JP5599767B2 - 旋回制御装置及びショベル - Google Patents

Description

本発明は電動機を用いて旋回体を電動駆動する旋回制御装置及びその旋回制御装置を備えたショベルに関する。

従来、上部旋回体を旋回駆動する旋回用電動モータと、その旋回用電動モータの駆動軸に回転軸が連結された油圧モータとを含む旋回用電動モータ装置を搭載する油圧ショベルが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この油圧モータは、吸入ポートと吐出ポートとを備える油圧モータであり、吸入ポートと吐出ポートとの間に配置される切換弁の開閉を制御することによってブレーキ作用の有効・無効を切り換える。ブレーキ作用が有効の場合、すなわち、切換弁が閉じられた場合、油圧モータは、上部旋回体を静止させることができる。

特開２００５−３４４４３１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の油圧モータは、斜面に位置するショベルが上部旋回体の自重によるトルクに対抗しながらその上部旋回体を静止させているときに、その上部旋回体を斜面上方に旋回させるためにブレーキ作用を無効にすると、その上部旋回体を不可避的に斜面下方に旋回させてしまう。

上述の点に鑑み、本発明は、上部旋回体の旋回を開始する際のブレーキの解除をより適切に制御する旋回制御装置及びその旋回制御装置を備えたショベル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、本発明の実施形態に係る旋回制御装置は、旋回ブレーキ用油圧モータと旋回用電動機とにより上部旋回体の旋回を制御する旋回制御装置であって、前記旋回ブレーキ用油圧モータの油路を遮断して前記上部旋回体を停止状態に保持し、前記旋回用電動機による旋回トルクが、前記上部旋回体を停止状態に保持するために必要な保持トルクを上回ると、前記旋回ブレーキ用油圧モータによるブレーキを解除することを特徴とする。

また、本発明の実施形態に係るショベルは、上述の旋回制御装置を搭載することを特徴とする。

上述の手段により、本発明は、上部旋回体の旋回を開始する際のブレーキの解除をより適切に制御する旋回制御装置及びその旋回制御装置を備えたショベルを提供することができる。

ハイブリッド式ショベルの側面図である。 第１実施形態によるハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の構成を示すブロック図である。 油圧によるブレーキ力を発生させるための旋回ブレーキ用油圧モータを有する旋回駆動系の構成を示すブロック図である。 ブレーキ解除処理の流れを示すフローチャートである。 旋回ブレーキを解除する際の旋回用操作レバーのレバー操作量、トルク、及び旋回角度の推移を示す図（その１）である。 旋回ブレーキを解除する際の旋回用操作レバーのレバー操作量、トルク、及び旋回角度の推移を示す図（その２）である。 旋回ブレーキを解除する際の旋回用操作レバーのレバー操作量、トルク、及び旋回角度の推移を示す図（その３）である。 旋回ブレーキを解除する際の旋回用操作レバーのレバー操作量、トルク、及び旋回角度の推移を示す図（その４）である。 本発明の第２実施形態による旋回ブレーキ用油圧モータを有する旋回駆動系の構成を示すブロック図である。 シリーズ型ハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 電気式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

図１は、本発明が適用されるハイブリッド式ショベルを示す側面図である。

ハイブリッド式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４，アーム５及びバケット６は、掘削アタッチメントを構成し、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によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。また、上部旋回体３の後部には、カウンタウェイト３ａが設けられている。カウンタウェイト３ａは、掘削アタッチメントを前方に伸長させたときにハイブリッド式ショベルが前方に倒れるのを防止する。

なお、本発明が適用可能なショベルは、ハイブリッド式ショベルに限られず、電動旋回を採用したショベルであれば、例えば外部電源から充電電力が供給される電気駆動式ショベルにも本発明を適用することができる。

図２は、本発明の第１実施形態によるハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線（太線）、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線（細線）でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、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は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。

電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系（蓄電装置）１２０が接続される。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して電動作業要素としての旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。ここで、旋回用電動機２１が上部旋回体３を旋回駆動するための旋回用電動モータに相当し、メカニカルブレーキ２３が上部旋回体３に機械的にブレーキをかけておくブレーキ装置に相当する。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

