WO2014112164A1

WO2014112164A1 - 油圧モータの制御装置

Info

Publication number: WO2014112164A1
Application number: PCT/JP2013/077807
Authority: WO
Inventors: 裕宣田中
Original assignee: 日立建機株式会社
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2014-07-24
Also published as: JP2014137080A

Abstract

　油圧モータが所定の稼働最高圧を超したときにリリーフ機能を発揮させるのではなく、稼働最高圧を超えないように保持するようになし、もって油圧モータの作動を安定させ、かつ無駄なエネルギロスを最小限に抑制する。　油圧モータ２３の各入出ポート２３ａ，２３ｂに圧力センサ２９ａ，２９ｂを設けて、これら各入出力ポート２３ａ，２３ｂのうちの高圧の方の圧力を検出し、この圧力が稼働最高圧を超えていると、ジャイロセンサ３１により旋回速度を検出して、コントローラ３０により旋回モータ２３の必要流量Ｑｍ＝ν・Ｖ・（６０／３６０・１０^３）を演算し、容量可変型の油圧ポンプ２０のポンプレギュレータ２１を駆動して、旋回モータ２３にはこの必要流量の圧油を供給する。

Description

油圧モータの制御装置

　本発明は、建設機械に設けられる旋回用油圧モータの動作を制御する油圧モータの制御装置に関するものである。

　建設機械として、例えば油圧ショベルはクローラ式やホイール式の下部走行体上に上部旋回体を設けたものから構成される。上部旋回体にはオペレータが搭乗するキャブが設置され、土砂掘削手段等からなる作業機構が設けられる。油圧ショベルは、下部走行体による走行、下部走行体に対する上部旋回体の旋回、作業機構の駆動というように、複数の可動部を有するものである。これら可動部の駆動のために油圧ポンプが設けられる。油圧ポンプからの圧油は可動各部に設けた油圧アクチュエータに供給される。ここで、油圧アクチュエータとしては油圧シリンダと油圧モータとが代表的なものである。

　油圧ポンプ及び油圧アクチュエータを含む油圧回路には作動油が循環する。油圧回路中において、作動油は高圧の部位と低圧の部位とがある。油圧回路内で異常に高い圧力が発生すると、この油圧回路を構成する各油圧機器に損傷を来すことになる。そこで、油圧機器を保護するために、最高圧を設定するリリーフ弁を設けるのが一般的である。

　例えば、２つの入出力ポートを有する旋回用の油圧モータは、これら両入出力ポートにリリーフ弁が接続されている。油圧モータのいずれか一方のポートが油圧ポンプに接続された流入側のポートとなり、他方が作動油タンクに接続された流出側のポートとなる。この差圧に基づいて、油圧モータが回転駆動されて、上部旋回体が下部走行体に対して旋回する。特に、旋回開始時には、可動各部の摩擦抵抗等によって、油圧モータの容量と圧油の供給流量との関係から、油圧モータの流入側のポートが高圧になる。ただし、リリーフ弁の設定圧力を超える高圧が作用すると、このリリーフ弁が開いて、圧力を開放するようになり、これによって油圧モータの保護が図られる。油圧モータの圧力が低下すると、リリーフ弁が閉じることになる。

　以上がカットオフ制御と呼ばれるものであり、このカットオフ制御については、特許文献１に開示されている。

特許第３７１５０６０号公報

　前述したカットオフ制御は回路構成部材の保護にとって有効であるが、なお解決すべき課題がある。即ち、油圧回路にリリーフ圧が作用したときには、リリーフ弁が開き、圧力が低下すると、リリーフ弁が閉じることになる。その結果、油圧ポンプにリリーフ圧前後の圧力が作用している状態では、このリリーフ弁が繰り返して開閉することになり、ハンチングを起こすことになり、動作が不安定になる。また、リリーフ弁が開いたときには、油圧ポンプから供給される圧力が無為に低圧側に流出することになり、その分だけエネルギロスが大きくなるという問題点がある。

