JP6126625B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ポンプと、当該油圧ポンプを駆動するエンジンと、当該エンジンをアシストする電動機とを備えた作業機械に関する。

建設機械及び産業機械を含む作業機械には、油圧アクチュエータに圧油を供給するための油圧ポンプと、当該油圧ポンプを駆動するためのエンジンと、当該エンジンをアシストするための電動機（または電動発電機）を備えるハイブリッド式のものがある。

ところで、エンジンアシスト用の電動機を備えない従来型の油圧ショベルでは、可変容量形の油圧ポンプの負荷が上昇すると、当該油圧ポンプの容量を小さくすることでエンジンの負荷増大を抑制することがある。しかし、このように油圧ポンプの容量を小さくすると、油圧アクチュエータ（例えば、ブームシリンダ等）へ供給される圧油の流量が減少するので、ブーム等の操作性が低下することがある。

この点に関して、特開２００９−１７４４４７号公報は、上記のようなハイブリッド式の作業機械（油圧ショベル）において、可変容量形の油圧ポンプが過負荷状態になると予測された場合に、電動機でエンジンをアシストすることで当該油圧ポンプの容量を変更することなく操作性低下の抑制を図ることを開示している。

２００９−１７４４４７号公報

しかし、上記文献の技術では、ポンプ負荷が過負荷状態になると予測された場合に電動機によるエンジンアシストを実行するので、作業機械のおかれた状況によってはエンジンアシストにより操作性の低下や電力消費量の増加が促進される可能性もある。

上記文献の技術では、ポンプ負荷が過負荷になると予測されたときには、電動機によるエンジンアシストが直ちに開始される。そのため、例えば、エンジン回転数が定格回転数よりも低く設定されている場合（例えば、燃費向上や静粛性確保の観点からエンジン回転数を自動的に低下させるオートアイドリング制御を利用した場合）にポンプ負荷が過負荷になると予測されエンジンアシストが開始されたときには、電動機のアシストだけでは負荷を支えきれず、油圧ポンプの吸収トルクを制限することが必要になり、結局操作性を低下させることがある。

また、油圧ポンプの負荷が電動機のアシストで対応できる程度であっても、アシストの必要が無くエンジンが定格で運転されているときに比べれば、電動機によるアシストに必要な分だけエネルギが多くなり電力消費量が増加する傾向がある。このため、発電が可能で電動機への電力源としてバッテリ（蓄電装置）を備えている場合には、電動機を発電機としてエンジンで駆動する必要性が増し燃料消費量が増大するおそれがある。一方、発電が不可能で作業中に充電しない場合には、電動機でエンジンアシスト可能な時間が減少してしまう。このように、上記文献の技術のように油圧ポンプの容量を保持しながら電動機によるアシストトルクを発生しても、操作性の低下や、燃費の低下（電力消費量の増加）が発生する場合がある。

本発明の目的は、操作性の低下や電力消費量の増加を状況に応じてできるだけ抑制できる作業機械を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、エンジンと、前記エンジンとの間でトルクの伝達を行う電動発電機と、前記エンジン及び前記電動発電機の少なくとも一方によって駆動される可変容量形油圧ポンプと、当該油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、前記エンジンの目標回転数と実回転数の値に基づいて、前記電動発電機による前記エンジンへのアシストトルク量を制御する電動機制御部と、前記エンジンの目標回転数と実回転数の値に基づいて、前記油圧ポンプの吸収トルク制限量を制御するポンプ制御部とを備え、前記エンジンの目標回転数と実回転数の値に基づいて前記エンジンのラグダウンと判定されたときには、前記アシストトルク量よりも前記吸収トルク制限量が大きく設定され、前記エンジンの目標回転数と実回転数の値に基づいて前記エンジンの加速と判定されたときには、前記吸収トルク制限量よりも前記アシストトルク量が大きく設定されるものとする。

本発明によれば、エンジン加速時には操作性を損なわずに目標回転数に速やかに到達でき、一方、エンジンラグダウン時には過度の電力消費を抑制しながら目標回転数に速やかに復帰できる。

本発明の実施の形態に係るハイブリッド式油圧ショベルの外観図。 本発明の実施の形態に係るハイブリッド式油圧ショベルにおけるアクチュエータ駆動制御システムの概略構成図。 本発明の実施の形態に係るレギュレータによるポンプ吸収トルクの制御特性図。 本発明の実施の形態に係る制御装置８の概略構成の一部を示した図。 本発明の実施の形態に係る制御装置８の概略構成の一部を示した図。 本実施の形態におけるアシストトルク量Ｔｍの大きさと吸収トルク制限量Ｔｐ１の大きさの大小関係を模式的に示した図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るハイブリッド式油圧ショベルの外観図である。この図に示す油圧ショベルは、ブーム１００ａ、アーム１００ｂ及びバケット１００ｃを有する多関節型の作業装置１００Ａと、上部旋回体１００ｄ及び下部走行体１００ｅを有する車体１００Ｂを備えている。

ブーム１００ａは、上部旋回体１００ｄに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（ブームシリンダ）９１により駆動される。アーム１００ｂは、ブーム１００ａに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（アームシリンダ）９２により駆動される。バケット１００ｃは、アーム１００ｂに回動可能に支持されており、油圧シリンダ（バケットシリンダ）９３により駆動される。上部旋回体１００ｄは電動機（旋回モータ）１９（図２参照）により旋回駆動され、下部走行体１００ｅは左右の走行モータ（油圧モータ）９５，９６により駆動される。油圧シリンダ９１、油圧シリンダ９２、油圧シリンダ９３及び走行モータ９５,９６は、油圧ポンプ３（図２参照）によってタンク（図示せず）から汲み上げられる圧油によって駆動される。