電力検出部ＳＲ１は、インバータ２０と旋回用電動機２１との間でやり取りされる電力を検出する検出手段であり、電圧検出部ＳＲ１１及び電流検出部ＳＲ１２を含む。すなわち、電力検出部ＳＲ１は、旋回用電動機２１が力行運転により消費する電力の値（電圧値及び電流値）、又は、旋回用電動機２１が回生運転により生成する電力の値（電圧値及び電流値）を検出する。

図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータとＤＣバス１１０とを含む。第２の蓄電器としてのＤＣバス１１０は、第１の蓄電器としてのキャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図３には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。

昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り換える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。

図２に戻り、コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

また、コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り換え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切換制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。

この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切換制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。

以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

上述のような構成のハイブリッド式ショベルによる作業では、上部旋回体３を一定の旋回位置に保持しながらブーム４、アーム５、バケット６を駆動して掘削作業等を行なうことがある。このときは、上部旋回体３が外力により旋回してしまわないように、メカニカルブレーキ２３によりブレーキがかけられる。メカニカルブレーキ２３は、操作装置２６の旋回用操作レバー（例えば、レバー２６Ａ）が一定時間操作されないと、自動的に作動され、旋回用操作レバーが操作されると直ちに解除される。

本実施形態では、メカニカルブレーキ２３によりブレーキをかけながらブーム４、アーム５、バケット６による作業を行なう状態とならないようにする。すなわち、上部旋回体３を停止しながら作業を行なうときにはメカニカルブレーキ２３を解除し、その代わりに油圧を利用してブレーキ力を発生して上部旋回体３にブレーキをかけて停止した状態にする。油圧によるブレーキ力を発生させるための油圧機器として、本実施形態では、例えば油圧モータが用いられる。

このような油圧モータを利用した上部旋回体３のブレーキ制御のために、コントローラ３０は、旋回制御装置として機能する。

図４は油圧によるブレーキ力を発生させるための旋回ブレーキ用油圧モータを有する旋回駆動系の構成を示すブロック図である。図４において、図２に示す構成部品と同等の部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

本実施形態では、旋回用電動機２１の出力軸に旋回ブレーキ用油圧モータ４０の駆動軸が機械的に連結される。旋回ブレーキ用油圧モータ４０は、ポート４０ａとポート４０ｂとを有する油圧モータである。旋回ブレーキ用油圧モータ４０の駆動軸が一方向に回転駆動されると、ポート４０ａが吸入ポートとなりポート４０ｂが吐出ポートとなって、作動油をポート４０ａからポート４０ｂの方向に流そうとする。旋回ブレーキ用油圧モータ４０の駆動軸が反対方向に回転駆動されると、ポート４０ｂが吸入ポートとなりポート４０ａが吐出ポートとなって、作動油をポート４０ｂからポート４０ａの方向に流そうとする。

ここで、ポート４０ａとポート４０ｂを閉鎖して作動油が流れないようにしておくと、旋回ブレーキ用油圧モータ４０の駆動軸は回転することができない。旋回ブレーキ用油圧モータ４０の駆動軸は旋回用電動機２１の出力軸に機械的に連結されているので、旋回ブレーキ用油圧モータ４０の駆動軸が回転できなくなると、旋回用電動機２１の出力軸も回転できなくなり、上部旋回体３も旋回できなくなる。したがって、旋回ブレーキ用油圧モータ４０のポート４０ａとポート４０ｂを閉鎖して作動油が流れないようにすることで、上部旋回体３にブレーキがかけられた状態となり、上部旋回体３を停止状態に維持することができる。

旋回ブレーキ用油圧モータ４０には油圧回路５０が接続されており、油圧回路５０により作動油の流れが制御される。油圧回路５０は切換弁６０を有している。切換弁６０は、旋回ブレーキ用油圧モータ４０のポート４０ａに繋がる油路５０ａとポート４０ｂに繋がる油路５０ｂとを接続した状態と、油路５０ａと油路５０ｂとを遮断した状態のいずれかに切換える弁である。切換弁６０の動作は、コントローラ３０からの切換信号により制御される。図４には、切換弁６０により油路５０ａと油路５０ｂとを遮断した状態が示されている。油路５０ａと油路５０ｂとを遮断することは、旋回ブレーキ用油圧モータ４０のポート４０ａとポート４０ｂを閉鎖することに相当する。したがって、切換弁６０により油路５０ａと油路５０ｂとを遮断することで、上部旋回体３にブレーキをかけて停止状態に保持することができる。

