(57)【要約】【課題】作業要素の動きを抑制或いは停止する必要がある場合により適切なタイミングで作業要素の動きを抑制或いは停止するショベルを提供すること。【解決手段】本発明の一実施形態によるハイブリッドショベルは、ブーム４、アーム５、バケット６を含む上部旋回体３と、上部旋回体３を駆動する旋回用電動機２１と、エンジン１１と、エンジン１１に連結される電動発電機１２と、電動発電機１２に接続されるインバータ１８と、インバータ１８に接続されるＤＣバス１９ｂと、ＤＣバス１９ｂに接続される蓄電装置１９と、コントローラ３０とを有する。コントローラ３０は、上部旋回体３の動作の出力を少なくとも抑制する抑制部４３と、上部旋回体３の動作の内容を確認する確認部４１と、確認部４１が確認した内容次第で抑制部４３による抑制を少なくとも一時的に保留する判断部４２とを有する。【選択図】図３
2015094209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアタッチメントを含む作業要素と、
前記作業要素を駆動するアクチュエータと、
エンジンと、
前記エンジンに連結されるアシストモータと、
前記アシストモータに接続されるインバータと、
前記インバータに接続されるＤＣバスと、
前記ＤＣバスに接続される蓄電器と、
制御装置と、を有し、
前記制御装置は、前記作業要素の動作の出力を少なくとも抑制する抑制機能と、前記作業要素の動作の内容を確認する確認機能と、前記確認機能が確認した前記作業要素の動作の内容次第で前記抑制機能による抑制を少なくとも一時的に保留する判断機能とを有する、
ショベル。
【請求項２】
前記制御装置は、前記抑制機能を有する抑制部と、前記確認機能を有する確認部と、前記判断機能を有する判断部とを有する、
請求項１に記載のショベル。
【請求項３】
前記判断機能は、前記抑制を保留した後に、保留状態を維持するか解除するかを判断し、判断結果に応じて保留状態の維持又は解除を実行する、
請求項１又は２に記載のショベル。
【請求項４】
前記判断機能は、前記保留状態を解除した後、前記抑制機能による抑制を実行するか否かを判断する、
請求項３に記載のショベル。
【請求項５】
前記判断機能は、前記作業要素又は前記アクチュエータが動いているのに前記抑制機能が前記作業要素の動作の出力を少なくとも抑制しようとしたときは前記抑制機能による抑制を保留し、前記作業要素又は前記アクチュエータが停止している或いは停止しているも同然のときは前記抑制機能による抑制を保留しない、
請求項１乃至４の何れか一項に記載のショベル。
【請求項６】
前記確認機能は、前記アクチュエータの負荷レベルが通常レベル、制限レベル、及び停止レベルの何れであるかを確認する、
請求項１乃至５の何れか一項に記載のショベル。
【請求項７】
前記判断機能は、前記アクチュエータの負荷レベルに基づいて前記アクチュエータの制御状態を通常制御と制限制御との間で切り替え、
前記判断機能が前記通常制御を前記制限制御に切り替えるときの負荷レベルは、前記制限制御を前記通常制御に切り替えるときの負荷レベルと異なる、
請求項１乃至６の何れか一項に記載のショベル。
【請求項８】
前記抑制機能による前記作業要素の動作の出力の抑制は、該出力を低減させること、及び、該出力をほぼゼロにすることを含む、
請求項１乃至７の何れか一項に記載のショベル。
【請求項９】
前記アクチュエータに接続される別のインバータをさらに有し、
前記アクチュエータの制御状態は、制限制御及び停止制御を含み、
前記抑制機能は、前記アクチュエータの制御状態が前記制限制御のときに前記別のインバータの出力を制限し、前記アクチュエータの制御状態が前記停止制御のときに前記別のインバータの出力を停止させる、
請求項１乃至８の何れか一項に記載のショベル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショベルに関する。
【背景技術】
【０００２】
旋回用電動機に接続されるインバータを冷却するための冷却水の温度が所定温度以上となった場合に旋回用電動機のトルク出力を制限するショベルが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２２８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、旋回操作中にトルク出力が制限されると、操作フィーリングを悪化させてしまうおそれがある。また、旋回減速中にトルク出力が制限されると、制動トルクが制限され、旋回の停止が遅れるおそれがある。
【０００５】
上述の点に鑑み、作業要素の動きを抑制或いは停止する必要がある場合により適切なタイミングで作業要素の動きを抑制或いは停止できるショベルの提供が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態によるショベルは、複数のアタッチメントを含む作業要素と、前記作業要素を駆動するアクチュエータと、エンジンと、前記エンジンに連結されるアシストモータと、前記アシストモータに接続されるインバータと、前記インバータに接続されるＤＣバスと、前記ＤＣバスに接続される蓄電器と、制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記作業要素の動作の出力を少なくとも抑制する抑制機能と、前記作業要素の動作の内容を確認する確認機能と、前記確認機能が確認した前記作業要素の動作の内容次第で前記抑制機能による抑制を少なくとも一時的に保留する判断機能とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
上述の手段により、作業要素の動きを抑制或いは停止する必要がある場合により適切なタイミングで作業要素の動きを抑制或いは停止するショベルが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態によるハイブリッドショベルの側面図である。
