作業機械の動力回生装置
【課題】操作装置の操作に対する油圧アクチュエータの応答性と動力回生効率の良い作業機械の動力回生装置を提供すること。
【解決手段】操作量に応じた操作信号を出力する操作装置４Ａと、操作装置４Ａから出力される操作信号に基づいて駆動されるブームシリンダ３ａと、エンジン７によって駆動されブームシリンダ３ａに圧油を供給する油圧ポンプ６とを備える作業機械の動力回生装置において、ブームシリンダ３ａからの戻り油によって駆動される可変容量型の油圧モータ２４と、油圧モータ２４に連結された発電機２５と、ブームシリンダ３ａからのメータアウト流量の目標流量Ｑｏを操作装置４Ａの操作量に基づいて算出し、メータアウト流量が目標流量Ｑｏに近づくように、発電機２５の実回転数Ｎと目標流量Ｑｏに基づいて油圧モータ２４の容量ｑを制御する車体コントローラ１１を備える。
【解決手段】操作量に応じた操作信号を出力する操作装置４Ａと、操作装置４Ａから出力される操作信号に基づいて駆動されるブームシリンダ３ａと、エンジン７によって駆動されブームシリンダ３ａに圧油を供給する油圧ポンプ６とを備える作業機械の動力回生装置において、ブームシリンダ３ａからの戻り油によって駆動される可変容量型の油圧モータ２４と、油圧モータ２４に連結された発電機２５と、ブームシリンダ３ａからのメータアウト流量の目標流量Ｑｏを操作装置４Ａの操作量に基づいて算出し、メータアウト流量が目標流量Ｑｏに近づくように、発電機２５の実回転数Ｎと目標流量Ｑｏに基づいて油圧モータ２４の容量ｑを制御する車体コントローラ１１を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建設機械等の作業機械の動力回生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、油圧ショベルをはじめとする油圧作業機械に対して燃料消費率（燃費）の向上に関する要求が高まっている。例えば、油圧ショベルには、ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）のボトム側油圧室に接続されブーム下げ時の戻り油が流通する油路（戻り油油路）に固定容量型油圧モータ及びこれに連結された発電機（電動機）を設置したハイブリッド式油圧ショベルがあり、ブームシリンダからの戻り油によって油圧モータ及び発電機を駆動することで動力を回生している。
【０００３】
このように油圧アクチュエータからの戻り油を固定容量型油圧モータに導入して動力回生を行う作業機械では、油圧アクチュエータの操作性を良好に保持する観点から、油圧アクチュエータからの戻り油の流量（メータアウト流量）を制御することが好ましい。さらに、動力回生効率を向上させる観点からは、油圧アクチュエータから吐出され油圧モータに導入されるまでの戻り油のエネルギー損失を可能な限り低減することが好ましい。
【０００４】
この２点を鑑みた技術としては、油圧アクチュエータからの戻り油油路に、可変容量型油圧モータ及びこれに連結された発電機を設置した作業機械がある（特許文献１参照）。この技術は、可変容量型油圧モータの容量（押しのけ容積）を操作装置（制御レバー）の操作量に応じて適宜制御することでメータアウト流量を制御している。また、このように可変容量型油圧モータを利用してメータアウト制御をすると、流量調整弁等の流量調整手段を油圧モータの上流側に設置する必要がなくなるので、当該流量調整弁を通過する際に戻り油のエネルギー損失が発生することが抑制でき、回生効率の向上にも寄与する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１６２４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、油圧モータに連結された発電機を制御することでメータアウト流量を制御する方式では、発電機と油圧モータの慣性モーメントが大きいため、オペレータの操作に対して油圧アクチュエータの動作の応答性が悪くなる傾向が強い。特に、ブームシリンダのボトム側油圧室からの戻り油を利用して動力回生している場合において、ブーム下げ動作を停止するとき、発電機と油圧モータの慣性モーメントによってブームシリンダの停止性の確保が難しくなることがある。すなわち、例えば、この種のハイブリッド式油圧ショベルでブーム下げ動作を停止する場合には、オペレータのブーム下げ操作に対するブームの縮短速度（減速度）が一般的な油圧ショベルより劣ることがある。そのため、所望の位置でブームを停止させるためには、一般的な油圧ショベルより早くブーム下げ操作を完了させる等して別途工夫する必要があり、操作性が低下するおそれがある。
【０００７】
通常、上記のように構成された作業機械において、可変容量型油圧モータ及び発電機の上流側に位置する油圧アクチュエータのメータアウト流量は、当該可変容量型油圧モータの容量と当該発電機の回転数の積によって決定される。この点に関し、上記特許文献１では、操作装置の操作量の増減に応じて容量が増減するように可変容量型油圧モータを制御すると開示しているものの、発電機の回転数についてはどのように制御しているか触れていない。すなわち、特許文献１の技術では、油圧アクチュエータからのメータアウト流量を応答性良く制御することができず、操作性の向上を実現するには不十分である。
【０００８】
本発明の目的は、操作装置の操作に対する油圧アクチュエータの応答性と動力回生効率の良い作業機械の動力回生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明は、上記目的を達成するために、操作量に応じた操作信号を出力する操作装置と、この操作装置から出力される操作信号に基づいて駆動される油圧アクチュエータと、エンジンによって駆動され前記油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプとを備える作業機械の動力回生装置において、前記油圧アクチュエータからの戻り油によって駆動される可変容量型油圧モータと、この油圧モータに連結された発電機と、前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記メータアウト流量が前記目標流量に近づくように、前記発電機の実回転数と前記目標流量に基づいて前記油圧モータの容量を制御する制御装置とを備えるものとする。
【００１０】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御装置は、前記油圧モータの容量を所定値に固定したときにおける前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記発電機の実回転数及び前記目標流量に基づいて、前記メータアウト流量が前記目標流量に近づくように前記油圧モータの容量を制御するものとする。
【００１１】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御装置は、前記油圧モータが最大容量のときにおける前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記目標流量を前記発電機の実回転数で除して算出される値の分だけ、前記油圧モータの容量を前記最大容量から低減するものとする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、可変容量型油圧モータと発電機によってメータアウト流量を応答性良く制御することができるので、操作に対する油圧アクチュエータの応答性と動力回生効率を良好に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】本発明の実施の形態に係る油圧ショベルの駆動制御システムの概略図。
【図３】本発明の実施の形態に係る車体コントローラ１１の構成図。
【図４】本発明の実施の形態に係る記憶装置９０に記憶されたメータリング線図。
【図５】操作装置４Ａの操作量が最大の状態からブーム下げ操作を終了する場合において、油圧モータ２４の容量をｑ１に固定しつつ発電機２５を目標回転数Ｎｏで制御したときの実際のメータアウト流量Ｑと目標流量Ｑｏを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を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１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃを有する多関節型の作業装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅを有する車体１Ｂを備えており、油圧アクチュエータとして、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、走行モータ３ｅ，３ｆ等を備えている。
