JP2014222007A - 建設機械用油圧システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン負荷トルクが急変した場合にも油圧ポンプの吐出量を適切に制御できる建設機械用油圧システムを提供すること。【解決手段】油圧ポンプ１０の吐出圧に応じて油圧ポンプ１０の吐出量を変化させる馬力制御を行う建設機械用油圧システム１００は、吐出圧（Ｐｄ）を検出して吐出圧信号を出力する吐出圧センサＳ３、Ｓ４と、油圧ポンプ１０の吐出量を制御するポンプレギュレータ４０と、ポンプレギュレータ４０を駆動する制御圧を生成する電磁弁５５と、吐出圧信号を受けて電磁弁５５に対する電流指令（Ｉｓ）を出力するコントローラ５４とを備える。コントローラ５４は、吐出圧（Ｐｄ）に対応するポンプ流量指令値（Ｑｈ'）に対して位相進み補償を行う位相進み補償部ＰＣ１を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、建設機械に搭載される油圧システムに関する。

従来、油圧ポンプの吸収馬力がエンジンの出力馬力を超えないよう、油圧ポンプの吐出圧の上昇に応じて吐出量を低減させる馬力制御を採用する油圧駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この油圧駆動装置は、エンジン負荷トルク増大時の過給圧の低下に応じて燃料噴射量が制限される場合であっても、エンジン回転数偏差と過給圧に応じて油圧ポンプの吸収馬力の最大値を低下させて油圧ポンプの吐出量を制限することでエンジン回転数の低下を抑えるようにしている。

特開２００１−１９３７０２号公報

しかしながら、特許文献１の油圧駆動装置は、エンジン回転数偏差と過給圧に応じて油圧ポンプの吐出量を制限するのみであり、エンジン回転数が変化する前に発生するエンジン負荷トルクの変化に応じて油圧ポンプの吐出量を制限することはない。そのため、特許文献１の油圧駆動装置は、エンジン負荷トルクが急増した場合には、エンジン回転数が変化するまで油圧ポンプの吐出量を制限することができず、油圧ポンプの吸収馬力がエンジンの出力馬力を超える状態を引き起こすおそれがある。その結果、特許文献１の油圧駆動装置は、エンジン回転数を大幅に低下させてしまい、エンジン回転数が回復するまでの建設機械の操作性を悪化させ、さらには、建設機械の燃費を低下させてしまうおそれがある。

上述の点に鑑み、本発明は、エンジン負荷トルクが急変した場合にも油圧ポンプの吐出量を適切に制御できる建設機械用油圧システムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係る建設機械用油圧システムは、油圧ポンプの吐出圧に応じて前記油圧ポンプの吐出量を変化させる馬力制御を行う建設機械用油圧システムであって、前記油圧ポンプの吐出圧を検出して吐出圧信号を出力する吐出圧センサと、前記油圧ポンプの吐出量を制御するポンプレギュレータと、前記ポンプレギュレータを駆動する制御圧を生成する電磁弁と、前記吐出圧信号を受けて前記電磁弁に対する電流指令を出力するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記吐出圧信号に応じて生成される、前記電流指令に関する指令値に対して位相進み補償を行う位相進み補償部を有する。

上述の手段により、本発明は、エンジン負荷トルクが急変した場合にも油圧ポンプの吐出量を適切に制御できる建設機械用油圧システムを提供することができる。

本発明の実施例に係る建設機械用油圧システムを搭載するショベルの構成例を示す図である。 本発明の実施例に係る建設機械用油圧システムの回路図である。 油圧アクチュエータ速度制御の流れを示すブロック線図である。 ブリードラインと油圧アクチュエータラインの違いを示す図である。 コントローラの動作の流れを示すブロック線図である。 電流指令出力処理の流れを示すフローチャートである。 位相進み補償部単体の伝達関数の周波数特性のシミュレーション結果を示すボード線図である。 油圧ポンプの伝達関数の周波数特性のシミュレーション結果を示すボード線図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例に係る建設機械用油圧システムが搭載されるショベルの構成例を示す図である。図１において、建設機械としてのショベル１は、クローラ式の下部走行体２の上に、旋回機構を介して、上部旋回体３をＸ軸周りに旋回自在に搭載している。

また、上部旋回体３は、前方中央部に掘削アタッチメントを備える。掘削アタッチメントは、ブーム４、アーム５、及びバケット６を含み、且つ、油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９を含む。

図２は、本発明の実施例に係る建設機械用油圧システムの回路図である。建設機械用油圧システム１００は、エンジン、電動モータ等の駆動源によって駆動される油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒ（以下では、集合的に「油圧ポンプ１０」と称する場合もある。左右一対で構成される他の構成要素についても同様である。）を有する。油圧ポンプ１０Ｌは、一回転当たりの吐出量（ｃｃ／ｒｅｖ）を可変とする可変容量型ポンプである。また、油圧ポンプ１０Ｌは、流量制御弁１１Ｌ、１２Ｌ、１３Ｌ、及び１５Ｌを連通するセンターバイパス管路３０Ｌを経て作動油タンク２２まで作動油を循環させる。同様に、油圧ポンプ１０Ｒは、流量制御弁１２Ｒ、１３Ｒ、１４Ｒ、及び１５Ｒを連通するセンターバイパス管路３０Ｒを経て作動油タンク２２まで作動油を循環させる。

流量制御弁１１Ｌは、油圧ポンプ１０Ｌが吐出する作動油を走行用油圧モータ４２Ｌに供給するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。