一方、切換弁６０により油路５０ａと油路５０ｂとを接続した状態にすると、油路５０ａから旋回ブレーキ用油圧モータ４０のポート４０ａに流れた作動油は、旋回ブレーキ用油圧モータ４０に吸い込まれ、ポート４０ｂから吐出される。ポート４０ｂから吐出された作動油は油路５０ｂを流れて再び切換弁６０に戻り、油路５０ａを流れて旋回ブレーキ用油圧モータ４０のポート４０ａに吸い込まれる。このように、切換弁６０により油路５０ａと油路５０ｂとを接続して閉回路を形成することで、旋回ブレーキ用油圧モータ４０を空回りさせた状態で駆動することができる。この状態では、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキが解除された状態であり、上部旋回体３を旋回駆動することができる。すなわち、上部旋回体３を旋回させるときには、切換弁６０を作動して、油路５０ａと油路５０ｂとを接続した状態にする。

油圧回路５０は、リリーフ弁５２Ａ、５２Ｂ及び逆止弁５４Ａ、５４Ｂを有する。リリーフ弁５２Ａ、５２Ｂ及び逆止弁５４Ａ、５４Ｂは、油路５０ａ及び油路５０ｂ内の油圧が高くなり過ぎないように、油圧を逃がすために設けられる。例えば、上部旋回体３に作用する外力（トルク）が非常に大きくなり、油路５０ｂ内の油圧が過度に上昇してリリーフ弁５２Ｂのリリーフ圧を超えると、高圧の作動油はリリーフ弁５２Ｂから流れ出て、逆止弁５４Ａを通り、油路５０ａに流れる。これにより、油路５０ｂ内の油圧は低下し、リリーフ弁５２Ｂのリリーフ圧以下に保たれる。油路５０ａ内の油圧が過度に上昇した場合も、同様に、リリーフ弁５２Ａのリリーフ圧以下に保たれる。このため、旋回駆動系を構成する部品の損傷を防止することができる。

また、油路５０ａには、圧力センサ６２Ａが接続され、油路５０ｂには、圧力センサ６２Ｂが接続される。圧力センサ６２Ａは、油路５０ａ内の油圧を検出し、その検出値Ｐ_Ｒをコントローラ３０に対して出力する。圧力センサ６２Ｂは、油路５０ｂ内の油圧を検出し、その検出値Ｐ_Ｌをコントローラ３０に対して出力する。

次に、斜面に位置するハイブリッド式ショベルが上部旋回体３の自重によるトルクに対抗しながら上部旋回体３を静止させているときに、上部旋回体３を旋回させるために旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキを解除する処理（以下、「ブレーキ解除処理」とする。）について説明する。図５は、コントローラ３０によるブレーキ解除処理の流れを示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１１において、旋回用操作レバーが操作されたか否かが判定される。旋回用操作レバーが操作されていないと判定されると（ステップＳ１１のＮＯ）、今回のブレーキ解除処理は終了される。一方、旋回用操作レバーが操作されたと判定されると（ステップＳ１１のＹＥＳ）、処理はステップＳ１２に進み、圧力センサ６２Ａの検出値Ｐ_Ｒと圧力センサ６２Ｂの検出値Ｐ_Ｌとの間の圧力差から保持トルクが算出される。このとき、メカニカルブレーキ２３によるブレーキがかけられている場合、そのブレーキは解除される。

「保持トルク」とは、上部旋回体３の自重によるトルクに対抗しながら上部旋回体３を静止させるために必要なトルクである。また、保持トルクは、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキがかけられている場合に、上部旋回体３の自重によるトルクに対抗して自然に発生するトルクである。そのため、保持トルクは、上部旋回体３の自重によるトルクとは逆向きで大きさが等しい。また、保持トルクは、掘削アタッチメントを伸長させた状態と短縮させた状態とでその向きが異なる場合がある。掘削アタッチメントを伸長させた状態では、ハイブリッド式ショベルの重心が旋回中心から見て上部旋回体３の前部に位置するのに対し、掘削アタッチメントを短縮させた状態では、ハイブリッド式ショベルの重心が旋回中心から見て上部旋回体３の後部に位置する場合があるためである。また、保持トルクは、掘削アタッチメントの伸長度合いが大きくなるにつれて大きくなる。ハイブリッド式ショベルの重心が旋回中心から遠ざかるためである。