図２は図１に示したハイブリッド式油圧ショベルにおけるアクチュエータ駆動制御システムの概略構成図である。なお、先の図に示した部分と同じ部分には同じ符号を付して説明は適宜省略することがある（後の図についても同じ）。

この図に示すアクチュエータ駆動制御システムは、エンジン１と、エンジン１との間でトルクの伝達を行う電動発電機２と、エンジン１及び電動発電機２の少なくとも一方によって駆動される可変容量形油圧ポンプ３（以下、単に「油圧ポンプ３」と称することがある）と、油圧ポンプ３から吐出される圧油によって駆動される油圧アクチュエータ５（例えば、図１に示した油圧シリンダ９１，９２，９３、油圧モータ９５，９６）と、油圧ポンプ３の容量を調節して吸収トルクを制御するためのポンプ制御装置（ポンプ制御部）４５と、電動発電機２及び旋回モータ１９等に供給される電力が蓄えられる蓄電装置（蓄電手段）１０と、電動発電機２の制御とともに、電動発電機２と蓄電装置１０間での電力の授受を制御するためのインバータ（電力変換装置）９Ａと、旋回モータ１９の制御とともに、旋回モータ１９と蓄電装置１０間での電力の授受を制御するためのインバータ（電力変換装置）９Ｂと、油圧アクチュエータ５及び旋回モータ１９を駆動するための操作信号を操作量に基づいて出力する操作レバー（操作装置）１６と、エンジン１の燃料噴射量を調整するガバナ７と、エンジン１の実回転数を検出する回転数センサ（実回転数検出手段）６と、エンジン１の回転数制御、電動発電機２及び旋回モータ１９のトルク制御、油圧ポンプ３の容量制御、蓄電装置１０の充放電制御等を出力によって行う制御装置８とを備えている。

操作レバー１６は、パイロットポンプ３２から吐出される圧油を操作量に応じて減圧して油圧アクチュエータ５及び電動アクチュエータ（旋回モータ１９）の操作信号を生成する。油圧アクチュエータ５の操作信号としては、操作量に応じて操作レバー１６で減圧された圧油がそのまま利用され、当該圧油はバルブ装置４内の複数のコントロールバルブ（図示せず）のいずれかに出力され当該コントロールバルブを駆動する。本実施の形態では、油圧ポンプ３から吐出された圧油はバルブ装置４に供給され、当該バルブ装置４内のコントロールバルブによって圧油の流量・方向・圧力を適宜変更された後に各油圧アクチュエータ５に供給される。これにより各油圧アクチュエータ５の駆動が制御される。一方、本実施の形態の旋回モータ１９（電動アクチュエータ）の操作信号としては、操作レバー１６で減圧された圧油の圧力が利用される。当該圧油の圧力は、圧力センサ（圧力検出器）１８ａ，１８ｂによって検出されており、圧力センサ１８ａ，１８ｂの出力に基づいて旋回モータ１９が制御装置８によって制御される。

なお、図２では、簡略して１組の圧力センサ１８ａ，１８ｂのみを示したが、本実施の形態では操作レバー１６を操作可能な方向の数と同数の油路が存在しており、各油路に設置した圧力センサの検出値に基づいて操作レバー１６の操作量を検出するものとする。また、操作レバー１６の操作量を検出し、当該操作量に基づいて油圧アクチュエータ５又は旋回モータ１９を適宜制御する構成としても良い。また、圧力センサ１８ａ，１８ｂに代えて、操作レバー１６の回転変位を検出する位置センサ（例えば、ロータリーエンコーダ）を利用することで、操作レバー１６の操作方向及び操作量に応じた電気操作信号を制御装置８に直接出力する構成を採用しても良い。

エンジン１は、ガバナ７によって燃料噴射量を制御することで調速される。油圧ポンプ３には、油圧ポンプ３の負荷を演算するために必要な情報を検出する手段（ポンプ情報検出手段）として、油圧ポンプ３から吐出される圧油の圧力を計測する圧力センサ２２（圧力検出手段）と、当該圧油の流量を計測する流量センサ（流量検出手段）と、油圧ポンプ３の傾転角を計測する角度センサ（角度検出手段）とが設置されており、これら圧力センサ２２、流量センサ及び角度センサは、検出したセンサ値を制御装置８に出力している。

インバータ（電動機制御部）９Ａは、本実施の形態では主にエンジン１の目標回転数と実回転数の偏差の大きさに基づいて、電動発電機２によるエンジン１へのアシストトルク量を制御している。

ポンプ制御装置（ポンプ制御部）４５は、レギュレータ１４と電磁比例弁１５を有しており、本実施の形態では主にエンジン１の目標回転数と実回転数の偏差の大きさに基づいて油圧ポンプ３の吸収トルク制限量を制御している。レギュレータ１４は油圧ポンプ３に備えられており、レギュレータ１４によって油圧ポンプ３の斜板もしくは斜軸の傾転角を操作すると、油圧ポンプ３の容量（押しのけ容積）が変更されて油圧ポンプ３の吸収トルク（入力トルク）を制御することができる（ポンプ吸収トルク制御）。本実施の形態におけるレギュレータ１４は、電磁比例弁１５が発生する制御圧によって制御されている。電磁比例弁１５は、制御装置８から出力される信号（容積指令）に基づいて動作する。

