JP5873456B2 - 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

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Description

本発明は、液圧モータと電動機とを協働させて作業機械の構造体を旋回駆動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、電動機と油圧モータとを備えている。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おり、それらの出力トルクは制御装置によって制御されるようになっている。制御装置は、上部旋回体を旋回する際、電動機から出力可能なトルク（即ち、最大トルク）を演算してその最大トルクを電動機から出力させ、更に残余のトルクを油圧モータから出力させるようになっている。このように油圧モータと電動機とを協働させて上部旋回体を旋回させることで、特許文献１の駆動制御システムでは、油圧モータを駆動させるために必要なエネルギーを低減している。
特開２０１２−６２６５３号公報
特許文献１の駆動制御システムでは、上部旋回体を旋回させる際、旋回開始時から蓄電器に蓄えられた電力が尽きるまで最大トルクで電動機を駆動し続け、電動機で出力し得ないトルクについては油圧モータで補助するようになっている。しかし、電動機を最大トルクで駆動すると電力効率悪く、その状態で電動機を駆動し続けると、蓄電気に蓄えられた電力が直ぐに尽きて電動機の駆動が停止する。そうすると、油圧モータ単体での駆動時間が長くなり、結果として油圧モータを駆動させるために必要なエネルギーの低減効果が小さくなる。
そこで本発明は、液圧モータを駆動させるために必要なエネルギーを更に低減することができる作業機の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、電力を蓄えられている蓄電装置と、前記蓄電装置から電力の供給を受けて作動し、作業機械の構造体を旋回する電動機と、前記蓄電装置から前記電動機に供給される電力を調整し、供給される前記電力に応じたトルクで前記電動機を駆動させる電動機駆動装置と、作動液の供給を受けて作動し、前記電動機と協働して前記構造体を旋回する液圧モータと、前記液圧モータに流れる作動液の流量及び液圧を調整し、供給される前記作動液の流量及び液圧に応じたトルクで前記液圧モータを駆動する作動液供給装置と、前記構造体の目標旋回速度を入力するための入力装置と、前記構造体を前記目標旋回速度まで加速するための目標トルクを決定し、前記電動機と前記液圧モータのトルクの合計が前記目標トルクとなるように前記電動機駆動装置及び前記作動液供給装置の動作を制御する駆動制御装置とを備え、前記駆動制御装置は、前記構造体を前記目標旋回速度まで加速する際、前記目標旋回速度に達するまでの各回転速度において最も高い電力効率が得られる高効率トルクで前記電動機が駆動するように前記電動機駆動装置の動作を制御し、且つ前記目標トルクから前記高効率トルクを差し引いた残余トルクを液圧モータから出力させるように前記作動液供給装置の動作を制御するようになっているものである。
本発明に従えば、電動機を高い電力効率で動かすことができるので、電動機駆動時の蓄電装置の電力使用量を抑えることができる。これにより、構造体の加速時における電動機の駆動時間を従来技術に比べて長くすることができ、補助として使用している液圧モータを駆動するために必要な消費エネルギーを更に低減することができる。
上記発明において、前記駆動制御装置は、前記電動機と前記電動機駆動装置とに基づいて設定されるトルクと回転速度とに関する等効率曲線を記憶しており、前記構造体が前記目標旋回速度に達するまでの各回転速度と該各回転速度に対して最も効率の高い前記等効率曲線との接点である高効率トルクを更に記憶しており、前記電動機が前記高効率トルクで駆動するよう前記電動機駆動装置の動作を制御するようになっていることが好ましい。
上記構成に従えば、電動機及び電動機駆動装置で消費される電気エネルギー（電力＝電流×電圧）に対して出力される機械エネルギー（回転速度×トルク）の比率を示す電力効率の等効率曲線に基づいて、電動機が高効率トルクで駆動するように制御されるので、電動機駆動時の蓄電装置の電力使用量を抑えることができる。これにより、構造体の加速時における電動機の駆動時間を従来技術に比べて長くすることができる。
上記発明において、前記電動機は、交流電流の供給を受けて駆動する交流モータであって、前記蓄電装置は、直流電流を放電するように構成され、前記電動機駆動装置は、前記蓄電装置から放電される直流電流を交流電流に変換して前記電動機に供給するように構成され、前記駆動制御装置は、前記電動機と前記電動機駆動装置とによって消費される電力に関して最も高い電力効率が得られる高効率トルクで前記電動機が駆動するように前記電動機駆動装置の動作を制御するようになっていることが好ましい。