流量制御弁１２Ｌは、油圧ポンプ１０Ｌが吐出する作動油を旋回用油圧モータ４４に供給するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。流量制御弁１２Ｒは、油圧ポンプ１０Ｒが吐出する作動油を走行用油圧モータ４２Ｒに供給するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。

流量制御弁１３Ｌ、１３Ｒはそれぞれ、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油をブームシリンダ７へ供給し、また、ブームシリンダ７内の作動油を作動油タンク２２へ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。流量制御弁１３Ｒは、操作装置としてのブーム操作レバーが操作された場合に、油圧ポンプ１０Ｒが吐出する作動油をブームシリンダ７に供給するスプール弁である。また、流量制御弁１３Ｌは、ブーム操作レバーが所定のレバー操作量以上で操作された場合に、油圧ポンプ１０Ｌが吐出する作動油を追加的にブームシリンダ７に供給するスプール弁である。

流量制御弁１４Ｒは、油圧ポンプ１０Ｒが吐出する作動油をバケットシリンダ９へ供給し、また、バケットシリンダ９内の作動油を作動油タンク２２へ排出するためのスプール弁である。

また、流量制御弁１５Ｌ、１５Ｒはそれぞれ、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油をアームシリンダ８へ供給し、また、アームシリンダ８内の作動油を作動油タンク２２へ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。流量制御弁１５Ｌは、操作装置としてのアーム操作レバーが操作された場合に、油圧ポンプ１０Ｌが吐出する作動油をアームシリンダ８に供給するスプール弁である。また、流量制御弁１５Ｒは、アーム操作レバーが所定のレバー操作量以上で操作された場合に、油圧ポンプ１０Ｒが吐出する作動油を追加的にアームシリンダ８に供給するスプール弁である。

センターバイパス管路３０Ｌ、３０Ｒは、それぞれ、最も下流にある流量制御弁１５Ｌ、１５Ｒと作動油タンク２２との間にネガティブコントロール絞り２０Ｌ、２０Ｒを備える（以下では、ネガティブコントロールを「ネガコン」と略称する。）。ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒは、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油の流れを制限することにより、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流でネガコン圧を発生させる。

圧力センサＳ１、Ｓ２は、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生したネガコン圧を検出し、検出した値を電気的なネガコン圧信号としてコントローラ５４に対して出力する。圧力センサＳ３、Ｓ４は、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出圧を検出し、検出した値を電気的な吐出圧信号としてコントローラ５４に対して出力する。

コントローラ５４は、油圧システム１００を制御する機能要素であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＮＶＲＡＭ（Non Volatile ＲＡＭ）等を備えたコンピュータである。

本実施例では、コントローラ５４は、アーム操作レバー、ブーム操作レバー等の各種操作装置を操作した場合に発生するパイロット圧を測定するレバー操作量検出部としてのパイロット圧センサの出力に基づいて各種操作装置のレバー操作量を電気的に検出する。但し、レバー操作量検出部は、各種操作レバーの傾きを検出する傾きセンサ等、パイロット圧センサ以外のセンサを用いて構成されてもよい。

そして、コントローラ５４は、各種操作装置のレバー操作量に応じて電磁弁５５等を動作させる各種機能要素に対応するプログラムをＲＯＭに記憶しながら、各種機能要素に対応する処理をＣＰＵに実行させる。

電磁弁５５Ｌ、５５Ｒは、コントローラ５４が出力する指令に応じて動作する弁である。本実施例では、電磁弁５５Ｌ、５５Ｒは、コントローラ５４が出力する電流指令に応じてコントロールポンプ５２から吐出量制御部６１Ｌ、６１Ｒの受圧室６１２Ｌ、６１２Ｒに導入される制御圧を調整する電磁減圧弁である。

ポンプレギュレータ４０Ｌは、油圧ポンプ１０Ｌの吐出量を制御する駆動機構であり、主に、傾転アクチュエータ４１Ｌ、スプール弁機構６０Ｌ、吐出量制御部６１Ｌ、及び、フィードバックレバー６２Ｌを含む。

傾転アクチュエータ４１Ｌは、油圧ポンプ１０Ｌのポンプ容量を変化させるための斜板（ヨーク）を傾転駆動する機能要素である。具体的には、傾転アクチュエータ４１Ｌは、一端に大径受圧部ＰＲ１を有すると共に他端に小径受圧部ＰＲ２を有する作動ピストン４１０Ｌと、大径受圧部ＰＲ１に対応する受圧室４１１Ｌと、小径受圧部ＰＲ２に対応する受圧室４１２Ｌとを含む。受圧室４１１Ｌにはスプール弁６００Ｌを介して油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧が導入され、或いは、受圧室４１１Ｌからスプール弁６００Ｌを介して作動油が排出される。また、受圧室４１２Ｌには油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧が導入される。作動ピストン４１０Ｌは、受圧室４１１Ｌに作動油が導入されて受圧室４１２Ｌ側に変位すると油圧ポンプ１０Ｌの斜板（ヨーク）を小流量側に傾転駆動する。また、作動ピストン４１０Ｌは、受圧室４１１Ｌから作動油が排出されて受圧室４１１Ｌ側に変位すると油圧ポンプ１０Ｌの斜板（ヨーク）を大流量側に傾転駆動する。

スプール弁機構６０Ｌは、傾転アクチュエータ４１Ｌに作動油の給排を行うための機能要素であり、スプール弁６００Ｌ及びばね６０１Ｌを含む。スプール弁６００Ｌは、油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧が導入される第一ポート、作動油タンク２２に連通する第二ポート、及び受圧室４１１Ｌに連通する出力ポートを有する。また、スプール弁６００Ｌは、第一ポートと出力ポートとを連通する第一位置、第二ポートと出力ポートとを連通する第二位置、又は第一ポート及び第二ポートの何れをも出力ポートに連通しない中立位置に選択的に切り換えられる。ばね６０１Ｌは、スプール弁６００Ｌを第二位置に変位させる方向に作用する力を付与する。