【００１５】
ブーム１ａは、上部旋回体１ｄに回動可能に支持されており、ブームシリンダ（油圧シリンダ）３ａにより駆動される。アーム１ｂは、ブーム１ａに回動可能に支持されており、アームシリンダ（油圧シリンダ）３ｂにより駆動される。バケット１ｃは、アーム１ｂに回動可能に支持されており、バケットシリンダ（油圧シリンダ）３ｃにより駆動される。上部旋回体１ｄは旋回モータ（電動機）１６（図２参照）により旋回駆動され、下部走行体１ｅは左右の走行モータ（油圧モータ）３ｅ，３ｆ（図２参照）により駆動される。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及び旋回モータ１６の駆動は、上部旋回体１ｄの運転室（キャブ）内に設置され油圧信号を出力する操作装置４Ａ，４Ｂ（図２参照）によって制御される。
【００１６】
図２は本発明の実施の形態に係る油圧ショベルの駆動制御システムの概略図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。この図に示す駆動制御システムは、動力回生装置７０と、操作装置４Ａ，４Ｂと、コントロールバルブ（スプール型方向切換弁）５Ａ，５Ｂ，５Ｃと、油圧信号を電気信号に変換する圧力センサ１７，１８と、インバータ１３と、チョッパ１４と、バッテリ（蓄電装置）１５と、インバータ１２を備えており、制御装置として車体コントローラ（ＭＣＵ）１１、バッテリコントローラ（ＢＣＵ）２２及びエンジンコントローラ（ＥＣＵ）２１を備えている。
【００１７】
図２において、動力回生装置７０は、油路５１と、分岐部５２と、回生回路５３と、圧力センサ２０と、車体コントローラ（ＭＣＵ）１１と、インバータ２６を備えている。
【００１８】
油路５１は、ブームシリンダ３ａの縮短時にタンク９に戻る油（戻り油）が流通する戻り油油路であり、ブームシリンダ３ａのボトム側油圧室５５に接続されている。油路５１には当該油路５１を複数の油路に分流する分岐部５２が設けられている。分岐部５２には、回生回路５３が接続されている。
【００１９】
回生回路５３は、チェックバルブ２８と、可変容量型油圧モータ２４と、発電機２５を備えており、ブーム下げ操作時にボトム側油圧室５５から吐出される戻り油を油圧モータ２４を介してタンク９に導いている。
【００２０】
チェックバルブ２８には、オペレータによってブーム下げ操作が行われたときに操作装置４Ａから出力される操作信号（圧力Ｐｂの油圧信号）が導かれており、当該操作信号が作用することで開くように設定されている。すなわち、チェックバルブ２８は、操作装置４Ａを介してオペレータによってブーム下げ操作が行われたときに回生回路５３を開放し、その他の場合には回生回路５３を遮断する機能を有している。
【００２１】
可変容量型油圧モータ２４は、ブームシリンダ３ａのボトム側油圧室５５から吐出される戻り油によって駆動されるもので、チェックバルブ２８の下流側に設置されている。また、油圧モータ２４は、斜板（図示せず）の傾転角を調節することで油圧モータ２４の容量（押しのけ容積）を制御するレギュレータ（容量制御手段）３１を備えている。レギュレータ３１は、車体コントローラ１１と接続されており、車体コントローラ１１から適宜出力される指令値Ｓｍに基づいて斜板の傾転角を変更して油圧モータ２４の容量を制御する。
【００２２】
発電機２５は、可変容量型油圧モータ２４に連結されている。ブーム下げ時における戻り油を回生回路５３に導入して油圧モータ２４を回転させると発電機２５が回転して回生電力が発生される。発電機２５はインバータ２６と接続されている。発電機２５及び油圧モータ２４の回転数はインバータ２６から適宜出力される指令値Ｓｇに基づいて制御されている。このように発電機２５及び油圧モータ２４の回転数をインバータ２６で制御すると、油圧モータ２４を通過する油の流量を調整できるので、ブームシリンダ３ａにおけるボトム側油圧室５５から回生回路５３に流れる戻り油の流量（メータアウト流量Ｑ）を調整することができる。発電機２５によって発生された電力は、バッテリ１５や電動アクチュエータ（例えば、発電電動機１０，１６）に適宜供給される。
【００２３】
発電機２５と油圧モータ２４を連結する軸には、発電機２５及び油圧モータ２４の実回転数Ｎを検出する回転数センサ３２が設置されている。回転数センサ３２は車体コントローラ１１と接続されており、検出した実回転数Ｎを車体コントローラ１１に出力している。
【００２４】
操作装置４Ａ，４Ｂは、エンジン７に接続されたパイロットポンプ４１から供給される作動油を２次圧に減圧してブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ及び旋回モータ１６を制御するための油圧信号を発生する。
【００２５】
操作装置４Ａは、ブームシリンダ３ａの駆動を制御するコントロールバルブ５Ａの受圧部と、アームシリンダ３ｂの駆動を制御するコントロールバルブ５Ｂの受圧部にパイロット管を介して接続されており、操作レバーの傾倒方向に応じて各コントロールバルブ５Ａ，５Ｂの受圧部に油圧信号を出力する。コントロールバルブ５Ａ，５Ｂは、操作装置４Ａから入力される油圧信号に応じて位置を切り換えられ、油圧ポンプ６から吐出される圧油の流れをその切換位置に応じて制御することでブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂの駆動を制御する。
【００２６】
コントロールバルブ５Ａにおける一方の受圧部（図２中の右側の受圧部）にはブーム下げ操作時に操作装置４Ａから出力される操作信号（圧力Ｐｂの油圧信号）が入力されており、また、他方の受圧部（図２中の左側の受圧部）にはブーム上げ操作時に操作装置４Ａから出力される操作信号（圧力Ｐａの油圧信号）が入力されている。コントロールバルブ５Ａのスプールは、これら２つの受圧部に入力される操作信号に応じて移動し、油圧ポンプ６からブームシリンダ３ａに供給される圧油の方向及び流量を切り換える。
【００２７】
圧力センサ２０は、ブーム下げ操作時に操作装置４Ａからコントロールバルブ５Ａに出力される油圧信号の圧力Ｐｂ（パイロット圧Ｐｂ）を検出するためのもので、操作装置４Ａとコントロールバルブ５Ａの受圧部を接続するパイロット管（油路）に取り付けられている。圧力センサ２０は車体コントローラ１１と接続されており、検出した油圧信号の圧力Ｐｂを電気信号に変換して車体コントローラ１１に出力している。ところで、操作装置４Ａから出力される油圧信号の圧力Ｐｂは操作装置４Ａの操作量に比例しており、圧力センサ２０で検出した油圧信号の圧力Ｐｂからブーム下げ操作時における操作装置４Ａの操作量を算出することができる。すなわち、本実施の形態における圧力センサ２０は操作装置４Ａの操作量を検出する手段（操作量検出手段）として機能している。なお、操作装置４Ａの操作量を検出する他の手段としては、操作装置４Ａにおける操作レバーの位置を検出するポジションセンサを利用することもできる。
【００２８】
操作装置４Ｂは、バケットシリンダ３ｃの駆動を制御するコントロールバルブ５Ｃの受圧部と２つのパイロット管を介して接続されており、操作レバーの傾倒方向に応じてコントロールバルブ５Ｃの受圧部に油圧信号を出力する。コントロールバルブ５Ｃは、操作装置４Ｂから入力される油圧信号に応じて位置を切り換えられ、油圧ポンプ６から吐出される圧油の流れをその切換位置に応じて制御することでバケットシリンダ３ｃの駆動を制御する。
【００２９】
また、操作装置４Ｂは、コントロールバルブ５Ｃの受圧部に接続する上記２つのパイロットに加え、他の２つのパイロット管に接続されている。また、当該他の２つのパイロット管のうち、上部旋回体１ｄが右旋回するように旋回モータ１６を駆動する油圧信号が通過するものには圧力センサ１７が取り付けられており、上部旋回体１ｄが右旋回するように旋回モータ１６を駆動する油圧信号（圧油）が通過するものには圧力センサ１８が取り付けられている。圧力センサ１７，１８は、操作装置４Ｂから出力される油圧信号の圧力を検出してその圧力に対応する電気信号に変換する信号変換手段として機能するもので、変換した電気信号を車体コントローラ１１に出力可能に構成されている。圧力センサ１７，１８から車体コントローラ１１に出力された電気信号は、インバータ１３を介して旋回モータ１６（電動アクチュエータ）の駆動を制御する操作信号として利用される。
