JP6406832B2 - 建設機械の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンと電動機により油圧ポンプを駆動し、油圧により作業を行う建設機械の制御装置に関する。

従来、ハイブリッド建設機械において、できるだけ簡単な構成で、電動・発電機によりエンジンのアシスト作動や発電作動を行わせ、エンジンを目標とする運転状態に正確に制御するものが知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の建設機械では、コントローラにおいて、設定回転速度の最適トルクに対応したエンジン回転速度を目標回転速度として求め、エンジンの負荷トルクが大きくエンジン回転速度が目標回転速度よりも低いときは、偏差に応じて電動・発電機を電動機として作動させトルクアシストを行う。特許文献１に記載の建設機械では、エンジンの負荷トルクが小さくエンジン回転速度が目標回転速度よりも高いときは、偏差に応じて電動・発電機を発電機として作動させ、蓄電装置を充電する。

油圧負荷が急激に増加したときでも、エンジンの運転条件を適正に維持しながら、油圧負荷の増加に応じて油圧ポンプに供給される動力を増加させるように制御する建設機械が知られている（特許文献２参照）。特許文献２に記載の建設機械では、エンジンにより油圧ポンプを駆動して作業を行うとともに、エンジンの出力の増加率を所定値に設定する。特許文献２に記載の建設機械では、増加率の所定値から求められるエンジンの出力上限値と、油圧ポンプに要求される油圧出力から求められた要求動力とを比較し、要求動力が出力上限値を超えたときに、エンジンの出力が出力上限値以下になるように制御している。

特開２００３−２８０７１号公報 特開２００９−２１６０５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の建設機械では、油圧負荷が急変したときの過渡状態に関しては考慮されておらず、エンジンの出力トルクの時間変化率が大きくなる状況が避けられない。特許文献１に記載の建設機械では、油圧負荷が急激に増加すると、エンジントルクが急激に増加することで、エンジンに過剰な負荷がかかり、エンジンの回転速度が意図せずに低下するおそれがある。

特許文献２には、油圧負荷要求出力がエンジン出力上限値を超えた部分の出力を電動機の出力で補う構成が開示されている。つまり、特許文献２に記載の建設機械では、電動機を制御するために油圧負荷要求出力が必要となる。しかしながら、建設機械の場合にはフロント作業装置にかかる負荷を特定することが難しいこと、作動油の流量を詳細に検出することが難しいなど、油圧負荷要求出力を正確に検出あるいは推定することが難しい。さらに、特許文献２に記載の建設機械では、エンジンの状態をフィードバックすることなく電動機を制御しているため、要求出力に対する誤差によりエンジンの出力トルクの時間変化率を正確に制御することが難しい。このため、特許文献２に記載の建設機械においても、特許文献１と同様、油圧負荷が急激に増加したときに、エンジンに過剰な負荷がかかり、エンジンの回転速度が意図せずに低下するおそれがある。

請求項１に記載の建設機械の制御装置は、エンジンおよび前記エンジンと機械的に結合された電動機により、油圧ポンプを駆動して作業を行う建設機械の制御装置であって、前記制御装置は、前記エンジンの回転速度の制御を行うエンジンコントローラと、前記電動機の回転速度の制御を行う電動機コントローラと、前記エンジンコントローラ及び前記電動機コントローラとは独立して設けられたメインコントローラとを備え、前記エンジンコントローラは、速度指令部から出力される第１の速度指令から前記エンジンのトルク指令を求め、そのトルク指令に基づいて前記エンジンの速度制御を行うエンジン速度制御部を有し、前記電動機コントローラは、前記速度指令部から出力される第２の速度指令から前記電動機のトルク指令を求め、そのトルク指令から前記電動機の速度制御を行う電動機速度制御部を有し、前記メインコントローラは、前記電動機に電力を供給する蓄電装置の充電量と外部から入力された前記蓄電装置の充電量指令値とから電動機トルク目標値を求める充電量制御部と、前記エンジンのトルク指令と前記電動機のトルク指令とを加算した値から前記電動機トルク目標値を減算して前記エンジンの第１のトルク目標を求めるトルク目標設定部と、前記トルク目標設定部で求められた前記エンジンの第１のトルク目標の時間変化率を制限して第２のトルク目標を出力するトルク制限部と、前記エンジンのトルク指令が前記第２のトルク目標に一致するように前記第１の速度指令を補正する補正部とを備える。
請求項２に記載の建設機械の制御装置は、請求項１に記載の建設機械の制御装置において、電動機速度制御部の応答性を、エンジン速度制御部の応答性よりも速くした。
また、好ましい建設機械の制御装置は、請求項１または２に記載の建設機械の制御装置において、補正部は、トルク制限部から出力されるエンジンのトルク目標とエンジン速度制御部から出力されるエンジンのトルク指令との偏差に基づいて、エンジン速度制御部から出力されるエンジンのトルク指令をエンジンのトルク目標に一致させるための速度補正量を演算し、速度補正量を速度指令部から出力される速度指令に加算することで、エンジン速度制御部に入力される速度指令を補正する。

本発明によれば、油圧負荷が急激に変化した場合にエンジントルクの時間変化率を制限して、エンジンにかかる負荷を抑制することができる。

本実施の形態に係る油圧ショベルの側面図。 本実施の形態に係る油圧ショベルの構成を示す図。 本実施の形態に係る制御装置の動作を示すタイミングチャート。

以下、図面を参照して、本発明に係る建設機械の制御装置の一実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る制御装置を搭載した建設機械の一例としての油圧ショベルの側面図である。油圧ショベルでは、各種アクチュエータが油圧ポンプによって駆動されて、様々な作業が行われる。