上記構成に従えば、電動機駆動装置での消費電力も考慮されて高効率トルクが決められているので、蓄電装置の電力使用量をさらに抑えることができる。これにより、構造体の加速時における電動機の駆動時間をさらに長くすることができ、補助として使用している液圧モータを駆動するために必要な消費エネルギーを更に低減することができる。
上記発明において、前記電動機の前記高効率トルクは、所定の速度範囲において所定トルクと略等しくなっており、前記駆動制御装置は、前記目標旋回速度に達するまでの各回転速度が前記所定の範囲にある場合、前記高効率トルクを前記所定トルクとして演算するようになっていることが好ましい。
上記構成に従えば、目標旋回速度の増減によって電動機の出力トルクの制御を行う必要がなくなり、駆動制御装置の制御の複雑化を防ぐことができる。
上記発明において、前記電動機は、旋回する構造体の運動エネルギーを電力に変換して前記構造体を減速させる発電機能を有し、前記電動機駆動装置は、前記電動機で変換された電力を蓄電装置に供給して蓄えさせるようになっていることが好ましい。
上記構成に従えば、旋回する構造体の運動エネルギーを電力として回収することができ、構造体を旋回させる際に回収した電力を使用することができる。このような回生動作では、減速直前に構造体が有しているエネルギーの全てを回収し、次の力行に使用できる訳ではないので、力行動作に使用できる電力が限られている。本発明は、前述のように蓄電装置の電力使用量を抑えることによって電動機を長時間動かすことができるようになっており、回生動作によって得られる限られた電力を有効に利用することができる。それ故、本発明は、回生機能を有する駆動制御システムにおいて特に有益に用いることができる。
本発明の作業機械は、前述するいずれか１つの駆動制御システムを備えるものである。
本発明に従えば、前述するような機能を有する作業機械を提供することができる。
本発明の作業機械の駆動制御方法は、蓄電装置から電動機駆動装置を介して供給される電力に応じて作動する電動機と、作動液供給装置から供給される作動液の流量及び液圧に応じて作動する液圧モータとを協働させて作業機械の構造体を旋回させる作業機械の駆動制御方法であって、入力装置によって入力される目標旋回速度まで前記構造体を加速するための目標トルクを演算する目標トルク演算工程と、前記目標旋回速度に達するまでの各回転速度において最も高い電力効率が得られる高効率トルクで前記電動機が駆動するように前記電動機駆動装置から前記電動機に供給される電力を制御する電力供給動作制御工程と、前記目標トルクから前記高効率トルクを差し引いた残余トルクを液圧モータから出力させるように前記作動液供給装置から供給される作動液の供給量を制御する作動液供給動作制御工程とを有する方法である。
本発明に従えば、電動機を高い電力効率で動かすことができるので、電動機駆動時の蓄電装置の電力使用量を抑えることができる。これにより、構造体の加速時における電動機の駆動時間を従来技術に比べて長くすることができ、補助として使用している液圧モータを駆動するために必要な消費エネルギーを更に低減することができる。
本発明によれば、油圧モータを駆動させるために必要なエネルギーを更に低減することができる。
本件発明の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駆動制御システムの油圧回路を示す油圧回路図である。 図２の駆動制御システムに備わる制御装置を構成する制御ブロックを示すブロック図である。 図２の駆動制御システムに備わる電動機の効率等曲線を示すグラフである。 図２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、及び電油旋回モータの出力トルクの経時変化を示すシーケンス図である。
以下では、前述する図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る駆動制御システム１、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及び油圧ショベル２の構造は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明は実施の形態に限定されず、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。構造体である旋回体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を旋回体５内に有している。以下では、駆動制御システム１の構成について、図２及び図３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が設けられている。