本実施の形態に係るレギュレータ１４は、例えば、図３に示した制御特性図に従って油圧ポンプ３の容量を制御している。図３は本発明の実施の形態に係るレギュレータ１４によるポンプ吸収トルクの制御特性図である。この図に示す折れ線３１Ａは、油圧ポンプ３の吐出圧に対して設定される油圧ポンプ３の容量の特性を示しており、エンジン１と電動発電機２の合計出力の最大値（図２中の破線で示した双曲線（一定トルク線図））を超えない範囲で油圧ポンプ３のトルク（ポンプ容量とポンプ吐出圧力の積）がほぼ一定になるように設定されている。すなわち、その時々のポンプ吐出圧力に応じて折れ線３１Ａを利用して油圧ポンプ３の容量を設定すれば、エンジン１と電動発電機２による最大出力を超えないように油圧ポンプ３のトルクを制御できる。ポンプ吐出圧力がＰ１以下である時にはポンプ吸収トルク制御は実施されず、ポンプ容量はバルブ装置４の各コントロールバルブを操作するための操作レバーの操作量によって決定される（例えば、いずれかの操作レバーの操作量が最大の時にｑ１になる）。一方、ポンプ吐出圧力がＰ１〜Ｐ２になると、レギュレータ１４によるポンプ吸収トルク制御が実施され、ポンプ吐出圧の増加に伴って折れ線３１Ａに沿ってポンプ容量が減少するようにレギュレータ１４によってポンプ傾転角が操作される。これにより、ポンプ吸収トルクは、折れ線３１Ａで規定したトルク以下になるように制御される。なお、Ｐ２はポンプ吐出圧力の最大値であり、バルブ装置４において油圧ポンプ３側の回路に接続されるリリーフ弁の設定圧力に等しく、ポンプ吐出圧力はこの値以上に上昇しない。なお、ここでは、油圧ポンプの吸収トルクの制御特性図として、２つの直線を組み合わせた折れ線３１Ａを使用したが、図２中の一定トルク線図（双曲線）を超えない範囲で設定すれば他の制御特性図を利用しても良い。

制御装置８（容量演算部５３（図５））は、制御信号（電気信号）を電磁比例弁１５に出力し、電磁比例弁１５は当該操作信号に応じた制御圧力を生成することでレギュレータ１４を駆動する。これによりレギュレータ１４によって油圧ポンプ３の容量が変更され、油圧ポンプ３の吸収トルクはエンジンストールが発生しない範囲に適宜調整される。

二次電池（バッテリ）又はキャパシタ等で構成される蓄電装置１０には、蓄電装置１０の蓄電量を演算するために必要な情報を検出する手段（蓄電情報検出手段）として、電流センサ１１、電圧センサ１２及び温度センサ１３が取り付けられている。制御装置８は、これらセンサ１１，１２，１３によって検出された電流、電圧及び温度等の情報に基づいて蓄電残量演算部５４（後述）において蓄電装置１０の蓄電残量（ＳＯＣ）を演算し、蓄電装置１０の蓄電量を管理している。

制御装置８は、ハードウェア構成として、各種プログラムを実行するための演算手段としての演算処理装置（例えば、ＣＰＵ）と、当該プログラムをはじめ各種データを記憶するための記憶手段としての記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびフラッシュメモリ等の半導体メモリや、ハードディスクドライブ等の磁気記憶装置）と、当該演算処理装置及び当該記憶装置等へのデータ及び指示等の入出力制御を行うための入出力演算処理装置を備えている（いずれも図示せず）。図４及び図５は本発明の実施の形態に係る制御装置８の概略構成の一部をそれぞれ示した図であり、図４，５に示した各部ごとに上記ハードウェア構成を採用しても良いし、複数の部分を統合したものに上記ハードウェア構成を採用しても良い。

まず、制御装置８は、主にエンジン１を制御するための回路として、図４に示すような、ポンプ要求動力演算部４１と、加算器４２と、目標回転数演算部４３と、エンジン制御部（ＥＣＵ）４４を備える。

ポンプ要求動力演算部４１は、油圧ポンプ３の吐出圧と流量の積に基づいて油圧ポンプ３の要求動力を推定する処理を実行する。本実施の形態では、圧力センサ２２の検出値を利用して油圧ポンプ３の吐出圧を求めており、さらに、圧力センサ１８ａ，１８ｂの検出値から操作レバー１６のレバー操作量を求め、当該操作量から油圧ポンプ３の流量を推定している。

加算器４２は、ポンプ要求動力演算部４１から入力されたポンプ要求動力と、電動発電機２が要求する発電要求動力とを加算し、目標回転数演算部４３に出力する処理を実行する部分である。なお、発電要求動力は、エンジン１が負担すべき動力であって、蓄電装置１０の蓄電残量（充電量）が少ないとき、当該蓄電残量の減少に応じて発電量が増加するように設定されたものである。ポンプ要求動力と発電要求動力の和はエンジン１に要求される動力（必要エンジン動力）となる。なお、発電要求動力は、後述する図５中の最大モータ動力演算部５５において、蓄電残量演算部５４で算出された蓄電装置１０の蓄電残量に基づいて算出するものとしても良い。

目標回転数演算部４３は、加算器４２から入力される必要エンジン動力に基づいてエンジン１の目標回転数を算出する処理を実行する部分である。ところで、エンジン１は、燃費の観点からは、ポンプ３の駆動と発電が可能な、なるべく小さい回転数で運転するのが望ましい。一方で、ポンプ動力の小さな変動に追従してエンジン回転数を変更すると、実際の作業ではエンジン回転数が不安定になって操作性が低下する恐れがある。そこで、本実施の形態では、目標回転数は、必要エンジン動力が増加するにつれて階段状に離散的に増加するように設定されている。すなわち、所定の範囲の必要エンジン動力に対しては目標回転数は一定に設定されており、必要エンジン動力が当該範囲を超えて増加した場合に目標回転数が一段階増加することを繰り返すように設定されている。また、各階段の高さは等しく設定されているため、当該高さに相当する目標回転数の増加量（ｅ１）は一定に設定されている。さらに、目標回転数の切り替え時のハンチングを防ぐため、目標回転数のマップにヒステリシスが設けられている。すなわち、目標回転数が変化する必要エンジン動力の値は、必要エンジン動力の増加時と減少時で異なっている。