油圧ショベルは、走行体１ｅと、走行体１ｅ上に旋回機構１ｄを介して旋回可能に搭載された旋回体（本体フレーム）１ｇとを有する。走行体１ｅには走行用の油圧モータ（以下、走行モータ３ｅと記す）が搭載され、走行モータ３ｅの駆動により走行体１ｅが走行する。なお、走行体１ｅおよび走行モータ３ｅは、車体の反対側にも設けられており、この一対の走行モータ３ｅ，３ｅは、それぞれ、独立して駆動される。

旋回体１ｇには、操作者が搭乗する運転室１ｆおよび多関節型のフロント作業装置が設けられている。フロント作業装置は、ブーム１ａ、アーム１ｂおよびバケット１ｃを含んで構成される。ブーム１ａは、基端部が旋回体１ｇの前部に回動可能に取り付けられている。アーム１ｂは、その一端がブーム１ａの先端に回動可能に取り付けられている。ブーム１ａおよびアーム１ｂは、ブームシリンダ３ａおよびアームシリンダ３ｂによってそれぞれ駆動されて起伏する。バケット１ｃは、アーム１ｂの先端において、アーム１ｂに対して上下方向に回動可能に取り付けられ、バケットシリンダ３ｃによって駆動される。

旋回体１ｇには、内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、エンジンと記す）や電動機、油圧発生機である油圧ポンプやコントロールバルブなどの油圧機器が搭載されている。運転室１ｆには、エンジンの回転速度を設定するための回転速度設定ダイヤルやフロント作業装置用の操作部材、走行用の操作部材、旋回用の操作部材等、各種操作部材や表示装置が配設されている。

図２は、本実施の形態に係る油圧ショベルの構成を示す図である。エンジン１０１と電動機１０２とは機械的に結合されており、同じ回転速度で回転する。油圧ポンプ１０３は、電動機１０２に機械的に結合され、エンジン１０１および電動機１０２によって駆動されて電動機１０２と同じ回転速度で回転し、作動油を吐出する。つまり、エンジン１０１、電動機１０２および油圧ポンプ１０３は、同じ回転速度で回転する。

油圧ポンプ１０３から送出される作動油は、操作者による各種操作部材に対する操作に基づきコントロールバルブユニット１０４で分配され、ブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回機構１ｄを駆動する旋回用の旋回モータ３ｄ、および、左側および右側の走行モータ３ｅ，３ｅに供給され、各アクチュエータ３ａ〜３ｅが駆動される。

電力変換器１１０は、充放電可能な蓄電装置１１１からの直流電力を交流電力に変換して電動機１０２に出力する、または、電動機１０２からの交流電力を直流電力に変換して蓄電装置１１１に出力する。蓄電装置１１１は、電動機１０２に電力を供給する電力源であり、キャパシタや二次電池等の蓄電素子を複数備えている。

電動機１０２は、たとえば永久磁石内蔵型の三相同期電動機であり、電力変換器１１０で変換された三相交流電力により駆動されて回転トルクを発生する。また、電動機１０２は、エンジン１０１により駆動され、三相交流電力を発生する発電機としても機能する。電動機１０２が発電機として動作すると、電動機１０２から出力された交流電力が電力変換器１１０で直流電力に変換され、電力変換器１１０で変換された直流電力により蓄電装置１１１が充電される。

本実施の形態の制御装置は、メインコントローラ１００ａと、エンジンコントローラ１００ｂと、電動機コントローラ１００ｃとを含んで構成される。各コントローラ１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、ＣＰＵや記憶装置であるＲＯＭおよびＲＡＭ、その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成されている。メインコントローラ１００ａは、充電量制御器１１７と、トルク制限器１１９と、エンジントルク制御器１２１と、加算器１１３と、減算器１１６，１２０と、加減算器１１８とを備える。エンジンコントローラ１００ｂは、燃料噴射制御部１２４と、エンジン速度制御器１１５と、減算器１１４とを備える。電動機コントローラ１００ｃは、電動機速度制御器１２３と減算器１２２とを備える。

エンジンコントローラ１００ｂには、エンジン１０１の実回転速度（以下、エンジン回転速度Ｎｅと記す）を検出するエンジン速度検出器１０１ａが接続され、エンジン速度検出器１０１ａで検出されたエンジン回転速度Ｎｅに対応する信号が入力される。電動機コントローラ１００ｃには、電動機１０２の実回転速度（以下、電動機回転速度Ｎｍと記す）を検出する電動機速度検出器１０２ａが接続され、電動機速度検出器１０２ａで検出された電動機回転速度Ｎｍに対応する信号が入力される。メインコントローラ１００ａには、蓄電装置１１１の充電量Ｑを検出する充電量検出器１１１ａが接続され、充電量検出器１１１ａで検出された充電量Ｑに対応する信号が入力される。メインコントローラ１００ａには、回転速度設定ダイヤル１３０が接続され、操作者によって設定された回転速度に対応する回転速度指令値Ｎ＊が入力される。

加算器１１３は、回転速度設定ダイヤル１３０から出力される回転速度指令値Ｎ＊と、エンジントルク制御器１２１から出力される速度指令補正量ΔＮとを加算し、エンジン回転速度指令値Ｎｅ＊を求め、減算器１１４へ出力する。

減算器１１４は、エンジン回転速度指令値Ｎｅ＊からエンジン速度検出器１０１ａで検出されたエンジン回転速度Ｎｅを減算し、Ｎｅ＊とＮｅとの偏差ΔＮｅを求め、エンジン速度制御器１１５に出力する。