また、保持トルクτは、油路５０ａ内の油圧Ｐ_Ｒと油路５０ｂ内の油圧Ｐ_Ｌとの間の圧力差に比例し、例えば、以下の式で表される。

ここで、ｑ［ｃｃ／ｒｅｖ］は、旋回ブレーキ用油圧モータ４０のモータ容積を表し、Ｐ_Ｒ［ＭＰａ］は、圧力センサ６２Ａの検出値を表し、Ｐ_Ｌ［ＭＰａ］は、圧力センサ６２Ｂの検出値を表す。また、図４における旋回ブレーキ用油圧モータ４０の時計回りの回転方向を正方向とする。

ステップＳ１２において保持トルクτが算出されると、処理はステップＳ１３に進み、旋回用電動機２１による旋回トルクの出力が開始される。

続いて、ステップＳ１４において、旋回トルクの大きさが保持トルクの大きさ以上となったか否かが判定される。なお、旋回トルクの向きと保持トルクの向きとは互いに正反対である。

具体的には、コントローラ３０は、例えば、電流検出部ＳＲ１２が検出した旋回用電動機２１に供給される入力電流値［Ａ］を所定の定格電流値［Ａ］で除した値をトルクモニタ値［％］として算出する。そして、コントローラ３０は、旋回用電動機２１の所定の定格トルク［Ｎ・ｍ］とトルクモニタ値［％］とを乗算して入力電流値［Ａ］のトルク換算値［Ｎ・ｍ］を旋回トルクとして算出する。また、コントローラ３０は、速度制御及びトルク制御を用いて旋回用電動機２１を制御する場合、トルク制御の際に用いるトルク指令値に基づいて旋回トルクを算出してもよい。その後、コントローラ３０は、算出した保持トルクの大きさと算出した旋回トルクの大きさとを比較して、旋回トルクの大きさが保持トルクの大きさ以上となった否かを判定する。

また、コントローラ３０は、圧力センサ６２Ａの検出値Ｐ_Ｒと圧力センサ６２Ｂの検出値Ｐ_Ｌとの間の圧力差に基づいて旋回トルクの大きさが保持トルクの大きさ以上となった否かを判定してもよい。具体的には、コントローラ３０は、その圧力差が減少してゼロになったときに、或いは、その圧力差の正負が反転したときに旋回トルクの大きさが保持トルクの大きさ以上になったと判定する。この場合、コントローラ３０は、保持トルク及び旋回トルクの何れをも算出する必要はない。その圧力差の推移を監視することによって旋回トルクの大きさと保持トルクの大きさとの間の関係を認識できるためである。

ステップＳ１４において旋回トルクの大きさが保持トルクの大きさ以上でないと判定されると、旋回トルクの大きさが保持トルクの大きさ以上となるまでステップＳ１４が繰り返される。一方、ステップＳ１４において旋回トルクの大きさが保持トルクの大きさ以上となったと判定されると、処理はステップＳ１５に進み、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキが解除される。

次に、図６〜図９を参照しながら、旋回ブレーキを解除する際の旋回用操作レバーのレバー操作量、上部旋回体３に作用するトルク、及び上部旋回体３の旋回角度の推移について説明する。

なお、図６〜図８は、斜面に位置するハイブリッド式ショベルが上部旋回体３の自重によるトルクに対抗しながら上部旋回体３を静止させているときに、上部旋回体３を斜面上方に時計回りに旋回させる際（以下、「正方向の昇り旋回を開始する際」とする。）の推移を示す。

また、図９は、斜面に位置するハイブリッド式ショベルが上部旋回体３の自重によるトルクに対抗しながら上部旋回体３を静止させているときに、上部旋回体３を斜面下方に反時計回りに旋回させる際（以下、「負方向の降り旋回を開始する際」とする。）の推移を示す。