目標回転数演算部４３から出力された目標回転数は、エンジン制御部（ＥＣＵ）４４に出力される。エンジン制御部４４は、ガバナ７で燃料噴射量を適宜制御することで、実回転数が目標回転数に近づくようにエンジン１を制御する。エンジン制御部４４によるエンジン１の回転数制御の例としては、回転数センサ６から入力される実回転数と、目標回転数演算部４３から入力される目標回転数の値に基づいたフィードバック制御がある。

また、制御装置８は、油圧ポンプ３と電動発電機２を制御するための回路として、図５に示すように、減算器（回転数偏差算出器）５１と、アシストトルク演算部７０と、蓄電残量演算部５４と、最大モータ動力演算部５５と、除算器（トルク算出器）５６と、最小値選択器５７と、第１制限トルク演算部６０と、第２制限トルク演算部８０と、加算器５２と、容量演算部５３を備えている。

減算器５１には、目標回転数演算部４３から出力される目標回転数と、回転数センサ６から出力される実回転数とが入力されており、当該目標回転数から当該実回転数を減算することで回転数偏差ｅを算出する。偏差ｅは、（１）実回転数に対して目標回転数が増加した場合と、（２）目標回転数に対して実回転数が低下した場合に発生する。図４のように目標回転数演算部４３で目標回転数を決めた場合、例えば、ポンプ要求動力が増加すると、まず、実回転数に対して目標回転数が増加することによって偏差ｅが発生する（上記（１）のケース）。そして、目標回転数が最大の値になって当該偏差ｅが解消された以降に、さらにポンプ要求動力が増加すると、目標回転数に対して実回転数が低下して再び偏差ｅが発生する（上記（２）のケース）。エンジン１はどちらの偏差ｅも解消するようにトルクを発生するので、ポンプ要求動力がエンジン１の最大トルクより小さければ、偏差ｅは次第に小さくなる。

ここでは、実回転数に対して目標回転数が増加して発生した偏差ｅが解消していく状態を「加速」とし、目標回転数が最大値であるときに、エンジン負荷の増加によって目標回転数に対して実回転数が減少して発生した偏差ｅが増大していく状態を「ラグダウン（エンジンラグダウン）」とする。そして、本実施の形態では、さらに簡略化を進めて、偏差ｅの大きさが設定値Ｎ１以上のときを「加速」と判定し、他方、当該偏差ｅの大きさが設定値Ｎ１未満のときを「ラグダウン」と判定するものとする。当該判定結果は、後述する制限トルク演算部６０で算出される吸収トルク制限量Ｔｐ１の大きさと、アシストトルク演算部７０で算出されるアシストトルク量Ｔｍの大きさの大小関係（比率）に影響を与える。なお、本実施の形態では、図４のように必要エンジン動力の増加に比例して目標回転数が階段状に増加する設定を採用しているため、ラグダウンによって生じる偏差よりも階段の１段の高さを大きく設定しておけば、当該段の高さに相当する偏差を設定値Ｎ１と設定することで、「加速」と「ラグダウン」を判別することができる。そこで、以下では、設定値Ｎ１として、図４の目標回転数演算部４３の階段の１段分に相当する回転数偏差ｅ１（図４参照）を利用したこと（すなわち、「Ｎ１＝ｅ１」）を前提にして説明する。

なお、もちろん、偏差ｅのみではなく、目標回転数自体も含めて判定すれば、加速とラグダウンの判定精度を向上することも可能である。また、目標回転数を図１のような階段状ではなく連続的に設定した場合でも、目標回転数の変化と偏差ｅに基づいて「加速」と「ラグダウン」の判定は可能である。

アシストトルク演算部７０は、減算器５１から出力される回転数偏差ｅに基づいて電動発電機２によるエンジン１へのアシストトルク量Ｔｍを算出する処理を実行する部分である。第１制限トルク演算部６０は、減算器５１から出力される回転数偏差ｅに基づいて油圧ポンプ３の吸収トルク制限量Ｔｐ１を算出する処理を実行する部分である。アシストトルク量Ｔｍの大きさと吸収トルク制限量Ｔｐ１の大きさの比率は、ラグダウンによって偏差ｅが生じたと判定されたときは、吸収トルク制限量Ｔｐ１の大きさの方が大きく設定されており、加速によって偏差ｅが生じたと判定されたときは、アシストトルク量Ｔｍの大きさの方が大きく設定されている。次に、当該機能を実現するために、本実施の形態に係る制御装置８が具備した構成について説明する。

上記機能を実現するために、アシストトルク演算部７０は、偏差ｅに基づいてアシストトルクＴｍを算出するＰＩ制御部７１と、ＰＩ制御部７１から出力されたアシストトルクＴｍを電動発電機２の適正な制御の観点から補正する補正部７８とを備えている。ＰＩ制御部７１は、比例ゲイン（Ｋｐ）演算部７２と、積分ゲイン（Ｋｉ）演算部７３と、乗算器７４と、乗算器７５と、積分器７６と、加算器７７を備えている。