【図２】図１に示すハイブリッドショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示すハイブリッドショベルに搭載されるコントローラの構成例を示すブロック図である。
【図４】旋回用電動機の制御状態の状態遷移図である。
【図５】旋回用電動機の負荷レベルと制御状態との関係を示す図である。
【図６】モータ温度、負荷レベル、トルクリミット値、及び速度指令リミット値の時間的推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
まず、本発明の一実施形態によるハイブリッドショベルの全体構成及び駆動系の構成について説明する。図１は本発明の一実施形態によるショベルを示す側面図である。なお、本発明は、ハイブリッドショベルに限らず、蓄電器から電気負荷に電力を供給するものであれば、他のハイブリッド建設機械にも適用することができる。
【００１０】
図１に示すハイブリッドショベルにおける下部走行体１には、旋回機構２を介して作業要素としての上部旋回体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の先端には、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端には、バケット６が取り付けられている。アタッチメントとしてのブーム４、アーム５、及びバケット６は、アクチュエータとしてのブームシリンダ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。また、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。
【００１１】
図２は図１に示すハイブリッド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、高圧油圧ラインは太い実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細い実線でそれぞれ示されている。
【００１２】
エンジン１１と、アシストモータとしての電動発電機１２は、減速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。減速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてのメインポンプ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。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が接続されている。
【００１３】
コントロールバルブ１７は、ハイブリッドショベルにおける油圧系の制御を行う油圧制御装置である。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、並びにバケットシリンダ９等の各種アクチュエータは、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。
【００１４】
蓄電系１２０は、蓄電器としての蓄電装置１９と、昇降圧コンバータ１９ａと、ＤＣバス１９ｂとを含む。蓄電装置１９は、例えばキャパシタであり、昇降圧コンバータ１９ａ、ＤＣバス１９ｂ、及びインバータ１８を介して電動発電機１２に接続される。また、蓄電装置１９は、昇降圧コンバータ１９ａ、ＤＣバス１９ｂ、及びインバータ２０を介してアクチュエータとしての旋回用電動機２１に接続される。昇降圧コンバータ１９ａは、蓄電装置１９とＤＣバス１９ｂとの間に配置され、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１９ｂの電圧レベルが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替える制御を行う。ＤＣバス１９ｂは、昇降圧コンバータ１９ａとインバータ１８、２０との間に配置され、蓄電装置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。
【００１５】
インバータ１８、２０は、コントローラ３０からのＰＷＭ信号により制御され、例えば、電動モータを駆動するためのモータ駆動電流を電動発電機１２、旋回用電動機２１に対して出力する。また、インバータ１８、２０の内部には、インバータの回路を構成するトランジスタを組み込んだインテリジェントパワーモジュール（Intelligent Power Module（ＩＰＭ））が搭載されている。なお、本実施形態では、ＩＰＭは、３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のそれぞれに個別に対応するように搭載されるが、３相のうちの少なくとも２相で共用されるように搭載されてもよい。
【００１６】
旋回用電動機２１の出力軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。
【００１７】
操作装置２６は、各種アクチュエータを操作するための装置であり、操作量、操作方向等の操作内容に応じたパイロット圧を発生させる。また、操作装置２６は、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７に接続される。コントロールバルブ１７は、操作装置２６が発生させたパイロット圧に応じて各種アクチュエータに対応するスプール弁を動かし、メインポンプ１４が吐出する作動油を各種アクチュエータに供給する。また、操作装置２６は、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９に接続される。圧力センサ２９は、操作装置２６が発生させたパイロット圧を電気信号に変換し、変換した電気信号をコントローラ３０に対して出力する。