図６は、上述のブレーキ解除処理が実行されることなく、旋回用操作レバーが操作されると同時に旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキが解除された場合を比較例として示す。

なお、図６（Ａ）は、旋回用操作レバーのレバー操作量の推移を示し、図６（Ｂ）は、上部旋回体３に作用する各種トルクの推移を示し、図６（Ｃ）は、上部旋回体３の旋回角度の推移を示す。

また、図６（Ｂ）において、破線は、上部旋回体３の自重による自重トルクの推移を示し、一点鎖線は、旋回用電動機２１による旋回トルクを示す。また、二点鎖線は、旋回ブレーキ用油圧モータ４０による保持トルクを示し、実線は、自重トルク、旋回トルク、及び保持トルクの合計トルクを示す。図７〜図９においても同様である。

また、レバー操作量、各種トルク、及び旋回角度は何れも、図４の旋回ブレーキ用油圧モータ４０を時計回りに回転させる場合を正値とし、反時計回りに回転させる場合を負値とする。図７〜図９においても同様である。

図６（Ｂ）で示すように、合計トルクは、当初、互いに向きが正反対で大きさが同じである自重トルクと保持トルクとにより大きさがゼロとなっている。

その後、図６（Ａ）で示すように、時刻ｔ１において、旋回用操作レバーが正方向に操作されると、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキが解除される。その結果、保持トルクがゼロとなり、合計トルクは、自重トルクに等しい負値となる。これは、操作方向とは反対の方向に上部旋回体３が旋回することを意味する。

その後、図６（Ｂ）で示すように、旋回トルクが正方向に徐々に増大することによって、合計トルクはゼロに近づき、時刻ｔ２においてゼロに至る。なお、図６（Ｃ）における時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の旋回角度の推移は、上部旋回体３が時刻ｔ１において操作方向とは逆の方向に降り旋回し始め、時刻ｔ２に至るまで降り旋回を継続する状態を示す。

その後、上部旋回体３は、合計トルクが正値となるため、旋回方向を反転させて正方向への昇り旋回を開始する。このように、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、旋回トルクが自重トルクを下回るので、上部旋回体３が逆方向に旋回してしまう。

このように、旋回用操作レバーが正方向に操作されたときに旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキを解除し、旋回用電動機２１により旋回トルクをゼロから徐々に増大させるのみの制御では、上部旋回体３を操作方向とは逆の方向に降り旋回させてしまう。

次に、図７を参照しながら、上述のブレーキ解除処理が実行され、旋回用操作レバーが正方向に操作された後で、自重トルクとは逆向きの旋回トルクの大きさが自重トルクの大きさに等しくなったときに旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキが解除される場合について説明する。

図７（Ｂ）で示すように、合計トルクは、当初、互いに向きが正反対で大きさが同じである自重トルクと保持トルクとにより大きさがゼロとなっている。

その後、図７（Ａ）で示すように、時刻ｔ１において、旋回用操作レバーが正方向に操作されると、旋回トルクが正方向への増大を開始する。なお、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキはそのまま維持される。その結果、保持トルクは、旋回トルクの増大に比例するように減少を開始し、旋回トルクと保持トルクの合計の大きさが、逆向きの自重トルクの大きさと等しくなるので、合計トルクはゼロのまま維持される。これは、上部旋回体３が静止したままであることを意味する。しかしながら、時刻ｔ１において、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキを解除することはできない。保持トルクの逓減は、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキが作用しているために実現されるからであり、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキを解除すると、保持トルクは瞬時にゼロとなってしまうからである。

その後、図７（Ｂ）で示すように、旋回トルクが正方向に徐々に増大することによって、保持トルクはゼロに近づき、時刻ｔ２においてゼロに至る。このとき、旋回トルクの大きさが自重トルクの大きさと等しくなり、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキが解除される。なお、図７（Ｃ）における時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の旋回角度の推移は、上部旋回体３が時刻ｔ２に至るまで旋回しない状態を示す。