【００３０】
コントロールバルブ５Ｅ，５Ｆの受圧部はパイロット管を介して運転室内に設置された走行操作装置（図示せず）と接続されている。コントロールバルブ５Ｅ，５Ｆは、当該走行操作装置から入力される油圧信号に応じて位置を切り換えられ、油圧ポンプ６から吐出される圧油の流れをその切換位置に応じて制御することで走行モータ３ｅ，３ｆの駆動を制御する。
【００３１】
車体コントローラ（ＭＣＵ）１１は、ブーム下げ時におけるブームシリンダ３ａからのメータアウト流量Ｑの目標流量Ｑｏ及び発電機２５の目標回転数Ｎｏを操作装置４Ａの操作量に基づいて算出し、メータアウト流量Ｑが目標流量Ｑｏに近づくように油圧モータ２４の容量ｑを制御する機能を有している（後に詳述）。また、車体コントローラ１１は、インバータ１３と接続されており、これらに対して指令値を出力している。
【００３２】
また、車体コントローラ１１は、圧力センサ１７，１８から入力される電気信号に基づいてインバータ１３を介して旋回モータ１６の駆動を制御する役割を有する。具体的には、圧力センサ１７から電気信号が入力されたときにはその電気信号に対応した速度で上部旋回体１ｄを左旋回させ、圧力センサ１８から電気信号が入力されたときにはその電気信号に対応した速度で上部旋回体１ｄを右旋回させる。また、車体コントローラ１１は、上部旋回体１ｄの旋回制動時には旋回モータ１６から電気エネルギーを回収する動力回生制御も行う。さらに、その動力回生制御時に発生した回生電力や、動力変換機（発電電動機）１０によって発生された電力の余剰電力（例えば、油圧ポンプ６の負荷が軽い場合等）をバッテリ１５に充電する制御も行う。
【００３３】
エンジンコントローラ（ＥＣＵ）２１は、オペレータによってエンジン７の目標回転数が入力されるエンジン回転数入力装置（例えば、エンジンコントロールダイヤル（図示せず））等からの指令に従って、エンジン７が当該目標回転数で回転するように燃料噴射量とエンジン回転数を制御する部分である。
【００３４】
エンジン（原動機）７の出力軸には動力変換機（発電電動機）１０が連結されており、動力変換機１０の出力軸には油圧ポンプ６とパイロットポンプ４１が接続されている。
【００３５】
動力変換機１０は、エンジン７の駆動力及びバッテリ１５に蓄えられた電気エネルギーのいずれか一方又は双方によって油圧アクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｅ，３ｆを駆動している。動力変換機１０は、インバータ１２を介してインバータ１３及びチョッパ１４と接続されており、エンジン７の動力を電気エネルギーに変換してインバータ１２，１３に出力する発電機として機能し、さらに、バッテリ１５に蓄えられた電気エネルギーの一部を利用して油圧ポンプ６をアシスト駆動する電動機として機能する。
【００３６】
油圧ポンプ６は、油圧アクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｅ，３ｆに圧油を供給するメインのポンプであり、パイロットポンプ４１は、操作装置４Ａ，４Ｂ及び走行操作装置を介してコントロールバルブ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆに操作信号として出力される圧油を供給する。なお、油圧ポンプ６に接続される油圧管路にはリリーフ弁８が設置されており、リリーフ弁８はその管路内の圧力が過度に上昇した場合にタンク９に圧油を逃がす。
【００３７】
インバータ１２は、動力変換機１０の回転速度を制御するもので、バッテリ１５からの電気エネルギーにより、動力変換機１０に電力を供給して油圧ポンプ６をアシスト駆動する。インバータ１３は、旋回モータ１６の回転速度を制御するもので、動力変換機１０から出力される電力またはバッテリ１５の電気エネルギーを旋回モータ１６に供給する。
【００３８】
バッテリ１５は、チョッパ１４を介して電圧を調整し、インバータ１２，１３，２６に電力を供給したり、動力変換機１０及び発電機２５が発生した電気エネルギーや旋回モータ１６からの電気エネルギーを蓄えたりする部分である。
【００３９】
次に、本実施の形態に係る車体コントローラ１１が備えるメータアウト流量Ｑの制御機能について図を参照しつつ説明する。
【００４０】
図３は本発明の実施の形態に係る車体コントローラ１１の構成図である。この図に示す車体コントローラ１１は、ＲＡＭ及びＲＯＭ等の記憶装置（記憶手段）９０と、記憶装置９０に記憶されたデータ及びプログラムに従って発電機２５及び油圧モータ２４を制御するための各種処理を実行する処理装置（ＣＰＵ）８０を備えている。車体コントローラ１１には、圧力センサ２０が検出した圧力Ｐｂと、回転数センサ３２が検出した実回転数Ｎが入力されている。また、車体コントローラ１１からは、レギュレータ３１に対して指令値Ｓｍが出力されている。
【００４１】
記憶装置９０には、ブーム下げ操作時におけるオペレータの操作フィーリングを良好に保持するために、ブーム下げ操作時（ブームシリンダ３ａが縮短される場合）における操作装置４Ａの操作量とメータアウト流量Ｑの関係が記憶されている。
【００４２】
図４は本発明の実施の形態に係る記憶装置９０に記憶されたメータリング線図である。本実施の形態では、ブーム下げ操作時における操作装置４Ａの操作量とメータアウト流量の目標流量Ｑｏとの関係は、この図に示すようにメータリング線図の形式で記憶されている。この図に示すように、目標流量Ｑｏと操作装置４Ａの操作量は概ね比例関係が保持されるように規定されている。
【００４３】
なお、既述のように、コントロールバルブ５Ａに出力される油圧信号の圧力（パイロット圧）Ｐｂと操作装置４Ａの操作量とは比例関係にある。そのため、本実施の形態のようにコントロールバルブ５Ａに出力される操作信号として油圧信号を用いる場合には、操作装置４Ａの操作量に代えて、パイロット圧Ｐｂと目標流量Ｑｏの関係をメータリング線図として記憶装置９０に記憶しておき、パイロット圧Ｐｂの値に基づいて目標流量Ｑｏを算出しても良い。以下、本実施の形態では、目標流量Ｑｏ等を演算する際に、操作装置４Ａの操作量に代えてパイロット圧Ｐｂを用いることとする。これを受けて、図４では操作装置４Ａの操作量とパイロット圧Ｐｂを併記している。
【００４４】
また、記憶装置９０に記憶するメータリング線図は、動力回生装置７０の有無に関わらずオペレータに対して一定の操作フィーリングを担保する観点から、ボトム側油圧室５５からの戻り油の全てをコントロールバルブ５Ａを介してタンク９に流した場合に得られるメータリング線図（すなわち、回生回路５３を備えず動力源がエンジンのみである油圧ショベル（以下において「通常の油圧ショベル」と称することがある）におけるメータリング線図）と同じに設定することが好ましい。
【００４５】
本実施の形態における処理装置８０は、図３に示すように、主に、目標流量演算部８１、目標容量演算部８３及び油圧モータ指令値演算部８５として機能する。
【００４６】
目標流量演算部８１は、記憶装置９０に記憶された図４のメータリング線図とブーム下げ操作時における操作装置４Ａの操作量（パイロット圧Ｐｂ）とに基づいてメータアウト流量の目標流量Ｑｏを算出する部分である。図４に示したように、操作装置４Ａの操作量（パイロット圧Ｐｂ）と目標流量Ｑｏは１対１で対応しているので、操作量（パイロット圧Ｐｂ）が分かれば、当該操作量における目標流量Ｑｏを算出することができる。目標流量演算部８１で算出された目標流量Ｑｏは目標容量演算部８３に出力される。
【００４７】
目標容量演算部８３は、目標流量演算部８１で算出された目標流量Ｑｏと回転数センサ３２で検出された実回転数Ｎとに基づいて、油圧モータ２４の容量を制御する際に用いる値を算出する部分である。ここで、目標容量演算部８３で行われる演算処理の内容について図を参照して説明する。
【００４８】
図５は、操作装置４Ａの操作量が最大の状態からブーム下げ操作を終了する場合において、油圧モータ２４の容量をｑ１に固定しつつ発電機２５を目標回転数Ｎｏで制御したときの実際のメータアウト流量（実流量）Ｑと目標流量Ｑｏを示す図である。