【００１８】
モータ温度センサＳ１は、電動モータの温度を検出するセンサである。本実施形態では、モータ温度センサＳ１は、旋回用電動機２１の温度を検出し、検出した温度をコントローラ３０に対して出力する。
【００１９】
ＩＰＭ温度センサＳ２は、各種インバータに搭載されるＩＰＭの温度を検出するセンサである。本実施形態では、ＩＰＭ温度センサＳ２は、インバータ２０に搭載されるＩＰＭの温度の所定期間における最大値（ＩＰＭ最大温度）を検出し、検出したＩＰＭ最大温度をコントローラ３０に対して出力する。
【００２０】
電子サーマル負荷率センサＳ３は、電子サーマル負荷率を検出するセンサである。電子サーマル負荷率は、電動モータの過熱保護のために用意されるパラメータである。本実施形態では、電子サーマル負荷率センサＳ３は、旋回用電動機２１に関する電子サーマル負荷率を検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。なお、本実施形態では、旋回用電動機２１に関する電子サーマル負荷率は、モータ駆動電流の絶対値から定格電流値を差し引いた値の積分値として導き出され、旋回用電動機２１に対する負荷の短期的な変動を検出するために用いられる。
【００２１】
コントローラ３０は、ハイブリッドショベルの駆動制御を行う制御装置である。本実施形態では、コントローラ３０は、Central Processing Unit（ＣＰＵ）及び内部メモリを含む演算処理装置である。具体的には、コントローラ３０は、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵに実行させて各種機能を実現する。
【００２２】
図３は、コントローラ３０が旋回用電動機２１の駆動制御を行う際に用いられる機能要素を示す。なお、本実施形態では、コントローラ３０は、主に、旋回制御部３０Ａ及び旋回制限制御部３０Ｂを有する。
【００２３】
旋回制御部３０Ａは、速度指令生成部３１、減算器３２、ＰＩ制御部３３、トルク制限部３４、減算器３５、ＰＩ制御部３６、電流変換部３７、旋回動作検出部３８、及びＰＷＭ信号生成部４０を有する。
【００２４】
速度指令生成部３１は、圧力センサ２９から入力される電気信号に基づいて速度指令値を生成する。また、速度指令生成部３１は、旋回制限制御部３０Ｂから入力される速度指令リミット値を用いて速度指令値を速度指令リミット値以下に制限する。具体的には、生成した速度指令値が速度指令リミット値以上であれば速度指令リミット値を速度指令値として採用し、生成した速度指令値が速度指令リミット値未満であればその速度指令値をそのまま採用する。そして、速度指令生成部３１は、採用した速度指令値を減算器３２に対して出力する。このように、速度指令生成部３１は、速度指令値に制限を加えることによってハイブリッドショベルの操作性を維持することができる。
【００２５】
減算器３２は、速度指令値と旋回速度の現在値との偏差をＰＩ制御部３３に対して出力する。旋回速度の現在値は、例えば旋回動作検出部３８が算出する値である。なお、旋回動作検出部３８は、旋回用電動機２１の回転位置の変化に基づいて旋回速度値を算出し、減算器３２に出力する。また、旋回用電動機２１の回転位置の変化は、レゾルバ２２によって検出される。
【００２６】
ＰＩ制御部３３は、減算器３２から入力される偏差に基づいてＰＩ制御を実行する。具体的には、ＰＩ制御部３３は、旋回速度の現在値が速度指令値に近づくようにトルク電流指令値を生成する。そして、ＰＩ制御部３３は、生成したトルク電流指令値をトルク制限部３４に対して出力する。
【００２７】
トルク制限部３４は、旋回制限制御部３０Ｂから入力されるトルクリミット値を用いて、ＰＩ制御部３３から入力されるトルク電流指令値をトルクリミット値以下に制限する。具体的には、トルク電流指令値がトルクリミット値以上であればトルクリミット値をトルク電流指令値として採用し、トルク電流指令値がトルクリミット値未満であればそのトルク電流指令値をそのまま採用する。そして、トルク制限部３４は、採用したトルク電流指令値を減算器３５に対して出力する。
【００２８】
減算器３５は、トルク電流指令値とトルク電流の現在値との偏差をＰＩ制御部３６に対して出力する。トルク電流の現在値は、例えば電流変換部３７が算出する値である。なお、電流変換部３７は、旋回用電動機２１を流れるモータ駆動電流の値を検出し、検出したモータ駆動電流の値をトルク電流指令値に相当する値に変換して減算器３５に出力する。
【００２９】
ＰＩ制御部３６は、減算器３５から入力される偏差に基づいてＰＩ制御を実行する。具体的には、ＰＩ制御部３６は、トルク電流の現在値がトルク電流指令値に近づくようにインバータ２０を駆動するための駆動指令値を生成する。そして、ＰＩ制御部３６は、生成した駆動指令値をＰＷＭ信号生成部４０に対して出力する。
【００３０】
ＰＷＭ信号生成部４０は、ＰＩ制御部３６から入力される駆動指令値に基づいて、インバータ２０のトランジスタをスイッチング制御するためのＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号をインバータ２０に対して出力する。
【００３１】
旋回制限制御部３０Ｂは、主に、確認部４１、判断部４２、抑制部４３、及び通知部４４を有する。
【００３２】
確認部４１は、作業要素の動作の内容を確認する確認機能を有する機能要素である。本実施形態では、確認部４１は、作業要素としての上部旋回体３の動作の内容を確認するため、インバータ２０及び旋回用電動機２１の動作の内容を確認する。
【００３３】