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、電磁比例減圧弁１９を介してパイロットポンプ２０に接続されている。電磁比例減圧弁１９は、パイロットポンプ２０から出力された油圧を電磁比例減圧弁１９に流される指令信号に応じた指令圧ｐ０に減圧するように構成されている。レギュレータ１８には、減圧された指令圧ｐ０が与えられ、サーボピストンは、指令圧ｐ０に応じた位置に移動するようになっている。即ち、斜板１０ａが電磁比例減圧弁１９に与えられる指令信号に応じた傾転角に傾転するようになっている。このように傾転角を変えられた油圧ポンプ１０は、その傾転角に応じた流量の作動油を吐出ポート１０ｂから吐出するようになっており、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、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。
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入力装置である。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（操作量）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、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可能に構成されている。
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が移動す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。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、電動機駆動装置３６に電気的に接続され、更に電動機駆動装置３６を介して蓄電器２８に電気的に接続されている。
なお、電動機駆動装置３６は、インバータとチョッパの組合せによって構成される装置である。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、電動機駆動装置３６に直流電流を放電するように構成されている。電動機駆動装置３６は、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、電動機駆動装置３６は、電動機３４で発生した交流電流を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、電動機駆動装置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。なお、電動機駆動装置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。
油圧モータ３３は、例えば固定容量型の斜板式油圧モータであり、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流量に応じた回転速度で出力軸３５を正方向に回転させ、第２給排ポート３３ｂに作動油が供給されると作動油の流量に応じた回転速度で出力軸３５を逆方向に回転させるようになっている。
このように構成される油圧モータ３３は、作動油供給装置９によって作動油が供給され、これにより出力軸３５の回転をアシストするアシストトルクを発生するようになっている。ここで、作動油供給装置９は、主に油圧ポンプ１０と、コントロール弁１１と、２つの電磁減圧弁１３，１４と、２つの電磁リリーフ弁１５，１６とによって構成されている。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、更にタンク２９にも繋がっている。電磁リリーフ弁１５，１６は、接続されている油路３１，３２の作動油をタンク２９に排出して前記作動油の油圧を電磁リリーフ弁１５，１６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、この電磁リリーフ弁１５，１６により排出側の油路３１，３２の作動油の油圧を調整することで出力軸３５の回転を減速させることができるようにもなっている。また、電磁リリーフ弁１５，１６により供給側の油路３１，３２の作動油の圧力を調整することで油圧モータ３３のアシストトルクを調整することができるようにもなっている。
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、電磁比例減圧弁１９、及び電動機駆動装置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及び電動機駆動装置３６に流し、各弁１３〜１６，１９及び電動機駆動装置３６の動作を制御するようになっている。各弁１３〜１６，１９及び電動機駆動装置３６の動作を制御することによって、作動油供給装置９及び電動機３４を駆動して旋回体５が所望の動作で旋回するようになっている。以下では、制御装置５０の制御ブロックについて、図３を参照しながら具体的に説明する。
［制御装置の制御ブロック］