吐出量制御部６１Ｌは、スプール弁６００Ｌを変位させるための機能要素である。具体的には、吐出量制御部６１Ｌは、サーボピストン６１０Ｌ、ばね６１１Ｌ、及び受圧室６１２Ｌを含む。サーボピストン６１０Ｌは、電磁弁５５Ｌが生成する制御圧に応じて、スプール弁６００Ｌを第一位置に変位させる方向に移動する。ばね６１１Ｌは、電磁弁５５Ｌが生成する制御圧に抗して、サーボピストン６１０Ｌを復帰させる方向に作用する力を付与する。受圧室６１２Ｌは、サーボピストン６１０Ｌに設けられた受圧部ＰＲ３に対応し、コントロールポンプ５２から電磁弁５５Ｌを通じて作動油が導入される。

フィードバックレバー６２Ｌは、傾転アクチュエータ４１Ｌの変位をスプール弁６００Ｌにフィードバックするためのリンク機構である。具体的には、フィードバックレバー６２Ｌは、作動ピストン４１０Ｌが移動したときにその移動量を物理的にスプール弁６００Ｌにフィードバックしてスプール弁６００Ｌを中立位置に復帰させるようにする。

なお、上述の説明は、ポンプレギュレータ４０Ｌに関するものであるが、ポンプレギュレータ４０Ｒに対しても同様に適用される。

以上の構成により、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、吐出量制御部６１Ｌ、６１Ｒに導入される制御圧が大きいほど油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を低減させる。また、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、吐出量制御部６１Ｌ、６１Ｒに導入される制御圧が小さいほど油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を増大させる。

なお、図２は、ショベル１における油圧アクチュエータが何れも利用されていない状態を示す。以下、この状態を「待機モード」と称する。待機モードでは、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油は、センターバイパス管路３０Ｌ、３０Ｒを通ってネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒに至り、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生するネガコン圧を増大させる。

その結果、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、ネガコン圧信号に基づいてコントローラ５４が生成する指令に応じて、スプール弁６００Ｌ、６００Ｒを第一位置に変位させる。スプール弁６００Ｌ、６００Ｒは、傾転アクチュエータ４１Ｌ、４１Ｒを駆動して、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を低減させる。その結果、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油がセンターバイパス管路３０Ｌ、３０Ｒを通過する際の圧力損失（ポンピングロス）が抑制される。

一方、ショベル１における何れかの油圧アクチュエータが操作された場合、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油は、その油圧アクチュエータに対応する流量制御弁を介してその油圧アクチュエータに流れ込む。そのため、ネガティブコントロール絞り２０Ｌ、２０Ｒに至る量は減少或いは消滅し、ネガティブコントロール絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生するネガコン圧は低下する。

その結果、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を増大させ、各油圧アクチュエータに十分な作動油を循環させ、各アクチュエータの駆動を確かなものとする。

以下では、上述のようなネガコン圧に基づく油圧ポンプ１０の吐出量の制御を「ネガコン制御」と称する。ネガコン制御により、油圧システム１００は、待機モードにおいては、無駄なエネルギー消費を抑制できる。油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出する作動油がセンターバイパス管路３０Ｌ、３０Ｒで発生させるポンピングロスを抑制できるためである。また、油圧システム１００は、各種油圧アクチュエータを作動させる場合には、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒから必要十分な作動油を各種油圧アクチュエータに供給できる。

また、油圧システム１００は、ネガコン制御と並行して馬力制御を実行する。馬力制御は、油圧ポンプ１０の吸収馬力がエンジンの出力馬力を超えないよう、油圧ポンプ１０の吐出圧の上昇に応じて吐出量を低減させる制御である。また、以下では、コントローラ５４による油圧ポンプ１０の吐出量の制御を「吐出量制御」と称する。

次に、図３を参照しながら、油圧ポンプ１０に関する吐出圧（Ｐｄ）とネガコン圧（Ｐｎ）とに応じて油圧アクチュエータの動作速度（ｖ）が決まるまでの制御（以下、「油圧アクチュエータ速度制御」とする。）の流れについて説明する。なお、図３は、油圧アクチュエータ速度制御の流れを示すブロック線図である。

最初に、コントローラ５４は、吐出圧センサＳ３、Ｓ４で検出された吐出圧（Ｐｄ）を表す電気信号としての吐出圧信号を取得する。また、コントローラ５４は、ネガコン圧センサＳ１、Ｓ２で検出されたネガコン圧（Ｐｎ）を表す電気信号としてのネガコン圧信号を取得する。コントローラ５４は、電磁弁５５に対する電流指令（Ｉｓ）を吐出圧（Ｐｄ）及びネガコン圧（Ｐｎ）に基づいて決定する。電磁弁５５は、電流指令（Ｉｓ）に応じた制御圧（Ｐｓ）を吐出量制御部６１の受圧室６１２で発生させる。

その後、吐出量制御部６１は、スプール弁機構６０及び傾転アクチュエータ４１を介して油圧ポンプ１０の吐出量（Ｑｄ）を制御圧（Ｐｓ）に応じた量に調整する。図３は、制御圧（Ｐｓ）が１次遅れを表す演算要素Ｅ１を介して油圧ポンプ１０の吐出量（Ｑｄ）に変換される様子を表す。

