また、コンバータ５８によるＤＣバス１１０の電圧制御を行なわなくても、電動発電機１２の発電によりＤＣバス１１０に電流を供給してＤＣバス１１０の電圧を制御することにより旋回用電動機２１を駆動することができる。したがって、蓄電系１２０のコンバータ５８とバッテリ１９との間が断線した場合、あるいはコンバータ５８に故障が発生した場合で、コンバータ５８によりＤＣバス１１０の電圧を制御することができなくなった場合には、電動発電機１２でＤＣバスの電圧を制御してバッテリ１９からの電流ではなく、電動発電機１２からの電流で旋回用電動機２１を駆動するように制御する。
　図５は上述のハイブリッド式油圧ショベルの制御系を示すブロック図である。図５において、図２及び図３に示す構成部品と同じ部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
　本実施形態では、ハイブリッド式油圧ショベルには、エンジン１１の回転速度を検出する速度センサ６０と、電動発電機１２の電流を検出する電流センサ６２と、ＤＣバス１１０の電圧を検出する電圧センサ６４と、キャパシタ１９とコンバータ５８の間に流れる電流を検出する電流センサ６６と、キャパシタ１９の端子間電圧を検出する電圧センサ６８とが設けられる。
　速度センサ６０の速度検出値は制御部であるコントローラ３０の速度制御部３０ａに供給される。速度制御部３０ａは供給された速度検出値に基づいてエンジン１１の回転速度を制御する。
　電圧センサ６４の電圧検出値はコントローラ３０の第１の電圧制御部３０ｂと第２の電圧制御部３０ｃに供給される。電流センサ６２の電流検出値はコントローラ３０の第２の電圧制御部３０ｃに供給される。第１の電圧制御部３０ｂは、電圧センサ６４から供給された電圧検出値に基づいて、コンバータ５８を介してＤＣバス１１０の電圧制御を行なう。第２の電圧制御部３０ｃは、電流センサ６２から供給された電流検出値と電圧センサ６４から供給された電圧検出値とに基づいて、インバータ１８を介してＤＣバス１１０の電圧制御を行なうとともに、電動発電機１２のトルク制御を行なう。第２の電圧制御部３０ｃが行なう電圧制御は電圧センサ６４からの電圧検出値に基づくものであり、第１の電圧制御部３０ｂによる電圧制御ができない場合に代りに行なわれる電圧制御である。
　電流センサ６６の電流検出値及び電圧センサ６８の電圧検出値は、コントローラ３０の故障検出部３０ｄに供給される。故障検出部３０ｄには、コンバータ５８からの故障信号も供給される。故障検出部３０ｄは、電流センサ６６の電流検出値及び電圧センサ６８の電圧検出値が異常な値である場合、又はコンバータ５８から故障信号が供給された時に、異常信号を生成する。そして、故障検出部３０ｄは、その異常信号を切替信号として第２の電圧制御部３０ｃに供給する。
　切替信号を受けた第２の電圧制御部３０ｃは、電圧センサ６４の電圧検出値に基づく電圧制御により電動発電機１２の駆動を制御してＤＣバス１１０の電圧制御を行なう。すなわち、電流センサ６６の電流検出値及び電圧センサ６８の電圧検出値が異常な値である場合、又はコンバータ５８から故障信号が供給された時には、第１の電圧制御部３０ｂではなく、第２の電圧制御部３０ｃが電圧センサ６４の電圧検出値に基づいてＤＣバス１１０の電圧制御を行なう。
　電流センサ６６の電流検出値及び電圧センサ６８の電圧検出値が異常な値である場合は、キャパシタ１９とコンバータ５８との間の断線が原因であることが考えられる。すなわち、キャパシタ１９とコンバータ５８との間が断線すると、例えば、電流センサ６６の電流検出値が突然ゼロとなったり、電圧センサ６８の電圧検出値が突然ゼロになったりするため、このような場合には断線と判断することができ、故障検出部３０ｄは異常信号を生成する。あるいは、コンバータ５８に対して、キャパシタ１９から放電するように指令を出したのに、電流センサ６６による電流検出値がゼロのままであるような場合にも、キャパシタ１９とコンバータ５８との間が断線したと判断することができ、故障検出部３０ｄは異常信号を生成する。さらに、コンバータ５８が故障した場合にも、ＤＣバス１１０とキャパシタ１９との間は電気的導通が無くなる場合が多く、このような場合にも故障検出部３０ｄは異常信号を生成する。