制御装置５０は、速度指令演算部５１と、加速度演算部５２と、加速トルク演算部５３と、電動機トルク演算部５４と、蓄電器電圧検出部５５と、電流指令演算部５６と、電流制御部５７と、差圧指令演算部５８と、差圧制御部５９と、吐出流量変換部６０とを有している。速度指令演算部５１は、そこに目標旋回速度を示す信号である速度指令信号ＶＣＯＭが入力され、その速度指令信号ＶＣＯＭに基づいて速度指令値を演算するようになっている。速度指令値は、旋回体５の目標旋回速度を示す指令値であり、操作レバーの傾倒量に応じた値である。また、速度指令演算部５１は、演算した速度指令値を加速度演算部５２に出力するようになっており、加速度演算部５２には、速度指令値から速度フィードバック信号ＶＦＢ（出力軸３５の実際の回転速度）が減算された速度差が入力される。
加速度演算部５２は、入力された速度差に基づいて出力軸３５の加速度を演算するようになっている。即ち、加速度演算部５２は、旋回体５の旋回速度が目標回転数になるように加速度を演算しており、演算された加速度は加速トルク演算部５３に入力される。加速トルク演算部５３は、演算された加速度に基づいて出力軸３５を加速するために必要な目標加速トルクを演算し、その目標加速トルクを電動機トルク演算部５４及び差圧指令演算部５８に出力するようになっている。
電動機トルク演算部５４は、目標加速トルクと共に蓄電器電圧検出部５５から電圧値が入力されている。蓄電器電圧検出部５５は、蓄電器２８に電気的に接続されており、蓄電器２８の電圧（即ち、蓄電量）を検出するようになっている。蓄電器電圧検出部５５は、この検出された電圧を電動機トルク演算部５４に出力するようになっており、電動機トルク演算部５４は、この電圧と前記目標加速トルクとに基づいて電動機３４の目標トルクを演算するようになっている。なお、その演算方法については、後で詳述する。電動機トルク演算部５４は、このように演算された電動機３４の目標トルクを電流指令演算部５６及び差圧指令演算部５８に出力するようになっている。
なお、電動機３４の目標トルクを設定するに際しては、上記の実施例に限らず、電動機トルクが高効率トルクとなるように、目標加速トルクから油圧モータ３３の目標トルクを決定した後、目標加速トルクから油圧モータ３３の目標トルクを減算することで、電動機３４の目標トルクを決定することもできる。
電流指令演算部５６は、演算された電動機３４の目標トルクを出力させるために必要な目標電流を演算し、この目標電流を電流制御部５７に出力する。また、電流制御部５７には、電動機駆動装置３６から電動機３４に実際に供給されている実電流がフィードバックされている。即ち、電流制御部５７には、電流指令演算部５６で演算された目標電流から実電流を減算した減算結果が入力されるようになっている。電流制御部５７は、その減算結果に基づいて電動機駆動装置３６を制御して電動機３４から目標トルクを出力させるようになっている。
他方、差圧指令演算部５８には、目標加速トルクから電動機３４の目標トルクが減算された油圧モータ３３の目標トルクが入力されている。差圧指令演算部５８は、この油圧モータ３３の目標トルクに基づいて油圧モータ３３の２つの給排ポート３３ａ，３３ｂの目標給排差圧を演算し、この目標給排差圧を差圧制御部５９に出力するようになっている。差圧制御部５９には、この目標給排差圧から差圧フィードバック信号ＤＰが減算された差分値が入力されており、差圧制御部５９は、この差分値から油圧ポンプ１０の現在の吐出流量に対して増減させるべき増減流量を演算してそれを吐出流量変換部６０に出力するようになっている。また、吐出流量変換部６０は、差圧制御部５９で演算された増減流量に基づいて電磁比例減圧弁１９から出力させるべき指令圧ｐ０を演算し、演算した指令圧ｐ０に応じた指令圧信号を電磁比例減圧弁１９に出力するようになっている。
このような制御ブロック５１〜６０を有する制御装置５０は、電動機３４と油圧モータ３３とを協働させるように電油旋回モータ１７の動作を制御し、操作レバーの傾倒量に応じた目標旋回速度まで旋回体５の旋回速度を加速させるようになっている。具体的には、制御装置５０は、主に電動機３４によって出力軸３５を駆動するようになっており、演算された目標加速トルクに対して電動機３４の出力トルクでは足りない場合にその不足分のトルクを油圧モータ３３のアシストトルクによって補うようになっている。以下では、制御装置５０の制御動作について更に詳しく説明する。
［制御装置の制御動作について］
まず、２つのパイロット圧センサ２６，２７で検出されるパイロット圧が制御装置５０に入力される。本実施形態では、操作レバー２５が傾倒された場合、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。それ故、２つのパイロット圧センサ２６，２７のいずれかで検出されたパイロット圧が制御装置５０に入力される。制御装置５０では、速度指令演算部５１、加速度演算部５２及び加速トルク演算部５３が、２つのパイロット圧センサ２６，２７で検出されたパイロット圧の差圧値である速度指令信号ＶＣＯＭと速度フィードバック信号ＶＦＢに基づいて目標加速トルクを演算し、この目標加速トルクが電動機トルク演算部５４に出力される。