【００４９】
この図に示すように、操作装置４Ａによるブーム下げ操作を終了する場合において、油圧モータ２４の容量を設定容量ｑ１に固定し、ブームシリンダ３ａからのメータアウト流量が目標流量Ｑｏ（図５中に点線で示した曲線）に近づくように発電機２５を目標回転数Ｎｏで制御しようとしても、発電機２５と油圧モータ２４の慣性モーメントが大きいため応答性が悪く、発電機２５の実回転数Ｎが目標回転数Ｎｏまで低下するには時間を要する。そのため、実際には、図５に示すように余剰流量ΔＱが発生してブームシリンダ３ａの減速性が損なわれる傾向がある。ここで余剰流量ΔＱは、メータアウト流量の実流量Ｑ（Ｑ＝ｑ１・Ｎ）と目標流量Ｑｏ（Ｑｏ＝ｑ１・Ｎｏ）との差であり、関係式で整理すると下記式（１）で表すことができる。
【００５０】
ΔＱ＝Ｑ−Ｑｏ＝ｑ１・Ｎ−Ｑｏ ……式（１）
したがって、メータアウト流量を目標流量Ｑｏに近づくように制御するためには、発電機２５の実回転数がＮである時刻ｔにおいて下記式（２）が成立するように油圧モータ２４の容量をｑ１からΔｑだけ減らせば良い。なお、Δｑ＝ｑ１−ｑ（ｑ：目標容量）とし、Δｑは油圧モータ２４の傾転角の下げ量に相当する。
【００５１】
Ｎ・Δｑ＝ΔＱ ……式（２）
したがって、式（１）及び式（２）から、Δｑは下記式（３）によって表すことができる。すなわち、Δｑは、メータアウト流量の実流量Ｑ（Ｑ＝ｑ１・Ｎ）と目標流量Ｑｏの差を実回転数Ｎで除したものに相当し、さらには、目標流量Ｑｏを発電機２５の実回転数Ｎで除した値を設定容量ｑ１から減じることで算出することができる。
【００５２】
Δｑ＝（ｑ１・Ｎ−Ｑｏ）／Ｎ＝ｑ１−Ｑｏ／Ｎ ……式（３）
そこで、本実施の形態における目標容量演算部８３は、上記式（３）を利用して実回転数Ｎ及び目標流量Ｑｏから、設定容量ｑ１と目標容量ｑとの差分である差分容量Δｑを算出する。目標容量演算部８３で算出された差分容量Δｑはモータ指令値演算部８５に出力される。
【００５３】
なお、このように差分容量Δｑを算出した次の処理では、上記式（１）、（３）のｑ１に「ｑ１−Δｑ」（すなわち、制御後の油圧モータ２４の容量）を代入して新たなΔｑを算出する。そして、以降の処理はこれを繰り返す。
【００５４】
また、本実施の形態では、油圧モータ２４の容量を制御する際に用いる値として、差分容量Δｑを算出したが、差分容量Δｑに代えて目標容量ｑを算出してモータ指令値演算部８５に出力しても良い。この場合、目標容量ｑは、上記式（３）より、下記式（４）によって表すことができる。
【００５５】
ｑ＝Ｑｏ／Ｎ ……式（４）
モータ指令値演算部８５は、目標容量演算部８３で演算された差分容量Δｑの分だけ可変容量型油圧モータ２４の容量を設定容量ｑ１から低減させるための指令値Ｓｍを演算し、当該指令値Ｓｍをレギュレータ３１に出力する部分である。モータ指令値演算部８５で演算された指令値Ｓｍを入力したレギュレータ３１は当該指令値Ｓｍに基づいて油圧モータ２４の斜板の傾転角を調整し、油圧モータ２４の容量はｑ１−Δｑに制御される。
【００５６】
なお、このように差分容量Δｑを算出して、当該差分容量Δｑに基づいて油圧モータ２４の容量ｑを制御する場合には、設定容量ｑ１として最大容量ｑmaxを利用することが好ましい。このようにすると、最大容量ｑmaxを基準として油圧モータ２４の制御が行われるので回生効率（発電量）を最大にすることができる。
【００５７】
また、目標容量演算部８３において、差分容量Δｑに代えて目標容量ｑを演算した場合には、可変容量型油圧モータ２４の容量を目標容量ｑに設定するための指令値Ｓｍ’を演算してレギュレータ３１に出力すれば、先と同様の結果を得ることができる。
【００５８】
上記のように構成される動力回生装置において、オペレータによって操作装置４Ａを介してブーム下げ操作が行われると、車体コントローラ１１は、目標流量演算部８１において、圧力センサ２０から入力されるパイロット圧Ｐｂに基づいてメータアウト流量の目標流量Ｑｏを算出する。次に、車体コントローラ１１は、目標容量演算部８３において、目標回転数演算部８２から入力される目標流量Ｑｏと、回転数センサ３２から入力される実回転数Ｎとに基づいて、差分容量Δｑを算出する。そして、車体コントローラ１１は、差分容量Δｑに基づいて演算した指令値Ｓｍをモータ指令値演算部８５を介してレギュレータ３１に出力することで、油圧モータ２４の容量をｑ１−Δｑの値に制御する。
【００５９】
なお、上記式（３）から明らかであるが、差分容量Δｑは、発電機２５の実回転数Ｎと目標回転数Ｎｏに偏差が生じている場合に発生する値である。そのため、車体コントローラ１１は、当該回転数偏差に起因して発生する余剰流量が低減するように油圧モータ２４の容量を小さくすることでメータアウト流量を目標流量Ｑｏに近づけても良い。
【００６０】
一方、オペレータによって操作装置４Ａを介してブーム下げ操作が行われると、チェックバルブ２８にパイロット圧Ｐｂが作用して回生回路５３が開放され、ブームシリンダ３ａにおけるボトム側油圧室５５からの戻り油が回生回路５３に導入される。なお、本実施の形態では、図２のコントロールバルブ５Ａのシンボルから明らかなように、パイロット圧Ｐｂがコントロールバルブ５Ａに作用しているときには、ボトム側油圧室５５からの戻り油がコントロールバルブ５Ａを通過してタンク９に戻るルートは遮断されるので、ボトム側油圧室５５内の圧油は全て回生回路５３に導入される。
【００６１】
このようにブームシリンダ３ａからの戻り油が油圧モータ２４に導入されると、油圧モータ２４及び発電機２５に発生する慣性モーメントに起因して余剰流量が生じても、余剰流量が低減するように油圧モータ２４の容量ｑが制御される。これにより、ブームシリンダ３ａからのメータアウト流量は、車体コントローラ１１によって目標流量Ｑｏに近づくように常に制御されるので、オペレータの操作に対するブームシリンダ３ａの応答性を良好に保持することができる。また、本実施の形態では、ボトム側油圧室５５から油圧モータ２４に至るまでの経路には、流量調整弁等の装置も設置されていない。そのため、この種の装置を通過することで戻り油のエネルギー損失が発生することも抑制できるので、回生回路５３による動力回生効率も良好に保持することができる。
【００６２】
したがって、本実施の形態によれば、油圧モータ２４と発電機２５によってブームシリンダ３ａからのメータアウト流量を応答性良く制御することができるので、オペレータのブーム下げ操作に対するブームシリンダ３ａの応答性と動力回生効率を良好に保持することができる。
【符号の説明】
【００６３】
３ａ ブームシリンダ
４Ａ 操作装置
６ 油圧ポンプ
７ エンジン
１１ 車体コントローラ
１５ 蓄電装置
２４ 可変容量型油圧モータ
２５ 発電機
２６ インバータ
２８ チェックバルブ
３１ レギュレータ
３２ 回転数センサ
５３ 回生回路
８１ 目標流量演算部
８２ 目標回転数演算部
８３ 目標容量演算部
８４ 発電機指令値演算部
８５ モータ指令値演算部
９０ 記憶装置
Ｎ 実回転数
Ｎｏ 目標実回転数
Ｐｂ パイロット圧
Ｑ メータアウト流量
Ｑｏ 目標流量
ｑ 目標容量
ｑ１ 設定容量
Δｑ 差分容量
【技術分野】
【０００１】
本発明は建設機械等の作業機械の動力回生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、油圧ショベルをはじめとする油圧作業機械に対して燃料消費率（燃費）の向上に関する要求が高まっている。例えば、油圧ショベルには、ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）のボトム側油圧室に接続されブーム下げ時の戻り油が流通する油路（戻り油油路）に固定容量型油圧モータ及びこれに連結された発電機（電動機）を設置したハイブリッド式油圧ショベルがあり、ブームシリンダからの戻り油によって油圧モータ及び発電機を駆動することで動力を回生している。
【０００３】
このように油圧アクチュエータからの戻り油を固定容量型油圧モータに導入して動力回生を行う作業機械では、油圧アクチュエータの操作性を良好に保持する観点から、油圧アクチュエータからの戻り油の流量（メータアウト流量）を制御することが好ましい。さらに、動力回生効率を向上させる観点からは、油圧アクチュエータから吐出され油圧モータに導入されるまでの戻り油のエネルギー損失を可能な限り低減することが好ましい。
【０００４】