　以上のように、故障検出部３０ｄが異常信号を生成し、切替信号として第２の電圧制御部３０ｃに出力すると、電圧制御に切替えられる。
　図６は電圧制御モードを切替える制御の一例の機能ブロック図である。通常、電流センサ６２からの電流検出値がトルク変換部７６でトルク値に変換される。そして、電動発電機１２の出力を制御するためのトルク指令値とトルク変換部７６からのトルク値との偏差が、補償器７４に供給される。補償器７４は、供給された偏差に基づいて電流指令を求め、スイッチング指令生成部７２に供給する。スイッチング指令生成部７２は、電流指令に基づいて、電動発電機１２の駆動を制御するインバータ１８を制御するためのスイッチング指令を生成し、インバータ１８に供給する。インバータ１８はスイッチング指令に基づいて電動発電機１２の駆動を制御する。
　以上が、通常の電動発電機１２の制御であり、切替信号が供給されていないときに行なわれる制御である。
　一方、異常信号が生成されて切替信号が供給されると、補償器７４が補償器７０に切替えられ、電圧制御が行なわれる。電圧制御では、まず、ＤＣバス１１０の電圧を検出する電圧センサ６４からの電圧検出値と、ＤＣバス１１０を目標の電圧とするための電圧指令値との偏差が、補償器７０に供給される。補償器７０は、供給された偏差に基づいてＰＩ制御を行なって電流指令を求める。そして、補償器７０からの電流指令がスイッチング指令生成部７２に供給される。スイッチング指令生成部７２は、電流指令に基づいて、電動発電機１２の駆動を制御するインバータ１８を制御するためのスイッチング指令を生成し、インバータ１８に供給する。インバータ１８はスイッチング指令に基づいて電動発電機１２の駆動を制御する。
　以上が、異常信号が生成されたときに行なわれる電動発電機１２の制御である。
　図７は電圧制御モードを切替える制御の他の例の機能ブロック図である。図７に示す例では、補償器を切替える代りに、補償器７８で求めるゲインを切替信号に基づいて切替える。補償器７８は、供給された偏差に基づいてＰＩ制御を行なって使用するゲインを切り替える。
　まず、補償器７８に対して供給する値を、電圧検出値と電圧指令値との偏差とするか、トルク値とトルク指令値との偏差とするかを切替信号に基づいて切替える。切替信号が供給された場合には、電圧検出値と電圧指令値との偏差が補償器７８に供給されるように切替えが行なわれる。
　そして、切替信号は補償器７８にも供給される。ゲイン変更部８０は、切替信号が供給されないときは、補償器７８で使用するゲインＫをＫ１とする。切替信号が供給されていないときは、トルク値とトルク指令値との偏差が補償器７８に供給されるように切替えられているので、補償器７８ではトルク値がトルク指令値に近づくような電流指令値が演算される。
　一方、切替信号が供給されたときは、補償器７８は使用するゲインＫをＫ２とする。切替信号が供給されているときは、電圧検出値と電圧値との偏差が補償器７８に供給されるように切替えられているので、補償器７８では電圧検出値が電圧指令値に近づくような電圧指令が演算される。
　スイッチング指令生成部７２は、電流指令に基づいて、電動発電機１２の駆動を制御するインバータ１８を制御するためのスイッチング指令を生成し、インバータ１８に供給する。インバータ１８はスイッチング指令に基づいて電動発電機１２の駆動を制御する。
　したがって、切替信号が供給されていないときは、トルク制御用のゲインＫ１に基づいて生成されたスイッチング指令により電動発電機１２が駆動される。これが、通常のトルク制御であり、切替信号が供給されていないときに行なわれる制御である。一方、切替信号が供給されたときは、電圧制御用のゲインＫ２に基づいて生成されたスイッチング指令により電動発電機１２が駆動される。これが、異常信号が生成されたときに行なわれる電圧制御であり、切替信号が供給されたときに行なわれる制御である。