エンジン速度制御器１１５は、エンジン回転速度指令値Ｎｅ＊とエンジン回転速度Ｎｅの偏差ΔＮｅに基づき、偏差ΔＮｅが０となるように、すなわちエンジン回転速度Ｎｅがエンジン回転速度指令値Ｎｅ＊に一致するようにエンジントルク指令値Ｔ１＊を求め、燃料噴射制御部１２４に出力する。エンジントルク指令値Ｔ１＊は、加減算器１１８および減算器１２０にも出力される。なお、エンジン速度制御器１１５は、積分補償器（不図示）を備えており、エンジン回転速度指令値Ｎｅ＊とエンジン回転速度Ｎｅの定常的な偏差を０にすることができる。

燃料噴射制御部１２４は、エンジン１０１の出力トルク（以下、エンジントルクとも記す）がエンジントルク指令値Ｔ１＊に一致するように燃料噴射量等を決定し、燃料噴射装置（不図示）を制御する。

減算器１２２は、回転速度設定ダイヤル１３０から出力される回転速度指令値Ｎ＊から電動機速度検出器１０２ａで検出された電動機回転速度Ｎｍを減算し、Ｎ＊とＮｍとの偏差ΔＮｍを求め、電動機速度制御器１２３に出力する。

電動機速度制御器１２３は、回転速度指令値Ｎ＊と電動機回転速度Ｎｍの偏差ΔＮｍに基づき、偏差ΔＮｍが０となるように、すなわち電動機回転速度Ｎｍが回転速度指令値Ｎ＊に一致するように電動機トルク指令値Ｔ２＊を求め、電力変換器１１０に出力する。電動機トルク指令値Ｔ２＊は、加減算器１１８にも出力される。なお、電動機速度制御器１２３は、積分補償器（不図示）を備えており、回転速度指令値Ｎ＊と電動機回転速度Ｎｍの定常的な偏差を０にすることができる。

電力変換器１１０は、電動機１０２の出力トルク（以下、電動機トルクとも記す）が電動機トルク指令値Ｔ２＊に一致するように電動機１０２を制御する。たとえば、電力変換器１１０は、直流電力を三相交流電力に変換するための複数のスイッチング素子と、これらのスイッチング素子の開閉をＰＷＭ制御して、電動機１０２に流れる電流が、電動機トルク指令値Ｔ２＊に対応する電流指令と一致するように制御する制御部を有している。電力変換器１１０の制御部は、スイッチング素子を制御して、蓄電装置１１１から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、電動機１０２を駆動する。また、電動機１０２が発電機として動作しているときには、制御部はスイッチング素子を制御して、電動機１０２から出力される三相交流電力を直流電力に変換して、蓄電装置１１１を充電する。

電動機コントローラ１００ｃに実装される電動機速度制御器１２３の応答性は、エンジンコントローラ１００ｂに実装されるエンジン速度制御器１１５の応答性よりも十分に速い設定とされている。

減算器１１６は、図示しないバッテリーコントローラからの充電量指令値Ｑ＊から充電量検出器１１１ａで検出された充電量Ｑを減算し、Ｑ＊とＱとの偏差ΔＱを求め、充電量制御器１１７に出力する。たとえば、充電量指令値Ｑ＊は、８０％充電量に相当する一定値である。

充電量制御器１１７は、充電量指令値Ｑ＊と充電量Ｑの偏差ΔＱに基づき、偏差ΔＱが０となるように、すなわち充電量Ｑが充電量指令値Ｑ＊に一致するように電動機トルク目標値Ｔ３＊を求め、加減算器１１８に出力する。

加減算器１１８は、エンジントルク指令値Ｔ１＊と電動機トルク指令値Ｔ２＊の和から電動機トルク目標値Ｔ３＊を減算し、第１エンジントルク目標値Ｔ４＊を求め、トルク制限器１１９に出力する。

トルク制限器１１９は、第１エンジントルク目標値Ｔ４＊の時間変化率が予め記憶装置に記憶された閾値αよりも大きいとき、第１エンジントルク目標値Ｔ４＊に対して時間変化率を制限した第２エンジントルク目標値Ｔ５＊を求め、減算器１２０に出力する。換言すれば、第２エンジントルク目標値Ｔ５＊の時間変化率は、閾値αよりも大きくならないように制限される。

減算器１２０は、第２エンジントルク目標値Ｔ５＊からエンジントルク指令値Ｔ１＊を減算し、Ｔ５＊とＴ１＊との偏差ΔＴｅを求め、エンジントルク制御器１２１に出力する。

エンジントルク制御器１２１は、第２エンジントルク目標値Ｔ５＊とエンジントルク指令値Ｔ１＊との偏差ΔＴｅに基づき、偏差ΔＴｅが０となるように、すなわちエンジントルク指令値Ｔ１＊を第２エンジントルク目標値Ｔ５＊に一致させるための速度指令補正量ΔＮを演算し、加算器１１３に出力する。

加算器１１３は、上述したように、速度指令補正量ΔＮを回転速度指令値Ｎ＊に加算したものをエンジン回転速度指令値Ｎｅ＊として減算器１１４へ出力する。このように、本実施の形態では、減算器１２０、エンジントルク制御器１２１および加算器１１３は、第２エンジントルク目標値Ｔ５＊とエンジントルク指令値Ｔ１＊とに基づいて、回転速度指令値Ｎ＊を補正する補正部として機能している。