具体的には、確認部４１は、旋回動作検出部３８が出力する旋回速度の現在値に基づいて旋回用電動機２１が停止している或いは停止しているも同然の状態か（以下、「非旋回状態」とする。）、旋回用電動機２１が旋回している状態か（以下、「旋回状態」とする。）を確認する。より具体的には、確認部４１は、例えば、旋回速度の現在値が所定値未満であれば、非旋回状態と判断する。また、確認部４１は、旋回速度の現在値に基づく代わりに或いはそれに加えて、操作装置２６の操作内容、速度指令値等に基づいて旋回状態か非旋回状態かを判断してもよい。
【００３４】
なお、非旋回状態は、旋回操作が行われていない場合の他、旋回操作が行われている場合にも発生し得る。具体的には、例えば旋回押し付け作業が行われている場合にも発生し得る。旋回押し付け作業は、上部旋回体３を旋回させてアタッチメントの側面を土砂等に接触させる作業であり、例えば、バケット６の外側面で土砂を押しのける際に実行される。
【００３５】
また、確認部４１は、モータ温度センサＳ１、ＩＰＭ温度センサＳ２、電子サーマル負荷率センサＳ３等の出力に基づいて旋回用電動機２１の負荷レベルを確認する。具体的には、確認部４１は、例えば、旋回用電動機２１の負荷レベルが「通常レベル」、「制限レベル」、又は「停止レベル」の何れであるかを確認する。
【００３６】
「通常レベル」は、旋回作業に関連する要素の全てがその旋回作業を継続するのに問題のない状態にある負荷レベルを意味する。また、「制限レベル」は、旋回作業に関連する要素の少なくとも一部がその旋回作業を停止させる必要はないがこのまま継続させると問題を引き起こすおそれがある状態にある負荷レベルを意味する。また、「停止レベル」は、旋回作業に関連する要素の少なくとも一部がその旋回作業を停止させなければ問題を引き起こすおそれがある状態にある負荷レベルを意味する。
【００３７】
このようなシステム設計により、確認部４１は、「通常レベル」にある負荷レベルが「停止レベル」になる前の状態を「制限レベル」として確認できる。そのため、確認部４１は、負荷レベルが「制限レベル」になったときに、「停止レベル」になったときとは異なる旋回用電動機２１の制御が行われるのを可能にする。これは、旋回用電動機２１の制御の自由度を高めることができるという点で有利である。負荷レベルが「停止レベル」になると旋回作業を停止させなければならず、実行可能な制御の内容が制限されるためである。
【００３８】
本実施形態では、確認部４１は、例えば、モータ温度センサＳ１が出力する旋回用電動機２１のモータ温度に基づいて旋回用電動機２１の負荷レベルを「０」〜「５」の６段階で判定する。なお、モータ温度が高い程、旋回用電動機２１の負荷レベルは、最大レベル「５」に向かって増大する。また、確認部４１は、ＩＰＭ温度センサＳ２が出力するＩＰＭ最大温度に基づいてインバータ２０の負荷レベルを「０」〜「５」の６段階で判定する。この場合も同様に、インバータ２０の負荷レベルは、ＩＰＭ最大温度が高い程、最大レベル「５」に向かって増大する。また、確認部４１は、電子サーマル負荷率センサＳ３が出力する電子サーマル負荷率に基づいて旋回用電動機２１の負荷レベルを「０」〜「５」の６段階で判定する。この場合も同様に、旋回用電動機２１の負荷レベルは、電子サーマル負荷率が高い程、最大レベル「５」に向かって増大する。なお、本実施形態では、負荷レベル「０」、「１」、「２」が「通常レベル」に相当し、負荷レベル「３」、「４」が「制限レベル」に相当し、負荷レベル「５」が「停止レベル」に相当する。
【００３９】
また、本実施形態では、確認部４１は、負荷レベル判定用テーブルを用いて負荷レベルを判定する。負荷レベル判定用テーブルは、例えば、旋回用電動機２１のモータ温度と「０」〜「５」の６段階のうちの何れかを対応付ける対応表である。確認部４１は、取得した旋回用電動機２１のモータ温度を用いて負荷レベル判定用テーブルを参照し、「０」〜「５」の６段階のうちの何れかを負荷レベルとして導き出す。ＩＰＭ最大温度又は電子サーマル負荷率に基づいて負荷レベルを導き出す場合も同様である。但し、確認部４１は、演算式を用いて負荷レベルを導出してもよく、他の公知の手法を用いて負荷レベルを導出してもよい。
【００４０】
その後、確認部４１は、導き出された複数の負荷レベルに基づいて最終的な負荷レベルを決定する。本実施形態では、確認部４１は、モータ温度に基づく負荷レベル、ＩＰＭ最大温度に基づく負荷レベル、及び電子サーマル負荷率に基づく負荷レベルの３つの負荷レベルのうちの最大のものを旋回用電動機２１の最終的な負荷レベルとして決定する。
【００４１】
なお、本実施形態では、３つの負荷レベルのそれぞれが「０」〜「５」の６段階で判定されるが、５段階以下又は７段階以上で判定されてもよい。また、３つの負荷レベルが互いに異なる段階数で判定されてもよい。
【００４２】
判断部４２は、旋回用電動機２１の制御状態の切り替えを判断する判断機能を有する機能要素である。本実施形態では、判断部４２は、確認部４１が確認した動作の内容に基づいて、旋回用電動機２１の制御状態の切り替えを判断する。
【００４３】
図４は、旋回用電動機２１の制御状態の状態遷移図であり、旋回用電動機２１の制御状態の切り替えを図解する。
【００４４】
具体的には、判断部４２は、確認部４１の確認結果に応じて、旋回用電動機２１の制御状態を「通常制御」、「制限制御」、「減速停止制御」、及び「停止制御（ブレーキＯＮ）」の４つの制御状態の何れかに設定する。
【００４５】
「通常制御」は、旋回用電動機２１の駆動に制限を加えない制御状態を意味する。本実施形態では、速度指令リミット値及びトルクリミット値を最大値とする制御状態を意味する。
【００４６】
「制限制御」は、旋回用電動機２１の駆動に制限を加える制御状態を意味する。本実施形態では、速度指令リミット値及びトルクリミット値を低減させた制御状態を意味する。なお、「制限制御」は、速度指令リミット値及びトルクリミット値の何れか一方を低減させた制御状態であってもよい。
【００４７】
「減速停止制御」は、旋回中の旋回用電動機２１を停止させる制御状態を意味する。本実施形態では、トルクリミット値を最大値とし、且つ、速度指令リミット値をゼロとする制御状態を意味する。トルクリミット値を最大値とすることは、制動トルクができるだけ大きくなるようにして旋回用電動機２１をできるだけ迅速に停止させることを意味する。