その後、油圧ポンプ１０の吐出量（Ｑｄ）の変化は、センターバイパス管路３０内の作動油の体積変化に起因する圧力を生じさせる。図３は、油圧ポンプ１０の吐出量（Ｑｄ）が圧縮ボリュームを表す演算要素Ｅ２を介して吐出圧（Ｐｄ'）に変換される様子を表す。なお、演算要素Ｅ２において、Ｋ、Ｖ、ｓはそれぞれ、体積弾性率、体積、ラプラス演算子を表す。また、ここで得られた吐出圧（Ｐｄ'）は、一点鎖線で表される馬力制御フィードバックループを通じてコントローラ５４にフィードバックされる。吐出圧センサＳ３、Ｓ４で検出された吐出圧（Ｐｄ）と、コントローラ５４が電磁弁５５に対して出力する電流指令（Ｉｓ）に応じて演算される吐出圧（Ｐｄ'）が等しくなるようにして制御を安定化させるためである。

その後、ポンプ１０が吐出する吐出圧（Ｐｄ'）を有する作動油は、操作対象の油圧アクチュエータに対応する流量制御弁のＰ−Ｔ絞りを通る。図３は、油圧ポンプ１０の吐出圧（Ｐｄ'）からネガコン圧（Ｐｎ'）を差し引いた圧力が流量制御弁のＰ−Ｔ絞りを表す演算要素Ｅ３を介してブリード流量（Ｑｂ）に変換される様子を表す。なお、演算要素Ｅ３において、ｃ、Ａ、ρ、Δｐはそれぞれ、流量係数、開口面積、密度、圧力変化を表す。この場合、油圧ポンプ１０の吐出圧（Ｐｄ'）はＰ−Ｔ絞りの上流側の圧力を表し、ネガコン圧（Ｐｎ'）はＰ−Ｔ絞りの下流側の圧力を表す。また、ブリード流量（Ｑｂ）は、流量制御弁のＰ−Ｔ絞りを通過する作動油の流量を表す。

また、流量制御弁の下流側にあるネガコン圧（Ｐｎ'）を有する作動油は、ネガコン絞り２０を通って作動油タンク２２に排出される。図３は、ネガコン圧（Ｐｎ'）がネガコン絞り２０を表す演算要素Ｅ４を介して排出流量（Ｑｅ）に変換される様子を表す。この場合、排出流量（Ｑｅ）は、ネガコン絞り２０を通過する作動油の流量を表す。

なお、ネガコン絞り２０における流量（Ｑｂ−Ｑｅ）の変化は、作動油の体積変化に起因する圧力を生じさせる。図３は、流量（Ｑｂ−Ｑｅ）が圧縮ボリュームを表す演算要素Ｅ５を介してネガコン圧（Ｐｎ'）に変換される様子を表す。なお、ここで得られたネガコン圧（Ｐｎ'）は、二点鎖線で表されるネガコン制御フィードバックループを通じてコントローラ５４にフィードバックされる。ネガコン圧センサＳ１、Ｓ２で検出されたネガコン圧（Ｐｎ）と、コントローラ５４が電磁弁５５に対して出力する電流指令（Ｉｓ）に応じて演算されるネガコン圧（Ｐｎ'）が等しくなるようにして制御を安定化させるためである。

その後、センターバイパス管路３０を流れる作動油の流量は、一部が油圧アクチュエータに流れることによって変化する。そのため、センターバイパス管路３０を流れる作動油の流量（Ｑｄ−Ｑｂ）の変化は、作動油の体積変化に起因する圧力を生じさせる。図３は、流量（Ｑｄ−Ｑｂ）が圧縮ボリュームを表す演算要素Ｅ２を介して吐出圧（Ｐｄ'）に変換される様子を表す。

また、ポンプ１０が吐出する吐出圧（Ｐｄ'）を有する作動油は、操作対象の油圧アクチュエータに対応する流量制御弁のＰ−Ｃ絞りを通る。図３は、油圧ポンプ１０の吐出圧（Ｐｄ'）から油圧アクチュエータ圧（Ｐａｃｔ）を差し引いた圧力が流量制御弁のＰ−Ｃ絞りを表す演算要素Ｅ６を介して油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）に変換される様子を表す。この場合、油圧ポンプ１０の吐出圧（Ｐｄ'）はＰ−Ｃ絞りの上流側の圧力を表し、油圧アクチュエータ圧（Ｐａｃｔ）はＰ−Ｃ絞りの下流側の圧力を表す。また、油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）は、流量制御弁のＰ−Ｃ絞りを通過する作動油の流量を表す。なお、油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）は、演算要素Ｅ２にフィードバックされる。油圧ポンプ１０の吐出圧（Ｐｄ'）は、油圧ポンプ１０の吐出量（Ｑｄ）からブリード流量（Ｑｂ）と油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）とを差し引いた流量の作動油の圧縮によって生成されるためである。

その後、油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）の変化は、油圧アクチュエータ内の作動油の体積変化に起因する圧力を生じさせ、さらに、油圧アクチュエータを動かす力を発生させる。図３は、油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）が圧縮ボリュームを表す演算要素Ｅ７を介して油圧アクチュエータ圧（Ｐａｃｔ）に変換され、さらに、油圧アクチュエータの受圧面積Ａを表す演算要素Ｅ８を介して力に変換される様子を表す。

その後、油圧アクチュエータで発生させた力と外力（Ｆｅ）と油圧アクチュエータに対する作動油の動摩擦力（Ｆｆ）の合力に応じて油圧アクチュエータの動きが決定される。図３は、その合力が演算要素Ｅ９を介して油圧アクチュエータの動作速度（ｖ）に変換される様子を表す。なお、演算要素Ｅ９において、Ｍ、ｓはそれぞれ、質量、ラプラス演算子を表す。