　本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、油圧モータが所定の稼働最高圧を超したときにリリーフ機能を発揮させるのではなく、稼働最高圧を超えないように保持するようになし、もって油圧モータの作動を安定させ、かつ無駄なエネルギロスを最小限に抑制することにある。

　前述した目的を達成するために、本発明は、可変容量型油圧ポンプから供給される圧油により駆動される油圧モータを有する油圧装置において、この油圧モータの稼働最高圧を超えないように制御される油圧モータの制御装置であって、前記油圧モータの各入出力ポートに設けられ、これら各入出力ポートの圧力を検出する一対の圧力センサと、前記油圧モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記油圧モータへの圧油の供給流量を変化させる流量調整手段と、前記油圧モータの容積と前記回転速度検出手段で検出した前記油圧モータの回転速度とに基づいて、前記流量調整手段による前記油圧モータへの圧油の供給流量が前記圧力センサにより検出される前記入出力ポートにおける高圧側の圧力が予め設定した稼働最高圧を超えない必要流量となるように制御するコントローラとを有することを特徴とするものである。

　油圧ポンプ及び油圧モータを有する油圧回路は様々に用いられるが、その一例として建設機械としての油圧ショベルにおいて、下部走行体に対して上部旋回体を旋回駆動する旋回用の油圧モータを含む油圧回路がある。特に、鉱山用として用いられるような大型の油圧ショベルにあっては、旋回動作の開始時には、摩擦抵抗が大きく、このために旋回用の油圧モータには極めて高い圧力が作用する可能性がある。従来はリリーフ弁により最高圧を設定して、この最高圧を超えたときには、リリーフ弁を開いて圧力を開放するようにしていたが、本発明では、このリリーフ弁を設けるか否かはともかくとして、旋回モータの駆動時における最高圧を超えないようにするための機能をリリーフ弁に発揮させるのではなく、稼働最高圧を設定して、この稼働最高圧になると、油圧モータへの圧油の供給流量を制限することによって、リリーフ弁と同様の機能を発揮させるようにしている。

　ここで、油圧モータの等価容量は一定であり、この油圧モータを回転駆動する際の必要流量は、油圧モータの回転速度に依存する。ある速度で油圧モータを駆動するために、この油圧モータの必要流量（Ｌ／ｍｉｎ）をＱｍとしたときに、
Ｑｍ＝ν・Ｖ・（６０／３６０・１０^３）[νは油圧モータの回転速度、Ｖは油圧モータの等価容量]
を演算することにより求めることができる。

　油圧モータは油圧アクチュエータを構成するものである。この油圧モータの回転速度を検出する手段は油圧モータの出力軸に直接設けることもできるが、油圧モータの固定側と回転側との間の相対速度を測定することによっても、回転速度を測定することができる。特に、前述した上部旋回体を駆動する旋回用油圧モータであれば、この油圧モータにより回転駆動される部材の回転速度、つまり旋回速度を検出することにより油圧モータの回転速度を検出することができる。例えば、固定側（下部走行体）に対する回転側（上部旋回体）との間の相対速度を、ジャイロセンサやロータリエンコーダ等で検出することができる。また、固定側及び回転側の双方の部材にＧＰＳを設けて、相対位置の変化を基準として回転速度を求めることもできる。さらに、後方監視カメラが設けられている場合には、この後方監視カメラの映像から上部旋回体の回転速度を測定することができる。旋回用の油圧モータにあっては、旋回操作手段である操作レバーの操作により油圧モータの駆動制御が行われる。ここで、操作レバーの傾動角により油圧モータの回転速度が変化するので、この操作レバー等からなる旋回操作手段によっても、油圧モータの回転速度を検出することができる。