Ｋｐ演算部７２は、偏差ｅに基づいて比例ゲインＫｐを算出する処理を実行する部分である。Ｋｐ演算部７２では、偏差ｅが増加するにつれて、Ｋｐ演算部７２から出力される比例ゲインＫｐが単調に増加するように設定されている。Ｋｉ演算部７３は、偏差ｅに基づいて積分ゲインＫｉを算出する処理を実行する部分である。Ｋｉ演算部７３では、偏差ｅが増加するにつれて、Ｋｉ演算部７３から出力される積分ゲインＫｉが単調に増加するように設定されている。なお、ここにおける「単調増加」には、（１）偏差ｅの増加とともに積分ゲインＫｉが常に増加していく「狭義の単調増加」だけでなく、（２）偏差ｅの増加とともに、積分ゲインＫｉが所定の区間で一定に保持されながら階段状（離散的）に増加していく「広義の単調増加」も含まれるものとし（なお、「広義の単調増加」は、偏差ｅの増加とともに、積分ゲインＫｉが減少することなく増加することから「単調非減少」と呼ばれることもある。）、以下では単調減少も含めて同様に扱うものとする。

乗算器７４は、偏差ｅと積分ゲインＫｉを乗じる処理を実行する部分であり、乗算器７５は、偏差ｅと比例ゲインＫｐを乗じる処理を実行する部分であり、積分器７６は、乗算器７４の演算結果の時間変化を累積する処理を実行する部分である。加算器７７は、乗算器７５の演算結果と積分器７６の演算結果を加算する処理を実行し、当該演算結果を補正部７８に出力する。

補正部７８は、加算器７７から出力されたアシストトルクＴｍの値が負の場合に当該アシストトルクをゼロに変換して出力する部分であり、アシストトルクＴｍがゼロ以上の場合には加算器７７から出力された値をそのまま最小値選択器５７に出力する。ここで負の値をゼロに変換したのは次の理由による。すなわち、エンジン１の実回転数がオーバーシュートした場合には、アシストトルク量Ｔｍは負になることがあるが、負のアシストトルク量Ｔｍの算出は、電動発電機２を発電機として駆動するためのトルク（発電トルク）が算出されたことを意味する。しかし、本実施の形態では、蓄電装置１０の蓄電残量に基づいて発電トルクを算出しており、回転数偏差ｅに基づいた発電トルクの算出は後述するように不要だからである。

上記のように、アシストトルク演算部７０では、ＰＩ制御部７１により算出されるアシストトルクＴｍがゼロ以上の場合には、回転数偏差ｅの増加に合わせてゲイン（Ｋｐ，Ｋｉ）が単調増加するＫｐ演算部７２及びＫｉ演算部７３のマップ設定に起因して、回転数偏差ｅが増加するにつれて単調に増加するようにアシストトルクＴｍが設定される。

また、第１制限トルク演算部６０は、偏差ｅに基づいて吸収トルク制限量Ｔｐ１を算出するＰＩ制御部６１と、ＰＩ制御部６１から出力された吸収トルク制限量Ｔｐ１を油圧ポンプ３の適正な制御の観点から補正する補正部６８とを備えている。ＰＩ制御部６１は、比例ゲイン（Ｋｐ）演算部６２と、積分ゲイン（Ｋｉ）演算部６３と、乗算器６４と、乗算器６５と、積分器６６と、加算器６７を備えている。

Ｋｐ演算部６２は、偏差ｅに基づいて比例ゲインＫｐを算出する処理を実行する部分である。Ｋｐ演算部６２では、偏差ｅが増加するにつれて、Ｋｐ演算部６２から出力される比例ゲインＫｐが単調に減少するように設定されている。Ｋｉ演算部６３は、偏差ｅに基づいて積分ゲインＫｉを算出する処理を実行する部分である。Ｋｉ演算部６３では、偏差ｅが増加するにつれて、Ｋｉ演算部６３から出力される積分ゲインＫｉが単調に減少するように設定されている。

乗算器６４は、偏差ｅと積分ゲインＫｉを乗じる処理を実行する部分であり、乗算器６５は、偏差ｅと比例ゲインＫｐを乗じる処理を実行する部分であり、積分器６６は、乗算器６４の演算結果の時間変化を累積する処理を実行する部分である。加算器６７は、乗算器６５の演算結果と積分器６６の演算結果を加算する処理を実行し、当該演算結果を補正部６８に出力する。

補正部６８は、加算器６７から出力された吸収トルク制限量Ｔｐ１の値が負の場合に当該吸収トルク制限量Ｔｐ１をゼロに変換して出力する部分であり、吸収トルク制限量Ｔｐ１がゼロ以上の場合には加算器６７から出力された値をそのまま加算器５２に出力する。ここで負の値をゼロに変換したのは次の理由による。すなわち、エンジン１の実回転数がオーバーシュートした場合には、吸収トルク制限量Ｔｐ１は負になることがあるが、この場合には油圧ポンプ３の吸収トルク（ポンプ動力）の制限は不要だからである。

上記のように、第１制限トルク演算部６０では、ＰＩ制御部６１により算出される吸収トルク制限量Ｔｐ１がゼロ以上の場合には、回転数偏差ｅの増加に合わせてゲイン（Ｋｐ，Ｋｉ）が単調減少するＫｐ演算部６２及びＫｉ演算部６３におけるマップ設定に起因して、吸収トルク制限量Ｔｐ１は、回転数偏差ｅが増加するにつれて単調に減少するように設定される。