その後、上部旋回体３は、旋回トルクが正方向に更に増大することによって合計トルクが正値となるため、正方向への昇り旋回を開始する。

このように、旋回用操作レバーが正方向に操作されたときに旋回トルクの増大を開始させ、旋回トルクの大きさが自重トルクの大きさに等しくなったときに旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキを解除するこのブレーキ解除処理では、上部旋回体３が操作方向とは逆向きに降り旋回するのを防止できる。

次に、図８を参照しながら、上述のブレーキ解除処理が実行され、旋回用操作レバーが正方向に操作されたときに、自重トルクとは逆向きで自重トルクと同じ大きさの旋回トルクを瞬時に発生させる場合について説明する。

図８（Ｂ）で示すように、合計トルクは、当初、互いに向きが正反対で大きさが同じである自重トルクと保持トルクとにより大きさがゼロとなっている。

その後、図８（Ａ）で示すように、時刻ｔ１において、旋回用操作レバーが正方向に操作されると、自重トルクとは逆向きで自重トルクと同じ大きさの旋回トルクが瞬時に生成される。そして、旋回トルクは、正方向への更なる増大を開始する。このとき、旋回トルクの大きさが自重トルクの大きさと等しくなり、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキが解除される。その結果、合計トルクは時刻ｔ１において増大を開始する。これは、上部旋回体３が時刻ｔ１において正方向への昇り旋回を開始することを意味する。

このように、旋回用操作レバーが正方向に操作されたときに、自重トルクとは逆向きで自重トルクと同じ大きさの旋回トルクを瞬時に発生させ、合計トルクがゼロであることを確認した後、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキを解除する。このブレーキ解除処理では、上部旋回体３が操作方向とは逆向きに降り旋回するのを防止しながら、上部旋回体３の昇り旋回を迅速且つ円滑に開始させることができる。

次に、図９を参照しながら、旋回用操作レバーが負方向（自重トルクの方向に対応する方向）に操作されたときに上述のブレーキ解除処理が実行される場合について説明する。

この場合、旋回用電動機２１は、最初に、自重トルクとは逆向きで自重トルクと同じ大きさの旋回トルク、すなわち、レバー操作方向に対応する方向とは逆向きの旋回トルクを発生させる。その後、旋回用電動機２１は、その逆向きの旋回トルクをゼロまで減少させた後、自重トルクと同じ方向、すなわちレバー操作方向に対応する方向に旋回トルクを増大させる。

図９（Ｂ）で示すように、合計トルクは、当初、互いに向きが正反対で大きさが同じである自重トルクと保持トルクとにより大きさがゼロとなっている。

その後、図９（Ａ）で示すように、時刻ｔ１において、旋回用操作レバーが負方向に操作されると、自重トルクとは逆向きで自重トルクと同じ大きさの旋回トルクが瞬時に生成される。すなわち、レバー操作方向に対応する方向とは逆向きの旋回トルクが生成される。このとき、旋回トルクの大きさが自重トルクの大きさと等しくなり、合計トルクがゼロであることが確認された後、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキが解除される。その結果、合計トルクは時刻ｔ１において負方向への増大を滑らかに開始する。レバー操作方向に対応する方向とは逆向きの旋回トルクが生成されることで、合計トルクの負方向への急激な増加が回避されるためである。
また、レバー操作方向とは逆向きの旋回トルクがゼロになるまでは、合計トルクの大きさが自重トルクの大きさより小さいためである。これは、上部旋回体３が時刻ｔ１において負方向への降り旋回を滑らかに開始することを意味する。なお、旋回トルクは、ゼロに至った後、負方向への増大を継続する。このとき、合計トルクの大きさは、自重トルクの大きさと、同じ向きの旋回トルクの大きさとの合計となる。

このように、コントローラ３０は、上部旋回体３を降り旋回させるために旋回用操作レバーが負方向に操作されたときに、自重トルクとは逆向きで自重トルクと同じ大きさの旋回トルク、すなわち、レバー操作方向とは逆向きの旋回トルクを発生させる。その結果、コントローラ３０は、上部旋回体３がレバー操作方向である方向に急激に降り旋回するのを防止しながら、上部旋回体３の降り旋回を迅速且つ円滑に開始させることができる。