この２点を鑑みた技術としては、油圧アクチュエータからの戻り油油路に、可変容量型油圧モータ及びこれに連結された発電機を設置した作業機械がある（特許文献１参照）。この技術は、可変容量型油圧モータの容量（押しのけ容積）を操作装置（制御レバー）の操作量に応じて適宜制御することでメータアウト流量を制御している。また、このように可変容量型油圧モータを利用してメータアウト制御をすると、流量調整弁等の流量調整手段を油圧モータの上流側に設置する必要がなくなるので、当該流量調整弁を通過する際に戻り油のエネルギー損失が発生することが抑制でき、回生効率の向上にも寄与する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１６２４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、油圧モータに連結された発電機を制御することでメータアウト流量を制御する方式では、発電機と油圧モータの慣性モーメントが大きいため、オペレータの操作に対して油圧アクチュエータの動作の応答性が悪くなる傾向が強い。特に、ブームシリンダのボトム側油圧室からの戻り油を利用して動力回生している場合において、ブーム下げ動作を停止するとき、発電機と油圧モータの慣性モーメントによってブームシリンダの停止性の確保が難しくなることがある。すなわち、例えば、この種のハイブリッド式油圧ショベルでブーム下げ動作を停止する場合には、オペレータのブーム下げ操作に対するブームの縮短速度（減速度）が一般的な油圧ショベルより劣ることがある。そのため、所望の位置でブームを停止させるためには、一般的な油圧ショベルより早くブーム下げ操作を完了させる等して別途工夫する必要があり、操作性が低下するおそれがある。
【０００７】
通常、上記のように構成された作業機械において、可変容量型油圧モータ及び発電機の上流側に位置する油圧アクチュエータのメータアウト流量は、当該可変容量型油圧モータの容量と当該発電機の回転数の積によって決定される。この点に関し、上記特許文献１では、操作装置の操作量の増減に応じて容量が増減するように可変容量型油圧モータを制御すると開示しているものの、発電機の回転数についてはどのように制御しているか触れていない。すなわち、特許文献１の技術では、油圧アクチュエータからのメータアウト流量を応答性良く制御することができず、操作性の向上を実現するには不十分である。
【０００８】
本発明の目的は、操作装置の操作に対する油圧アクチュエータの応答性と動力回生効率の良い作業機械の動力回生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明は、上記目的を達成するために、操作量に応じた操作信号を出力する操作装置と、この操作装置から出力される操作信号に基づいて駆動される油圧アクチュエータと、エンジンによって駆動され前記油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプとを備える作業機械の動力回生装置において、前記油圧アクチュエータからの戻り油によって駆動される可変容量型油圧モータと、この油圧モータに連結された発電機と、前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記メータアウト流量が前記目標流量に近づくように、前記発電機の実回転数と前記目標流量に基づいて前記油圧モータの容量を制御する制御装置とを備えるものとする。
【００１０】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御装置は、前記油圧モータの容量を所定値に固定したときにおける前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記発電機の実回転数及び前記目標流量に基づいて、前記メータアウト流量が前記目標流量に近づくように前記油圧モータの容量を制御するものとする。
【００１１】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御装置は、前記油圧モータが最大容量のときにおける前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記目標流量を前記発電機の実回転数で除して算出される値の分だけ、前記油圧モータの容量を前記最大容量から低減するものとする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、可変容量型油圧モータと発電機によってメータアウト流量を応答性良く制御することができるので、操作に対する油圧アクチュエータの応答性と動力回生効率を良好に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】本発明の実施の形態に係る油圧ショベルの駆動制御システムの概略図。
【図３】本発明の実施の形態に係る車体コントローラ１１の構成図。
【図４】本発明の実施の形態に係る記憶装置９０に記憶されたメータリング線図。
【図５】操作装置４Ａの操作量が最大の状態からブーム下げ操作を終了する場合において、油圧モータ２４の容量をｑ１に固定しつつ発電機２５を目標回転数Ｎｏで制御したときの実際のメータアウト流量Ｑと目標流量Ｑｏを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を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１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃを有する多関節型の作業装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅを有する車体１Ｂを備えており、油圧アクチュエータとして、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、走行モータ３ｅ，３ｆ等を備えている。
【００１５】
ブーム１ａは、上部旋回体１ｄに回動可能に支持されており、ブームシリンダ（油圧シリンダ）３ａにより駆動される。アーム１ｂは、ブーム１ａに回動可能に支持されており、アームシリンダ（油圧シリンダ）３ｂにより駆動される。バケット１ｃは、アーム１ｂに回動可能に支持されており、バケットシリンダ（油圧シリンダ）３ｃにより駆動される。上部旋回体１ｄは旋回モータ（電動機）１６（図２参照）により旋回駆動され、下部走行体１ｅは左右の走行モータ（油圧モータ）３ｅ，３ｆ（図２参照）により駆動される。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及び旋回モータ１６の駆動は、上部旋回体１ｄの運転室（キャブ）内に設置され油圧信号を出力する操作装置４Ａ，４Ｂ（図２参照）によって制御される。
【００１６】
図２は本発明の実施の形態に係る油圧ショベルの駆動制御システムの概略図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。この図に示す駆動制御システムは、動力回生装置７０と、操作装置４Ａ，４Ｂと、コントロールバルブ（スプール型方向切換弁）５Ａ，５Ｂ，５Ｃと、油圧信号を電気信号に変換する圧力センサ１７，１８と、インバータ１３と、チョッパ１４と、バッテリ（蓄電装置）１５と、インバータ１２を備えており、制御装置として車体コントローラ（ＭＣＵ）１１、バッテリコントローラ（ＢＣＵ）２２及びエンジンコントローラ（ＥＣＵ）２１を備えている。
【００１７】
図２において、動力回生装置７０は、油路５１と、分岐部５２と、回生回路５３と、圧力センサ２０と、車体コントローラ（ＭＣＵ）１１と、インバータ２６を備えている。
【００１８】
油路５１は、ブームシリンダ３ａの縮短時にタンク９に戻る油（戻り油）が流通する戻り油油路であり、ブームシリンダ３ａのボトム側油圧室５５に接続されている。油路５１には当該油路５１を複数の油路に分流する分岐部５２が設けられている。分岐部５２には、回生回路５３が接続されている。
【００１９】
回生回路５３は、チェックバルブ２８と、可変容量型油圧モータ２４と、発電機２５を備えており、ブーム下げ操作時にボトム側油圧室５５から吐出される戻り油を油圧モータ２４を介してタンク９に導いている。
【００２０】