電動機トルク演算部５４は、この目標加速トルクと蓄電器電圧検出部５５で検出された蓄電器２８の電圧とに基づいて電動機３４の目標トルクを演算する。この演算では、出力軸３５の回転速度に対して電動機３４の効率が最も高くなる高効率トルクが電動機３４から出力させる目標トルクとして演算（設定）される。この電動機３４の目標トルクの演算方法について以下で詳述すべく、まず電動機３４及び電動機駆動装置３６で消費される電気エネルギー（電力＝電流×電圧）に対する出力される機械エネルギー（回転速度×トルク）の比率を示す電力効率の等効率曲線について図４を参照しながら説明する。その後、電動機３４の目標トルクの演算方法について更に詳細に説明する。
図４のグラフでは、縦軸にトルクが示され、横軸に回転速度が示されており、一点鎖線の複数の曲線が等効率曲線を示している。等効率曲線は、図４に示すトルク−回転速度のグラフにおいての電力効率（トルク×回転速度／電力）が等しくなる点を結んだ線である。図４の等効率曲線上の点のトルク及び回転速度で電動機３４を駆動すると、いずれの点でも電動機３４及び電動機駆動装置３６が同じ電力効率で駆動するようになっている。なお、電動機３４及び電動機駆動装置３６の電力効率は、回転速度が上昇するにつれて増加しており、図示しない所定の回転速度に達した後は回転速度が上昇するにつれて電力効率が低下するようになっている。図４においては、紙面右側の効率曲線ほど高い電力効率の効率曲線を示している。
出力軸３５の任意の回転速度に対して電力効率が最も高くなる高効率トルクは図４のグラフに基づいて算出されている。電動機トルク演算部５４は、前記高効率トルクを回転速度毎に対応付けて記憶しており、この高効率トルクに基づいて電動機３４の目標トルクを演算する。つまり、制御装置５０は、電動機３４と電動機駆動装置３６とに基づいて設定されるトルクと回転速度とに関する電力効率の等効率曲線を記憶しており、旋回体５が目標旋回速度に達するまでの各回転速度を表す直線と該各回転速度に対して最も効率の高い等効率曲線との接点である高効率トルクを更に記憶しており、電動機３４が高効率トルクで駆動するよう電動機駆動装置３６の動作を制御する。本実施形態では、図４で示すように、ある旋回速度（回転速度）範囲において電動機３４の高効率トルクは略同一値であるので、目標加速トルクが前記高効率トルク以上の場合（図４の期間Ｂ）、電動機３４の目標トルクが高効率トルクに設定される。他方、始動直後のような目標加速トルクが前記高効率トルク未満の場合（図４の期間Ａ）、電動機３４の目標トルクは、目標加速トルクに対して予め設定した割合に設定される。
また、本実施形態の駆動制御システム１とは異なり旋回速度に応じて高効率トルクが一定値でない場合、旋回速度と高効率トルクとの対応を示すトルクマップを電動機トルク演算部５４に記憶させる。電動機トルク演算部５４は、記憶されたトルクマップと速度指令信号ＶＣＯＭと速度フィードバック信号ＶＦＢとに基づいて目標トルクを演算（設定）するように構成される。
電動機トルク演算部５４は、演算（設定）された電動機３４の目標トルクを電流指令演算部５６及び差圧指令演算部５８に出力する。電流指令演算部５６は、電動機３４の目標トルクに応じて目標電流を演算し、電流制御部５７は、この目標電流から実電流を減算して得られる減算結果に基づいて電動機駆動装置３６を制御する。これにより、電動機３４から目標トルクが出力される。
同時に、差圧指令演算部５８は、目標加速トルクから電動機３４の目標トルクを減算して得られる油圧モータ３３の目標トルクに基づいて油圧モータ３３の２つの給排ポート３３ａ，３３ｂの目標給排差圧を演算する。この目標給排差圧から差圧フィードバック信号ＤＰが減算され、これによって得られた差分値に基づいて差圧制御部５９が吐出流量を演算する。吐出流量変換部６０は、吐出流量に基づいて指令圧ｐ０を演算し、指令圧ｐ０に応じた指令圧信号を電磁比例減圧弁１９に出力する。これにより、電磁比例減圧弁１９から指令圧ｐ０のパイロット圧が出力され、油圧ポンプ１０の斜板１０ａが指令圧ｐ０に応じた傾斜角に傾転する。このように傾転することで、油圧ポンプ１０から吐出される作動油の吐出量が調整される。
また、差圧指令演算部５８で演算された目標給排差圧および油圧モータ３３の２つの給排ポート３３ａ、３３ｂの圧力に基づいて、電磁リリーフ弁圧力指令演算部６１より、電磁リリーフ弁圧力指令を出力する。これにより、電磁リリーフ弁１５、１６により、油圧モータ３３の目標トルクを補正する制御が行われるため、油圧モータ３３において安定した目標トルクが得られる。
油圧ポンプ１０から吐出された作動油は、コントロール弁１１を通って操作レバー２５の傾倒方向に応じた油路３１，３２に出力され、例えば操作レバー２５が所定方向一方に傾倒されると油圧ポンプ１０からの作動油が第１油路３１に出力される。コントロール弁１１では、操作レバー２５の傾倒量に応じた位置にスプール２２が移動して第１ポート１１ａと第３ポート１１ｃとの間の開度を調整し、操作レバー２５の傾倒量に応じた流量の作動油を第１油路３１を介して油圧モータ３３に出力する。また同時に、移動したスプール２２が第２油路３２とタンク２９とを繋ぎ、油圧モータ３３から排出される作動油をタンク２９へと排出するようになっている。これにより、油圧モータ３３からその目標トルクが出力される。
［駆動制御システムの動作について］