また、演算要素Ｅ７が出力する油圧アクチュエータ圧（Ｐａｃｔ）は、演算要素Ｅ６にフィードバックされる。油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）は、油圧ポンプ１０の吐出圧（Ｐｄ'）と油圧アクチュエータ圧（Ｐａｃｔ）との間の差圧によって生成されるためである。

同様に、演算要素Ｅ９が出力する油圧アクチュエータの動作速度（ｖ）は、油圧アクチュエータの受圧面積Ａを表す演算要素Ｅ１０を介して油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ'）に変換された上で、演算要素Ｅ７にフィードバックされる。

また、演算要素Ｅ９が出力する油圧アクチュエータの動作速度（ｖ）は、作動油の動摩擦係数Ｂを表す演算要素Ｅ１１を介して動摩擦力（Ｆｆ）に変換された上で、演算要素Ｅ９にフィードバックされる。

以上、油圧アクチュエータ速度制御の流れを説明したが、ここで再び、ブリード流量（Ｑｂ）及び油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）の詳細について説明する。

図４は、図２と同じ回路図であり、図中の太丸ＲＡは、油圧ポンプ１０Ｌに関するブリードラインと油圧アクチュエータラインとの分流ポイントを表す。また、図中の太い実線は、油圧ポンプ１０Ｌに関するブリードラインを表し、図中の太い点線は、油圧ポンプ１０Ｌに関する油圧アクチュエータラインを表す。

上述の通り、ブリード流量（Ｑｂ）は、流量制御弁のＰ−Ｔ絞りを通過する作動油の流量を表し、本実施例では、ブリードラインを流れる作動油の流量を表す。

また、油圧アクチュエータ流量（Ｑａｃｔ）は、流量制御弁のＰ−Ｃ絞りを通過する作動油の流量を表し、本実施例では、油圧アクチュエータラインを流れる作動油の流量を表す。

この場合、図３の演算要素Ｅ３における開口面積Ａは、直列に接続された流量制御弁１１Ｌ、１２Ｌ、１３Ｌ、１５ＬのそれぞれにおけるＰ−Ｔ絞りの等価開口面積Ａ_ｅに相当する。等価開口面積Ａ_ｅは、以下の式（１）で表される。なお、Ａ_ｉは、各流量制御弁のＰ−Ｔ絞りの開口面積を表し、ｎは、流量制御弁の数（本実施例では４つ）を表す。

流量係数を考慮した場合、図３の演算要素Ｅ３におけるｃＡは、ｃＡ_ｅに相当し、以下の式（２）で表される。なお、Ｃ_ｉは、各流量制御弁の流量係数を表す。

なお、式（１）及び式（２）で表す関係は、図３の演算要素Ｅ３、すなわち、ブリードラインを構成する各流量制御弁のＰ−Ｔ絞りに関するものである。しかしながら、式（１）及び式（２）で表す関係は、図３の演算要素Ｅ６、すなわち、油圧アクチュエータラインを構成する各流量制御弁のＰ−Ｃ絞りに関しても同様に適用される。また、上述の関係は、油圧ポンプ１０Ｌに関するものであるが、油圧ポンプ１０Ｒに関しても同様に適用される。

次に、図５を参照して、コントローラ５４の動作について説明する。なお、図５は、コントローラ５４の動作の流れを示すブロック線図である。

図５に示すように、コントローラ５４は、主に、参照テーブルＴＢ１、ＴＢ２、ＴＢ３、位相進み補償部ＰＣ１、及び、低位選択部ＬＳ１、ＬＳ２を含む。また、参照テーブルＴＢ１、ＴＢ２、ＴＢ３は、ＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ等に予め登録されている。

参照テーブルＴＢ１は、馬力制御で用いられる吐出圧（Ｐｄ）とポンプ流量（Ｑｈ'）との対応関係を表す参照テーブル（ＰＱ線図）である。なお、ポンプ流量（Ｑｈ'）は、油圧ポンプ１０の１回転当たりの吐出量（押し退け容積）であり、油圧ポンプ１０が出力する制御量としてのポンプ流量（Ｑｐ）に関する操作量（指令値）である。また、油圧ポンプ１０の吐出量（Ｑｄ）は、ポンプ流量（Ｑｐ）にポンプ回転数を乗じた値である。また、馬力制御は、ポンプ流量（Ｑｈ＝Ｑｈ'）と吐出圧（Ｐｄ）との積である吸収馬力が所望の値（目標吸収馬力）となるよう、吐出圧（Ｐｄ）の変化に応じてポンプ流量（Ｑｈ＝Ｑｈ'）を変化させる。また、本実施例では、吐出圧（Ｐｄ）は、油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧、油圧ポンプ１０Ｒの吐出圧、及びシフト圧力の合計である。また、シフト圧力は、油圧ポンプ１０の目標吸収馬力を変更する際に用いられる調整可能な圧力であり、シフト圧力を増大させることは、油圧ポンプ１０の目標吸収馬力を低下させることを意味する。なお、油圧ポンプ１０の目標吸収馬力は、エンジンの仕様によって決まる許容最大吸収馬力以下の値に設定される。

参照テーブルＴＢ２は、ネガコン制御で用いられるネガコン圧（Ｐｎ）とポンプ流量（Ｑｐ'）との対応関係を表す参照テーブルである。なお、ポンプ流量（Ｑｐ'）は、ポンプ流量（Ｑｈ'）と同様、油圧ポンプ１０の１回転当たりの吐出量（押し退け容積）であり、油圧ポンプ１０が出力する制御量としてのポンプ流量（Ｑｐ）に関する操作量（指令値）である。