チェックバルブ２８には、オペレータによってブーム下げ操作が行われたときに操作装置４Ａから出力される操作信号（圧力Ｐｂの油圧信号）が導かれており、当該操作信号が作用することで開くように設定されている。すなわち、チェックバルブ２８は、操作装置４Ａを介してオペレータによってブーム下げ操作が行われたときに回生回路５３を開放し、その他の場合には回生回路５３を遮断する機能を有している。
【００２１】
可変容量型油圧モータ２４は、ブームシリンダ３ａのボトム側油圧室５５から吐出される戻り油によって駆動されるもので、チェックバルブ２８の下流側に設置されている。また、油圧モータ２４は、斜板（図示せず）の傾転角を調節することで油圧モータ２４の容量（押しのけ容積）を制御するレギュレータ（容量制御手段）３１を備えている。レギュレータ３１は、車体コントローラ１１と接続されており、車体コントローラ１１から適宜出力される指令値Ｓｍに基づいて斜板の傾転角を変更して油圧モータ２４の容量を制御する。
【００２２】
発電機２５は、可変容量型油圧モータ２４に連結されている。ブーム下げ時における戻り油を回生回路５３に導入して油圧モータ２４を回転させると発電機２５が回転して回生電力が発生される。発電機２５はインバータ２６と接続されている。発電機２５及び油圧モータ２４の回転数はインバータ２６から適宜出力される指令値Ｓｇに基づいて制御されている。このように発電機２５及び油圧モータ２４の回転数をインバータ２６で制御すると、油圧モータ２４を通過する油の流量を調整できるので、ブームシリンダ３ａにおけるボトム側油圧室５５から回生回路５３に流れる戻り油の流量（メータアウト流量Ｑ）を調整することができる。発電機２５によって発生された電力は、バッテリ１５や電動アクチュエータ（例えば、発電電動機１０，１６）に適宜供給される。
【００２３】
発電機２５と油圧モータ２４を連結する軸には、発電機２５及び油圧モータ２４の実回転数Ｎを検出する回転数センサ３２が設置されている。回転数センサ３２は車体コントローラ１１と接続されており、検出した実回転数Ｎを車体コントローラ１１に出力している。
【００２４】
操作装置４Ａ，４Ｂは、エンジン７に接続されたパイロットポンプ４１から供給される作動油を２次圧に減圧してブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ及び旋回モータ１６を制御するための油圧信号を発生する。
【００２５】
操作装置４Ａは、ブームシリンダ３ａの駆動を制御するコントロールバルブ５Ａの受圧部と、アームシリンダ３ｂの駆動を制御するコントロールバルブ５Ｂの受圧部にパイロット管を介して接続されており、操作レバーの傾倒方向に応じて各コントロールバルブ５Ａ，５Ｂの受圧部に油圧信号を出力する。コントロールバルブ５Ａ，５Ｂは、操作装置４Ａから入力される油圧信号に応じて位置を切り換えられ、油圧ポンプ６から吐出される圧油の流れをその切換位置に応じて制御することでブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂの駆動を制御する。
【００２６】
コントロールバルブ５Ａにおける一方の受圧部（図２中の右側の受圧部）にはブーム下げ操作時に操作装置４Ａから出力される操作信号（圧力Ｐｂの油圧信号）が入力されており、また、他方の受圧部（図２中の左側の受圧部）にはブーム上げ操作時に操作装置４Ａから出力される操作信号（圧力Ｐａの油圧信号）が入力されている。コントロールバルブ５Ａのスプールは、これら２つの受圧部に入力される操作信号に応じて移動し、油圧ポンプ６からブームシリンダ３ａに供給される圧油の方向及び流量を切り換える。
【００２７】
圧力センサ２０は、ブーム下げ操作時に操作装置４Ａからコントロールバルブ５Ａに出力される油圧信号の圧力Ｐｂ（パイロット圧Ｐｂ）を検出するためのもので、操作装置４Ａとコントロールバルブ５Ａの受圧部を接続するパイロット管（油路）に取り付けられている。圧力センサ２０は車体コントローラ１１と接続されており、検出した油圧信号の圧力Ｐｂを電気信号に変換して車体コントローラ１１に出力している。ところで、操作装置４Ａから出力される油圧信号の圧力Ｐｂは操作装置４Ａの操作量に比例しており、圧力センサ２０で検出した油圧信号の圧力Ｐｂからブーム下げ操作時における操作装置４Ａの操作量を算出することができる。すなわち、本実施の形態における圧力センサ２０は操作装置４Ａの操作量を検出する手段（操作量検出手段）として機能している。なお、操作装置４Ａの操作量を検出する他の手段としては、操作装置４Ａにおける操作レバーの位置を検出するポジションセンサを利用することもできる。
【００２８】
操作装置４Ｂは、バケットシリンダ３ｃの駆動を制御するコントロールバルブ５Ｃの受圧部と２つのパイロット管を介して接続されており、操作レバーの傾倒方向に応じてコントロールバルブ５Ｃの受圧部に油圧信号を出力する。コントロールバルブ５Ｃは、操作装置４Ｂから入力される油圧信号に応じて位置を切り換えられ、油圧ポンプ６から吐出される圧油の流れをその切換位置に応じて制御することでバケットシリンダ３ｃの駆動を制御する。
【００２９】
また、操作装置４Ｂは、コントロールバルブ５Ｃの受圧部に接続する上記２つのパイロットに加え、他の２つのパイロット管に接続されている。また、当該他の２つのパイロット管のうち、上部旋回体１ｄが右旋回するように旋回モータ１６を駆動する油圧信号が通過するものには圧力センサ１７が取り付けられており、上部旋回体１ｄが右旋回するように旋回モータ１６を駆動する油圧信号（圧油）が通過するものには圧力センサ１８が取り付けられている。圧力センサ１７，１８は、操作装置４Ｂから出力される油圧信号の圧力を検出してその圧力に対応する電気信号に変換する信号変換手段として機能するもので、変換した電気信号を車体コントローラ１１に出力可能に構成されている。圧力センサ１７，１８から車体コントローラ１１に出力された電気信号は、インバータ１３を介して旋回モータ１６（電動アクチュエータ）の駆動を制御する操作信号として利用される。
【００３０】
コントロールバルブ５Ｅ，５Ｆの受圧部はパイロット管を介して運転室内に設置された走行操作装置（図示せず）と接続されている。コントロールバルブ５Ｅ，５Ｆは、当該走行操作装置から入力される油圧信号に応じて位置を切り換えられ、油圧ポンプ６から吐出される圧油の流れをその切換位置に応じて制御することで走行モータ３ｅ，３ｆの駆動を制御する。
【００３１】
車体コントローラ（ＭＣＵ）１１は、ブーム下げ時におけるブームシリンダ３ａからのメータアウト流量Ｑの目標流量Ｑｏ及び発電機２５の目標回転数Ｎｏを操作装置４Ａの操作量に基づいて算出し、メータアウト流量Ｑが目標流量Ｑｏに近づくように油圧モータ２４の容量ｑを制御する機能を有している（後に詳述）。また、車体コントローラ１１は、インバータ１３と接続されており、これらに対して指令値を出力している。
【００３２】
また、車体コントローラ１１は、圧力センサ１７，１８から入力される電気信号に基づいてインバータ１３を介して旋回モータ１６の駆動を制御する役割を有する。具体的には、圧力センサ１７から電気信号が入力されたときにはその電気信号に対応した速度で上部旋回体１ｄを左旋回させ、圧力センサ１８から電気信号が入力されたときにはその電気信号に対応した速度で上部旋回体１ｄを右旋回させる。また、車体コントローラ１１は、上部旋回体１ｄの旋回制動時には旋回モータ１６から電気エネルギーを回収する動力回生制御も行う。さらに、その動力回生制御時に発生した回生電力や、動力変換機（発電電動機）１０によって発生された電力の余剰電力（例えば、油圧ポンプ６の負荷が軽い場合等）をバッテリ１５に充電する制御も行う。
【００３３】
エンジンコントローラ（ＥＣＵ）２１は、オペレータによってエンジン７の目標回転数が入力されるエンジン回転数入力装置（例えば、エンジンコントロールダイヤル（図示せず））等からの指令に従って、エンジン７が当該目標回転数で回転するように燃料噴射量とエンジン回転数を制御する部分である。
【００３４】
エンジン（原動機）７の出力軸には動力変換機（発電電動機）１０が連結されており、動力変換機１０の出力軸には油圧ポンプ６とパイロットポンプ４１が接続されている。
【００３５】
動力変換機１０は、エンジン７の駆動力及びバッテリ１５に蓄えられた電気エネルギーのいずれか一方又は双方によって油圧アクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｅ，３ｆを駆動している。動力変換機１０は、インバータ１２を介してインバータ１３及びチョッパ１４と接続されており、エンジン７の動力を電気エネルギーに変換してインバータ１２，１３に出力する発電機として機能し、さらに、バッテリ１５に蓄えられた電気エネルギーの一部を利用して油圧ポンプ６をアシスト駆動する電動機として機能する。