図３を参照して、本実施の形態による制御装置の動作について説明する。図３は、本実施の形態に係る制御装置の動作を示すタイミングチャートである。なお、エンジン１０１と電動機１０２は機械的に結合されており、エンジン回転速度Ｎｅと電動機回転速度Ｎｍとは一致するため、以下ではエンジン回転速度Ｎｅと電動機回転速度Ｎｍとを区別することなく、エンジン回転速度Ｎｅおよび電動機回転速度Ｎｍに代えて回転速度Ｎを用いて説明する（Ｎ＝Ｎｅ＝Ｎｍ）。

図３の横軸は、経過時間を示している。図３（ａ）の縦軸は油圧ポンプ１０３の入力トルク（以下、ポンプトルクとも記す）を示し、図３（ｂ）の縦軸は電動機トルク目標値Ｔ３＊を示し、図３（ｃ）の縦軸は回転速度Ｎを示し、図３（ｄ）の縦軸はエンジン回転速度指令値Ｎｅ＊を示している。図３（ｅ）の縦軸は電動機トルク指令値Ｔ２＊を示し、図３（ｆ）の縦軸はエンジントルク指令値Ｔ１＊を示し、図３（ｇ）の縦軸は第１エンジントルク目標値Ｔ４＊を示し、図３（ｈ）は第２エンジントルク目標値Ｔ５＊を示している。

図３では、回転速度Ｎが回転速度指令値Ｎ＊とされているときに、時刻ｔ１において、操作者の操作によりポンプトルク、すなわち油圧負荷が急激に増加した場合の制御装置の動作を示している。ポンプトルクが急激に増加する作業としては、たとえば、ブーム１ａ、アーム１ｂおよびバケット１ｃを操作して、ブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂおよびバケットシリンダ３ｃを複合的に駆動する掘削作業などがある。その他、旋回モータ３ｄを駆動した場合や、走行モータ３ｅを駆動した場合において、ポンプトルクが急激に増加する場合もある。
また、図３では、時刻ｔ４において、蓄電装置１１１を充電するため、充電量制御器１１７が電動機トルク目標値Ｔ３＊の出力を開始した場合の制御装置の動作を示している。

時刻ｔ１〜ｔ４までのタイミングチャートを参照して、操作者の操作によりポンプトルクが増加した場合の制御装置の動作について説明する。なお、説明の便宜上、電動機トルク目標値Ｔ３＊は０であるとして説明する。
図３（ａ）に示すように時刻ｔ１でポンプトルクが増加すると、図３（ｃ）に示すように回転速度Ｎがわずかに減少し、回転速度Ｎと回転速度指令値Ｎ＊との間に偏差ΔＮ（＝ΔＮｍ＝ΔＮｅ）が生じる。これにより、図３（ｅ）に示すように電動機速度制御器１２３が出力する電動機トルク指令値Ｔ２＊が増加し、電動機１０２の出力トルクが増加する。エンジン速度制御器１１５は、電動機速度制御器１２３に比べて応答が遅いため、図３（ｆ）に示すようにエンジン速度制御器１１５が出力するエンジントルク指令値Ｔ１＊の増加はほとんどない。

電動機１０２の出力トルクが増加することにより、図３（ｃ）に示すように回転速度Ｎは増加をはじめ、時刻ｔ２で回転速度Ｎが回転速度指令値Ｎ＊まで回復する。すなわち、ポンプトルクが変動した場合においても、電動機速度制御器１２３により電動機１０２の出力トルクが制御され、回転速度Ｎは一定に保たれる。

図３（ｅ）に示すように時刻ｔ１から電動機トルク指令値Ｔ２＊が増加すると、図３（ｇ）に示すように加減算器１１８から出力される第１エンジントルク目標値Ｔ４＊が増加する。第１エンジントルク目標値Ｔ４＊の時間変化率が閾値αよりも大きいため、第１エンジントルク目標値Ｔ４＊は、トルク制限器１１９により時間変化率が閾値αよりも大きくならないように制限され、図３（ｈ）に示すように第２エンジントルク目標値Ｔ５＊として減算器１２０に出力される。換言すれば、トルク制限器１１９は、第１エンジントルク目標値Ｔ４＊に基づいて、閾値αよりも時間変化率が大きくならないように制限された第２エンジントルク目標値Ｔ５＊を減算器１２０に出力する。本実施の形態では、第２エンジントルク目標値Ｔ５＊は、時間の経過にしたがって直線的に徐々に増加する。

図３（ｈ）に示すように第２エンジントルク目標値Ｔ５＊が増加すると、減算器１２０から出力される偏差ΔＴｅ（＝Ｔ５＊−Ｔ１＊）が増加し、エンジントルク制御器１２１から出力される速度指令補正量ΔＮが増加する。速度指令補正量ΔＮが増加すると、図３（ｄ）に示すように、加算器１１３から出力されるエンジン回転速度指令値Ｎｅ＊が増加する。つまり、エンジン回転速度指令値Ｎｅ＊は、回転速度指令値Ｎ＊よりも大きくなる。

上述したように、回転速度Ｎは電動機速度制御器１２３により回転速度指令値Ｎ＊に一致するように制御されている。このため、増加するエンジン回転速度指令値Ｎｅ＊と、回転速度Ｎとの偏差ΔＮｅが増加し、図３（ｆ）に示すように、エンジン速度制御器１１５から出力されるエンジントルク指令値Ｔ１＊が増加し、エンジントルクが増加する。

エンジントルク制御器１２１により、エンジントルク指令値Ｔ１＊は時間変化率が制限された第２エンジントルク目標値Ｔ５＊に一致するように制御されるため、エンジントルク指令値Ｔ１＊およびエンジントルクの時間変化率も制限される。つまり、本実施の形態では、ポンプトルクが急激に変化する場合に、エンジントルクの時間変化率を制限して、エンジン１０１にかかる負荷を抑制し、かつ、電動機１０２によって回転速度Ｎを一定に制御することができる。