　次に、蓄電系１２０において断線や故障が発生した際に電動発電機の制御モードを切替えるモード切替処理について説明する。図８は電動発電機の制御モードを切替える処理のフローチャートである。
　まず、ステップＳ１において、蓄電系１２０において断線や故障が発生したかを検出する。この検出はコントローラ３０の異常検出部３０ｄが行なう。蓄電系１２０における断線や故障が検出されなかったら、処理はステップＳ２に進む。ステップＳ２では、ステップＳ１で故障が検出されなかったので、異常検出部３０ｄは異常信号を生成せず、電動発電機の制御モードを切替えるための切替信号をＯＦＦとし、モード切替処理を終了する。すなわち、電動発電機の制御モードは、通常のトルク制御とする。
　一方、ステップＳ１において蓄電系１２０における断線や故障が検出された場合、処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３では、ステップＳ１で故障が検出されたので、異常検出部３０ｄは異常信号を生成する。そして、電動発電機の制御モードを切替えるための切替信号をＯＮとする。切替信号がＯＮとなると、ステップＳ４において、第２の電圧制御部３０ｃは、図６又は図７に示す電圧制御モードを切替える制御を行い、電動発電機１２の制御モードをトルク制御から電圧制御に切替える。このとき、コンバータ５８からＤＣバス１１０に電流を供給することはできないので、第１の電圧制御部３０ｂはＤＣバス１１０の電圧を制御することができない状態となっている。そこで、第２の電圧制御部３０ｃを電圧制御に切替えることで、電動発電機１２の駆動を制御してＤＣバス１１０の電圧を制御する。これにより、電動発電機１２が発電してＤＣバス１１０に供給する電流で旋回電動機２１を駆動することができる。コンバータ５８が電圧制御を行なうことができないので、電動発電機１２の駆動を制御して結果的にＤＣバス１１０の電圧制御を行なうこととなる。
　ステップＳ４で制御モードを切替えたら、ステップＳ５において、油圧負荷の出力を抑制する処理を行なう。蓄電系１２０のキャパシタ１９（バッテリ）から電流が供給されないので、電動発電機１２をキャパシタ１９からの電流で駆動することはできず、メインポンプ１４（油圧ポンプ）はエンジン１１のみで駆動することとなっている。そこで、油圧負荷に対する出力（すなわちマインポンプ１４の出力）を抑制することで、エンジン１１に過負荷がかからないようにする。
　以上のように電動発電機１２の制御モードを電圧制御に切替えた状態では、メインポンプ１４をエンジン１１のみで駆動して油圧負荷をある程度駆動することができ、且つ電動発電機１２の発電により旋回用電動機２１をある程度駆動することができる。すなわち、蓄電系１２０に断線や故障が生じてキャパシタ１９からの電流の供給が受けられなくても、油圧負荷及び電気負荷をある程度駆動することができる。このため、故障が生じたら直ちに作業ができなくなるわけではなく、ある程度の出力で作業を続けることができる。
　なお、本実施形態では電動発電機１２の電圧制御が異常信号が生成されたときに行なわれる形態を示したが、異常信号が生成されない通常の制御のときにでも電動発電機１２の電圧制御により、ＤＣバス電圧を一定に保つように制御してもよい。この場合、インバータ１８によってＤＣバス電圧を一定にし、コンバータ５８はバッテリ１９の蓄電電圧要求（蓄電電圧の目標値）に応じて、バッテリ１９とＤＣバスとの間で充放電を行なう。
　なお、上述の実施形態ではパラレル方式のハイブリッド式作業機械を例にとって説明したが、本発明はいわゆるシリーズ方式のハイブリッド式作業機械に適用することもできる。
　図９は本発明が適用可能なシリーズ方式のハイブリッド式作業機械であるシリーズ方式のハイブリッド式油圧ショベルの構成を示すブロック図である。図８において、機械的動力系は二重線、油圧ラインは太い実線、電気駆動系は細い実線、電気制御系は点線でそれぞれ示されている。
　機械式駆動部２１１のエンジン２１２は、発電部２１３の発電機２１４を駆動する。発電機２１４により生成された電力は、発電部２１３のインバータ２１５を介して蓄電部２１６に供給される。蓄電部２１６に供給された電力は、コンバータ２１７により蓄電器としてのバッテリ（図示せず）に供給される。これにより、バッテリが充電される。