【００４８】
「停止制御（ブレーキＯＮ）」は、旋回用電動機２１を停止させる制御状態を意味する。本実施形態では、メカニカルブレーキ２３を作動させ、且つ、旋回用電動機２１のサーボ機構をオフする制御状態を意味する。なお、サーボ機構のオフによって、旋回用電動機２１に対する電流供給が遮断される。
【００４９】
また、判断部４２は、所定の遷移条件が満たされた場合に、旋回用電動機２１の制御状態を切り替える。
【００５０】
具体的には、旋回用電動機２１の制御状態が「通常制御」の場合、旋回速度がほぼゼロになり、且つ、負荷レベルが「制限レベル」になると、判断部４２は、「通常制御」を「制限制御」に切り替える。また、負荷レベルが「停止レベル」になると、判断部４２は、「通常制御」を「減速停止制御」に切り替える。
【００５１】
また、旋回用電動機２１の制御状態が「制限制御」の場合、旋回速度がほぼゼロになり、且つ、負荷レベルが「通常レベル」になると、判断部４２は、「制限制御」を「通常制御」に切り替える。また、負荷レベルが「停止レベル」になると、判断部４２は、「制限制御」を「減速停止制御」に切り替える。また、速度指令値が示す旋回方向とは反対の方向への旋回（以下、「逆旋回」とする。）が確認部４１によって確認されたときにも、判断部４２は、「制限制御」を「停止制御」に切り替える。
【００５２】
また、旋回用電動機２１の制御状態が「減速停止制御」の場合、旋回速度がほぼゼロになるか、或いは、減速停止制御開始後の経過時間が設定時間に達すると、判断部４２は、「減速停止制御」を「停止制御（ブレーキＯＮ）」に切り替える。
【００５３】
また、旋回用電動機２１の制御状態が「停止制御（ブレーキＯＮ）」の場合、負荷レベルが「通常レベル」になると、判断部４２は、「停止制御（ブレーキＯＮ）」を「通常制御」に切り替える。
【００５４】
図５は、旋回用電動機２１の負荷レベルと制御状態との関係を示す。なお、図５上図は、旋回用電動機２１が非旋回状態にある場合の関係を示し、図５下図は、旋回用電動機２１が旋回状態にある場合の関係を示す。
【００５５】
非旋回状態（旋回速度≒０の状態）にある旋回用電動機２１の制御状態が「通常制御」の場合、確認部４１によって負荷レベルが「制限レベル」である「３」まで上昇したことが確認されると、判断部４２は、「通常制御」を「制限制御」に切り替える。なお、図５では、制御状態の切り替えを実線の矢印で示す。
【００５６】
また、非旋回状態（旋回速度≒０の状態）にある旋回用電動機２１の制御状態が「制限制御」の場合、確認部４１によって負荷レベルが「停止レベル」である「５」まで上昇したことが確認されると、判断部４２は、「減速停止制御」を介して「制限制御」を「停止制御」に切り替える。一方、確認部４１によって負荷レベルが「通常レベル」である「２」まで低下したことが確認されると、判断部４２は、「制限制御」を「通常制御」に切り替える。なお、判断部４２は、「通常制御」を「制限制御」に切り替えるときの負荷レベルと、「制限制御」を「通常制御」に切り替えるときの負荷レベルとを異ならせることで制御状態が頻繁に切り替わるのを防止する。
【００５７】
また、非旋回状態（旋回速度≒０の状態）にある旋回用電動機２１の制御状態が「停止制御」の場合に、確認部４１によって負荷レベルが「通常レベル」である「２」まで低下したことが確認されると、判断部４２は、「停止制御」を「通常制御」に切り替える。
【００５８】
一方、旋回用電動機２１が旋回状態にある場合、すなわち、旋回用電動機２１の旋回速度が所定値以上の場合、判断部４２は、負荷レベルに関する条件が満たされたとしても、「通常制御」と「制限制御」との間の切り替えを保留する。なお、図５下図では、制御状態の切り替えが保留されたことを点線の矢印で示す。
【００５９】
具体的には、旋回状態にある旋回用電動機２１の制御状態が「通常制御」の場合に、確認部４１によって負荷レベルが「制限レベル」である「３」又は「４」まで上昇したことが確認されたとしても、判断部４２は、「制限制御」への切り替えを保留する。旋回速度又は操作性の急変を防止するためである。その後、確認部４１は、所定の制御周期毎に旋回用電動機２１が非旋回状態にあるか旋回状態にあるかを確認する。そして、旋回用電動機２１が旋回状態にある限り、判断部４２は、保留状態を維持する。一方、確認部４１によって旋回用電動機２１が非旋回状態にあることが確認されると、判断部４２は、保留状態を解除し、「通常制御」を「制限制御」に切り替える。なお、判断部４２は、保留状態を解除した後、負荷レベルが依然として「制限レベル」である「３」又は「４」にあることが確認された場合に「通常制御」を「制限制御」に切り替えてもよい。また、旋回用電動機２１が旋回状態であったとしても、確認部４１によって負荷レベルが「停止レベル」である「５」まで上昇したことが確認された場合には、判断部４２は、「減速停止制御」を介して「通常制御」を「停止制御」に切り替える。インバータ２０、旋回用電動機２１等への過負荷による焼損等の悪影響を防止するためである。
【００６０】
同様に、旋回状態にある旋回用電動機２１の制御状態が「制限制御」の場合に、確認部４１によって負荷レベルが「通常レベル」である「２」、「１」又は「０」まで低下したことが確認されたとしても、判断部４２は、「通常制御」への切り替えを保留する。旋回速度又は操作性の急変を防止するためである。その後、確認部４１は、所定の制御周期毎に旋回用電動機２１が非旋回状態にあるか旋回状態にあるかを確認する。そして、旋回用電動機２１が旋回状態にある限り、判断部４２は、保留状態を維持する。一方、確認部４１によって旋回用電動機２１が非旋回状態にあることが確認されると、判断部４２は、保留状態を解除し、「制限制御」を「通常制御」に切り替える。なお、判断部４２は、保留状態を解除した後、負荷レベルが依然として「通常レベル」である「２」、「１」、又は「０」にあることが確認された場合に「通常制御」を「制限制御」に切り替えてもよい。また、旋回用電動機２１が旋回状態であったとしても、確認部４１によって負荷レベルが「停止レベル」である「５」まで上昇したことが確認された場合には、判断部４２は、「減速停止制御」を介して「制限制御」を「停止制御」に切り替える。インバータ２０、旋回用電動機２１等への過負荷による焼損等の悪影響を防止するためである。