なお、図示しないがエンジントルク指令値Ｔ１＊が第２エンジントルク目標値Ｔ５＊を超えるほど過剰に増加した場合、減算器１２０から出力される偏差ΔＴｅが減少する。これにより、速度指令補正量ΔＮ、エンジン回転速度指令値Ｎｅ＊、および減算器１１４から出力される偏差ΔＮｅが減少するため、エンジントルク指令値Ｔ１＊の増加は抑制される。

このように、本実施の形態では、速度指令補正量ΔＮによりエンジン速度制御器１１５に入力される偏差ΔＮｅを制御することで、エンジントルク指令値Ｔ１＊が第２エンジントルク目標値Ｔ５＊に一致するように制御している。

図３（ｃ）に示すように時刻ｔ２で回転速度Ｎが回転速度指令値Ｎ＊に復帰した後も、図３（ｈ）に示すように第２エンジントルク目標値Ｔ５＊が増加するため、図３（ｆ）に示すようにエンジントルク指令値Ｔ１＊が増加し、エンジントルクが増加する。

エンジントルクの増加により、回転速度Ｎが回転速度指令値Ｎ＊を超えて増加することになるが、減算器１２２が出力する偏差ΔＮｍが増加し、図３（ｅ）に示すように、電動機速度制御器１２３が出力する電動機トルク指令値Ｔ２＊が減少し、電動機トルクが減少するので、結果として回転速度Ｎはほぼ一定に制御される。つまり、エンジントルクが増加すると、エンジントルクの増加に合わせて電動機トルクが減少する。このように、本実施の形態では、回転速度Ｎを一定に制御するため、電動機トルクとエンジントルクの合計がポンプトルクとバランスするように電動機トルクが制御される。

減算器１２０から出力される偏差ΔＴｅは式（１）により表され、加減算器１１８から出力される第１エンジントルク目標値Ｔ４＊は式（２）により表される。
ΔＴｅ＝Ｔ５＊−Ｔ１＊ ・・・（１）
Ｔ４＊＝Ｔ１＊＋Ｔ２＊−Ｔ３＊ ・・・（２）

このため、時刻ｔ３で第２エンジントルク目標値Ｔ５＊が第１エンジントルク目標値Ｔ４＊に一致すると、減算器１２０の出力は、電動機トルク目標値Ｔ３＊と電動機トルク指令値Ｔ２＊の偏差になる。つまり、Ｔ５＊＝Ｔ４＊として式（１）に式（２）を代入することで、ΔＴｅは式（３）により表される。
ΔＴｅ＝Ｔ２＊−Ｔ３＊ ・・・（３）

したがって、時刻ｔ３を経過すると、エンジントルク制御器１２１は、電動機トルク指令値Ｔ２＊が電動機トルク目標値Ｔ３＊と一致するように速度指令補正量ΔＮを制御することになる。具体的には、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ３において、電動機トルク目標値Ｔ３＊が０であるのに対して、図３（ｅ）に示すように、電動機トルク指令値Ｔ２＊はわずかに負の値であるため、減算器１２０から出力される偏差ΔＴｅは負の値となり、速度指令補正量ΔＮが減少する。速度指令補正量ΔＮが減少すると、図３（ｄ）に示すように、エンジン回転速度指令値Ｎｅ＊が減少し、図３（ｆ）に示すように、エンジントルク指令値Ｔ１＊が減少し、エンジントルクが減少する。

電動機速度制御器１２３は、エンジントルクの減少に伴う回転速度Ｎの減少を抑制するために電動機トルク指令値Ｔ２＊を増加させる。時刻ｔ４では、エンジントルクとポンプトルクとがバランスし、電動機トルクは０となり、回転速度Ｎは回転速度指令値Ｎ＊に制御される。

なお、時刻ｔ３において、電動機トルク指令値Ｔ２＊がわずかに負の値となる理由は以下のとおりである。時刻ｔ３では、エンジン回転速度指令値Ｎｅ＊が回転速度Ｎよりも高いため、エンジントルク指令値Ｔ１＊がわずかに上昇する。その結果、回転速度Ｎがわずかに上昇し、電動機トルク指令値Ｔ２＊はわずかに低下して負の値となる。

このように、本実施の形態に係る制御装置は、第２エンジントルク目標値Ｔ５＊の時間変化率が制限されているとき（時刻ｔ１から時刻ｔ３まで）には、エンジントルク指令値Ｔ１＊が第２エンジントルク目標値Ｔ５＊に一致するように制御を行う。一方、制御装置は、第２エンジントルク目標値Ｔ５＊の時間変化率が制限されていないとき（時刻ｔ３以降）には、電動機トルク指令値Ｔ２＊が電動機トルク目標値Ｔ３＊と一致するように制御を行う。

時刻ｔ４以降のタイミングチャートを参照して、電動機１０２が発電機として動作を開始した場合の制御装置の動作について説明する。
電動機１０２が蓄電装置１１１から供給される電力によって駆動されると、蓄電装置１１１の充電量Ｑが低下し、バッテリーコントローラ（不図示）から出力される充電量指令値Ｑ＊と充電量Ｑの偏差ΔＱが増加する。