位相進み補償部ＰＣ１は、入力信号に対して位相進み補償を行う機能要素である。本実施例では、位相進み補償部ＰＣ１は、ポンプ流量（Ｑｈ'）に対して位相進み補償を行い、馬力制御の動的なゲインを増大させることによって、油圧ポンプ１０の吐出量制御の速応性を向上させる。なお、位相進み補償部ＰＣ１において、α、Ｔ、ｓはそれぞれ、位相進み補償係数、時定数、ラプラス演算子を表す。

具体的には、位相進み補償部ＰＣ１は、油圧ポンプ１０の吐出圧（Ｐｄ）の変化が大きい場合に、その吐出圧（Ｐｄ）の変化に応じたポンプ流量（Ｑｐ）の変化の遅れを抑制する。本実施例では、位相進み補償部ＰＣ１は、吐出圧（Ｐｄ）が急増する場合における吐出圧（Ｐｄ）の増大に応じたポンプ流量（Ｑｐ）の低減の遅れを抑制する。

低位選択部ＬＳ１は、２つの入力のうちの値が小さい方を選択して出力する演算要素である。本実施例では、低位選択部ＬＳ１は、位相進み補償部ＰＣ１が出力するポンプ流量（Ｑｈ"）とコントローラ５４が参照テーブルＴＢ１を用いて導き出すポンプ流量（Ｑｈ'）とのうちの値が小さい方を選択し、選択した値をポンプ流量（Ｑ１）として出力する。なお、ポンプ流量（Ｑｈ"）は、ポンプ流量（Ｑｈ'）の位相進み補償後の値である。また、ポンプ流量（Ｑ１）は、ポンプ流量（Ｑｈ'）及びポンプ流量（Ｑｐ'）と同様、油圧ポンプ１０の１回転当たりの吐出量（押し退け容積）であり、油圧ポンプ１０が出力する制御量としてのポンプ流量（Ｑｐ）に関する操作量（指令値）である。

低位選択部ＬＳ２は、低位選択部ＬＳ１と同様、２つの入力のうちの値が小さい方を選択して出力する演算要素である。本実施例では、低位選択部ＬＳ２は、低位選択部ＬＳ１が出力するポンプ流量（Ｑ１）と、コントローラ５４が参照テーブルＴＢ２を用いて導き出すポンプ流量（Ｑｐ'）とのうちの値が小さい方を選択し、選択した値をポンプ流量（Ｑ２）として出力する。なお、ポンプ流量（Ｑ２）は、ポンプ流量（Ｑ１）と同様、油圧ポンプ１０の１回転当たりの吐出量（押し退け容積）であり、油圧ポンプ１０が出力する制御量としてのポンプ流量（Ｑｐ）に関する操作量（指令値）である。

参照テーブルＴＢ３は、ポンプ流量（Ｑ２）と電流指令（Ｉｓ）との対応関係を表す参照テーブルである。コントローラ５４は、低位選択部ＬＳ２が出力するポンプ流量（Ｑ２）と参照テーブルＴＢ３とに基づいて電流指令（Ｉｓ）を導き出し、導き出した電流指令（Ｉｓ）を電磁弁５５に対して出力する。

次に、図６を参照して、油圧ポンプ１０の吐出圧（Ｐｄ）及びネガコン圧（Ｐｎ）に応じた電流指令（Ｉｓ）をコントローラ５４が出力する処理（以下、「電流指令出力処理」とする。）について説明する。なお、図６は、電流指令出力処理の流れを示すフローチャートであり、コントローラ５４は、所定の制御周期で繰り返しこの電流指令出力処理を実行する。

最初に、コントローラ５４は、油圧ポンプ１０の吐出圧（Ｐｄ）を取得する（ステップＳＴ１）。本実施例では、コントローラ５４は、吐出圧センサＳ３、Ｓ４が出力する吐出圧信号に基づいて吐出圧（Ｐｄ）を検出する。

その後、コントローラ５４は、馬力制御に基づくポンプ流量（Ｑｈ'）を取得する（ステップＳＴ２）。本実施例では、コントローラ５４は、参照テーブルＴＢ１を参照して、検出した吐出圧（Ｐｄ）の値に対応するポンプ流量（Ｑｈ'）を導き出す。

その後、コントローラ５４は、油圧ポンプ１０の目標吸収馬力に対する補正が行われているか否かを判定する（ステップＳＴ３）。本実施例では、コントローラ５４は、馬力制御及びネガコン制御以外の他の制御により目標吸収馬力を低減させる処理が行われているか否かを判定する。目標吸収馬力を低減させる処理は、例えば、特定の油圧アクチュエータに関するレバー操作に応じてシフト圧力を増大させることにより目標吸収馬力を低減させる処理、エンジン回転数の低下に応じてシフト圧力を増大させることにより目標吸収馬力を低減させる処理等を含む。

目標吸収馬力に対する補正が行われていると判定した場合（ステップＳＴ３のＮＯ）、コントローラ５４は、後続のステップＳＴ４及びＳＴ５における位相進み補償に関する処理を省略する。目標吸収馬力に対する補正は、位相進み補償部ＰＣ１による位相進み補償と同様、馬力制御の動的なゲインの増大をもたらすためである。すなわち、目標吸収馬力に対する補正と位相進み補償とが同時に実行されると、馬力制御のゲインを過度に増大させてしまい、馬力制御の安定性を損なうおそれがあるためである。なお、コントローラ５４は、位相進み補償部ＰＣ１による位相進み補償に関する処理を省略する代わりに、位相進み補償の程度を弱めるようにしてもよい。