図６は本実施の形態におけるアシストトルク量Ｔｍの大きさと吸収トルク制限量Ｔｐ１の大きさの大小関係を模式的に示した図である。上記の構成を備えた本実施の形態に係る制御装置８によれば、回転数偏差ｅに応じて、アシストトルク量Ｔｍと吸収トルク制限量Ｔｐ１の比率が変化する。アシストトルク量Ｔｍは回転数偏差ｅの増加に合わせて単調に増加し、吸収トルク制限量Ｔｐ１は回転数偏差ｅの増加に合わせて単調に減少するため、図６に示すようにアシストトルク量Ｔｍと吸収トルク制限量Ｔｐ１は一点で交差する。そして、その交点は、Ｋｐ演算部６２，７２及びＫｉ演算部６３，７３におけるマップの設定によって、設定値Ｎ１（Ｎ１＝ｅ１）に一致するように構成されている。これにより、アシストトルク量Ｔｍの大きさと吸収トルク制限量Ｔｐ１の大きさの比率は、ラグダウンが生じたと判定されるｅ＜Ｎ１のときは、吸収トルク制限量Ｔｐ１の大きさの方が大きく設定され、加速が生じたと判定されるｅ≧Ｎ１のときは、アシストトルク量Ｔｍの大きさの方が大きく設定される。このとき、Ｋｐ演算部６２，７２及びＫｉ演算部６３，７３は、回転数偏差ｅの発生原因が加速にあるのか又はラグダウンにあるのかを判定するための判定部として機能する。

図５に戻り、蓄電残量演算部５４は、蓄電装置１０の蓄電残量（ＳＯＣ）を演算する処理を実行する部分である。蓄電残量を演算する方法としては、電流センサ１１、電圧センサ１２及び温度センサ１３によって検出された電流、電圧及び温度等の情報に基づいて蓄電残量を算出するものがある。

最大モータ動力演算部５５は、蓄電残量演算部５４から出力される蓄電装置１０の蓄電残量に応じて電動発電機２の最大アシスト動力（最大モータ動力）を演算する処理を実行する部分である。本実施の形態では、図５に示すように、蓄電残量が所定の値Ｓ１以上のときは電動発電機２の最大動力はゼロ以上に設定されており、蓄電残量の増加に応じてアシスト動力が大きくなるように設定されている。一方、蓄電残量がＳ１未満のときは負に設定される。電動発電機２の動力が「負」とは、電動発電機２を発電機として駆動する場合を示し、蓄電残量がＳ１未満のとき蓄電装置１０は電動発電機２の発電により充電される。最大モータ動力算出５５で算出された動力値は、除算器５６及び制限トルク演算部８０に出力される。なお、蓄電残量がＳ１未満のとき（発電時）は、最大モータ動力演算部５５によって算出される値を発電要求動力として利用しても良く、さらに当該値を図４に示した加算器４２に出力しても良い。なお、最大モータ動力演算部５５に係る図５中のグラフでは、蓄電残量がＳ１以上のときは最大モータ動力が単調増加する設定としているが、蓄電残量が所定の値Ｓ２（Ｓ２＞Ｓ１）以上のときに最大モータ動力を一定に保持する設定を利用しても良い。

除算器５６は、最大モータ動力演算部５５から出力される動力値をエンジン１の実回転数（回転数センサの出力値から演算可能）で除することで電動発電機２のトルクの最大値を算出する部分である。すなわち、除算器５６はトルク算出器として機能する。除算器５６で算出されたトルクは最小値選択器５７に出力される。

最小値選択器５７は、アシストトルク演算部７０から出力されたアシストトルク量Ｔｍと除算器５６から出力されたトルク最大値とを比較して、小さい方を電動発電機２のトルク指令値としてインバータ９Ａ（モータ制御部）に出力する。これにより、インバータ９Aは、当該トルク指令に基づいて電動発電機２を制御する。なお、蓄電装置１０の蓄電残量がＳ１未満のときは動力演算部５５の出力は負の値となり、除算器５６の出力も負の値となる。そのため、本実施の形態では、偏差ｅの存在によりアシストトルク演算部７０で正のアシストトルク量Ｔｍが出力されても、最小値選択器５７では除算器５６から出力される負の値が必ず選択されることになり、エンジンアシストよりも発電が優先されることになっている。

ところで、最大モータ動力演算部５５で算出された動力とエンジン１の最大動力の和を上回るポンプ動力が要求された場合には、油圧ポンプ３に供給する動力が不足して、ラグダウンによりエンジン１の実回転数が低下することが予測される。そこで、このようなラグダウンを防ぐために、本実施の形態では、不足する動力に対応するトルク（油圧ポンプ３の吸収トルク制限量Ｔｐ２）を油圧ポンプ３の吸収トルクから減じる制御を制限トルク演算部８０で行っている。蓄電装置１０の蓄電残量が設定値Ｓ１以上のとき、油圧ポンプ３の吸収トルク制限量Ｔｐ２は蓄電残量が減少するにつれて増加される。この処理により、エンジン１の実回転数の低下を待たずに（すなわち、ラグダウンの発生を待たずに）、蓄電装置１０の蓄電残量を参照することで、油圧ポンプ３の吸収トルクの制限量（Ｔｐ２）を増減することができる。当該機能を実現するために、制限トルク演算部８０は、蓄電残量に応じた吸収トルク制限量Ｔｐ２を算出する部分であり、加算器８１と、減算器８２と、補正部８３と、除算器８４を備えている。

加算器８１は、最大モータ動力演算部５５から出力される電動発電機２の動力とエンジン１の最大動力の和を算出する部分であり、算出結果を減算器８２に出力する。

減算器８２は、ポンプ要求動力演算部４１（図４）より出力されるポンプ要求動力から、加算器８１より出力される動力を減じる処理を実行する部分であり、その算出値を補正部８３に出力する。減算器８２の算出値が正であることは、エンジン１と電動発電機２の動力に対してポンプ要求動力が過大であることを示し、そのままではラグダウンによりエンジン１の実回転数の低下が発生することを示す。なお、最大モータ動力演算部５５から出力される電動発電機２の動力が負の場合には、当該動力（発電要求動力）は、減算器８２において、ポンプ要求動力とともにエンジン１に対する負荷として扱われる。