以上の構成により、旋回制御装置としてのコントローラ３０は、上部旋回体３の旋回を開始する際のブレーキの解除をより適切に制御することができる。

また、コントローラ３０は、圧力センサ６２Ａの検出値Ｐ_Ｒと圧力センサ６２Ｂの検出値Ｐ_Ｌとの間の圧力差に基づいて保持トルクの大きさを検出する。そのため、コントローラ３０は、傾斜センサや角度センサ等を用いて掘削アタッチメントの姿勢や上部旋回体３の重心位置等を検出した上で保持トルクの大きさを算出する場合に比べ、保持トルクをより正確に且つより安定的に検出することができる。

なお、上述の実施形態では、ブレーキ解除処理は、斜面に位置するハイブリッド式ショベルが上部旋回体３の自重トルクに対抗しながら上部旋回体３を静止させているときに、上部旋回体３を旋回させるために旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキを解除する場合に実行される。しかしながら、本発明はこれに限定されない。ブレーキ解除処理は、例えば、掘削アタッチメントが受ける横風等の横力による旋回トルクに対抗しながら上部旋回体３を静止させているときに上部旋回体３を旋回させるために旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキを解除する場合に実行されてもよい。

次に、第２実施形態について説明する。図１０は、本発明の第２実施形態による旋回ブレーキ用油圧モータを有する旋回駆動系の構成を示すブロック図である。図１０において、図４に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

図１０に示すように、本実施形態では、油圧回路５０は切換弁６０を有していない。したがって、図１０に示す油圧回路５０では、旋回ブレーキ用油圧モータ４０のポート４０ａとポート４０ｂから作動油を吐出することができず、常に閉鎖状態となっている。すなわち、旋回ブレーキ用油圧モータ４０は常にブレーキをかけた状態となっており、このままでは、上部旋回体３を旋回駆動することができない。そこで、本実施形態では、切換弁６０の代わりに、旋回ブレーキ用油圧モータ４０と旋回用電動機２１との間に断続機７０が設けられている。

断続機７０は、例えばクラッチのように、二つの部材を互いに係合させて回転力を伝達する状態と、二つの部材の係合を解除して回転力を伝達できない状態とを切り換える。すなわち、断続機７０は、コントローラ３０からの信号により、旋回ブレーキ用油圧モータ４０の駆動軸と旋回用電動機２１の出力軸とを連結した状態と、切り離した状態とを切り換えることができる。したがって、旋回ブレーキ用油圧モータ４０でブレーキをかけるときには、旋回ブレーキ用油圧モータ４０の駆動軸と旋回用電動機２１の出力軸とを断続機７０により連結した状態とする。一方、旋回用電動機２１を駆動して上部旋回体３を旋回駆動するときには、旋回ブレーキ用油圧モータ４０の駆動軸と旋回用電動機２１の出力軸とを断続機７０により切り離した状態とする。

以上のように、本実施形態では、旋回ブレーキ用油圧モータ４０を常にブレーキをかけた状態としておき、旋回ブレーキ用油圧モータ４０によるブレーキが不要のときは、旋回ブレーキ用油圧モータ４０を旋回用電動機２１から切り離すことで対応している。

上述の第１及び第２の実施形態では、旋回ブレーキ用油圧モータ４０を旋回用電動機２１に連結することで、旋回用電動機２１にブレーキをかけ、結果として上部旋回体３にブレーキをかけているが、旋回ブレーキ用油圧モータ４０を上部旋回体３又は旋回機構２に直接連結してもよい。

また、上述の実施形態では、エンジン１１と電動発電機１２とを油圧ポンプであるメインポンプ１４に接続してメインポンプを駆動する、いわゆるパラレル型のハイブリッド式ショベルに本発明を適用した例について説明した。しかしながら、本発明は、図１１に示すようにエンジン１１で電動発電機１２を駆動し、電動発電機１２が生成した電力を蓄電系１２０に蓄積してから蓄積した電力のみによりメインポンプ１４を駆動する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド式ショベルにも適用することもできる。この場合、電動発電機１２は、エンジン１１によって駆動させることによる発電運転のみを行なう発電機としての機能を備えている。