【００３６】
油圧ポンプ６は、油圧アクチュエータ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｅ，３ｆに圧油を供給するメインのポンプであり、パイロットポンプ４１は、操作装置４Ａ，４Ｂ及び走行操作装置を介してコントロールバルブ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆに操作信号として出力される圧油を供給する。なお、油圧ポンプ６に接続される油圧管路にはリリーフ弁８が設置されており、リリーフ弁８はその管路内の圧力が過度に上昇した場合にタンク９に圧油を逃がす。
【００３７】
インバータ１２は、動力変換機１０の回転速度を制御するもので、バッテリ１５からの電気エネルギーにより、動力変換機１０に電力を供給して油圧ポンプ６をアシスト駆動する。インバータ１３は、旋回モータ１６の回転速度を制御するもので、動力変換機１０から出力される電力またはバッテリ１５の電気エネルギーを旋回モータ１６に供給する。
【００３８】
バッテリ１５は、チョッパ１４を介して電圧を調整し、インバータ１２，１３，２６に電力を供給したり、動力変換機１０及び発電機２５が発生した電気エネルギーや旋回モータ１６からの電気エネルギーを蓄えたりする部分である。
【００３９】
次に、本実施の形態に係る車体コントローラ１１が備えるメータアウト流量Ｑの制御機能について図を参照しつつ説明する。
【００４０】
図３は本発明の実施の形態に係る車体コントローラ１１の構成図である。この図に示す車体コントローラ１１は、ＲＡＭ及びＲＯＭ等の記憶装置（記憶手段）９０と、記憶装置９０に記憶されたデータ及びプログラムに従って発電機２５及び油圧モータ２４を制御するための各種処理を実行する処理装置（ＣＰＵ）８０を備えている。車体コントローラ１１には、圧力センサ２０が検出した圧力Ｐｂと、回転数センサ３２が検出した実回転数Ｎが入力されている。また、車体コントローラ１１からは、レギュレータ３１に対して指令値Ｓｍが出力されている。
【００４１】
記憶装置９０には、ブーム下げ操作時におけるオペレータの操作フィーリングを良好に保持するために、ブーム下げ操作時（ブームシリンダ３ａが縮短される場合）における操作装置４Ａの操作量とメータアウト流量Ｑの関係が記憶されている。
【００４２】
図４は本発明の実施の形態に係る記憶装置９０に記憶されたメータリング線図である。本実施の形態では、ブーム下げ操作時における操作装置４Ａの操作量とメータアウト流量の目標流量Ｑｏとの関係は、この図に示すようにメータリング線図の形式で記憶されている。この図に示すように、目標流量Ｑｏと操作装置４Ａの操作量は概ね比例関係が保持されるように規定されている。
【００４３】
なお、既述のように、コントロールバルブ５Ａに出力される油圧信号の圧力（パイロット圧）Ｐｂと操作装置４Ａの操作量とは比例関係にある。そのため、本実施の形態のようにコントロールバルブ５Ａに出力される操作信号として油圧信号を用いる場合には、操作装置４Ａの操作量に代えて、パイロット圧Ｐｂと目標流量Ｑｏの関係をメータリング線図として記憶装置９０に記憶しておき、パイロット圧Ｐｂの値に基づいて目標流量Ｑｏを算出しても良い。以下、本実施の形態では、目標流量Ｑｏ等を演算する際に、操作装置４Ａの操作量に代えてパイロット圧Ｐｂを用いることとする。これを受けて、図４では操作装置４Ａの操作量とパイロット圧Ｐｂを併記している。
【００４４】
また、記憶装置９０に記憶するメータリング線図は、動力回生装置７０の有無に関わらずオペレータに対して一定の操作フィーリングを担保する観点から、ボトム側油圧室５５からの戻り油の全てをコントロールバルブ５Ａを介してタンク９に流した場合に得られるメータリング線図（すなわち、回生回路５３を備えず動力源がエンジンのみである油圧ショベル（以下において「通常の油圧ショベル」と称することがある）におけるメータリング線図）と同じに設定することが好ましい。
【００４５】
本実施の形態における処理装置８０は、図３に示すように、主に、目標流量演算部８１、目標容量演算部８３及び油圧モータ指令値演算部８５として機能する。
【００４６】
目標流量演算部８１は、記憶装置９０に記憶された図４のメータリング線図とブーム下げ操作時における操作装置４Ａの操作量（パイロット圧Ｐｂ）とに基づいてメータアウト流量の目標流量Ｑｏを算出する部分である。図４に示したように、操作装置４Ａの操作量（パイロット圧Ｐｂ）と目標流量Ｑｏは１対１で対応しているので、操作量（パイロット圧Ｐｂ）が分かれば、当該操作量における目標流量Ｑｏを算出することができる。目標流量演算部８１で算出された目標流量Ｑｏは目標容量演算部８３に出力される。
【００４７】
目標容量演算部８３は、目標流量演算部８１で算出された目標流量Ｑｏと回転数センサ３２で検出された実回転数Ｎとに基づいて、油圧モータ２４の容量を制御する際に用いる値を算出する部分である。ここで、目標容量演算部８３で行われる演算処理の内容について図を参照して説明する。
【００４８】
図５は、操作装置４Ａの操作量が最大の状態からブーム下げ操作を終了する場合において、油圧モータ２４の容量をｑ１に固定しつつ発電機２５を目標回転数Ｎｏで制御したときの実際のメータアウト流量（実流量）Ｑと目標流量Ｑｏを示す図である。
【００４９】
この図に示すように、操作装置４Ａによるブーム下げ操作を終了する場合において、油圧モータ２４の容量を設定容量ｑ１に固定し、ブームシリンダ３ａからのメータアウト流量が目標流量Ｑｏ（図５中に点線で示した曲線）に近づくように発電機２５を目標回転数Ｎｏで制御しようとしても、発電機２５と油圧モータ２４の慣性モーメントが大きいため応答性が悪く、発電機２５の実回転数Ｎが目標回転数Ｎｏまで低下するには時間を要する。そのため、実際には、図５に示すように余剰流量ΔＱが発生してブームシリンダ３ａの減速性が損なわれる傾向がある。ここで余剰流量ΔＱは、メータアウト流量の実流量Ｑ（Ｑ＝ｑ１・Ｎ）と目標流量Ｑｏ（Ｑｏ＝ｑ１・Ｎｏ）との差であり、関係式で整理すると下記式（１）で表すことができる。
【００５０】
ΔＱ＝Ｑ−Ｑｏ＝ｑ１・Ｎ−Ｑｏ ……式（１）
したがって、メータアウト流量を目標流量Ｑｏに近づくように制御するためには、発電機２５の実回転数がＮである時刻ｔにおいて下記式（２）が成立するように油圧モータ２４の容量をｑ１からΔｑだけ減らせば良い。なお、Δｑ＝ｑ１−ｑ（ｑ：目標容量）とし、Δｑは油圧モータ２４の傾転角の下げ量に相当する。
【００５１】
Ｎ・Δｑ＝ΔＱ ……式（２）
したがって、式（１）及び式（２）から、Δｑは下記式（３）によって表すことができる。すなわち、Δｑは、メータアウト流量の実流量Ｑ（Ｑ＝ｑ１・Ｎ）と目標流量Ｑｏの差を実回転数Ｎで除したものに相当し、さらには、目標流量Ｑｏを発電機２５の実回転数Ｎで除した値を設定容量ｑ１から減じることで算出することができる。
【００５２】
Δｑ＝（ｑ１・Ｎ−Ｑｏ）／Ｎ＝ｑ１−Ｑｏ／Ｎ ……式（３）
そこで、本実施の形態における目標容量演算部８３は、上記式（３）を利用して実回転数Ｎ及び目標流量Ｑｏから、設定容量ｑ１と目標容量ｑとの差分である差分容量Δｑを算出する。目標容量演算部８３で算出された差分容量Δｑはモータ指令値演算部８５に出力される。
【００５３】
なお、このように差分容量Δｑを算出した次の処理では、上記式（１）、（３）のｑ１に「ｑ１−Δｑ」（すなわち、制御後の油圧モータ２４の容量）を代入して新たなΔｑを算出する。そして、以降の処理はこれを繰り返す。
【００５４】
また、本実施の形態では、油圧モータ２４の容量を制御する際に用いる値として、差分容量Δｑを算出したが、差分容量Δｑに代えて目標容量ｑを算出してモータ指令値演算部８５に出力しても良い。この場合、目標容量ｑは、上記式（３）より、下記式（４）によって表すことができる。
【００５５】
ｑ＝Ｑｏ／Ｎ ……式（４）
モータ指令値演算部８５は、目標容量演算部８３で演算された差分容量Δｑの分だけ可変容量型油圧モータ２４の容量を設定容量ｑ１から低減させるための指令値Ｓｍを演算し、当該指令値Ｓｍをレギュレータ３１に出力する部分である。モータ指令値演算部８５で演算された指令値Ｓｍを入力したレギュレータ３１は当該指令値Ｓｍに基づいて油圧モータ２４の斜板の傾転角を調整し、油圧モータ２４の容量はｑ１−Δｑに制御される。