　バッテリから電力供給を受けて駆動される電気負荷系２２０には、旋回用電動機２２１とポンプ駆動用電動機２２２と設けられている。旋回用電動機２２１は、旋回機構を駆動して上部旋回体を旋回させるためのモータである。旋回用電動機２２１には、バッテリからインバータ２２３を介して電力が供給される。
　ポンプ駆動用電動機２２２にも、インバータ２２４を介してバッテリから電力が供給される。ポンプ駆動用電動機２２２は、油圧負荷系２２５の油圧ポンプ２２６を駆動するためのモータである。
　油圧ポンプ２２６で発生した油圧は、コントロールバルブ２２７を介して、バケットシリンダ２０９、アームシリンダ２０８、ブームシリンダ２０７、走行（右）油圧モータ２２８、及び走行（左）油圧モータ２２９のそれぞれに供給される。バケットシリンダ２０９は、バケットを駆動するための油圧シリンダである。アームシリンダ２０８は、アームを駆動するための油圧シリンダである。ブームシリンダ２０７は、ブーム４駆動するための油圧シリンダである。走行（右）油圧モータ２２８は、下部走行体の右側のクローラを駆動するための油圧モータであり、走行（左）油圧モータ２２９は、下部走行体の左側のクローラを駆動するための油圧モータである。
　なお、バッテリとして電気二重層キャパシタのような蓄電器を用いているが、これに限られず他の充放電可能な蓄電器を用いてもよい。蓄電器は、端子間電圧から蓄電率ＳＯＣを容易に求めることができるという利点を有する。なお、バッテリの端子間電圧を検出するための電圧検出器（図示せず）がバッテリの端子に接続されている。
　コントローラ２４０は、インバータ２１５，２２３，２２４及びコンバータ（図示せず）を制御して、発電機２１４からバッテリへの供給電力（バッテリの充電量）及びバッテリから電気負荷系２２０への供給電力（バッテリの放電量）を制御する。また、コントローラ２４０は、電圧検出器２３０からの検出電圧に基づいてバッテリの蓄電率ＳＯＣを求め、求めた蓄電率ＳＯＣに基づいてバッテリの出力（充放電量）を制御する。
　上述の構成のシリーズ方式のハイブリッド式油圧ショベルにおいて、発電機２１４とインバータ２１５の間に電流センサを設け、ＤＣバス２１９の電圧を検出する電圧センサを設ける。そして、上述のパレレル方式のハイブリッド式油圧ショベルと同様に、コントローラ２４０においてＤＣバス２１９の電圧制御を切替えることで、発電機２１４を制御して電流をＤＣバス２１９に供給し、電気負荷を駆動することができる。なお、シリーズ方式のハイブリッド式油圧ショベルにおいては、油圧ポンプ２２６はポンプ駆動用電動機２２２により駆動されるので、油圧負荷の駆動も発電機２１４の発電による電流によることとなる。
　なお、上述の実施形態はハイブリッド式作業機械を例にとって説明したが、本発明は、エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するサーボ制御システムにも適用することができる。すなわち、蓄電器に電気的に接続された直流母線と、直流母線の電圧を検出する電圧検出器と、電圧検出器の電圧検出値に基づいて発電機の駆動を制御する駆動制御部とを有するサーボ制御システムにおいて、駆動制御部は、電圧検出値と電圧指令値との偏差に基づいて発電機を制御する。
　本発明は上述の具体的に開示された実施例に限られず、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形例、改良例がなされるであろう。
　本出願は２００９年１月２９日出願の優先権主張日本特許出願２００９－０１８５９０号に基づくものであり、その全内容はここに援用される。
　本発明は、油圧ポンプを駆動するエンジンを電動モータでアシストするハイブリッド式作業機械に適用可能である。
　１　下部走行体
　１Ａ、１Ｂ　走行機構
　２　旋回機構
　３　上部旋回体
　４　ブーム
　５　アーム
　６　バケット
　７　ブームシリンダ
　８　アームシリンダ
　９　バケットシリンダ
　１０　キャビン