また、エンジンが搭載されずに電動機のみで油圧ポンプを駆動する電気式ショベルにも本発明を適用することができる。図１２は電気式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。電動機として機能する電動発電機１２０はメインポンプ１４に接続され、メインポンプ１４は電動発電機１２のみにより駆動される。蓄電系１２０には、コンバータ４１０を介して外部電源５００が接続され、蓄電系１２０の蓄電部（キャパシタ１９）には、外部電源５００から電力が供給されて充電される。

また、上述の実施形態では、コントローラ３０は、停止状態の際には、旋回ブレーキ用油圧モータ４０の油路５０ａ、５０ｂを遮断して上部旋回体３の自重トルクに対抗する保持トルクを発生させている。しかしながら、コントローラ３０は、保持トルクよりも小さい旋回トルクを旋回用電動機２１に出力させた状態で、上部旋回体３を停止状態に維持するようにしてもよい。この場合、コントローラ３０は、停止状態の間に既に旋回用電動機２１により旋回トルクを出力させているので、上部旋回体３の旋回を迅速且つ円滑に開始させることができる。

１・・・下部走行体 １Ａ、１Ｂ・・・油圧モータ ２・・・旋回機構 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 １０・・・キャビン １１・・・エンジン １２・・・電動発電機 １３・・・変速機 １４・・・メインポンプ １５・・・パイロットポンプ １６・・・高圧油圧ライン １７・・・コントロールバルブ １８Ａ、２０・・・インバータ １９・・・キャパシタ ２１・・・旋回用電動機 ２２・・・レゾルバ ２３・・・メカニカルブレーキ ２４・・・旋回変速機 ２５・・・パイロットライン ２６・・・操作装置 ２６Ａ、２６Ｂ・・・レバー ２６Ｃ・・・ペダル ２７・・・油圧ライン ２８・・・油圧ライン ２９・・・圧力センサ ３０・・・コントローラ ４０・・・旋回ブレーキ用油圧モータ ４０ａ、４０ｂ・・・ポート ５０・・・油圧回路 ５０ａ、５０ｂ・・・油路 ５２Ａ、５２Ｂ・・・リリーフ弁 ５４Ａ、５４Ｂ・・・逆止弁 ６０・・・切換弁 ６２Ａ、６２Ｂ・・・圧力センサ ７０・・・断続機 １００・・・昇降圧コンバータ １１０・・・出力端子ＤＣバス １１１・・・ＤＣバス電圧検出部 １１２・・・キャパシタ電圧検出部 １１３・・・キャパシタ電流検出部 １２０・・・蓄電系 ４００・・・電動機 ４１０・・・コンバータ ５００・・・外部電源 ＳＲ１・・・電力検出部 ＳＲ１１・・・電圧検出部 ＳＲ１２・・・電流検出部

Claims (6)

1. 旋回ブレーキ用油圧モータと旋回用電動機とにより上部旋回体の旋回を制御する旋回制御装置であって、
   前記旋回ブレーキ用油圧モータの油路を遮断して前記上部旋回体を停止状態に保持し、
   前記旋回用電動機による旋回トルクが、前記上部旋回体を停止状態に保持するために必要な保持トルクを上回ると、前記旋回ブレーキ用油圧モータによるブレーキを解除する、
   旋回制御装置。
2. 前記旋回用電動機は、旋回用操作レバーが操作された場合に、前記保持トルク以上の旋回トルクを出力する、
   請求項１に記載の旋回制御装置。
3. 前記旋回トルクが前記保持トルクを上回る場合に、前記旋回ブレーキ用油圧モータの前記吸入ポートと前記吐出ポートとを接続して流体的に連通させることによって、ブレーキを解除する、
   請求項１又は２に記載の旋回制御装置。
4. 前記旋回トルクが前記保持トルクを上回る場合に、前記旋回ブレーキ用油圧モータと前記旋回用電動機とを機械的に分離することによって、ブレーキを解除する、
   請求項１又は２に記載の旋回制御装置。
5. 前記旋回用電動機は、前記旋回ブレーキ用油圧モータによるブレーキが解除されるまでは、前記保持トルクと同じ向きの旋回トルクを発生させる、
   請求項１乃至４の何れか一項に記載の旋回制御装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の旋回制御装置を搭載するショベル。

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