【００５６】
なお、このように差分容量Δｑを算出して、当該差分容量Δｑに基づいて油圧モータ２４の容量ｑを制御する場合には、設定容量ｑ１として最大容量ｑmaxを利用することが好ましい。このようにすると、最大容量ｑmaxを基準として油圧モータ２４の制御が行われるので回生効率（発電量）を最大にすることができる。
【００５７】
また、目標容量演算部８３において、差分容量Δｑに代えて目標容量ｑを演算した場合には、可変容量型油圧モータ２４の容量を目標容量ｑに設定するための指令値Ｓｍ’を演算してレギュレータ３１に出力すれば、先と同様の結果を得ることができる。
【００５８】
上記のように構成される動力回生装置において、オペレータによって操作装置４Ａを介してブーム下げ操作が行われると、車体コントローラ１１は、目標流量演算部８１において、圧力センサ２０から入力されるパイロット圧Ｐｂに基づいてメータアウト流量の目標流量Ｑｏを算出する。次に、車体コントローラ１１は、目標容量演算部８３において、目標回転数演算部８２から入力される目標流量Ｑｏと、回転数センサ３２から入力される実回転数Ｎとに基づいて、差分容量Δｑを算出する。そして、車体コントローラ１１は、差分容量Δｑに基づいて演算した指令値Ｓｍをモータ指令値演算部８５を介してレギュレータ３１に出力することで、油圧モータ２４の容量をｑ１−Δｑの値に制御する。
【００５９】
なお、上記式（３）から明らかであるが、差分容量Δｑは、発電機２５の実回転数Ｎと目標回転数Ｎｏに偏差が生じている場合に発生する値である。そのため、車体コントローラ１１は、当該回転数偏差に起因して発生する余剰流量が低減するように油圧モータ２４の容量を小さくすることでメータアウト流量を目標流量Ｑｏに近づけても良い。
【００６０】
一方、オペレータによって操作装置４Ａを介してブーム下げ操作が行われると、チェックバルブ２８にパイロット圧Ｐｂが作用して回生回路５３が開放され、ブームシリンダ３ａにおけるボトム側油圧室５５からの戻り油が回生回路５３に導入される。なお、本実施の形態では、図２のコントロールバルブ５Ａのシンボルから明らかなように、パイロット圧Ｐｂがコントロールバルブ５Ａに作用しているときには、ボトム側油圧室５５からの戻り油がコントロールバルブ５Ａを通過してタンク９に戻るルートは遮断されるので、ボトム側油圧室５５内の圧油は全て回生回路５３に導入される。
【００６１】
このようにブームシリンダ３ａからの戻り油が油圧モータ２４に導入されると、油圧モータ２４及び発電機２５に発生する慣性モーメントに起因して余剰流量が生じても、余剰流量が低減するように油圧モータ２４の容量ｑが制御される。これにより、ブームシリンダ３ａからのメータアウト流量は、車体コントローラ１１によって目標流量Ｑｏに近づくように常に制御されるので、オペレータの操作に対するブームシリンダ３ａの応答性を良好に保持することができる。また、本実施の形態では、ボトム側油圧室５５から油圧モータ２４に至るまでの経路には、流量調整弁等の装置も設置されていない。そのため、この種の装置を通過することで戻り油のエネルギー損失が発生することも抑制できるので、回生回路５３による動力回生効率も良好に保持することができる。
【００６２】
したがって、本実施の形態によれば、油圧モータ２４と発電機２５によってブームシリンダ３ａからのメータアウト流量を応答性良く制御することができるので、オペレータのブーム下げ操作に対するブームシリンダ３ａの応答性と動力回生効率を良好に保持することができる。
【符号の説明】
【００６３】
３ａ ブームシリンダ
４Ａ 操作装置
６ 油圧ポンプ
７ エンジン
１１ 車体コントローラ
１５ 蓄電装置
２４ 可変容量型油圧モータ
２５ 発電機
２６ インバータ
２８ チェックバルブ
３１ レギュレータ
３２ 回転数センサ
５３ 回生回路
８１ 目標流量演算部
８２ 目標回転数演算部
８３ 目標容量演算部
８４ 発電機指令値演算部
８５ モータ指令値演算部
９０ 記憶装置
Ｎ 実回転数
Ｎｏ 目標実回転数
Ｐｂ パイロット圧
Ｑ メータアウト流量
Ｑｏ 目標流量
ｑ 目標容量
ｑ１ 設定容量
Δｑ 差分容量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作量に応じた操作信号を出力する操作装置と、この操作装置から出力される操作信号に基づいて駆動される油圧アクチュエータと、エンジンによって駆動され前記油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプとを備える作業機械の動力回生装置において、
前記油圧アクチュエータからの戻り油によって駆動される可変容量型油圧モータと、
この油圧モータに連結された発電機と、
前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記メータアウト流量が前記目標流量に近づくように、前記発電機の実回転数と前記目標流量に基づいて前記油圧モータの容量を制御する制御装置とを備えることを特徴とする作業機械の動力回生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の作業機械の動力回生装置において、
前記制御装置は、
前記油圧モータの容量を所定値に固定したときにおける前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記発電機の実回転数及び前記目標流量に基づいて、前記メータアウト流量が前記目標流量に近づくように前記油圧モータの容量を制御することを特徴とする作業機械の動力回生装置。
【請求項３】
請求項１に記載の作業機械の動力回生装置において、
前記制御装置は、
前記油圧モータが最大容量のときにおける前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記目標流量を前記発電機の実回転数で除して算出される値の分だけ、前記油圧モータの容量を前記最大容量から低減することを特徴とする作業機械の動力回生装置。
【請求項１】
操作量に応じた操作信号を出力する操作装置と、この操作装置から出力される操作信号に基づいて駆動される油圧アクチュエータと、エンジンによって駆動され前記油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプとを備える作業機械の動力回生装置において、
前記油圧アクチュエータからの戻り油によって駆動される可変容量型油圧モータと、
この油圧モータに連結された発電機と、
前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記メータアウト流量が前記目標流量に近づくように、前記発電機の実回転数と前記目標流量に基づいて前記油圧モータの容量を制御する制御装置とを備えることを特徴とする作業機械の動力回生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の作業機械の動力回生装置において、
前記制御装置は、
前記油圧モータの容量を所定値に固定したときにおける前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記発電機の実回転数及び前記目標流量に基づいて、前記メータアウト流量が前記目標流量に近づくように前記油圧モータの容量を制御することを特徴とする作業機械の動力回生装置。
【請求項３】
請求項１に記載の作業機械の動力回生装置において、
前記制御装置は、
前記油圧モータが最大容量のときにおける前記油圧アクチュエータからのメータアウト流量の目標流量を前記操作装置の操作量に基づいて算出し、前記目標流量を前記発電機の実回転数で除して算出される値の分だけ、前記油圧モータの容量を前記最大容量から低減することを特徴とする作業機械の動力回生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−５３４９９（Ｐ２０１３−５３４９９Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９４４２１（Ｐ２０１１−１９４４２１）
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
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