【００６１】
また、旋回状態にある旋回用電動機２１の制御状態が「制限制御」の場合に、逆旋回が確認部４１によって確認された場合にも、判断部４２は、「減速停止制御」を介して「制限制御」を「停止制御」に切り替える。このような状況は、例えば、ハイブリッドショベルが傾斜地に位置し、その傾斜地を登る方向に上部旋回体３を旋回させ或いはその旋回を停止させる際に「制限制御」の開始によってトルクが制限された場合に生じ得る。このような状況においても、判断部４２は、「減速停止制御」を介して「制限制御」を「停止制御」に切り替えることで、上部旋回体３の逆旋回を迅速に停止させることができる。
【００６２】
なお、本実施形態では、判断部４２は、「停止制御」を「制限制御」に切り替えることはない。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、判断部４２は、確認部４１によって負荷レベルが「制限レベル」である「４」又は「３」まで低下したことが確認された場合に、「停止制御」を「通常制御」に切り替えてもよい。
【００６３】
抑制部４３は、作業要素の動作の出力を少なくとも抑制する抑制機能を有する機能要素である。作業要素の動作の出力の抑制は、その出力を増大させないこと、その出力を低減させること、及び、その出力をほぼゼロにすることを含む。また、抑制機能は、作業要素の動作の出力をゼロにしてもよい。本実施形態では、抑制部４３は、旋回用電動機２１の負荷レベルに応じて作業要素としての上部旋回体３の旋回動作を抑制し或いは停止させる。具体的には、抑制部４３は、旋回用電動機２１の負荷レベルに応じて上部旋回体３の旋回速度を低減させ、或いは、上部旋回体３の旋回速度をほぼゼロにする。また、抑制部４３は、旋回用電動機２１の負荷レベルに応じて上部旋回体３の旋回加速度（減速度を含む。）を低減させ、或いは、上部旋回体３の旋回加速度をほぼゼロにしてもよい。
【００６４】
本実施形態では、抑制部４３は、判断部４２が「通常制御」を「制限制御」に切り替えた場合、速度指令リミット値及びトルクリミット値の少なくとも一方を低減させる。その結果、インバータ２０の出力は制限され、旋回用電動機２１の旋回動作は「通常制御」のときに比べて抑制される。反対に、抑制部４３は、判断部４２が「制限制御」を「通常制御」に切り替えた場合、速度指令リミット値及びトルクリミット値を最大値とする。その結果、インバータ２０の出力制限は解除され、旋回用電動機２１の旋回動作は「通常制御」のときの状態に復帰する。
【００６５】
また、抑制部４３は、判断部４２が「通常制御」又は「制限状態」を「減速停止制御」に切り替えた場合、トルクリミット値を最大値とし、且つ、速度指令リミット値をゼロとする。その結果、旋回中の旋回用電動機２１は、最大の制動トルクで停止させられる。
【００６６】
また、抑制部４３は、判断部４２が「減速停止制御」を「停止制御（ブレーキＯＮ）」に切り替えた場合、インバータ２０に対してオフ指令を出力してインバータ２０の出力を停止させ、且つ、メカニカルブレーキ２３に対してブレーキ指令を出力してメカニカルブレーキ２３による制動力を発生させる。その結果、旋回用電動機２１は、旋回中であるか否かにかかわらず、インバータ２０からの電流供給が強制的に遮断され、且つ、メカニカルブレーキ２３によって強制的に制動させられる。
【００６７】
また、抑制部４３は、判断部４２が「停止制御（ブレーキＯＮ）」を「通常制御」に切り替えた場合、速度指令リミット値及びトルクリミット値を最大値とする。その結果、旋回用電動機２１の旋回動作は「通常制御」のときの状態に復帰する。
【００６８】
通知部４４は、作業要素の状態を操作者に通知する通知機能を有する機能要素である。本実施形態では、通知部４４は、作業要素としての上部旋回体３の状態に応じて各種情報を出力する。
【００６９】
具体的には、通知部４４は、負荷レベルが「制限レベル」に達する直前であると判断した場合に警告を出力する。本実施形態では、通知部４４は、３つの負荷レベルの何れかがレベル「２」に達した場合に、音声出力部（図示せず。）から警報を出力させ、且つ、「過負荷注意」等の警告メッセージを表示部（図示せず。）に表示させる。なお、レベル「２」は、「通常レベル」のうち、「制限レベル」である「３」の直前のレベルである。
【００７０】
これにより、通知部４４は、例えば旋回押し付け作業が行われている場合に、旋回用電動機２１等が過負荷状態になるおそれがあることをより早期に操作者に伝えることができる。なお、旋回押し付け作業が行われている場合には電子サーマル負荷率が敏感に反応するため、モータ温度に基づく負荷レベル及びＩＰＭ最大温度に基づく負荷レベルが「通常レベル」のままであったとしても、確認部４１は、電子サーマル負荷率に基づいて負荷レベルを適切に確認することができる。
【００７１】
また、通知部４４は、判断部４２が制御状態を「制限制御」に切り替える際に、旋回用電動機２１の制御状態が「制限制御」になることを操作者に通知する。本実施形態では、通知部４４は、「制限運転中」等のメッセージを表示部に表示させる。なお、通知部４４は、制御状態が「制限制御」であることを知らせる特定の警告音を音声出力部から出力させてもよい。
【００７２】