一方、目標吸収馬力に対する補正が行われていないと判定した場合（ステップＳＴ３のＹＥＳ）、コントローラ５４は、ポンプ流量（Ｑｈ'）に対して位相進み補償を実行し、ポンプ流量（Ｑｈ"）を取得する（ステップＳＴ４）。本実施例では、コントローラ５４は、ステップＳＴ２で取得したポンプ流量（Ｑｈ'）に対して位相進み補償部ＰＣ１による位相進み補償を実行する。

その後、コントローラ５４の低位選択部ＬＳ１は、位相進み補償部ＰＣ１が出力する位相進み補償が施されたポンプ流量（Ｑｈ"）と、コントローラ５４がステップＳＴ２で取得したポンプ流量（Ｑｈ'）とのうちの値が小さい方を選択し、選択した値をポンプ流量（Ｑ１）として出力する（ステップＳＴ５）。

油圧ポンプ１０の吐出量を増大させる際の吐出量制御の速応性が高まるのを抑制しながら、油圧ポンプ１０の吐出量を低減させる際の吐出量制御の速応性を高めるようにするためである。

具体的には、ステップＳＴ５の低位選択処理を実行しない場合には、エンジン負荷トルクが急減したときにも位相進み補償後のポンプ流量（Ｑｈ"）が指令値として出力される。その結果、油圧ポンプ１０の吐出圧（Ｐｄ）の変動に敏感に反応して油圧ポンプ１０の吐出量が振動し、エンジン回転数が振動するおそれがある。吐出量制御は、位相進み補償によって速応性が高められるが、応答遅れは残るためである。

一方、ステップＳＴ５の低位選択処理を実行する場合には、エンジン負荷トルクが急減したときに位相進み補償後のポンプ流量（Ｑｈ"）が指令値として出力されることはない。位相進み補償前のポンプ流量（Ｑｈ'）が位相進み補償後のポンプ流量（Ｑｈ"）よりも小さいためである。なお、ステップＳＴ５の低位選択処理を実行する場合であっても、エンジン負荷トルクが急増したときには、位相進み補償後のポンプ流量（Ｑｈ"）が指令値として出力される。位相進み補償前のポンプ流量（Ｑｈ'）が位相進み補償後のポンプ流量（Ｑｈ"）よりも大きいためである。そのため、油圧ポンプ１０の吐出量を低減させる際の吐出量制御の速応性の向上までもが抑制されることはない。

その後、コントローラ５４は、ネガコン圧（Ｐｎ）を取得する（ステップＳＴ６）。本実施例では、コントローラ５４は、ネガコン圧センサＳ１、Ｓ２が出力するネガコン圧信号に基づいてネガコン圧（Ｐｎ）を検出する。

その後、コントローラ５４は、ネガコン制御に基づくポンプ流量（Ｑｐ'）を取得する（ステップＳＴ７）。本実施例では、コントローラ５４は、参照テーブルＴＢ２を参照して、検出したネガコン圧（Ｐｎ）の値に対応するポンプ流量（Ｑｐ'）を導き出す。

なお、ステップＳＴ６及びステップＳＴ７の処理は、後述のステップＳＴ８の前であれば任意のタイミングで実行可能であり、例えば、ステップＳＴ１の前に実行されてもよい。

また、コントローラ５４は、後述のステップＳＴ８の前に、馬力制御及びネガコン制御以外の制御に基づくポンプ流量（指令値）を取得してもよい。

その後、コントローラ５４の低位選択部ＬＳ２は、低位選択部ＬＳ１が出力するポンプ流量（Ｑ１）と、コントローラ５４がステップＳＴ７で取得したポンプ流量（Ｑｐ'）とのうちの値が小さい方を選択し、選択した値をポンプ流量（Ｑ２）として出力する（ステップＳＴ８）。また、低位選択部ＬＳ２は、ポンプ流量（Ｑ１）及びポンプ流量（Ｑｐ'）以外の他のポンプ流量（指令値）が存在する場合には、それらのうちの最も小さい値を選択し、選択した値をポンプ流量（Ｑ２）として出力してもよい。なお、他のポンプ流量（指令値）は、例えば、馬力制御及びネガコン制御以外の制御に基づくポンプ流量（指令値）である。

その後、コントローラ５４は、低位選択部ＬＳ２が出力するポンプ流量（Ｑ２）に基づいて電流指令（Ｉｓ）を導き出して出力する（ステップＳＴ９）。本実施例では、コントローラ５４は、参照テーブルＴＢ３を参照して、ポンプ流量（Ｑ２）の値に対応する電流指令（Ｉｓ）の値を導き出す。そして、コントローラ５４は、導き出した電流指令（Ｉｓ）を電磁弁５５に対して出力する。

次に、図７及び図８を参照して、コントローラ５４の位相進み補償部ＰＣ１による効果について説明する。なお、図７は、位相進み補償部ＰＣ１単体の伝達関数の周波数特性のシミュレーション結果を示すボード線図であり、図８は、油圧ポンプ１０の伝達関数の周波数特性のシミュレーション結果を示すボード線図である。なお、図７及び図８のボード線図は何れも、上段にゲイン線図を配し、下段に位相線図を配する。また、図８の実線で示す推移は、位相進み補償部ＰＣ１による位相進み補償が行われた場合の推移を表し、破線で示す推移は、位相進み補償部ＰＣ１による位相進み補償が行われない場合の推移を表す。