　そこで、油圧モータの回転時に、その回転速度に見合う量、つまり必要流量の圧油を油圧モータに供給するように供給流量の調整を行う。圧油の供給は可変容量型油圧ポンプを用いて行うようになっており、このためにポンプレギュレータを含む油圧ポンプの容量可変手段が構成され、ポンプレギュレータを駆動することによって、油圧ポンプから油圧モータへの供給流量を変化させることができる。具体的には、このポンプレギュレータとしては、斜板式乃至車軸式のピストンポンプを用いる場合には、傾転制御手段として構成される。

　コントローラは、従って、油圧モータの回転速度を検出して、この回転速度に基づいて前述した油圧モータの必要流量を演算して、油圧ポンプの容量可変手段の作動を制御するものである。これによって、油圧モータへの供給流量が制御され、圧力が過大になることがなく、油圧モータを含む機器の保護が図られる。

　通常においては、油圧モータは設定圧以下の圧力状態で駆動されるものであり、このために油圧ポンプに対する駆動制御を行う必要はない。そして、油圧モータへの流入圧が稼働最高圧として設定した値を超えると、前述した制御が行われる。このために、油圧モータに２箇所設けられる入出力ポートには、それぞれ圧力センサを設けている。そして、いずれかの圧力センサが所定の圧力を超えたことを検出したときに、コントローラがこの信号を取り込んで、油圧モータの必要流量を演算して、油圧ポンプの油圧モータへの供給流量を制御する。圧力センサは必ずしもポートに直接設ける必要はなく、ポートに至る配管の途中に設けるようにしても良い。

　リリーフ機能に依存することなく、油圧モータの稼働最高圧を超えないように保持することができ、もって油圧モータの作動を安定させ、かつ無駄なエネルギロスを最小限に抑制することができる。

本発明に係る油圧モータの制御装置を備えた装置の第１の実施形態を示す油圧ショベルの側面図である。図１に示す油圧ショベルの平面図である。図１の油圧ショベルに設けた旋回制御装置の油圧回路を示す図である。旋回制御装置の処理内容を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態を示す油圧ショベルの平面図である。本発明の第３の実施形態を示す油圧ショベルの平面図である。

　以下、本発明に係る油圧モータの制御装置が装着されている装置の一例としての油圧ショベルについて説明する。

　図１及び図２において、１は下部走行体、２は上部旋回体であり、下部走行体１と上部旋回体２とは旋回装置３を介して連結されている。下部走行体１は履帯を有するクローラ式の走行手段４，４を左右に有するもので、走行手段４の駆動はそれぞれ走行用油圧モータにより行われる。走行手段４は下部フレーム５に装着されている。上部旋回体２は旋回フレーム６を有するものであり、旋回装置３は下部フレーム５と旋回フレーム６との間に介装されて、上部旋回体２の旋回フレーム６は旋回用油圧モータに駆動されて、下部走行体１の下部フレーム５に対して旋回駆動される。

　上部旋回体２の旋回フレーム６には、オペレータが搭乗して操作を行うキャブ１０が設けられており、また作業手段としてのフロント作業機１１が設けられている。従って、フロント作業機１１を駆動することによって、土砂の掘削等といった作業が行われる。フロント作業機１１はブーム１１ａ，アーム１１ｂ及びバケット１１ｃから構成され、これらの各部はそれぞれ油圧シリンダにより駆動されるものである。

　前述した油圧モータ及び油圧シリンダは油圧アクチュエータであり、この油圧アクチュエータを構成する旋回用の油圧モータの駆動回路を図３に示す。図中において、２０は油圧ポンプを示し、この油圧ポンプ２０は容量可変型の油圧ポンプであって、斜板式または車軸式のプランジャポンプとして構成されており、容量を可変にする手段としては、サーボピストンを有する傾転機構からなるポンプレギュレータ２１が用いられる。このポンプレギュレータ２１は油圧ポンプ２０からの圧油の吐出流量を変化させるものであって、流量調整手段を構成するものである。また、図中において、２２は作動油タンクであり、油圧ポンプ２０は高圧側であるのに対して、この作動油タンク２２は低圧側を構成する。