補正部８３では、減算器８２からの出力がゼロ以上であれば、そのままの値を除算器８４に出力する。このときの除算器８４への出力は、不足する動力に相当する。蓄電装置１０の蓄電残量が設定値Ｓ１以上のときは、蓄電残量が減少するにつれて不足動力（油圧ポンプ３の吸収トルク制限量）は増加することになる。一方、減算器８２からの出力が負の場合には、動力は不足しないことを示すので、除算器８４にはゼロを出力する。後者の場合、制限トルク演算部８０による油圧ポンプ３の吸収トルク制限は、最終的に実行されないことになる。

除算器８４は、補正部８３から出力される動力値をエンジン１の実回転数（回転数センサの出力値から演算可能）で除することで吸収トルク制限量Ｔｐ２（不足するトルク量）を算出する部分である。すなわち、除算器８４はトルク算出器として機能する。除算器８４で算出された吸収トルク制限量Ｔｐ２は加算器５２に出力される。

加算器５２は、制限トルク演算部６０から出力される吸収トルク制限量Ｔｐ１と、制限トルク演算部８０から出力される吸収トルク制限量Ｔｐ２とを加算する処理を実行し、その算出結果を容量演算部５３に出力する。したがって、加算器５２で算出された値（Ｔｐ１＋Ｔｐ２）が最終的な油圧ポンプ３の吸収トルク制限量になる。

容量演算部５３は、加算器５２から出力されるトルク制限量の合計値（Ｔｐ１＋Ｔｐ２）と、圧力センサ２２の出力から得られる油圧ポンプ３の吐出圧に基づいて、油圧ポンプ３の目標容量を算出する処理を実行する部分であり、算出した目標容量に基づいた容量指令をレギュレータ１４（電磁比例弁１５）に出力する。これにより、制限トルク演算部６０，８０の演算結果に基づいて油圧ポンプ３の容量が制御される。

上記のように構成された本実施の形態に係る作業機械によれば、エンジン１の目標回転数と実回転数の偏差ｅが生じた場合、当該偏差ｅの大きさが設定値ｅ１（Ｎ１）未満であれば、当該偏差の発生原因が「ラグダウン（エンジンラグダウン）」と判定され、制限トルク演算部６０及びアシストトルク演算部７０によって電動発電機２のアシストトルク量Ｔｍの大きさよりも油圧ポンプ３の吸収トルク制限量Ｔｐ１の大きさが大きく設定され（｜Ｔｍ｜＜｜Ｔｐ１｜）、主として油圧ポンプ３の動力が制限される。

一般的に、ラグダウン時はエンジンが最大動力で運転している状態であり、ラグダウンからの復帰に電動発電機によるアシスト動力を主として利用すると、電動発電機のアシストに必要なエネルギが多くなり電力消費量が増加する傾向がある。このため、電動発電機への電力源としてバッテリ（蓄電装置）を備えている場合には、電動発電機を発電機としてエンジンで駆動する必要性が増し燃料消費量が増大するおそれがある。一方、発電電動機による発電・充電を実施しない場合には、電動発電機でエンジンアシスト可能な時間が減少してしまう。これに対して、本実施の形態のように制御すれば、ラグダウン時には、主として油圧ポンプ３の動力が制限されるので、過度の電力消費を抑制しながら目標回転数に速やかに復帰できる。

また、エンジンの回転数偏差の大きさに応じて電動発電機のアシスト動力を決定する方法があるが、当該方法では、エンジンが最大動力又はこれに近い状態で運転している間は発電することが難しいため、作業機械の作業量が蓄電装置の充電量に極度に依存してしまう。しかし、本実施の形態によれば、ラグダウン時は、主として油圧ポンプ３の動力を制限することで対応するため、電動発電機２により連続して大きな動力でアシストする機会が制限され、蓄電装置１０の充電量が短時間で低下することが抑制される。そのため、蓄電装置１０の充電量に作業機械の作業量が極度に依存することが回避でき、安定した操作を継続することができる。

一方、上記のように構成された本実施の形態に係る作業機械によれば、エンジン１の目標回転数と実回転数の偏差ｅが生じた場合、当該偏差ｅの大きさが設定値ｅ１（Ｎ１）以上であれば、当該偏差の原因がエンジン１の「加速」と判定され、制限トルク演算部６０及びアシストトルク演算部７０によって油圧ポンプ３の吸収トルク制限量Ｔｐ１の大きさよりも電動発電機２のアシストトルク量Ｔｍの大きさが大きく設定され（｜Ｔｍ｜＞｜Ｔｐ１｜）、主として電動発電機２によるエンジンアシストが実行される。

一般的に、エンジン加速時は、油圧ポンプの要求動力が上昇すること等を理由にして、エンジンの回転数を上げて動力を引き出す場面なので、エンジン動力には余裕があることが多い。エンジンの回転数偏差の大きさに応じてポンプ動力を制限する方法があるが、当該方法では、加速時に発生した回転数偏差によりポンプ動力が過度に制限されて操作性が低下するおそれがある。これに対して、本実施の形態は、主として電動発電機２のアシスト動力によりエンジン１を加速し、油圧ポンプ３の動力制限は抑制されるので、操作性を損なわずに目標回転数に速やかに到達することができる。

したがって、本実施の形態によれば、エンジン加速時には操作性を損なわずに目標回転数に速やかに到達でき、一方、ラグダウン時には過度の電力消費を抑制しながら目標回転数に速やかに復帰できる。

また、本実施の形態では、加速とラグダウンに応じたアシストトルク量Ｔｍと吸収トルク制限量Ｔｐ１の比率の変更とともに、蓄電装置１０の蓄電状態（充電量）に応じた吸収トルク制限量Ｔｐ２の制御を制限トルク演算部８０で行っている。