時刻ｔ４において、充電量制御器１１７は、蓄電装置１１１を充電するために、偏差ΔＱに基づいて電動機トルク目標値Ｔ３＊を出力する。電動機トルク目標値Ｔ３＊は、電動機１０２を発電動作させるため、負の値である。図３（ｂ）に示すように、電動機トルク目標値Ｔ３＊が時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて徐々に減少すると、すなわち負の値である電動機トルク目標値Ｔ３＊の絶対値が増加すると、図３（ｇ）に示すように、加減算器１１８から出力される第１エンジントルク目標値Ｔ４＊が増加する。

ここで、図３（ｇ）に示すように、第１エンジントルク目標値Ｔ４＊の時間変化率は、記憶装置に記憶された閾値αよりも小さいため、トルク制限器１１９で第１エンジントルク目標値Ｔ４＊の時間変化率が制限されることはない。すなわち、トルク制限器１１９から出力される第２エンジントルク目標値Ｔ５＊は、図３（ｈ）に示すように、第１エンジントルク目標値Ｔ４＊と同じ時間変化率で増加する。つまり、式（１）および式（３）で表されるように、制御装置は、電動機トルク指令値Ｔ２＊が電動機トルク目標値Ｔ３＊と一致するように、かつ、エンジントルク指令値Ｔ１＊が第２エンジントルク目標値Ｔ５＊と一致するように制御を行う。

図３（ｈ）に示すように第２エンジントルク目標値Ｔ５＊が増加すると、この第２エンジントルク目標値Ｔ５＊と減算器１２０から出力されるエンジントルク指令値Ｔ１＊（図３（ｆ）参照）との偏差ΔＴｅが増加し、エンジントルク制御器１２１から出力される速度指令補正量ΔＮが増加する。速度指令補正量ΔＮが増加すると、図３（ｄ）に示すように加算器１１３から出力されるエンジン回転速度指令値Ｎｅ＊が増加する。

回転速度Ｎは電動機速度制御器１２３により回転速度指令値Ｎ＊に一致するように制御されている。このため、増加するエンジン回転速度指令値Ｎｅ＊と、回転速度Ｎとの偏差ΔＮｅが増加し、図３（ｆ）に示すように、エンジン速度制御器１１５から出力されるエンジントルク指令値Ｔ１＊が増加し、エンジントルクが増加する。

エンジントルクの増加による回転速度Ｎの増加を抑制するため、図３（ｅ）に示すように電動機速度制御器１２３は電動機トルク指令値Ｔ２＊を減少させ、すなわち負の値の電動機トルク指令値Ｔ２＊の絶対値を増加させる。電動機１０２が発電機として動作している状態では、エンジン１０１が油圧ポンプ１０３を駆動するとともに、電動機１０２も駆動している。

電動機１０２がエンジン１０１の動力により発電を行う発電機として動作すると、電力変換器１１０を介して蓄電装置１１１が充電され、充電量Ｑが充電量指令値Ｑ＊に向かって増加する。図示しないが、充電量Ｑが充電量指令値Ｑ＊にほぼ一致すると、電動機トルクは０となり、エンジントルクはポンプトルクとバランスし、回転速度Ｎは回転速度指令値Ｎ＊に制御される。

なお、上述の制御装置の動作説明では、電動機トルク目標値Ｔ３＊が時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて徐々に減少する例、すなわち負の値である電動機トルク目標値Ｔ３＊の絶対値が徐々に増加する例について説明した。これに対して、負の値である電動機トルク目標値Ｔ３＊の絶対値が急激に増加し、第１エンジントルク目標値Ｔ４＊の時間変化率が閾値αを超える場合は、トルク制限器１１９によって時間変化率の制限された第２エンジントルク目標値Ｔ５＊が出力されることになる。つまり、本実施の形態によれば、ポンプトルクの急激な変化だけでなく、電動機トルク目標値Ｔ３＊が急激に変化した場合も、エンジントルクの時間変化率を制限して、エンジン１０１にかかる負荷を抑制することができる。

上述した実施の形態による制御装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）本実施の形態に係る制御装置は、上述したように、回転速度設定ダイヤル１３０から出力される回転速度指令値Ｎ＊が補正されたエンジン回転速度指令値Ｎｅ＊に基づいて、エンジントルク指令値Ｔ１＊を求めるエンジン速度制御器１１５と、回転速度設定ダイヤル１３０から出力される回転速度指令値Ｎ＊に基づいて、電動機トルク指令値Ｔ２＊を求める電動機速度制御器１２３とを備える。制御装置は、少なくとも電動機トルク指令値Ｔ２＊に基づいて第１エンジントルク目標値Ｔ４＊を求める加減算器１１８と、加減算器１１８で求められた第１エンジントルク目標値Ｔ４＊の時間変化率を制限して第２エンジントルク目標値Ｔ５＊として出力するトルク制限器１１９とを備える。制御装置は、トルク制限器１１９から出力された第２エンジントルク目標値Ｔ５＊に基づいて、速度指令補正量ΔＮを求め、回転速度指令値Ｎ＊に加算し、エンジン回転速度指令値Ｎｅ＊を求める。

これにより、ポンプトルクが急激に増加して第１エンジントルク目標値Ｔ４＊が急激に増加した場合であっても、トルク制限器１１９により時間変化率が制限された第２エンジントルク目標値Ｔ５＊に一致するように、エンジントルク指令値Ｔ１＊およびエンジントルクがエンジントルク制御器１２１により制御される。つまり、ポンプトルクが急激に増加した場合であっても、エンジントルクの時間経過に伴う増加率を制限することができるため、エンジントルクの時間変化率を制限しない場合に比べて、エンジン１０１にかかる負荷を抑えることができる。