また、通知部４４は、判断部４２が制御状態を「減速停止制御」に切り替える際に、旋回用電動機２１の制御状態が「減速停止制御」になることを操作者に通知する。本実施形態では、通知部４４は、「強制減速中」等のメッセージを表示部に表示させる。なお、通知部４４は、制御状態が「減速停止制御」であることを知らせる特定の警告音を音声出力部から出力させてもよい。
【００７３】
また、通知部４４は、判断部４２が制御状態を「停止制御（ブレーキＯＮ）」に切り替える際に、旋回用電動機２１の制御状態が「停止制御（ブレーキＯＮ）」になることを操作者に通知する。本実施形態では、通知部４４は、「強制停止中」等のメッセージを表示部に表示させる。なお、通知部４４は、制御状態が「停止制御（ブレーキＯＮ）」であることを知らせる特定の警告音を音声出力部から出力させてもよい。また、通知部４４は、旋回用電動機２１の制御状態が「通常状態」に復帰するまでの残り時間を推定し、その残り時間を表示部に表示させてもよい。これにより、操作者は、ＩＧオフする必要なしに旋回動作を再開できることを認識できる。
【００７４】
これにより、通知部４４は、旋回用電動機２１の制御状態が「制限制御」で且つ逆旋回が発生した場合に旋回用電動機２１が強制的に減速或いは停止させられるときにも、その減速又は停止が「減速停止制御」又は「停止制御（ブレーキＯＮ）」によるものであることを操作者に伝えることができる。なお、通知部４４は、減速又は停止の原因が逆旋回であることを出力してもよい。
【００７５】
図６は、旋回制限制御部３０Ｂによる制御の流れの一例を示す。具体的には、図６は、モータ温度、負荷レベル、トルクリミット値、及び速度指令リミット値の時間的推移を示す。
【００７６】
時刻ｔ０において、ハイブリッドショベルの操作者は、操作装置２６を用いて旋回操作を開始する。このとき、旋回用電動機２１の制御状態は「通常制御」にあり、負荷レベルは「通常レベル」にある。また、トルクリミット値は、最大値であるＴ１［％］に設定され、且つ、速度指令リミット値は、最大値である１００［％］に設定されている。なお、トルクリミット値の最大値Ｔ１［％］は、定格トルク値に相当する１００［％］より大きい値である。また、確認部４１、判断部４２、抑制部４３、及び通知部４４は、それぞれが担当する処理を所定の制御周期で繰り返し実行する。
【００７７】
時刻ｔ１においてモータ温度が制限レベル移行閾値に達すると、確認部４１は、負荷レベルが「制限レベル」である「３」まで上昇したことを確認する。なお、制限レベル移行閾値は、負荷レベルを「通常レベル」から「制限レベル」に切り替える際の条件となる境界温度である。また、確認部４１は、旋回用電動機２１が非旋回状態にあるか旋回状態にあるかを確認する。
【００７８】
判断部４２は、負荷レベルが「制限レベル」にあり、且つ、旋回用電動機２１が非旋回状態にあると確認された場合、旋回用電動機２１の制御状態を「通常制御」から「制限制御」に切り替える。一方、判断部４２は、負荷レベルが「制限レベル」であっても、旋回用電動機２１が旋回状態であれば、「通常制御」から「制限制御」への切り替えを保留する。
【００７９】
旋回用電動機２１が時刻ｔ１において旋回状態であったとしても時刻ｔ２において非旋回状態となった場合、判断部４２は、保留状態を解除し、制御状態を「通常制御」から「制限制御」に切り替える。なお、判断部４２は、保留状態を解除した後、負荷レベルが依然として「制限レベル」であると確認された場合に、制御状態を「通常制御」から「制限制御」に切り替えてもよい。
【００８０】
抑制部４３は、制御状態が「通常制御」から「制限制御」に切り替えられると、トルクリミット値をＴ２［％］（Ｔ１＞Ｔ２＞１００）まで低減させ、且つ、速度指令リミット値をＶ１［％］（Ｖ１＜１００）まで低減させる。なお、図６は、時刻ｔ１において「通常制御」から「制限制御」への切り替えが保留され、且つ、時刻ｔ２においてその保留状態が解除されるトルクリミット値及び速度指令リミット値の推移を点線で示す。
【００８１】
通知部４４は、判断部４２が制御状態を「制限制御」に切り替える際に、「制限運転中」のメッセージを表示部に表示させる。
【００８２】
その後、時刻ｔ３においてモータ温度が通常レベル復帰閾値に達すると、確認部４１は、負荷レベルが「通常レベル」である「２」まで低下したことを確認する。なお、通常レベル復帰閾値は、負荷レベルを「制限レベル」から「通常レベル」に切り替える際の条件となる境界温度である。また、確認部４１は、旋回用電動機２１が非旋回状態にあるか旋回状態にあるかを確認する。
【００８３】
判断部４２は、負荷レベルが「通常レベル」にあり、且つ、旋回用電動機２１が非旋回状態にあると確認された場合、旋回用電動機２１の制御状態を「制限制御」から「通常制御」に切り替える。一方、判断部４２は、負荷レベルが「通常レベル」であっても、旋回用電動機２１が旋回状態であれば、「制限制御」から「通常制御」への切り替えを保留する。
【００８４】
旋回用電動機２１が時刻ｔ３において旋回状態であったとしても時刻ｔ４において非旋回状態となった場合、判断部４２は、保留状態を解除し、制御状態を「制限制御」から「通常制御」に切り替える。なお、判断部４２は、保留状態を解除した後、負荷レベルが依然として「通常レベル」であると確認された場合に、制御状態を「制限制御」から「通常制御」に切り替えてもよい。
【００８５】
抑制部４３は、制御状態が「制限制御」から「通常制御」に切り替えられると、トルクリミット値をＴ１に復帰させ、且つ、速度指令リミット値を１００［％］に復帰させる。なお、図６は、時刻ｔ３において「制限制御」から「通常制御」への切り替えが保留され、且つ、時刻ｔ４においてその保留状態が解除されるトルクリミット値及び速度指令リミット値の推移を点線で示す。
【００８６】
通知部４４は、判断部４２が制御状態を「通常制御」に切り替える際に、表示部に表示された「制限運転中」のメッセージを消去する。なお、通知部４４は、制御状態が「通常制御」に切り替えられたことを音声で操作者に伝えてもよい。
【００８７】