　図中において、２３は旋回用の油圧モータであり、この油圧モータ２３は油圧ポンプ２０から供給される圧油により回転駆動されるものである。油圧モータ２３は回転停止状態から左右いずれかの方向に回転可能となっている。この油圧モータ２３の駆動を制御するために、油圧ポンプ２０と油圧モータ２３との間には方向切換弁２４が介装されている。図示した構成においては、方向切換弁２４は油圧パイロット式で切り換わるものであり、このために左右両端部に油圧パイロット部２４ｐ，２４ｐが設けられている。両油圧パイロット部２４ｐにパイロット圧を供給しない限りは、方向切換弁２４は中立位置に保持され、油圧ポンプ２０と油圧モータ２３とは接続されない。一方の油圧パイロット部を高圧にし、他方の油圧パイロット部を低圧にすると、その圧力差に基づいて方向切換弁２４が左右いずれかの切換位置に切り換わることになり、その結果油圧モータ２３が回転駆動されることになる。

　方向切換弁２４の切り換え操作はキャブ１０内に設けた操作手段で行われる。この操作は操作レバー２５を操作することにより行われる。このために、操作レバー２５にはパイロットバルブ２６が接続されており、操作レバー２５を中立位置から傾動させると、パイロットバルブ２６からパイロット圧が方向切換弁２４の左右いずれかの油圧パイロット部２４ｐに供給されて切り換わることになる。

　油圧モータ２３には一対の流入出力ポート２３ａ，２３ｂが設けられており、これらの流入出力ポート２３ａ，２３ｂは配管２７ａ，２７ｂを介して方向切換弁２４に接続されている。従って、油圧モータ２３の駆動時には、流入出力ポート２３ａ，２３ｂのうちの一方のポートが油圧ポンプ２０と接続されて高圧になり、他方のポートは作動油タンク２２と接続されて低圧となる。そして、配管２７ａ，２７ｂ間にはリリーフ弁２８ａ，２８ｂが介装されており、高圧側となった配管がこのリリーフ弁２８ａ，２８ｂに設定されている圧力を超えると、低圧側に圧油が流れるようになっている。

　さらに、油圧モータ２３の流入出力ポート２３ａ，２３ｂには、それぞれ圧力センサ２９ａ，２９ｂが装着されている。これによって、油圧モータ２３が駆動されているときに、圧力センサ２９ａ２９ｂにより油圧モータ２３への流入圧が検出される。そして、この油圧モータ２３への流入圧が予め設定した稼働最高圧を超えると、ポンプレギュレータ２１を作動させて、油圧ポンプ２０の吐出流量を減少させることによって、油圧モータ２３への供給流量が調整されることになる。ポンプレギュレータ２１の作動はコントローラ３０からの制御信号に基づいて制御される。

　ここで、油圧モータ２３への流入量を調整するのは、この油圧モータ２３が異常に高圧とならないように保持するためである。この油圧モータ２３は上部旋回体２の旋回駆動用の油圧アクチュエータである。上部旋回体２の荷重によっては、旋回開始時に大きな摩擦抵抗が作用することがある。図１及び図２に示した油圧ショベルは鉱山等で稼働する大型のものであり、上部旋回体２の重量は極めて大きいことから、特に静止状態から旋回を開始する際には摩擦抵抗に抗するために極めて大きな駆動力が必要とする場合がある。従って、油圧ポンプ２０から供給される圧油の流量が多くなると、その分だけ油圧モータ２３に作用する圧力が高くなり、やがては油圧モータ２３やその周辺の機器に大きなダメージを与えることになる。

　ここで、油圧回路には、リリーフ弁２８ａ，２８ｂが設けられているが、このリリーフ弁２８ａ，２８ｂのリリーフ圧は、前述した予め設定した稼働最高圧と異なるものである。稼働最高圧は旋回動作として稼働する際に作用するために設定された最高圧であり、リリーフ圧とは異なる。ここで、稼働最高圧はリリーフ圧と同じであっても良いが、リリーフ弁２８ａ，２８ｂのリリーフ圧より低い圧力に設定することができる。