同様に、電動機トルク目標値Ｔ３＊が急激に減少、すなわち負の値である電動機トルク目標値Ｔ３＊の絶対値が急激に増加して第１エンジントルク目標値Ｔ４＊が急激に増加した場合であっても、エンジントルク制御器１２１の働きによりエンジントルク指令値Ｔ１＊およびエンジントルクの時間変化率を制限することができるため、エンジン１０１にかかる負荷を抑えることができる。

ポンプトルクの急激な変化に起因してエンジン１０１および電動機１０２の回転速度Ｎが低下しても、電動機速度制御器１２３によって速やかに回転速度Ｎを上昇させて、回転速度Ｎを回転速度設定ダイヤル１３０から出力される回転速度指令値Ｎ＊に復帰させることができる。このように、本実施の形態によれば、エンジンにかかる負荷を抑制し、かつ、エンジン１０１および電動機１０２の回転速度を回転速度設定ダイヤル１３０で設定された一定値に保持することができる。

なお、エンジントルクの急激な変化を抑制できるため、過剰な燃料噴射や過剰な燃焼温度での燃焼を避けることができる。その結果、粒子状物質（ＰＭ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制することができる。

（２）加減算器１１８は、電動機１０２に電力を供給する蓄電装置１１１の充電量も加味して第１エンジントルク目標値Ｔ４＊を求める。第１エンジントルク目標値Ｔ４＊の時間変化率を制限して第２エンジントルク目標値Ｔ５＊として出力する過渡的な状態以外の状態では、すなわち第１エンジントルク目標値Ｔ４＊と第２エンジントルク目標値Ｔ５＊とが一致している状態では、エンジントルク制御器１２１は、電動機トルク指令値Ｔ２＊が電動機トルク目標値Ｔ３＊と一致するように制御を行う。したがって、本実施の形態によれば、第１エンジントルク目標値Ｔ４＊の時間変化率を制限して第２エンジントルク目標値Ｔ５＊として出力する過渡的な状態以外の状態では、充電量制御器１１７から出力される電動機トルク目標値Ｔ３＊によって蓄電装置１１１の充電量を制御することができる。このため、容量が小さいキャパシタを蓄電装置１１１に利用する場合にも、充電量を適切に制御することができる。

（３）電動機速度制御器１２３の応答性を、エンジン速度制御器１１５の応答性よりも速くした。このため、ポンプトルクが急激に変化して回転速度Ｎが減少した場合に、電動機速度制御器１２３によって速やかに回転速度Ｎを上昇させて、回転速度Ｎを回転速度設定ダイヤル１３０から出力される回転速度指令値Ｎ＊に復帰させることができる。また、エンジントルク指令値Ｔ１＊を時間経過に伴って緩やかに上昇させて、エンジン１０１にかかる負荷をより抑制することができる。

（４）減算器１１４、エンジン速度制御器１１５および燃料噴射制御部１２４を、エンジンコントローラ１００ｂに実装し、エンジン速度検出器１０１ａで検出されたエンジン回転速度Ｎｅがエンジンコントローラ１００ｂに入力される構成としたので、エンジン１０１の制御系における伝送の遅れを抑制できる。減算器１２２および電動機速度制御器１２３を電動機コントローラ１００ｃに実装し、電動機速度検出器１０２ａで検出された電動機回転速度Ｎｍが電動機コントローラ１００ｃに入力される構成としたので、電動機１０２の制御系における伝送の遅れを抑制できる。

（５）制御装置は、エンジン速度制御器１１５によりエンジン１０１の回転速度を制御し、電動機速度制御器１２３により電動機１０２の回転速度を制御し、電動機トルク指令値Ｔ２＊に基づいて、エンジン速度制御器１１５に入力されるエンジン回転速度指令値Ｎｅ＊を補正する構成とされている。このように、本実施の形態では、電動機トルク指令値Ｔ２＊を用いて、エンジントルク指令値Ｔ１＊にフィードバックする構成とされているため、回転速度Ｎを適正に制御することができる。
また、本実施の形態によれば、万一、エンジン速度制御器１１５や、その入出力ラインに異常が起きた場合であっても、電動機速度制御器１２３によって電動機１０２およびエンジン１０１の回転速度を、回転速度指令値Ｎ＊に制御できる。さらに、万一、電動機速度制御器１２３や、その入出力ラインに異常が起きた場合であっても、エンジン速度制御器１１５によってエンジン１０１および電動機１０２の回転速度を、回転速度指令値Ｎ＊に制御できる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
上述した実施の形態では、エンジン１０１および電動機１０２のそれぞれに回転速度を検出する検出器を設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されない。エンジン１０１および電動機１０２は同じ回転速度で動作するため、いずれか一方を省略することができる。たとえば、電動機速度検出器１０２ａを省略する場合、電動機コントローラ１００ｃにはエンジン速度検出器１０１ａからエンジン回転速度Ｎｅに対応する信号が入力され、電動機速度制御器１２３はエンジン回転速度Ｎｅと回転速度指令値Ｎ＊の偏差に基づいて電動機トルク指令値Ｔ２＊を生成する。

（変形例２）
上述した実施の形態では、トルク制限器１１９でエンジントルク目標値の時間変化率を制限する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。１次遅れ等の遅れ要素により、高い周波数成分を除去する構成を採用することで、エンジントルク目標値の時間変化率を制限することも可能である。

（変形例３）
加減算器１１８の入力として、エンジントルク指令値Ｔ１＊と電動機トルク指令値Ｔ２＊を用いているが、指令値に代えて、検出器により検出したエンジントルクおよび電動機トルク、あるいは、演算装置により演算した推定値としてのエンジントルクおよび電動機トルクを用いることもできる。