図７に示すように、位相進み補償部ＰＣ１による位相進み補償は、油圧ポンプ１０の応答周波数（例えば２Ｈｚである。）とほぼ同じ周波数で最大位相角を有する。その結果、位相進み補償部ＰＣ１による位相進み補償は、油圧ポンプ１０の応答周波数以上の周波数でゲインを持続的に押し上げる働きをする。なお、位相進み補償部ＰＣ１による位相進み補償は、油圧ポンプ１０の応答周波数より低い周波数で最大位相角を有するものであってもよい。但し、最大位相角を有するときの周波数が低すぎると、位相進み補償部ＰＣ１による位相進み補償は、安定性を失ってハンチングを誘発するおそれがある。

また、馬力制御の速応性は、ボード線図上で０［ｄＢ］を横切る周波数の値（ゲイン交点周波数）によって評価される。そこで、図８を参照すると、位相進み補償を伴う吐出量制御におけるゲイン交点周波数は、位相進み補償を伴わない吐出量制御におけるゲイン交点周波数よりも高いことが分かる。これは、位相進み補償によって馬力制御の速応性が改善されることを意味する。

このようにして、コントローラ５４は、位相進み補償を導入することにより、参照テーブルＴＢ１で定められるような馬力制御の静的なゲインを変更することなく、馬力制御の動的なゲインを増大させ、油圧ポンプ１０の応答性を高めることができる。その結果、コントローラ５４は、エンジン負荷トルクの急変の際に油圧ポンプ１０の吸収馬力がエンジンの出力馬力を超えるのを防止し、エンジン回転数が低下するのを防止できる。

また、コントローラ５４は、位相進み補償前のポンプ流量と位相進み補償後のポンプ流量とのうちの低い方の値を選択してポンプ流量の指令値を決定する。そのため、コントローラ５４は、エンジン負荷トルクが急増した場合に馬力制御の速応性を高めるようにしながらも、エンジン負荷トルクが急減した場合には馬力制御の速応性を高めないようにする。その結果、コントローラ５４は、エンジン負荷トルクが急減した場合に、油圧ポンプ１０の吐出量が振動的となるのを防止でき、ひいてはエンジン回転数が振動的となるのを防止できる。

また、コントローラ５４は、油圧ポンプ１０の目標吸収馬力を補正する制御が実行されている場合には、位相進み補償部ＰＣ１による位相進み補償の実行を省略し、或いは、より低い周波数で最大位相角を有するように位相進み補償の程度を弱めるようにする。その結果、コントローラ５４は、馬力制御の動的なゲインが過度に増大されて吐出量制御の安定性が損なわれてしまうのを防止できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の実施例において、建設機械用油圧システム１００は、ネガコン制御と馬力制御とを併用しながら、位相進み補償により馬力制御の速応性を高めるようにする。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、建設機械用油圧システム１００は、ポジティブコントロール制御と馬力制御とを併用しながら、位相進み補償により馬力制御の速応性を高めるようにしてもよく、ロードセンシング制御と馬力制御とを併用しながら、位相進み補償により馬力制御の速応性を高めるようにしてもよい。

１・・・ショベル ２・・・下部走行体 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 １０Ｌ、１０Ｒ・・・油圧ポンプ １１Ｌ、１２Ｌ、１２Ｒ、１３Ｌ、１３Ｒ、１４、１５Ｌ、１５Ｒ・・・流量制御弁 ２０Ｌ、２０Ｒ・・・ネガコン絞り ２２・・・作動油タンク ３０Ｌ、３０Ｒ・・・センターバイパス管路 ４０Ｌ、４０Ｒ・・・ポンプレギュレータ ４１Ｌ、４１Ｒ・・・傾転アクチュエータ ４２Ｌ、４２Ｒ・・・走行用油圧モータ ４４・・・旋回用油圧モータ ５２・・・コントロールポンプ ５４・・・コントローラ ５５Ｌ、５５Ｒ・・・電磁弁 ６０Ｌ、６０Ｒ・・・スプール機構 ６１Ｌ、６１Ｒ・・・吐出量制御部 １００・・・油圧システム Ｓ１〜Ｓ４・・・圧力センサ Ｅ１〜Ｅ１１・・・演算要素 ＬＳ１、ＬＳ２・・・低位選択部 ＰＣ１・・・位相進み補償部 ＴＢ１〜ＴＢ３・・・参照テーブル

Claims (4)

1. 油圧ポンプの吐出圧に応じて前記油圧ポンプの吐出量を変化させる馬力制御を行う建設機械用油圧システムであって、
   前記油圧ポンプの吐出圧を検出して吐出圧信号を出力する吐出圧センサと、
   前記油圧ポンプの吐出量を制御するポンプレギュレータと、
   前記ポンプレギュレータを駆動する制御圧を生成する電磁弁と、
   前記吐出圧信号を受けて前記電磁弁に対する電流指令を出力するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記吐出圧信号に応じて生成される、前記電流指令に関する指令値に対して位相進み補償を行う位相進み補償部を有する、
   建設機械用油圧システム。
2. 前記位相進み補償部は、前記油圧ポンプの応答周波数以下の周波数で最大位相角を有する、
   請求項１に記載の建設機械用油圧システム。
3. 前記コントローラは、前記位相進み補償部による位相進み補償前の指令値と、前記位相進み補償部による位相進み補償後の指令値とのうち小さい方を選択して出力する低位選択部を有する、
   請求項１又は２に記載の建設機械用油圧システム。
4. 前記コントローラは、前記位相進み補償部による位相進み補償以外に、前記油圧ポンプの目標吸収馬力を補正する制御が実行される場合に、前記位相進み補償部による位相進み補償を省略し、或いは、位相進み補償の程度を弱める、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載の建設機械用油圧システム。

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