一般に、蓄電装置の充電量が少ないときには、電動発電機によるアシストはできないので、ポンプ要求動力がエンジン動力を上回れば、エンジン回転数が低下してエンストに至ってしまう。この種の課題に対しては、従来のスピードセンシングのように、エンジン回転数の低下が検出されたときにポンプ動力を制限してもエンジン回転数の低下とエンジンストールを回避できる。

これに対して、本実施の形態にように蓄電装置１０の充電量に基づいて吸収トルク制限量Ｔｐ２を制御すると、エンジン回転数の低下が実際に表れるのに先立ってポンプ動力が制限されるので、エンジン回転数の低下とエンジンストールを防止できるだけでなく、エンジン回転数の低下に伴う動力低下及び回転数変動による操作性の悪化を抑止することもできる。特に、二次電池（蓄電装置）の充電量が非常に少なく当該二次電池の保護のために電動発電機による発電が必要な場合には、油圧アクチュエータのみを備える従来型の油圧作業機械と比較してエンジンの負荷が大きくなるが、本実施の形態によれば速やかなポンプ動力の制限が可能なので、上記効果は顕著となる。

なお、上記の実施の形態では、「制限トルク演算部６０及びアシストトルク演算部７０によるアシストトルク量Ｔｍと吸収トルク制限量Ｔｐ１の比率の変更」と、「制限トルク演算部８０による吸収トルク制限量Ｔｐ２の変更」の双方を行う場合について説明したが、「制限トルク演算部６０及びアシストトルク演算部７０」と「制限トルク演算部８０」の双方のうちいずれか一方を備えることでも上記各効果は発揮されるため、両者のうちいずれか一方は適宜省略可能である。

また、本実施の形態では、回転数偏差ｅのみに基づいてラグダウンか加速かを判定したが、エンジン１の目標回転数及び実回転数の変化等も含めて監視することで、回転数偏差ｅの発生原因がラグダウンか加速かを精度良く判定し、当該判定結果に基づいて上記のような制御を行っても良い。

また、上記の実施の形態では、作業機械としてハイブリッド式油圧ショベルの場合について説明したが、エンジンに機械的に接続された可変容量形油圧ポンプ及び電動発電機を備えるものであれば、油圧ショベル以外の作業機械にも適用可能である。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

また、上記の制御装置８に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該制御装置の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。

また、上記の各実施の形態の説明では、制御線や情報線は、当該実施の形態の説明に必要であると解されるものを示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。

１…エンジン、２…電動発電機、３…可変容量形油圧ポンプ、５…油圧アクチュエータ、８…制御装置、９Ａ，９Ｂ…インバータ、１４…レギュレータ、１６…操作レバー、１８ａ，１８ｂ…圧力センサ、１９…電動機（旋回モータ）、２２…圧力センサ、３２…パイロットポンプ、４１…ポンプ要求動力演算部、４３…目標回転数演算部、５３…容量演算部、５４…蓄電残量演算部、５５…最大モータ動力演算部、５７…最小値選択器、６０…第１制限トルク演算部、７０…アシストトルク演算部、８０…第２制限トルク演算部、９１，９２，９３…油圧シリンダ、９５，９６…油圧モータ、１００ａ…ブーム、１００ｂ…アーム、１００ｃ…バケット（アタッチメント）、１００ｄ…上部旋回体、１００ｅ…下部走行体

Claims (4)

1. エンジンと、
   前記エンジンとの間でトルクの伝達を行う電動発電機と、
   前記エンジン及び前記電動発電機の少なくとも一方によって駆動される可変容量形油圧ポンプと、
   当該油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、
   前記エンジンの目標回転数と実回転数の値に基づいて、前記電動発電機による前記エンジンへのアシストトルク量を制御する電動機制御部と、
   前記エンジンの目標回転数と実回転数の値に基づいて、前記油圧ポンプの吸収トルク制限量を制御するポンプ制御部とを備え、
   前記エンジンの目標回転数と実回転数の値に基づいて前記エンジンのラグダウンと判定されたときには、前記アシストトルク量よりも前記吸収トルク制限量が大きく設定され、
   前記エンジンの目標回転数と実回転数の値に基づいて前記エンジンの加速と判定されたときには、前記吸収トルク制限量よりも前記アシストトルク量が大きく設定されることを特徴とする作業機械。
2. 請求項１に記載の作業機械において、
   前記エンジンの目標回転数と実回転数の偏差の大きさが設定値Ｎ１以上のときを前記エンジンの加速と判定し、前記偏差の大きさが前記設定値Ｎ１未満のときを前記エンジンのラグダウンと判定する判定部をさらに備え、
   前記電動機制御部及び前記ポンプ制御部は、前記判定部の判定結果に基づいて前記アシストトルク量及び前記吸収トルク制限量を制限することを特徴とする作業機械。
3. 請求項２に記載の作業機械において、
   前記電動発電機に供給される電力が蓄えられる蓄電装置をさらに備え、
   前記ポンプ制御部は、前記蓄電装置の蓄電残量が設定値Ｓ１以上のとき、当該蓄電残量が減少するにつれて前記吸収トルク制限量を増加することを特徴とする作業機械。
4. 請求項２又は３に記載の作業機械において、
   前記エンジンの目標回転数は、前記油圧ポンプの要求動力と前記電動発電機の発電要求動力の合計が増加するにつれて階段状に離散的に増加するように設定されており、
   その階段の各段の高さに相当する前記エンジンの目標回転数の増加量は一定値であり、
   当該一定値と前記設定値Ｎ１は一致することを特徴とする作業機械。

Images