（変形例４）
上述した実施の形態では、電動機速度制御器１２３の応答性を、エンジン速度制御器１１５の応答性よりも速くした例について説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、電動機速度制御器１２３とエンジン速度制御器１１５の応答性をほぼ等しくすることもできる。この場合、ポンプトルクが急激に変化したときに、瞬間的にエンジントルク指令値Ｔ１＊が増加することが懸念されるが、その後のエンジントルク指令値Ｔ１＊は時間経過に伴って緩やかに上昇することになるため、エンジントルク目標値の時間変化率を制限しない場合に比べて、エンジントルクの急激な変化を抑制し、エンジン１０１にかかる負荷を抑えることができる。

（変形例５）
上述した実施の形態では、エンジン１０１、電動機１０２および油圧ポンプ１０３が同じ回転速度で回転する構成とされていたが、本発明はこれに限定されない。エンジン１０１、電動機１０２および油圧ポンプ１０３は、変速機を介して結合してもよい。この場合には、回転速度指令値Ｎ＊、エンジン回転速度Ｎｅ、電動機回転速度Ｎｍ等について、変速比を考慮して換算する必要がある。

（変形例６）
エンジン回転速度指令値Ｎｅ＊の伝送が一時的に途絶した場合に、記憶装置に記憶された回転速度指令値Ｎ＊に基づいてエンジン速度制御器１１５により回転速度Ｎを制御させることができる。これにより、エンジン回転速度指令値Ｎｅ＊の伝送が一時的に途絶した場合であっても、エンジン１０１が停止したり、過剰な回転速度になることを防止できる。

（変形例７）
メインコントローラ１００ａ、エンジンコントローラ１００ｂ、電動機コントローラ１００ｃの構成は上述した実施の形態に限定されない。また、エンジン速度制御器１１５、電動機速度制御器１２３、充電量制御器１１７、トルク制限器１１９等の処理手段は、ハードウェアで構成してもよいし、ハードウェア上で動作するソフトウェアとして実装してもよい。

（変形例８）
建設機械として油圧ショベルを例に説明したが、本発明はこれに限定されず、たとえば、ホイールローダ、フォークリフト、テレハンドラー、リフトトラック等、他の建設機械に本発明を適用することもできる。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１ａ ブーム、１ｂ アーム、１ｃ バケット、１ｄ 旋回機構、１ｅ 走行体、１ｆ 運転室、３ａ ブームシリンダ、３ｂ アームシリンダ、３ｃ バケットシリンダ、３ｄ 旋回モータ、３ｅ 走行モータ、１００ａ メインコントローラ、１００ｂ エンジンコントローラ、１００ｃ 電動機コントローラ、１０１ エンジン、１０１ａ エンジン速度検出器、１０２ 電動機、１０２ａ 電動機速度検出器、１０３ 油圧ポンプ、１０４ コントロールバルブユニット、１１０ 電力変換器、１１１ 蓄電装置、１１１ａ 充電量検出器、１１３ 加算器、１１４ 減算器、１１５ エンジン速度制御器、１１６ 減算器、１１７ 充電量制御器、１１８ 加減算器、１１９ トルク制限器、１２０ 減算器、１２１ エンジントルク制御器、１２２ 減算器、１２３ 電動機速度制御器、１２４ 燃料噴射制御部、１３０ 回転速度設定ダイヤル
Ｎ 回転速度、Ｑ 充電量、Ｎｅ エンジン回転速度、Ｎｍ 電動機回転速度
Ｔ１＊ エンジントルク指令値、Ｔ２＊ 電動機トルク指令値、Ｔ３＊ 電動機トルク目標値、Ｔ４＊ 第１エンジントルク目標値、Ｔ５＊ 第２エンジントルク目標値、Ｎ＊ 回転速度指令値、Ｑ＊ 充電量指令値、Ｎｅ＊ エンジン回転速度指令値

Claims (2)

1. エンジンおよび前記エンジンと機械的に結合された電動機により、油圧ポンプを駆動して作業を行う建設機械の制御装置であって、
   前記制御装置は、
   前記エンジンの回転速度の制御を行うエンジンコントローラと、
   前記電動機の回転速度の制御を行う電動機コントローラと、
   前記エンジンコントローラ及び前記電動機コントローラとは独立して設けられたメインコントローラとを備え、
   前記エンジンコントローラは、速度指令部から出力される第１の速度指令から前記エンジンのトルク指令を求め、そのトルク指令に基づいて前記エンジンの速度制御を行うエンジン速度制御部を有し、
   前記電動機コントローラは、前記速度指令部から出力される第２の速度指令から前記電動機のトルク指令を求め、そのトルク指令から前記電動機の速度制御を行う電動機速度制御部を有し、
   前記メインコントローラは、前記電動機に電力を供給する蓄電装置の充電量と外部から入力された前記蓄電装置の充電量指令値とから電動機トルク目標値を求める充電量制御部と、前記エンジンのトルク指令と前記電動機のトルク指令とを加算した値から前記電動機トルク目標値を減算して前記エンジンの第１のトルク目標を求めるトルク目標設定部と、前記トルク目標設定部で求められた前記エンジンの第１のトルク目標の時間変化率を制限して第２のトルク目標を出力するトルク制限部と、前記エンジンのトルク指令が前記第２のトルク目標に一致するように前記第１の速度指令を補正する補正部とを備える建設機械の制御装置。
2. 請求項１に記載の建設機械の制御装置において、
   前記電動機速度制御部の応答性を、前記エンジン速度制御部の応答性よりも速くした建設機械の制御装置。

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