　１１　エンジン
　１２　電動発電機
　１３　変速機
　１４　メインポンプ
　１５　パイロットポンプ
　１６　高圧油圧ライン
　１７　コントロールバルブ
　１８　インバータ
　１９　バッテリ
　２０　インバータ
　２１　旋回用電動機
　２３　メカニカルブレーキ
　２４　旋回変速機
　２５　パイロットライン
　２６　操作装置
　２６Ａ、２６Ｂ　レバー
　２６Ｃ　ペダル
　２７　油圧ライン
　２８　油圧ライン
　２９　圧力センサ
　３０　コントローラ
　３０ａ　速度制御部
　３０ｂ　第１の電圧制御部
　３０ｃ　第２の電圧制御部
　３０ｄ　異常検出部
　３２　エンジン制御部
　４０　駆動制御装置
　５４　油圧負荷
　５６　電気負荷
　５８　コンバータ
　６０　速度センサ
　６２，６６　電流センサ
　６４，６８　電圧センサ
　７０，７４，７８　補償器
　７２　スイッチング指令部
　７６　トルク変換部
　８０　ゲイン変更部
　１１０　ＤＣバス
　１２０　蓄電系
　２１１　機械式駆動部
　２１２　エンジン
　２１３　発電部
　２１４　発電機
　２１５，２２３，２２４　インバータ
　２１６　蓄電部
　２１９　ＤＣバス
　２２０　電気負荷系
　２２１　旋回用電動機
　２２２　ポンプ駆動用電動機
　２２５　油圧負荷系
　２２６　油圧ポンプ
　２２７　コントロールバルブ
　２２８　走行（右）油圧モータ
　２２９　走行（左）油圧モータ
　２４０　コントローラ

Claims (7)

  1. 　エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するハイブリッド式作業機械であって、
    　前記蓄電器に電気的に接続された直流母線と、
    　該直流母線の電圧を検出する電圧検出器と、
    　該電圧検出器の電圧検出値に基づいて前記発電機の駆動を制御する駆動制御部と
    　を有し、
    　前記駆動制御部は、前記電圧検出値と電圧指令値との偏差に基づいて前記発電機を制御するハイブリッド式作業機械。
  2. 　請求項１記載のハイブリッド式作業機械であって、
    　前記蓄電器と前記直流母線との間には、蓄電電圧の要求に応じて前記蓄電器の充放電の制御を行なうコンバータが備えられるハイブリッド式作業機械。
  3. 　請求項１記載のハイブリッド式作業機械であって、
    　前記駆動制御部は、前記蓄電器を含む蓄電系の部品の異常が検出された際に生成される異常信号に基づいて、前記直流母線の電圧制御を開始するハイブリッド式作業機械。
  4. 　請求項３記載のハイブリッド式作業機械であって、
    　前記発電機からの電流及び前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器をさらに有し、
    　前記駆動制御部は、前記異常信号が生成された際に、所望のアシスト発電電力が得られるようにルク指令値を求めるトルク制御から、直流母線の電圧を検出する電圧検出器の電圧検出値に基づいた電圧制御へと切り換えるハイブリッド式作業機械。
  5. 　請求項３記載のハイブリッド式作業機械であって、
    　前記駆動制御部は、前記異常信号が生成されたときに、油圧ポンプの出力を抑制するハイブリッド式作業機械。
  6. 　請求項４記載のハイブリッド式作業機械であって、
    　前記駆動制御部は、電圧制御ゲインと電流制御ゲインを含む複数の制御ゲインを出力するハイブリッド式作業機械。
  7. 　エンジンにより駆動される発電機により蓄電器に充電を行ない、前記蓄電器からの電力で電気負荷を駆動するサーボ制御システムであって、
    　前記蓄電器に電気的に接続された直流母線と、
    　該直流母線の電圧を検出する電圧検出器と、
    　該電圧検出器の電圧検出値に基づいて前記発電機の駆動を制御する駆動制御部と
    　を有し、
    　前記駆動制御部は、前記電圧検出値と電圧指令値との偏差に基づいて前記発電機を制御するサーボ制御システム。
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