以下では、操作レバー２５が傾倒操作されて図５に示すような速度指令がリモートコントロール弁１２から出力される場合を例にして、駆動制御システム１の動作を説明する。まず、図５に関して説明すると、図５のシーケンス図には、上から順に速度指令、旋回体５の速度実績、電動機３４の出力トルク、油圧モータ３３のアシストトルク、及び電油旋回モータ１７の出力トルクの経時変化がそれぞれ示されている。なお、図５では、基準軸に対して上側領域が正方向の速度指令、速度及びトルクが発生していることを示し、基準軸に対して下側領域が逆方向の速度指令、速度及びトルクが発生していることを示している。
操作レバー２５が所定方向一方に傾倒されると、制御装置５０にパイロット圧センサ２６、２７で検出されたパイロット圧が入力され、速度指令信号ＶＣＯＭが生成される。そうすると、前述と同様に速度指令演算部５１、加速度演算部５２、及び加速トルク演算部５３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操作レバー２５の傾倒量に応じた目標加速トルクを演算する。更に、電動機トルク演算部５４及び電流指令演算部５６によって目標電流が演算され、目標電流と実電流とに基づいて電流制御部５７及び電動機駆動装置３６が電動機３４の出力トルクを制御する。なお、始動直後では、操作レバー２５の傾倒量に応じた目標加速トルクが高効率トルクより低いため、制御装置５０は、目標加速トルクに対して、予め設定した割合で目標トルクを設定する。そして、制御装置５０は、この目標トルクを出力するように電動機３４を駆動させる。
その後、操作レバー２５の傾倒量が増加して目標加速トルクが高効率トルクより高くなると、電動機３４の目標トルクは高効率トルクに設定される。そうすると、目標加速トルクに対する不足分を補うために、制御装置５０は、油圧モータ３３によって出力軸３５の回転のアシストをすべく、油圧ポンプ１０の吐出量を増加させる。詳述すると、制御装置５０は、油圧モータ３３が目標トルクを出力するように、必要なポンプ吐出流量を演算して、油圧ポンプ１０の吐出流量を制御する。つまり、差圧指令演算部５８で演算された目標給排差圧に対して油圧モータ３３の２つの給排ポート３３ａ、３３ｂの差圧が減算され、減算された差分値に基づき差圧制御部５９が油圧ポンプ１０の増減すべき吐出流量を算出する。次に、差圧制御部５９から出力された増減吐出流量に基づいて、吐出流量変換部６０が電磁比例減圧弁１９から出力すべき指令圧ｐ０を演算し、指令圧ｐ０に応じた指令圧信号を電磁比例減圧弁１９に出力する。これにより、油圧ポンプ１０から目標トルクを出力するために必要な流量が吐出される。
このように制御することで油圧モータ３３により電動機３４の出力トルクをアシストすることができ、電動機３４及び電動機駆動装置３６を高効率で駆動させつつ出力軸３５に操作レバー２５の傾倒量に応じた目標加速トルクを与えることができる。これにより、電動機駆動時の蓄電器２８の電力使用量を抑えることができ、そこに蓄えられた電力を効率良く利用することができる。それ故、旋回体５の加速時における電動機３４の駆動時間を従来技術に比べて長くすることができ、油圧モータ３３の消費エネルギーを更に低減することができる。また、油圧モータ３３の消費エネルギーを低減することで、油圧モータ３３に供給される作動油の流量を低減することができる。その結果、油圧ポンプ１０を駆動するのに必要なエンジンの燃費を向上させることができ、駆動制御システム１の省エネルギー化を図ることができる。
また、制御装置５０では、電動機３４の消費電力だけでなく電動機駆動装置３６の消費電力も含めて高効率トルクを設定するので、蓄電器２８の電力使用量を更に抑えることができる。これにより、旋回体５の加速時における電動機３４の駆動時間を更に長くすることができ、油圧モータ３３の消費エネルギーを更に低減することができる。更に、本実施形態では、所定の旋回速度範囲において（本実施形態では、旋回体５の旋回速度に関わらず）高効率トルクが略一定である電動機３４が採用されているので、目標旋回速度の増減に応じて電動機３４の出力トルクを増減する必要がない。それ故、電動機駆動装置３６の制御が複雑化することを防ぐことができる。
このような旋回駆動動作では、前述の通り電動機３４が主に駆動して油圧モータ３３が電動機３４をアシストしているが旋回体５を加速し続けていると、やがて蓄電器２８に蓄えられた電力が少なくなって電圧が低下し、この電圧低下は、蓄電器電圧検出部５５によって検出される。電動機トルク演算部５４は、電圧が低下すると入力される目標加速トルクに関わらず電圧低下に応じて電動機３４の目標トルクを減少させ、蓄電器２８の蓄電量に応じた目標トルクを電動機３４から出力させる。
他方、差圧指令演算部５８には、減少した電動機３４の目標トルクに応じて増加した油圧モータ３３の目標トルクが入力され、差圧指令演算部５８、差圧制御部５９及び吐出流量変換部６０は、増加した目標トルクに応じて電磁比例減圧弁１９を制御して斜板１０ａの傾転角を大きくする。これにより、油圧モータ３３からその目標トルクが出力され、油圧モータ３３と電動機３４とによって出力軸３５に目標加速トルクが与えられる。