　ところで、油圧モータ２３に対する圧油の単位時間当たりの必要流量は上部旋回体２の旋回速度に応じて変化する。上部旋回体２が高速で旋回しているときには油圧モータ２３への供給流量が多くなり、上部旋回体２が低速で旋回しているときには油圧モータ２３への供給流量が少なくなる。

　油圧モータ２３に対する圧油の必要流量（Ｌ／ｍｉｎ）をＱｍとしたときに、Ｑｍ＝ν・Ｖ・（６０／３６０・１０^３）となる関係が成立する。ここで、νは油圧モータ２３の回転速度、Ｖは油圧モータ２３の等価容量である。

　ここで、油圧モータ２３の等価容量は一定であることから、油圧モータ２３の回転速度を検出すれば、圧油の必要流量Ｑｍ＝ν・Ｖ・（６０／３６０・１０^３）を演算により求めることができる。そして、油圧ポンプ２０は可変容量式のものであるから、ポンプレギュレータ２１を作動させて、この油圧ポンプ２０の吐出流量を調整することによって、上部旋回体２を所望の速度で旋回させることができる。そして、余剰の圧油が油圧モータ２３に供給されなくなるので、油圧モータ２３が設定した稼働最高圧より高圧となることはない。

　必要流量を演算するために、油圧ショベルには、回転速度検出手段として、上部旋回体２の旋回速度を検出する手段を備えている。この手段としては、ジャイロセンサ３１が用いられる。ジャイロセンサ３１は上部旋回体２の角速度を検出するためのものであり、これによって油圧モータ２３の回転速度を検出することができる。

　コントローラ３０は、ジャイロセンサ３１に基づいて上部旋回体２の旋回速度を検出して、この旋回速度から油圧モータ２３の必要流量を演算することになる。そして、必要流量が供給されるように油圧ポンプ２０の傾転機構を構成するポンプレギュレータ２１を駆動するのもコントローラ３０からの指令に基づくものである。

　図４に基づいて旋回用の油圧モータ２３（旋回モータ）の制御方式を説明する。まず、上部旋回体２の旋回が開始したか否かの判定が行われる（ステップ１０１）。この判定は操作レバー２５が操作されたか否かにより判定される。旋回の開始が検出されると、圧力センサ２９ａ，２９ｂの出力信号をコントローラ３０に取り込んで、いずれか一方の圧力センサ２９ａまたは２９ｂが稼働最高圧を超えたか否かを判定する（ステップ１０２）。圧力センサ２９ａまたは２９ｂが稼働最高圧を超えたことが検出されると、コントローラ３０において、ジャイロセンサ３１からの信号に基づいて上部旋回体２の旋回速度を検出して、旋回モータ２３の必要流量Ｑｍ＝ν・Ｖ・（６０／３６０・１０^３）が算出される（ステップ１０３）。

　旋回モータ２３の必要流量から油圧ポンプ２０の吐出流量をポンプ制御指令値として算出する（ステップ１０４）。このポンプ制御指令値に基づいて油圧ポンプ２０の吐出流量の調整を行う。具体的には、ポンプレギュレータ２１を駆動して、油圧ポンプ２０の傾転制御を行う（ステップ１０５）。その結果、油圧ポンプ２０の吐出流量が制御されて、当該の旋回速度に見合う流量の圧油が油圧モータ２３に供給される（ステップ１０６）。これによって、油圧ポンプ２０への供給圧が稼働最高圧に安定的に保持される。

　以上のように、油圧モータ２３の入口の圧力が予め設定されている稼働最高圧を超えたときには、リリーフするのではなく、油圧ポンプ２０からの供給流量を低下させることから、エネルギが無駄に消費されるという事態が生じることはない。また、弁の開閉によるのではなく、供給流量を低下させるようにしていることから、油圧モータ２３の流入側の圧力状態が稼働最高圧に確実に保持されて、上部旋回体２の旋回動作が安定し、動作速度が変動するのを防止できる。