以上の構成により、本発明の一実施形態によるハイブリッドショベルでは、旋回用電動機２１の負荷レベルが「通常レベル」から「制限レベル」になると、旋回用電動機２１の動きを抑制する。また、旋回用電動機２１の負荷レベルが「制限レベル」になっても、旋回用電動機２１が旋回状態であれば、その抑制の実行を保留する。なお、旋回用電動機２１が非旋回状態であれば、その抑制の実行を保留しない。これにより、旋回速度の急変を防止でき、より適切なタイミングで上部旋回体３の旋回動作を抑制或いは停止できる。また、旋回用電動機２１の負荷レベルが比較的上昇し易い場合であっても、旋回用電動機２１の停止を回避しながら旋回用電動機２１を連続的に動作させることができ、旋回用電動機２１の小型化を促進できる。
【００８８】
また、コントローラ３０は、確認機能を有する確認部４１、判断機能を有する判断部４２、及び抑制機能を有する抑制部４３を別個独立の機能要素として有する。そのため、各機能の独立性を高め、各機能の改良等の効率を高めることができる。但し、確認部４１、判断部４２、及び抑制部４３は、物理的に分離されている必要はない。また、ＣＰＵ、内部メモリ等の処理部が個別に用意される必要もない。個々の機能を実現するために、ソフトウェア的にプログラムされ、或いは、ハードウェア的に構成されていれば十分である。
【００８９】
また、判断部４２は、抑制を保留した後に、制御周期毎に得られる確認部４１の確認結果に基づいて、その保留状態を維持するか解除するかを判断し、その判断結果に応じて保留状態の維持又は解除を実行してもよい。これにより、コントローラ３０は、「通常制御」から「制限制御」への切り替わりを保留した場合であっても、条件が満たされ次第、速やかに「通常制御」を「制限制御」に切り替えることができる。
【００９０】
また、判断部４２は、保留状態を解除した後、抑制機能による抑制を実行するか否かを改めて判断してもよい。これにより、判断部４２は、例えば、負荷レベルが「通常レベル」に戻っているにもかかわらず「通常制御」を「制限制御」に切り替えるといった無駄な切り替えを防止できる。
【００９１】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００９２】
例えば、上述の実施形態において、本発明は、作業要素としての上部旋回体３の旋回動作を適切なタイミングで抑制或いは停止させるために用いられる。しかしながら、本発明は、この構成に限定されるものではない。例えば、本発明は、他の電動作業要素の動作を適切なタイミングで抑制或いは停止させるために用いられてもよい。
【００９３】
また、上述の実施形態において、抑制部４３は、判断部４２が「通常制御」を「制限制御」に切り替えた場合、旋回用電動機２１の駆動に制限を加えるために、速度指令生成部３１に対する速度指令リミット値、及び、トルク制限部３４に対するトルクリミット値を低減させる。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。抑制部４３は、例えば、ＰＩ制御部３６に対して駆動指令リミット値を出力し、ＰＩ制御部３６が出力する駆動指令値を低減させることで旋回用電動機２１の駆動を制限してもよい。また、抑制部４３は、ＰＷＭ信号生成部４０に対して制御信号を出力し、ＰＷＭ信号生成部４０が出力するＰＷＭ信号のデューティ比を低減させることで旋回用電動機２１の駆動を制限してもよい。また、抑制部４３は、インバータ２０に対して制御信号を出力し、インバータ２０が出力するモータ駆動電流を低減させることで旋回用電動機２１の駆動を制限してもよい。
【００９４】
また、上述の実施形態において、抑制部４３は、判断部４２が「通常制御」又は「制限状態」を「減速停止制御」に切り替えた場合、旋回中の旋回用電動機２１を最大の制動トルクで停止させるために、トルクリミット値を最大値とし、且つ、速度指令リミット値をゼロとする。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。抑制部４３は、例えば、ＰＷＭ信号生成部４０に対して制御信号を出力し、ＰＷＭ信号生成部４０が出力するＰＷＭ信号のデューティ比を増大させることで旋回中の旋回用電動機２１を最大の制動トルクで停止させてもよい。また、抑制部４３は、インバータ２０に対して制御信号を出力し、インバータ２０が出力するモータ駆動電流を増大させることで旋回中の旋回用電動機２１を最大の制動トルクで停止させてもよい。
【符号の説明】
【００９５】
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・・・減速機  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  １８・・・インバータ  １９・・・蓄電装置  １９ａ・・・昇降圧コンバータ  １９ｂ・・・ＤＣバス  ２０・・・インバータ  ２１・・・旋回用電動機  ２１Ａ・・・出力軸  ２２・・・レゾルバ  ２３・・・メカニカルブレーキ  ２４・・・旋回減速機  ２５・・・パイロットライン  ２６・・・操作装置  ２７、２８・・・油圧ライン  ２９・・・圧力センサ  ３０・・・コントローラ  ３０Ａ・・・旋回制御部  ３０Ｂ・・・旋回制限制御部  ３１・・・速度指令生成部  ３２・・・減算器  ３３・・・ＰＩ制御部  ３４・・・トルク制限部  ３５・・・減算器  ３６・・・ＰＩ制御部  ３７・・・電流変換部  ３８・・・旋回動作検出部  ４０・・・ＰＷＭ信号生成部  ４１・・・確認部  ４２・・・判断部  ４３・・・抑制部  ４４・・・通知部  １２０・・・蓄電系  Ｓ１・・・モータ温度センサ  Ｓ２・・・ＩＰＭ温度センサ  Ｓ３・・・電子サーマル負荷率センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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