その後、蓄電器電圧検出部５５で検出される電圧が所定電圧以下になると、電動機トルク演算部５４は、電動機３４を駆動不能と判断し、電動機３４の目標トルクをゼロに設定する。そうすると、目標加速トルクの全てを油圧モータ３３から出力させなければならず、差圧指令演算部５８に入力される油圧モータ３３の目標トルクが目標加速トルクに設定される。差圧指令演算部５８、差圧制御部５９及び吐出流量変換部６０は、設定された目標トルクに応じて電磁比例減圧弁１９を制御し、油圧モータ３３からその目標トルクを出力させる。これにより、出力軸３５が油圧モータ３３だけで駆動される。
旋回体５の旋回速度が速度指令信号ＶＣＯＭによって示される目標旋回速度に近づくと目標加速トルクが減少し、それに応じて油圧モータ３３の目標トルクが減少する。そうすると、差圧指令演算部５８、差圧制御部５９及び吐出流量変換部６０は、減少する目標トルクに応じて電磁比例減圧弁１９を制御し、斜板１０ａの傾斜角を小さくする。これにより、油圧モータ３３のアシストトルクを減少させながら、旋回体５の旋回速度を目標旋回速度まで上昇させる。目標旋回速度に達すると、加速度演算部５２で演算される加速度がゼロとなり、加速トルク演算部５３では、定速旋回に必要なトルクを演算する。これにより、操作レバー２５の傾倒量に応じた目標旋回速度で旋回体５が旋回し続ける。
その後、操作レバー２５が中立位置に戻されると、コントロール弁１１によって全てのポート１１ａ〜１１ｄが遮断される。その際、油圧モータ３３側の駆動回路では、制御装置５０が電磁リリーフ弁１６に電流を流して電磁リリーフ弁１６を全開させる。これにより、油圧モータ３３がアンロード状態になる。他方、電動機駆動装置３６は、電動機３４と蓄電器２８とを電気的に接続させる。これにより、電動機３４によって旋回体５の回転エネルギー（運動エネルギー）が交流電力に変換され、制御装置５０が電動機駆動装置３６の動作を制御して変換された交流電力を直流電力に変換して蓄電器２８に蓄電させる。これにより、旋回体５を減速しつつ蓄電器２８に電力を蓄えることができる。
なお、本実施形態のように蓄電器２８の蓄電容量が大きく、変換された電力の全てを蓄電器２８に蓄えることができる場合、上述するように電磁リリーフ弁１６を全開にして油圧モータ３３をアンロード状態にすることが可能である。他方、蓄電器２８の蓄電容量が小さくて変換された電力の全てを蓄電器２８に蓄えることができない場合、電磁リリーフ弁１６によりタンク２９に排出される作動油の油圧を調整して油圧モータ３３に吐出抵抗を与えて出力軸３５を減速させることが好ましい。このように旋回体５を減速する駆動制御システム１では、旋回体５が停止すると蓄電器２８の蓄電が終了する。
このように駆動制御システム１は、旋回する旋回体の運動エネルギーを電力として回収し、回収した電力が旋回体５を旋回させる際に使用することができる。このような回生動作では、減速直前に旋回体５が有している運動エネルギーの全てを回収し、次の力行動作に使用できる訳ではなく、力行動作に使用できる電力は限られている。駆動制御システム１は、前述のように蓄電器２８の電力使用量を抑えることによって電動機３４を長時間動かすことができるようになっており、回生動作によって得られる限られた電力を有効に利用することができる。それ故、回生機能を有する駆動制御システム１において、特に有益に用いることができる。
次に、操作レバー２５が所定方向他方に傾倒された場合の駆動制御システム１の動作についてであるが、この動作は油圧モータ３３及び電動機３４の出力トルク及び減速時の発生トルクの向きが正逆反対である点を除いて操作レバー２５が所定方向一方に傾倒された場合と同様である。それ故、操作レバー２５が所定方向他方に傾倒された場合の駆動制御システム１の動作については、操作レバー２５が所定方向一方に傾倒された場合の説明を参照し、その詳しい説明は省略する。
［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く、斜板１０ａの傾転角をロードセンシング方式で調整するシステムであっても良い。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。例えば、この場合、制御装置５０が電磁減圧弁１３，１４によってスプール２２の位置を調整するとともに電磁リリーフ弁１５，１６によって第１及び第２油路３１，３２の油圧を調整して油圧モータ３３に供給される作動油の流量及び油圧を調整する。これにより、油圧モータ３３に目標トルクを出力させることができる。なお、上記例に限らず、連通弁や可変式油圧モータを利用することによっても、油圧モータ３３に目標トルクを出力させることができる。
本実施形態に示す油圧ポンプ等の作動液供給装置は、油圧ショベルのブーム、アーム、バケット、走行等の他のアクチュエータに共用するものであっても、旋回のみに使用する旋回独立システムであってもよい。
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、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、本実施形態ン駆動制御システム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。