　ここで、回転速度検出手段としては、本実施形態ではジャイロセンサ３１を用いるものとしたが、ジャイロセンサ３１以外であっても、下部フレーム５（固定側）と旋回フレーム６（可動側）との間に各種の接触式、非接触式の回転速度検出手段を設けることによっても、旋回速度を測定することができる。

　また、回転速度を直接検出するのではなく、例えばＧＰＳを用いて旋回速度を検出するシステムを回転速度検出手段として用いることもできる。通常、油圧ショベルの位置を表示するために、キャブ１０にはＧＰＳが搭載されている。そこで、上部旋回体２の旋回中心位置にＧＰＳ３２ａを、キャブ１０に搭載されているＧＰＳ３２ｂに加えて装備しておき、これら２つのＧＰＳ３２ａ，３２ｂを用いて旋回速度の検出を行うことができる。即ち、上部旋回体２の旋回中心位置に配置したＧＰＳ３２ａを中心としたときに、ＧＰＳ３２ａ，３２ｂ間の距離（半径）は一定であることから、もう一つのＧＰＳ３２ｂのＧＰＳ３２ａの移動速度を測定することによって、旋回速度を測定することができる。

　さらに、上部旋回体２の旋回フレーム６には、図６に示したように、後方監視カメラ３３，３３が設けられている場合がある。従って、後方監視カメラ３３の映像から、特に監視カメラ３３で撮影されている風景における特異点の画面上での移動速度で旋回速度の検出を行うこともできる。

１　下部走行体：　２　上部旋回体：　３　旋回装置：　５　下部フレーム：　６　旋回フレーム：　２０　油圧ポンプ：　２１　ポンプレギュレータ：，　２３　油圧モータ：　２３ａ、２３ｂ　流入出力ポート：　２５　操作レバー：　２７ａ，２７ｂ　配管：　２８ａ，２８ｂ　リリーフ弁：　２９ａ，２９ｂ　圧力センサ：　３０　コントローラ：　３１　ジャイロスコープ：　３２ａ，３２ｂ　ＧＰＳ：　３３　後方監視カメラ

Claims

　可変容量型油圧ポンプ（２０）から供給される圧油により駆動される油圧モータ（２３）を有する油圧装置において、この油圧モータ（２３）の稼働最高圧を超えないように制御される油圧モータの制御装置であって、
　前記油圧モータ（２３）の各入出ポート（２３ａ，２３ｂ）に設けられ、これら各入出力ポート（２３ａ，２３ｂ）の圧力を検出する一対の圧力センサ（２９ａ，２９ｂ）と、
　前記油圧モータ（２３）の回転速度を検出する回転速度検出手段（３１）と、
　前記油圧モータ（２３）への圧油の供給流量を変化させる流量調整手段（２１）と、
　前記油圧モータ（２３）の容積と前記回転速度検出手段（３１）で検出した前記油圧モータ（２３）の回転速度とに基づいて、前記流量調整手段（２１）による前記油圧モータ（２３）への圧油の供給流量が前記圧力センサ（２９ａ，２９ｂ）により検出される前記入出力ポート（２９ａ，２９ｂ）における高圧側の圧力が予め設定した稼働最高圧を超えない必要流量となるように制御するコントローラ（３０）と
を備えた油圧モータの制御装置。
　前記油圧モータ（２３）は、下部走行体（１）に対して旋回可能に設けた上部旋回体（２）を有する建設機械に設けられ、下部走行体（１）と上部旋回体（２）との間に設けた旋回装置（３）の油圧モータ（２３）であることを特徴とする請求項１記載の油圧モータの制御装置。
　前記回転速度検出手段（３１）は、前記上部旋回体（２）の旋回速度を検出するものであることを特徴とする請求項２記載の油圧モータの制御装置。
　前記回転速度検出手段（３１）は、ジャイロセンサ、ＧＰＳ、後方監視カメラのいずれかから構成したことを特徴とする請求項３記載の油圧モータの制御装置。