更に、本実施形態の駆動制御システム１では、高効率トルクとして目標旋回速度に対して最も電力効率が高くなるトルクが選択されているが、この最も電力効率が高くなるトルクには、その付近のトルクであってもよい。
１ 駆動制御システム
２ 油圧ショベル
９ 作動油供給装置
１０ 油圧ポンプ
１１ コントロール弁
１２ リモートコントロール弁
１７ 電油旋回モータ
２８ 蓄電器
３３ 油圧モータ
３４ 電動機
３６ 電動機駆動装置
５０ 制御装置

Claims (7)

  1. 電力を蓄えられている蓄電装置と、
    前記蓄電装置から電力の供給を受けて作動し、作業機械の構造体を旋回する電動機と、
    前記蓄電装置から前記電動機に供給される電力を調整し、供給される前記電力に応じたトルクで前記電動機を駆動させる電動機駆動装置と、
    作動液の供給を受けて作動し、前記電動機と協働して前記構造体を旋回する液圧モータと、
    前記液圧モータに流れる作動液の流量及び液圧を調整し、供給される前記作動液の流量及び液圧に応じたトルクで前記液圧モータを駆動する作動液供給装置と、
    前記構造体の目標旋回速度を入力するための入力装置と、
    前記構造体を前記目標旋回速度まで加速するための目標トルクを決定し、前記電動機と前記液圧モータのトルクの合計が前記目標トルクとなるように前記電動機駆動装置及び前記作動液供給装置の動作を制御する駆動制御装置とを備え、
    前記駆動制御装置は、前記構造体を前記目標旋回速度まで加速する際、前記目標旋回速度に達するまでの各回転速度において最も高い電力効率が得られる高効率トルクで前記電動機が駆動するように前記電動機駆動装置の動作を制御し、且つ前記目標トルクから前記高効率トルクを差し引いた残余トルクを液圧モータから出力させるように前記作動液供給装置の動作を制御するようになっている、作業機械の駆動制御システム。
  2. 前記駆動制御装置は、前記電動機と前記電動機駆動装置とに基づいて設定されるトルクと回転速度とに関する等効率曲線を記憶しており、前記構造体が前記目標旋回速度に達するまでの各回転速度と該各回転速度に対して最も効率の高い前記等効率曲線との接点である高効率トルクを更に記憶しており、前記電動機が前記高効率トルクで駆動するよう前記電動機駆動装置の動作を制御する、請求項１に記載の作業機械の駆動制御システム。
  3. 前記電動機は、交流電流の供給を受けて駆動する交流モータであって、
    前記蓄電装置は、直流電流を放電するように構成され、
    前記電動機駆動装置は、前記蓄電装置から放電される直流電流を交流電流に変換して前記電動機に供給するように構成され、
    前記駆動制御装置は、前記電動機と前記電動機駆動装置とによって消費される電力に関して最も高い電力効率が得られる高効率トルクで前記電動機が駆動するように前記電動機駆動装置の動作を制御するようになっている、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. 前記電動機の前記高効率トルクは、所定の速度範囲において所定トルクと略等しくなっており、
    前記駆動制御装置は、前記目標旋回速度に達するまでの各回転速度が前記所定の範囲にある場合、前記高効率トルクを前記所定トルクとして演算するようになっている、請求項１に記載の作業機械の駆動制御システム。
  5. 前記電動機は、旋回する構造体の運動エネルギーを電力に変換して前記構造体を減速させる発電機能を有し、
    前記電動機駆動装置は、前記電動機で変換された電力を蓄電装置に供給して蓄えさせるようになっている、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の作業機械の駆動制御システム。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１つの駆動制御システムを備える、作業機械。
  7. 蓄電装置から電動機駆動装置を介して供給される電力に応じて作動する電動機と、作動液供給装置から供給される作動液の流量及び液圧に応じて作動する液圧モータとを協働させて作業機械の構造体を旋回させる作業機械の駆動制御方法であって、
    入力装置によって入力される目標旋回速度まで前記構造体を加速するための目標トルクを演算する目標トルク演算工程と、
    前記目標旋回速度に達するまでの各回転速度において最も高い電力効率が得られる高効率トルクで前記電動機が駆動するよう前記電動機駆動装置から前記電動機に供給される電力を制御する電力供給動作制御工程と、
    前記目標トルクから前記高効率トルクを差し引いた残余トルクを液圧モータから出力させるように前記作動液供給装置から供給される作動液の供給量を制御する作動液供給動作制御工程とを有する、作業機の駆動制御方法。
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